Komplexifizierung

Komplexifizierung

In der linearen Algebra ist eine Komplexifizierung eine Operation, die einem reellen Vektorraum einen komplexen Vektorraum zuordnet, der sehr ähnliche Eigenschaften hat.

Inhaltsverzeichnis

Definition

Es gibt zwei unterschiedliche Möglichkeiten die Komplexifizierung eines reellen Vektorraums zu definieren. Die zwei Möglichkeiten, die nun vorgestellt werden, sind äquivalent.

Mittels der direkten Summe

Sei V ein Vektorraum über dem Körper der reellen Zahlen \R. Die Komplexifizierung von V ist die direkte Summe

V_{\C} = V \oplus V = V \times V.

Auf dem neuen Raum wird die Addition komponentenweise

(x,\, y) + (x',\, y') = (x + x',\, y + y')

und die Skalarmultiplikation mit \alpha + \beta i \in\C durch

(\alpha + \beta i)(x,\,y) = \left(\alpha x - \beta y ,\, \beta x + \alpha y\right)

definiert.

Dies macht V_\C zu einem Vektorraum über dem Körper der komplexen Zahlen \C.

In Analogie zur Schreibweise komplexer Zahlen schreibt man für das Paar (x,y) \in V_{\C} auch x + yi.

Mittels des Tensorprodukts

Man kann die Komplexifizierung auch durch das Tensorprodukt definieren:

V_{\C} = V \otimes_\R \C.

Dann ist die Skalarmultiplikation mit a \in \mathbb{C} durch \operatorname{id} \otimes a gegeben, d. h., für x \otimes b \in V_{\C} mit x \in V und b \in \C gilt

a (x \otimes b) = x \otimes (a b).

Beispiele

  • Die Komplexifizierung des euklidischen Raumes \R^n ergibt den unitären Raum \C^n.
  • Die Komplexifizierung des Vektorraums \R^{m \times n} der m \times n-Matrizen mit reellen Einträgen ergibt den Vektorraum \C^{m\times n} der Matrizen mit komplexen Einträgen. Die Komplexifizierung abstrahiert also die einfache Tatsache, dass man reelle Zahlen insbesondere auch als komplexe Zahlen auffassen kann.

Eigenschaften

  • Der reelle Vektorraum V lässt sich mittels der Einbettung x \mapsto x + 0i als reeller Untervektorraum von V_{\C} auffassen. Dabei ist x + yi \in V_{\C} genau dann in V, wenn y = 0 gilt.
  • Auf V_{\C} ist auf natürliche Weise eine Involution \overline{x + yi} = x - yi definiert, die der komplexen Konjugation entspricht. Ein z \in V_{\C} liegt genau dann in V, wenn \overline{z} = z gilt.
  • Ist (xj) eine Basis von V, so ist (xj + i0) eine Basis des \C-Vektorraums V_\mathbb{C}. Insbesondere haben der reelle Vektorraum V und der komplexe Vektorraum V_{\C} die gleiche Dimension.

Komplexifizierung linearer Abbildungen

Definition

Jede \R-lineare Abbildung f \colon V \rightarrow W liefert eine \mathbb{C}-lineare Abbildung f_\mathbb{C} \colon  V_\mathbb{C} \rightarrow W_\mathbb{C} definiert durch

f_\mathbb{C} (x + yi) = f(x) + f(y)i.

Eigenschaften

Für die komplexifizierte Abbildung f_\mathbb{C} \colon  V_\mathbb{C} \rightarrow W_\mathbb{C} gilt:

  • f_\mathbb{C}(\overline{z}) = \overline{f_\mathbb{C}(z)} für alle z \in V_\mathbb{C}
  • (\operatorname{Id}_V)_\mathbb{C} = \operatorname{Id}_{(V_{\mathbb{C}})}
  • (f \circ g)_\mathbb{C} = f_\mathbb{C} \circ g_\mathbb{C}
  • Die darstellende Matrix von f bezüglich der Basis (xj) ist gleich der darstellenden Matrix von f_\mathbb{C} bezüglich der Basis (xj + 0i).

Ist die zu betrachtende lineare Abbildung f_\mathbb{C} \colon  V_\mathbb{C} \rightarrow V_\mathbb{C} ein Endomorphismus, dann gilt außerdem:

Komplexifizierte Matrizen sind häufig einfacher zu beschreiben, als das reelle Original. So ist zum Beispiel jede komplexe Matrix trigonalisierbar, wobei die oben erwähnten normalen Matrizen sich sogar diagonalisieren lassen.

