Commutateur (opérateur)

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Un commutateur est un opérateur introduit en mathématiques et étendu à la mécanique quantique.

En mathématiques

En mathématiques, le commutateur donne une idée assez imprécise de la façon dont une loi n'est pas commutative. Il existe plusieurs définitions utilisées en théorie des groupes et en théorie des anneaux.

En théorie des groupes

Soit un groupe et soient g et h deux éléments du groupe. On appelle commutateur de g et h l'élément du groupe défini par :

.

Remarque : Un commutateur représente en fait le défaut de « permutabilité » de deux éléments du groupe :

Le commutateur est égal à l'élément neutre du groupe si et seulement si g et h sont permutables (c'est-à-dire si ).

D'autre part, le sous-groupe engendré par l'ensemble des commutateurs est appelé le groupe dérivé noté D(G) ou le sous-groupe des commutateurs de G.

Si D(G) est réduit à l'élément neutre alors le groupe G est un groupe abélien.

Remarquons que nous devons considérer le sous-groupe engendré par les commutateurs parce qu'en général l'ensemble des commutateurs n'est pas fermé pour cette loi. Les commutateurs sont utilisés pour définir les groupes nilpotents.

Note : Certains auteurs préfèrent définir le commutateur de g et h par

.

Identités

Dans la suite, la loi est notée multiplicativement et l'expression a^x désigne le conjugué (par x) de l'élément a c'est-à-dire x ^{− 1}ax.

• [y,x] = [x,y] ^{− 1}
• [[x,y ^{− 1}],z]^y[[y,z ^{− 1}],x]^z[[z,x ^{− 1}],y]^x = 1
• [xy,z] = [x,z]^y[y,z]
• [x,yz] = [x,z][x,y]^z

Le deuxième identité est aussi connue sous le nom d'identité de Hall-Witt. Il s'agit d'une identité de la théorie des groupes analogue à l'identité de Jacobi de la théorie des commutateurs dans les anneaux (voir la section suivante).

En théorie des anneaux

Le commutateur de deux éléments a et b d'un anneau est défini par

Il est nul si et seulement si a et b sont permutables. En algèbre linéaire, si deux matrices commutent relativement à une base, alors elles commutent relativement à toute base.

En utilisant le commutateur comme un crochet de Lie, toute algèbre associative sur un corps peut être considérée comme une algèbre de Lie. Le commutateur de deux opérateurs sur un espace de Hilbert est un concept important en mécanique quantique puisqu'il mesure à quel point deux descriptions d'observables par des opérateurs peuvent être mesurés simultanément. Le principe d'incertitude est finalement un théorème sur les commutateurs.

De même, l'anticommutateur est défini comme ab + ba, souvent écrit noté {a,b}. Voir aussi crochet de Poisson.

Identités

Un commutateur vérifie les propriétés suivantes:

Relation d'algèbre de Lie :

• [a,b] = − [b,a]
• [a,a] = 0
• [a,[b,c]] + [b,[c,a]] + [c,[a,b]] = 0

Relations supplémentaires :

• [a,bc] = [a,b]c + b[a,c]
• [ab,c] = a[b,c] + [a,c]b
• [a,bc] = [ab,c] + [ca,b]
• [abc,d] = ab[c,d] + a[b,d]c + [a,d]bc

Si a est un élément donné d'un anneau A, la première relation d'addition peut aussi être interprétée comme la règle de dérivation d'un produit d'une application donnée par . En d'autres termes, l'application D_a définit une dérivation sur l'anneau A.

En mécanique quantique

En mécanique quantique, le commutateur de deux opérateurs A et B est : [A,B] = AB − BA. Appliqué à une fonction d'onde, un commutateur permet de savoir s'il est possible de mesurer deux grandeurs relatives à cette fonction d'onde simultanément.

Exemple  :

On définit en réalisation X les deux opérateurs suivants :

• A = x, opérateur de position (position sur l'axe Ox);
• , opérateur de vitesse (suivant l'axe Ox).

Alors le commutateur appliqué à une fonction d'onde Ψ(x) donne :

On a donc finalement . Le commutateur n'est pas nul, donc les deux opérateurs ne sont pas commutatifs. Alors selon le principe d'incertitude de Heisenberg, les deux grandeurs que sont la position et la vitesse ne sont pas mesurables simultanément.

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