Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Л8_Евкл.дов. простори.doc
Скачиваний:
6
Добавлен:
29.07.2019
Размер:
626.69 Кб
Скачать

3. Теорема про ортогоналізацію.

Твердження. В сепарабельному евклідовому просторі всяка ортогональна система не більша за злічену.

Доведення

Дійсно, можна дану систему вважати не тільки ортогональною, а й нормованою (інакше її б можна було замінити системою ). При цьому = , якщо .

Розглянемо сукупність куль . Ці кулі не перетинаються. З того, що простір сепарабельний, слідує, що в ньому існує зліченна, всюди щільна множина . Якщо зліченна множина всюди щільна в R, то в кожній такій кулі є хоча б один елемент з . Звідси, число таких куль (а значить і елементів ) не більше, ніж злічене.

Теорема (про ортогоналізацію)

Нехай

f ,…,f ,… (8)

- лінійно незалежна система елементів в евклідовому просторі R.

Тоді в просторі R існує система елементів

,…, ,…, (9)

що задовольняє таким умовам:

  1. Система (9) ортогональна і нормована;

  2. Кожний елемент являє собою лінійну комбінацію елементів

f ,…,f : = +…+ , причому 0;

  1. Кожен елемент можна подати у вигляді = +…+ , причому 0.

Кожен елемент системи (9) визначається умовами 1.-3. однозначно з точністю до співмножника .

Доведення

Елемент знаходимо у вигляді = ; при цьому визначається з умови = =1, звідки = = .

Ясно, що визначається цим однозначно (з точністю до знака).

Нехай елементи (k<n), що задовольняють умовам 1.-3., вже побудовані. Тоді f можна подати у вигляді f = , де =0 при k<n. Дійсно, відповідні коефіцієнти , а значить, і елемент однозначно визначається з умов:

= = =0.

Очевидно, що >0, припущення =0 було б супротивним лінійній незалежності системи (8).

Візьмемо = .

З індуктивної побудови ясно, що , а звідси, і виражаються через f ,…,f , тобто

= +…+ , де . Крім того, =1, =0 (k<n) і

= +…+ , тобто задовольняє умовам теореми.

Перехід від системи (8) до системи, що задовольняє умовам 1-3, називається процесом ортогоналізації. Підпростори, породжені системами (8) і (9), співпадають між собою, звідси ці системи повні, але не повні одночасно.

Наслідок. В сепарабельному евклідовім просторі R існує ортогональний нормований базис.

Дійсно, нехай - злічена всюди щільна множина в R. Виберемо з неї повну систему лінійно незалежних елементів . Для цього достатньо з послідовності виключити всі ті елементи , кожен з яких можна виразити лінійною комбінацією з i<k. Вживаючи процес ортогоналізації до такої повної системи лінійно незалежних елементів, ми будуємо ортогональний базис.

4. Нерівність Бесселя. Замкнені ортогональні системи. Рівність Парсеваля.

Вибравши в евклідовім n-вимірному просторі ортогональний нормований базис е ,…,е , можна кожен вектор x записати у вигляді

, (10)

де . (11)

Розглянемо, як узагальнити розклад (10) на випадок евклідового нескінченновимірного простору. Нехай ,…, ,… - ортогональна нормована система в евклідовому просторі R, і f – довільний елемент з R. Співвіднесемо елементу f послідовності чисел

(12) які назвемо координатами або коефіцієнтами Фур’є елемента f по системі { } та ряд (поки що формальний)

, (13)

який назвемо рядом Фур’є елемента f по системі { }.

Чи буде ряд (13) збіжний, тобто чи прямує послідовність його часткових сум (по метриці простору R) до якої-небудь границі і якщо він збіжний, чи співпадає його сума з вихідним елементом f?

Спочатку при заданому n спробуємо підібрати коефіцієнти так, щоб відстань між f і сумою

(14)

була мінімальною. Обчислимо цю відстань. Оскільки система ортогональна і нормована, то

= = + = = + = + .

Мінімум цього виразу досягається, коли останній доданок дорівнює нулю, тобто при

= . (15)

В цьому випадку

= . (16)

Показали, що серед усіх сум виду (14) при даному n найменше відхиляється від f частково сума ряду Фур’є елемента f.

Геометрично це можна пояснити так. Елемент , ортогональний всім лінійним комбінаціям виду , тобто ортогональний підпростору, породженому елементами , в тому і тільки в тому випадку, коли виконується умова (15).

Таким чином, цей висновок являє собою узагальнення відомої теореми геометрії: довжина перпендикуляра, який опущено з даної точки на пряму чи площину, менша за довжину будь-якої похилої, проведеної з цієї ж точки.

Оскільки завжди , то з рівності (16) випливає, що .

Тут n – довільне, а права частина не залежить від n; звідси ряд збіжний, і . (17)

Ця нерівність називається нерівністю Бесселя. Геометрично вона означає, що сума квадратів проекцій вектора f на взаємно ортогональні напрямки не більша за квадрат довжини самого вектора f.

Означення: Ортогональна нормована система називається замкненою, якщо для будь-якого f R справедлива рівність

= , (18)

що називається рівністю Парсеваля.

З тотожності (16) випливає, що замкненість системи рівносильна тому, що для кожного f R часткові суми ряда Фур’є збіжні до f.

Поняття замкненості ортогональної нормованої системи тісно пов’язані з повнотою системи.

Теорема:В сепарабельному евклідовім просторі R всяка повна ортогональна нормована система є замкненою, і навпаки.

Доведення.Нехай система { } замкнена; тоді який би не був елемент f R , послідовність числових сум його Фур’є збігається до f. Це значить, що лінійні комбінації елементів системи { } всюди щільні в R, тобто система { } повна. Обернено, нехай система { } повна, тобто будь-який елемент f R можна скільки завгодно точно апроксимувати лінійною комбінацією елементів системи { }; часткова сума ряду Фур’є дає не менш точну апроксимацію. Звідси, ряд збіжний і рівність Парсеваля виконується.

Ми показали існування повних ортогональних нормованих систем у сепарабельному евклідовім просторі. Оскільки для ортогональних нормованих систем поняття замкненості і повноти співпадають, то існування замкнених ортогональних систем у R не треба доводити, а наведені приклади повних ортогональних нормованих систем є водночас і прикладами замкнених систем.

Ми припускали, що всі ортогональні системи нормовані. Переформулюємо поняття коефіцієнтів Фур’є, ряду Фур’є і таке інше для будь-яких ортогональних систем. Нехай { } – довільна ортогональна система. За нею можна побудувати нормовану систему, що складається з елементів = . Для будь-якого f R маємо с = = ( );

= = ,

де = = . (19)

Коефіцієнти , що визначаються формулою (19), назвемо коефіцієнтами Фур’є елемента f по ортогональній (ненормованій) системі { }. Підставимо в нерівність (17) замість с їх вирази с = з (19) одержимо

(20)

- нерівність Бесселя для довільної ортогональної системи.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]