Produit scalaire hermitien [L3]
dans Algèbre
Bonjour à tous,
Soit $(E,(.|.))$ l'espace préhilbertien des fonctions $\mathcal{C}^\infty$ de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{C}$ à décroissance rapide (ie. $\rightarrow 0$ en $\pm \infty$ plus vite que l’inverse de tout monôme $x^{-n}$), et : $(f,g)\mapsto (f|g)=\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}\overline{f}(x)g(x)\mathrm{d}x$.
a) soit $a : y\mapsto a[y]$ avec $a[y](x)=y’(x)+xy(x)$ l’opérateur linéaire sur $E$. Déterminer l'adjoint de $a$.
b) soit $a^\dagger : y\mapsto a^\dagger[y](x)$ l’opérateur linéaire sur $E$ tel que $a^\dagger[y](x)=-y’(x)+xy(x)$. Calculer $M=\displaystyle\frac{1}{2}aa^\dagger$ et $N=\displaystyle\frac{1}{2}a^\dagger a$. En déduire que $M – N = \mathrm{Id}_E$.
c) soit la fonction définie par $f_0(x)=\displaystyle e^{-\frac{x^2}{2}} (f_0\in E)$. Calculer $a[f_0]$ et $f_1=a^\dagger[f_0]$.
d) $\forall n\in \mathbb{N}$, on définit par récurrence $f_{n+1}=a^\dagger[f_n]$. En se servant de $M – N = \mathrm{Id}_E$, montrer que $a[f_{n+1}]=2(n+1)f_n$. En déduire que $f_n$ est un vecteur propre de $N$ associé à la valeur propre $n$.
e) montrer que $N$ est autoadjoint. En déduire la valeur du produit scalaire hermitien $(f_{n_1}|f_{n_2}), n_1\neq n_2$.
Mes réponses :
a) pour l’adjoint, j’ai trouvé : $a^\star[g] = xg(x)-g’(x)$. Correct ?
b) j’ai calculé $M = \displaystyle\frac{1}{2} a[a^\dagger[y]](x)=\frac{1}{2}\left[-y’’(x)+xy’(x)+x’y(x)+x(-y’(x)+xy(x))\right]$, puis j’ai trouvé pour $N=\displaystyle\frac{1}{2} a^\dagger[a[y]](x)=\frac{1}{2}\left[-y’’(x)-xy’(x)-x’y(x)+x(y’(x)+xy(x))\right]$. Mais en faisant la différence, je ne trouve ce qui est demandé dans l’énoncé.
Pouvez-vous m'aider à trouver ce qui ne va pas ? (si vous voulez mes calculs intermédiaires, n'hésitez pas à me les demander).
c) j'ai trouvé $a[f_0]=0$ et $f_1=2x e^{-\frac{x^2}{2}}$. Correct ?
d) d'après la récurrence donnée dans l'énoncé, j'ai écrit $a[f_{n+1}]=a[a^\dagger[f_n]]$, mais ensuite, je suis un peu perdu sur comment procéder. Des indications ne seraient pas de refus.
e) il faut montrer que $N=N^\star$ à priori... Pour la suite, faudrait que j'y réfléchisse.
Merci à tous ceux qui prendront le temps de m'aider
analysemaths.
Soit $(E,(.|.))$ l'espace préhilbertien des fonctions $\mathcal{C}^\infty$ de $\mathbb{R}$ dans $\mathbb{C}$ à décroissance rapide (ie. $\rightarrow 0$ en $\pm \infty$ plus vite que l’inverse de tout monôme $x^{-n}$), et : $(f,g)\mapsto (f|g)=\displaystyle\int_{-\infty}^{+\infty}\overline{f}(x)g(x)\mathrm{d}x$.
a) soit $a : y\mapsto a[y]$ avec $a[y](x)=y’(x)+xy(x)$ l’opérateur linéaire sur $E$. Déterminer l'adjoint de $a$.
b) soit $a^\dagger : y\mapsto a^\dagger[y](x)$ l’opérateur linéaire sur $E$ tel que $a^\dagger[y](x)=-y’(x)+xy(x)$. Calculer $M=\displaystyle\frac{1}{2}aa^\dagger$ et $N=\displaystyle\frac{1}{2}a^\dagger a$. En déduire que $M – N = \mathrm{Id}_E$.
c) soit la fonction définie par $f_0(x)=\displaystyle e^{-\frac{x^2}{2}} (f_0\in E)$. Calculer $a[f_0]$ et $f_1=a^\dagger[f_0]$.
d) $\forall n\in \mathbb{N}$, on définit par récurrence $f_{n+1}=a^\dagger[f_n]$. En se servant de $M – N = \mathrm{Id}_E$, montrer que $a[f_{n+1}]=2(n+1)f_n$. En déduire que $f_n$ est un vecteur propre de $N$ associé à la valeur propre $n$.
e) montrer que $N$ est autoadjoint. En déduire la valeur du produit scalaire hermitien $(f_{n_1}|f_{n_2}), n_1\neq n_2$.