Komplexifizierung von Bilinearformen und Skalarprodukten

Definition

Zu einer Bilinearform \Phi \colon V \times V \rightarrow \R gibt es eine Sesquilinearform \Phi_\mathbb{C} \colon V_\mathbb{C} \times V_\mathbb{C} \rightarrow \mathbb{C} gegeben durch

\Phi_\mathbb{C}(x + yi, x' + y'i) = \Phi(x,x') + \Phi(y,y') + i(\Phi(y,x') - \Phi(x,y')).

Es gilt \Phi_{\mathbb{C}|V \times V} = \Phi, die Einschränkung von \Phi_\mathbb{C} auf V \times V ist also wieder Φ.

Eigenschaften

  • Die Form Φ ist genau dann ein reelles Skalarprodukt, wenn \Phi_\mathbb{C} ein komplexes Skalarprodukt ist. Da das komplexe Skalarprodukt einfacher zu beschreiben ist als das reelle, komplexifiziert man es, um dann im komplexen Raum weiterzuarbeiten.
  • Ist V euklidisch mit Skalarprodukt Φ und V_\mathbb{C} der dazugehörige unitäre Vektorraum mit Skalarprodukt \Phi_\mathbb{C} so gilt (f^*)_\mathbb{C} = (f_\mathbb{C})^*. Das heißt, die Operation der Komplexifizierung der Adjunktion können vertauscht werden. Daraus folgt, dass die Komplexifizierung gewisse Eigenschaften einer linearen Abbildung erhält. Die Abbildung f \colon V \rightarrow V hat also genau dann eine der folgenden Eigenschaften, wenn auch f_\mathbb{C} \colon V_\mathbb{C} \rightarrow V_\mathbb{C} sie hat:

Komplexifizierung einer Lie-Algebra

Es sei \mathfrak{g} eine Lie-Algebra über dem Körper \R. Die Komplexifizierung der Lie-Algebra \mathfrak{g} ist die Lie-Algebra \mathfrak{g}\C, die analog zum komplexifizierten Vektorraum durch

\mathfrak{g}\C := \mathfrak{g} \otimes_\R \C

definiert ist.

Auch die Komplexifizierung einer Lie-Algebra kann als Erweiterung des zugrundeliegenden Körpers der Lie-Algebra von \R auf den Körper \C aufgefasst werden. Ein Element der Lie-Algebra \mathfrak{g}\C kann als Paar (u,v) mit u, v \in \mathfrak{g} verstanden werden. Die Operationen auf \mathfrak{g}\C sind dann definiert durch

\begin{align}
&(u_1, v_1) + (u_2, v_2) := (u_1 + u_2, v_1 + v_2)\\
&(\alpha + i \beta)(u_1,v_1) := (\alpha u_1 - \beta v_1, \alpha v_1 + \beta u_1) \quad \text{und}\\
&(u_1,u_2) \cdot (u_2,v_2) := (u_1 \cdot u_2 - v_1 \cdot v_2 , v_1 \cdot u_2 + u_1 \cdot v_2),
\end{align}

wobei \alpha, \beta  \in \R und  u_1, u_2, v_1, v_2 \in \mathfrak{g} gilt. Außerdem ist + die Addition und \, \cdot die Multiplikation in der Lie-Algebra.

Kategorientheorie

In der Sprache der Kategorientheorie ist die Komplexifizierung von Vektorräumen ein Funktor von der Kategorie der Vektorräume über den reellen Zahlen in die Kategorie der Vektorräume über den komplexen Zahlen. Die Morphismen der Kategorien sind jeweils die \mathbb{K}-linearen Abbildungen, wobei \mathbb{K} = \R für die reellen und \mathbb{K} = \C für die komplexen Vektorräume gilt. Der zu diesem Funktor rechts adjungierte Funktior ist der Vergiss-Funktor von der Kategorie komplexen Vektorräume in die Kategorie der reellen Vektorräume, der die komplexe Struktur der Räume „vergisst“.

Literatur


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  • Vektorraum — Vektoraddition und Multiplikation mit Skalaren: Ein Vektor v (blau) wird zu einem anderen Vektor w addiert (rot, oben). Unten wird w um einen Faktor 2 gestreckt, das Ergebnis ist die Summe v + 2·w. Ein Vektorraum oder linearer Raum ist eine… …   Deutsch Wikipedia

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