Для первого достаточно посмотреть свойства интегралов, их линейность, ну самосопряжённость там тоже не должна нарушаться.
Увы, нарушается. Даже при том, что "оператора интегрирования", строго говоря, не бывает.
проекция делается линейными методами, в смысле ничего нелинейного там нет, обычные матрицы
Отнюдь не матрицы.