L² 空間で学ぶヒルベルト空間の基本

空間は関数を「2乗積分可能」という条件で集めた空間です。フーリエ解析や量子力学で中心的な役割を果たします。

空間の定義

区間 上の関数

を満たすもの全体を と書きます。ノルムは

で定義されます。

具体例

上で のとき

のとき

なので です。原点で発散が激しすぎます。

内積とヒルベルト空間

には内積

が定義でき、これによってヒルベルト空間になります。

直交の例

上で は直交します。

正規化

なので、 はノルム です。

フーリエ級数との関係

において、 は直交系をなします。正規化すると正規直交基底になります。

関数 のフーリエ級数は、この正規直交基底による展開です。

この級数は ノルムの意味で に収束します。

の関係

の元をフーリエ係数の列 に対応させると、 の元が得られます。パーセバルの等式

はこの対応が等距離同型であることを示しています。