MathPython501700 views
高校倫理1444503 views
高校日本史191026 views
いろは3025218 views
高校化学2933198 views
教育150077 views
ヒストリア294981 views
小学算数1203731 views
数学講師2913151 views
高校国語790013 views
Help
Tools

English

係数を内積ひとつで読み出す(正規直交基底とフーリエ展開)

ヒルベルト空間 のベクトルの族 が を満たすとき、正規直交系といいます[1]。

長さが で、互いに直交している。それだけの条件です。

この条件があると、係数が内積ひとつで読み出せます。 の両辺に を当てると、他の項が消えて だけが残る。

連立方程式を解く必要がありません。基底が直交していることの、いちばん分かりやすい御利益です。

ベッセルの不等式

有限個の が張る空間へ を射影すると、長さは増えません[3]。

を増やしても右辺は変わらないので、無限個でも同じ不等式が立ちます。係数の二乗和が収束することが、ここから分かる。

証明は を展開するだけ。引いた残りが直交補空間に落ちるので、ピタゴラスの定理が使えます。

完全であることの同値な言い方

系が「基底」と呼べるかどうかは、次のどれかで判定します[1]。どれも同値。

の張る空間が で稠密である。
すべての でパーセバルの等式 が成り立つ。
すべての で なら になる。
すべての が と展開できる。

3 番目がいちばん確かめやすい場面が多い。「この系と直交するものは だけか」を見るだけで済みます。

完全な正規直交系を正規直交基底と呼びます[1]。ただしハメル基底とは別物で、有限和では書けません。無限和が要ります[1]。

正規直交基底

無限和を許す。係数は内積で読め、パーセバルの等式が成り立つ

ハメル基底

有限和しか許さない。無限次元では非可算個になり、具体的に書けない

パーセバルの等式と展開

完全な系のもとでは、ベッセルの不等式が等式になります[3]。

右の展開は のノルムで収束します。各点収束ではないところが、関数空間では効いてくる。

内積そのものも係数だけで書けます。極化して並べれば出る形。

情報が係数に全部移った、と読めます。ベクトルの側で計算するか、係数の側で計算するかを選べる。

例:三角関数系

で ()は正規直交基底になります[1]。

直交性は積分で確かめられます。 なら 。

完全性のほうは、三角多項式が で稠密であることから出ます。フーリエ級数の理論そのもの[4]。

係数 がフーリエ係数で、パーセバルの等式が次の形になります。

エネルギーが時間の側でも周波数の側でも同じ、という言い方をされる関係です。

例:ルジャンドル多項式

で、単項式 にグラム・シュミットを当てます[1]。

出てくる多項式がルジャンドル多項式です。正規化を除くと次のように並ぶ。

多項式が で稠密なので、この系は完全になります。フーリエ級数の多項式版として使える。

canvas: 式は呼び出しにそのまま書いてください。この引数は焼けません -> drawMath(… 'P_' + legOrder …)

可分性と との同型

可算な正規直交基底を持つことと、 が可分であることは同値です[1]。

可算な基底があれば、有理係数の有限和が可算な稠密集合になる。逆に可分なら、稠密列にグラム・シュミットを当てて基底が作れます。

基底があると、係数の列をとる写像で と同一視できます[2]。

パーセバルの等式から、この対応はノルムを保ちます。内積まで保つので、等長同型というより内積を保つ同型。

可分な無限次元ヒルベルト空間は、どれも と同じもの、ということになります。関数空間も数列空間も、この見方では区別がありません。

正規直交系を用意する

完全かどうかを直交するものが だけかで判定する

係数の列をとって と同一視する

係数の落ち方が滑らかさを表す

展開係数の減り方には意味があります。滑らかな関数ほど、高い番号の係数が速く落ちる。

区分的に滑らかで跳びのある関数だと、フーリエ係数は 程度でしか落ちません。跳びがなく連続に微分できるなら、もっと速く落ちる。

パーセバルの等式は、二乗和が有限であることまでしか言いません。落ち方の速さは、関数の滑らかさを別に調べて分かること。

係数の二乗和が有限であることと、級数が各点で収束することは別の話です。

の収束はノルムの意味で、各点での挙動は保証しない。

quiz で確かめる

正規直交系が完全であることを確かめるのに、いちばん手軽な条件はどれですか。

  • 張る空間が 全体に一致する
  • すべての と直交するベクトルが だけである
  • 各点収束する展開が書ける
__RESULT__

張る空間が全体と一致することまでは要らず、稠密であれば足ります。実際の判定では、直交するものが しかないことを見るほうが軽い場合が多くなります。

よくある誤り

正規直交基底をハメル基底だと思う。無限和を許す別の概念です。
張る空間が 全体に一致すると思う。要るのは稠密性までです。
ベッセルの不等式が等式だと思う。等式になるのは完全なときだけです。
収束から各点収束を結論する。ノルムの意味の収束です。
係数を連立方程式で求めようとする。直交していれば内積ひとつで読めます。
可分でない空間に可算な基底があると思う。可算基底と可分性は同値です。
パーセバルの等式から係数の落ち方が分かると思う。分かるのは二乗和が有限なことまでです。

参考文献

Orthonormal basis. Wikipedia(英語).
Hilbertraum. Wikipedia(ドイツ語).
Parseval's identity. Wikipedia(英語).
Riesz–Fischer theorem. Wikipedia(英語).
長さが $1$ で互いに直交している。それだけで連立方程式を解かずに係数が読めます。ベッセルの不等式が完全な系で等式になり、パーセバルの等式と展開が出てくるところまで見て、完全性の 4 つの同値な言い方を並べる。三角関数系とルジャンドル多項式の例、可分性と可算基底が同値であること、係数の列をとって $\ell^2$ と同一視できることまで。ハメル基底との違いにも触れます。