Тензорное произведение гильбертовых пространств - Tensor product of Hilbert spaces

В математика, и в частности функциональный анализ, то тензорное произведение Гильбертовы пространства это способ расширить тензорное произведение построение так, что результатом взятия тензорного произведения двух гильбертовых пространств является другое гильбертово пространство. Грубо говоря, тензорное произведение - это метрическое пространство завершение обычного тензорного произведения. Это пример топологическое тензорное произведение. Тензорное произведение позволяет собрать гильбертовы пространства в симметричная моноидальная категория.^[1]

Определение

Поскольку гильбертовы пространства имеют внутренние продукты, хотелось бы ввести внутреннее произведение и, следовательно, топологию тензорного произведения, которое естественно возникает из произведений факторов. ПозволятьЧАС₁ иЧАС₂ два гильбертовых пространства со скалярными произведениями ${\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle _{1}}$ и ${\displaystyle \langle \cdot ,\cdot \rangle _{2}}$соответственно. Построить тензорное произведениеЧАС₁ иЧАС₂ как векторные пространства, как описано в статье о тензорные произведения. Мы можем превратить это тензорное произведение векторного пространства в внутреннее пространство продукта определяя

${\displaystyle \langle \phi _{1}\otimes \phi _{2},\psi _{1}\otimes \psi _{2}\rangle =\langle \phi _{1},\psi _{1}\rangle _{1}\,\langle \phi _{2},\psi _{2}\rangle _{2}\quad {\mbox{for all }}\phi _{1},\psi _{1}\in H_{1}{\mbox{ and }}\phi _{2},\psi _{2}\in H_{2}}$

и расширяясь за счет линейности. То, что это внутреннее произведение является естественным, подтверждается идентификацией скалярнозначных билинейных отображений на ЧАС₁ × ЧАС₂ и линейные функционалы от их тензорного произведения в векторном пространстве. Наконец, возьмите завершение под этим внутренним продуктом. Полученное гильбертово пространство является тензорным произведениемЧАС₁ иЧАС₂.

Явная конструкция

Тензорное произведение также можно определить без обращения к пополнению метрического пространства. Если ЧАС₁ и ЧАС₂ два гильбертовых пространства, каждый простой тензор товар ${\displaystyle x_{1}\otimes x_{2}}$ оператор ранга один из ${\displaystyle H_{1}^{*}}$ к ЧАС₂ который отображает данный ${\displaystyle x^{*}\in H_{1}^{*}}$ так как

${\displaystyle x^{*}\mapsto x^{*}(x_{1})\,x_{2}}$

Это распространяется на линейную идентификацию между ${\displaystyle H_{1}\otimes H_{2}}$ и пространство операторов конечного ранга из ${\displaystyle H_{1}^{*}}$ к ЧАС₂. Операторы конечного ранга вложены в гильбертово пространство ${\displaystyle HS(H_{1}^{*},H_{2})}$ из Операторы Гильберта – Шмидта от ${\displaystyle H_{1}^{*}}$ к ЧАС₂. Скалярное произведение в ${\displaystyle HS(H_{1}^{*},H_{2})}$ дан кем-то

${\displaystyle \langle T_{1},T_{2}\rangle =\sum _{n}\left\langle T_{1}e_{n}^{*},T_{2}e_{n}^{*}\right\rangle ,}$

где ${\displaystyle (e_{n}^{*})}$ - произвольный ортонормированный базис ${\displaystyle H_{1}^{*}.}$

При предыдущем отождествлении можно определить гильбертово тензорное произведение ЧАС₁ и ЧАС₂, которая изометрически и линейно изоморфна ${\displaystyle HS(H_{1}^{*},H_{2}).}$

Универсальная собственность

Тензорное произведение Гильберта ${\displaystyle H=H_{1}\otimes H_{2}}$ характеризуется следующими универсальная собственность (Кэдисон и Рингроуз 1997, Теорема 2.6.4):

Имеется слабо отображение Гильберта – Шмидта п : ЧАС₁ × ЧАС₂ → ЧАС такое, что для любого слабо отображения Гильберта – Шмидта L : ЧАС₁ × ЧАС₂ → K в гильбертово пространство K, существует единственный ограниченный оператор Т : ЧАС → K такой, что L = Tp.