Mes réponses :
a) pour l’adjoint, j’ai trouvé : $a^\star[g] = xg(x)-g’(x)$. Correct ?
b) j’ai calculé $M = \displaystyle\frac{1}{2} a[a^\dagger[y]](x)=\frac{1}{2}\left[-y’’(x)+xy’(x)+x’y(x)+x(-y’(x)+xy(x))\right]$, puis j’ai trouvé pour $N=\displaystyle\frac{1}{2} a^\dagger[a[y]](x)=\frac{1}{2}\left[-y’’(x)-xy’(x)-x’y(x)+x(y’(x)+xy(x))\right]$. Mais en faisant la différence, je ne trouve ce qui est demandé dans l’énoncé.
Pouvez-vous m'aider à trouver ce qui ne va pas ? (si vous voulez mes calculs intermédiaires, n'hésitez pas à me les demander).
c) j'ai trouvé $a[f_0]=0$ et $f_1=2x e^{-\frac{x^2}{2}}$. Correct ?
d) d'après la récurrence donnée dans l'énoncé, j'ai écrit $a[f_{n+1}]=a[a^\dagger[f_n]]$, mais ensuite, je suis un peu perdu sur comment procéder. Des indications ne seraient pas de refus.
e) il faut montrer que $N=N^\star$ à priori... Pour la suite, faudrait que j'y réfléchisse.
Merci à tous ceux qui prendront le temps de m'aider
analysemaths.
Réponses
-
Bonjour,
pour le a), la réponse est donnée dans le b) : ton calcul est correct.
pour le b), tu fais une erreur de calcul : on a $a^+(u) = -u'+xu$ et on a $a(v) = v'+xv$ donc $a(a^+(y)) = a(-y'+xy) = (-y'+xy)' + x(-y'+xy)$... je te laisse trouver que $a(a^+(y)) =-y''+x^2y+y.$
pour le c), ton calcul est correct.
pour le d), initialise la récurrence et utilise la relation entre $N$ et $M$. -
Bonjour,
Merci YvesM pour ta réponse. J'ai refait mon calcul, dont voici les détails (j'ai enlevé la dépendance en $x$ qui alourdit visuellement le calcul).
Soit : $a[y]=y'+xy$ et $a^\dagger[y]=-y'+xy$.
Calculons $M[y]=\frac{1}{2} a[a^\dagger[y]]=\frac{1}{2} a[-y'+xy]$.
Posons $\lambda=-y'+xy$ et $\lambda'=(-y'+xy)'$, ainsi : $M=\frac{1}{2} a[\lambda] = \frac{1}{2}[\lambda'+x\lambda]$, par définition de $a$.
Il vient donc : $ M=\frac{1}{2}[(-y'+xy)'+x(-y'+xy)]=\frac{1}{2}[-y''+y+xy'-xy'+x^2y]=\frac{1}{2}[-y''+y+x^2y]$, et effectivement, je retrouve bien votre résultat.
Ensuite, calculons $N[y]=\frac{1}{2}a^\dagger[a[y]]=\frac{1}{2}a^\dagger[y'+xy]$.
Posons $\mu = y'+xy$ et $\mu' = (y'+xy)'$, ainsi : $N =\frac{1}{2} a^\dagger[\mu]=\frac{1}{2}[-\mu'+x\mu]$, par définition de $a^\dagger$.
Il vient donc : $N=\frac{1}{2}[-((y'+xy)')+x(y'+xy)]=\frac{1}{2}[-(y''+y+xy')+xy'+x^2y]=\frac{1}{2}[-y''-y+x^2y]$.
En effectuant la différence : $M - N = \frac{1}{2}[-y''+y+x^2y]-\frac{1}{2}[-y''-y+x^2y]=\frac{1}{2}[-y''+y+x^2y+y''+y-x^2y]$, et ainsi : $M-N=y$.
Merci infiniment YvesM ! Je vais chercher la question 4.
analysemaths.
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