Dans un espace de Hilbert H de dimension finie n, on considère un vecteur normalisé ∣u⟩ et l'opérateur
S^=1−2∣u⟩⟨u∣.
Question 1
Montrer que S^ est auto-adjoint et que S^2=1. En déduire que S^ est unitaire.
Solution
Le projecteur ∣u⟩⟨u∣ est auto-adjoint, donc S^ aussi. En développant, et en utilisant ⟨u∣u⟩=1,S^2=1−4∣u⟩⟨u∣+4∣u⟩⟨u∣u⟩⟨u∣=1−4∣u⟩⟨u∣+4∣u⟩⟨u∣=1.
Ainsi S^†S^=S^2=1 :S^ est unitaire. Un opérateur à la fois auto-adjoint et unitaire est son propre inverse.
Question 2
Déterminer les valeurs propres et les sous-espaces propres de S^. Calculer trS^ et detS^. Donner l'interprétation géométrique de S^ dans R3.
Solution
On a S^∣u⟩=∣u⟩−2∣u⟩=−∣u⟩ :∣u⟩ est vecteur propre de valeur propre −1. Pour tout ∣v⟩ orthogonal à ∣u⟩,S^∣v⟩=∣v⟩ : l'hyperplan {∣u⟩}⊥, de dimension n−1, est le sous-espace propre de valeur propre +1. On retrouve que les valeurs propres d'un opérateur à la fois unitaire et auto-adjoint, réelles et de module un, valent ±1. On en déduit trS^=(n−1)−1=n−2 et detS^=−1. On peut aussi écrire S^=P^⊥−∣u⟩⟨u∣, où P^⊥=1−∣u⟩⟨u∣ est le projecteur sur l'hyperplan. Dans R3,S^ conserve les vecteurs du plan orthogonal à ∣u⟩ et change le signe de la composante selon ∣u⟩ : c'est la symétrie orthogonale, ou réflexion, par rapport à ce plan.
Question 3
Dans C2, calculer S^ pour ∣u⟩=21(1,−1). Reconnaître le résultat.
Solution
On a ∣u⟩⟨u∣=21(1−1−11), d'où
S=(1001)−(1−1−11)=(0110)=σx.
La matrice de Pauli σx est la réflexion qui laisse invariant le vecteur 21(1,1) et change le signe de 21(1,−1). On peut l'interpréter, pour un photon, comme une lame qui échange les polarisations horizontale et verticale.
Question 4
Dans R3, on se donne ∣x⟩=(3,4,0) et ∣y⟩=(5,0,0), de même norme. Trouver un vecteur ∣u⟩ tel que S^∣x⟩=∣y⟩, et vérifier le résultat.
Indication
Une réflexion qui échange ∣x⟩ et ∣y⟩ doit changer le signe de ∣x⟩−∣y⟩.
Solution
La réflexion cherchée échange ∣x⟩ et ∣y⟩ ; elle change donc le signe de leur différence et conserve leur somme. Prenons ∣u⟩ colinéaire à ∣x⟩−∣y⟩=(−2,4,0), de norme 20 :∣u⟩=201(−2,4,0). Alors ⟨u∣x⟩=201(−6+16)=2010, et
S^∣x⟩=∣x⟩−2⟨u∣x⟩∣u⟩=(3,4,0)−2⋅2010(−2,4,0)=(3,4,0)−(−2,4,0)=(5,0,0)=∣y⟩.
Cette construction marche dès que ∥x∥=∥y∥ et que ⟨x∣y⟩ est réel : on vérifie alors que ∣x⟩+∣y⟩ est orthogonal à ∣x⟩−∣y⟩, donc invariant par la réflexion. Elle est très utilisée en analyse numérique pour amener une matrice à une forme triangulaire.