Слабо отображение Гильберта-Шмидта L : ЧАС₁ × ЧАС₂ → K определяется как билинейное отображение, для которого действительное число d существует, такое что

${\displaystyle \sum _{i,j=1}^{\infty }{\big |}\left\langle L(e_{i},f_{j}),u\right\rangle {\big |}^{2}\leq d^{2}\,\|u\|^{2}}$

для всех ${\displaystyle u\in K}$ и один (следовательно, весь) ортонормированный базис е₁, е₂, ... из ЧАС₁ и ж₁, ж₂, ... из ЧАС₂.

Как и любое универсальное свойство, это характеризует тензорное произведение ЧАС однозначно, с точностью до изоморфизма. То же универсальное свойство с очевидными модификациями применимо и к тензорному произведению любого конечного числа гильбертовых пространств. По сути, это то же универсальное свойство, которое присуще всем определениям тензорных произведений, независимо от тензорных пространств: это означает, что любое пространство с тензорным произведением является симметричная моноидальная категория, и гильбертовы пространства являются частным примером этого.

Бесконечные тензорные произведения

Если ${\displaystyle H_{n}}$ представляет собой набор гильбертовых пространств и ${\displaystyle \xi _{n}}$ является набором единичных векторов в этих гильбертовых пространствах, то неполное тензорное произведение (или тензорное произведение Гишарде) является ${\displaystyle L^{2}}$ пополнение множества всех конечных линейных комбинаций простых тензорных векторов ${\displaystyle \otimes _{n=1}^{\infty }\psi _{n}}$ где почти все, кроме конечного числа ${\displaystyle \psi _{n}}$равняется соответствующему ${\displaystyle \xi _{n}}$.^[2]

Операторные алгебры

Позволять ${\displaystyle {\mathfrak {A}}_{i}}$ быть алгебра фон Неймана ограниченных операторов на ${\displaystyle H_{i}}$ для ${\displaystyle i=1,2.}$ Тогда тензорное произведение фон Неймана алгебр фон Неймана является сильным пополнением множества всех конечных линейных комбинаций простых тензорных произведений ${\displaystyle A_{1}\otimes A_{2}}$ где ${\displaystyle A_{i}\in {\mathfrak {A}}_{i}}$ для ${\displaystyle i=1,2.}$ Это в точности равно алгебре фон Неймана ограниченных операторов ${\displaystyle H_{1}\otimes H_{2}.}$ В отличие от гильбертовых пространств, можно брать бесконечные тензорные произведения алгебр фон Неймана, и в этом отношении C * -алгебры операторов, без определения ссылочных состояний.^[2] Это одно из преимуществ «алгебраического» метода квантовой статистической механики.

Свойства

Если ${\displaystyle H_{1}}$ и ${\displaystyle H_{2}}$ имеют ортонормированные базы ${\displaystyle \{\phi _{k}\}}$ и ${\displaystyle \{\psi _{l}\},}$ соответственно, то ${\displaystyle \{\phi _{k}\otimes \psi _{l}\}}$ ортонормированный базис для ${\displaystyle H_{1}\otimes H_{2}.}$ В частности, гильбертова размерность тензорного произведения - это произведение (как Количественные числительные ) размерностей Гильберта.

Примеры и приложения

Следующие примеры показывают, как естественно возникают тензорные произведения.

Учитывая два измерять пространства ${\displaystyle X}$ и ${\displaystyle Y}$, с мерами ${\displaystyle \mu }$ и ${\displaystyle \nu }$ соответственно, можно посмотреть на ${\displaystyle L^{2}(X\times Y)}$, пространство функций на ${\displaystyle X\times Y}$ которые интегрируемы с квадратом относительно меры произведения ${\displaystyle \mu \times \nu .}$ Если ${\displaystyle f}$ является квадратично интегрируемой функцией на ${\displaystyle X,}$ и ${\displaystyle g}$ является квадратично интегрируемой функцией на ${\displaystyle Y,}$ тогда мы можем определить функцию ${\displaystyle h}$ на ${\displaystyle X\times Y}$ от ${\displaystyle h(x,y)=f(x)g(y).}$ Определение меры произведения гарантирует, что все функции этой формы интегрируемы с квадратом, поэтому это определяет билинейное отображение ${\displaystyle L^{2}(X)\times L^{2}(Y)\to L^{2}(X\times Y).}$ Линейные комбинации функций вида ${\displaystyle f(x)g(y)}$ также в ${\displaystyle L^{2}(X\times Y)}$. Оказывается, что множество линейных комбинаций действительно плотно в ${\displaystyle L^{2}(X\times Y),}$ если ${\displaystyle L^{2}(X)}$ и ${\displaystyle L^{2}(Y)}$ отделимы.^{[нужна цитата ]} Это показывает, что ${\displaystyle L^{2}(X)\otimes L^{2}(Y)}$ является изоморфный к ${\displaystyle L^{2}(X\times Y),}$ и это также объясняет, почему нам нужно взять завершение при построении тензорного произведения гильбертова пространства.

Аналогичным образом можно показать, что ${\displaystyle L^{2}(X;H)}$, обозначая пространство квадратично интегрируемых функций ${\displaystyle X\to H}$, изоморфна ${\displaystyle L^{2}(X)\otimes H}$ если это пространство отделимо. Отображения изоморфизма ${\displaystyle f(x)\otimes \phi \in L^{2}(X)\otimes H}$ к ${\displaystyle f(x)\phi \in L^{2}(X;H)}$ Мы можем объединить это с предыдущим примером и заключить, что ${\displaystyle L^{2}(X)\otimes L^{2}(Y)}$ и ${\displaystyle L^{2}(X\times Y)}$ оба изоморфны ${\displaystyle L^{2}(X;L^{2}(Y)).}$

Тензорные произведения гильбертовых пространств часто возникают в квантовая механика. Если некоторая частица описывается гильбертовым пространством ${\displaystyle H_{1},}$ а другая частица описывается ${\displaystyle H_{2},}$ то система, состоящая из обеих частиц, описывается тензорным произведением ${\displaystyle H_{1}}$ и ${\displaystyle H_{2}.}$ Например, пространство состояний квантовый гармонический осциллятор является ${\displaystyle L^{2}(\mathbb {R} ),}$ поэтому пространство состояний двух осцилляторов ${\displaystyle L^{2}(\mathbb {R} )\otimes L^{2}(\mathbb {R} ),}$ который изоморфен ${\displaystyle L^{2}(\mathbb {R} ^{2})}$. Следовательно, двухчастичная система описывается волновыми функциями вида ${\displaystyle \psi (x_{1},x_{2}).}$ Более сложный пример дается Пространства Фока, которые описывают переменное количество частиц.

использованная литература

1. B. Coecke и E.O. Paquette, Категории для практикующего физика, в: New Structures for Physics, B. Coecke (ed.), Springer Lecture Notes in Physics, 2009. arXiv: 0905.3010
2. Браттели О. и Робинсон Д. Операторные алгебры и квантовая статистическая механика т.1, 2-е изд., стр. 144. Springer-Verlag, 2002.

Список используемой литературы

• Кадисон, Ричард V .; Рингроуз, Джон Р. (1997). Основы теории операторных алгебр. Vol. я. Аспирантура по математике. 15. Провиденс, Р.И.: Американское математическое общество. ISBN  978-0-8218-0819-1. Г-Н  1468229..
• Вайдманн, Иоахим (1980). Линейные операторы в гильбертовых пространствах. Тексты для выпускников по математике. 68. Берлин, Нью-Йорк: Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-90427-6. Г-Н  0566954..