Главная » Математический анализ » Ряды Фурье » Сходимость ряда Фурье в смысле среднего квадратичного

Сходимость ряда Фурье в смысле среднего квадратичного

8 разделов
от теории до практики
1 пример
Примеры решения задач
видео
Примеры решения задач
Содержание
  1. Унитарное пространство.
    Начать изучение
  2. Нормированные пространства.
    Начать изучение
  3. Сходимость. Полные пространства. Гильбертовы пространства.
    Начать изучение
  4. Пополнение унитарного пространства.
    Начать изучение
  5. Ряды Фурье по ортогональным системам.
    Начать изучение
  6. Минимальное свойство коэффициентов Фурье. Неравенство Бесселя.
    Начать изучение
  7. Полнота системы элементов {ei} в унитарном пространстве. Полнота тригонометрической системы в L2(-π, π).
    Начать изучение
  8. Эквивалентность полноты и замкнутости ортогональной системы в гильбертовом пространстве.
    Начать изучение

Унитарное пространство.

При дальнейшем изложении удобно будет пользоваться геометрическим языком. Из курса линейной алгебры известны определения комплексного линейного и унитарного пространства. Напомним, что в линейном пространстве определены операции сложения элементов (векторов) и умножения элементов на комплексные числа, причем эти операции удовлетворяют следующим аксиомам.

Аксиомы линейного пространства \(E\):

  1. \(x+y=y+x\) для любых \(x, y \in E\);
  2. \(x+(y+x)=(x+y)+z\) для любых \(x, y, z \in E\);
  3. существует элемент \(0 \in E\) такой, что для любого \(x \in E\) справедливо равенство \(x+0=x\);
  4. для любого \(x \in E\) существует элемент \(-x \in E\) такой, что \(x+(-x)=0\);
  5. для любого \(x \in E\) и для любых \(\lambda, \mu \in \mathbb{C}\) справедливо равенство \(\lambda(\mu x)=(\lambda\mu)x\);
  6. \((\lambda+\mu)x=\lambda x+\mu x\) для любых \(x \in E\), \(\lambda, \mu \in \mathbb{C}\);
  7. \(\lambda(x+y)=\lambda x+\lambda y\) для любых \(x, y \in E\), \(\lambda \in \mathbb{C}\);
  8. \(1 \cdot x=x\) для любого \(x \in E\).

Греческими буквами обозначались комплексные числа, латинскими — элементы линейного пространства \(E\).

Определение.

Унитарным называется комплексное линейное пространство \(E\), для каждой пары элементов которого определено комплексное число \((x, y)\) — их скалярное произведение.

Аксиомы скалярного произведения:

  1. \((x, y)=\overline{(y, x)}\) для любых \(x, y \in E\);
  2. \((x+y, z)=(x, z)+(y, z)\) для любых \(x, y, z \in E\);
  3. \((\lambda x, y)=\lambda(x, y)\) для любых \(x, y \in E\), \(\lambda \in \mathbb{C}\);
  4. \((x, x) \geq 0\) для любого \(x \in E\), причем \((x, x)=0\) тогда и только тогда, когда \(x=0\).

Здесь через \(\overline{\gamma}\) обозначается число, комплексно сопряженное комплексному числу \(\gamma\).

Неотрицательное число \(\left\|x\right\|=\sqrt{(x, x)}\) называется нормой элемента \(x\). Из аксиом унитарного пространства выводятся следующие свойства.

Свойство 1.

\(\left\|x\right\|=0\) эквивалентно \(x=0\).

Свойство 2.

\((x, \lambda y)=\overline{\lambda}(x, y)\).

Доказательство.

\(\circ\) \((x, \lambda y)=\overline{(\lambda y, x)}=\overline{\lambda(y, x)}=\overline{\lambda}\overline{(y, x)}=\overline{\lambda}(x, y)\). \(\bullet\)

Свойство 3.

Для любых \(x, y \in E\) справедливо неравенство Коши—Буняковского
$$
|(x, y)| \leq \left\|x\right\| \cdot \left\|y\right\|.\label{ref1}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Так как для любых \(x, y \in E\) и \(\lambda \in \mathbb{C}\) справедливо неравенство \((x+\lambda y, x+\lambda y) \geq 0\), то, пользуясь свойствами скалярного произведения, получаем
$$
0 \leq (x, x)+\lambda(y, x)+\overline{\lambda}(x, y)+\lambda\overline{\lambda}(y, y).\label{ref2}
$$
Если \(\left\|y\right\|=0\), то \(y=0\) и неравенство Коши-Буняковского становится тривиальным. Пусть \(\left\|y\right\| \neq 0\). Положим в \eqref{ref2} \(\lambda=-\dfrac{(x, y)}{\left\|y\right\|^{2}}\). Получаем
$$
0 \leq \left\|x\right\|^{2}-\dfrac{(x, y)}{\left\|y\right\|^{2}}(y, x)-\dfrac{\overline{(x, y)}}{\left\|y\right\|^{2}}(x, y)+\dfrac{(x, y)\overline{(x, y)}}{\left\|y\right\|^{4}}\left\|y\right\|^{2},\nonumber
$$
откуда сразу следует неравенство Коши-Буняковского. \(\bullet\)

Свойство 4.

Для любых \(x, y \in E\) справедливо неравенство для нормы
$$
\left\|x+y\right\| \leq \left\|x\right\|+\left\|y\right\|.\nonumber
$$

Доказательство.

\(\circ\) Неравенство для нормы следует из неравенства Коши-Буняковского. В самом деле,
$$
\left\|x+y\right\|^{2}=(x+y, x+y)=(x, x)+(y, x)+(x, y)+(y, y) \leq
$$
$$
\leq \left\|x\right\|^{2}+2\left\|x\right\|\ \left\|y\right\|+\left\|y\right\|^{2}=(\left\|x\right\|+\left\|y\right\|)^{2}.\ \bullet\nonumber
$$

Свойство 5.

Положительная однородность нормы: \(\left\|\lambda x\right\|=|\lambda| \cdot \left\|x\right\|\).

Доказательство.

\(\circ\) \(\left\|\lambda x\right\|^{2}=(\lambda x, \lambda x)=\lambda\overline{\lambda}(x, x)=|\lambda|^{2}\left\|x\right\|^{2}\). \(\bullet\)

Из курса линейной алгебры известно унитарное пространство \(E^{n}\), элементами которого являются упорядоченные наборы \(n\) комплексных чисел
$$
\gamma=(\gamma_{1}, \ldots, \gamma_{n}),\ \gamma_{i} \in \mathbb{C},\ i=\overline{1, n}\nonumber
$$

Естественным образом определяется в \(E^{n}\) сложение элементов (векторов) и умножение их на комплексные числа. Скалярное произведение двух векторов \(\gamma=(\gamma_{1}, \ldots, \gamma_{n})\) и \(\delta=(\delta_{1}, \ldots, \delta_{n})\) есть комплексное число, определенное формулой
$$
(\gamma, \delta)=\gamma_{1}\overline{\delta}_{1}+\ldots+\gamma_{n}\overline{\delta}_{n}.
$$

По аналогии с вещественным пространством \(L_{2}^{C}(a, b)\), введем комплексное пространство \(L_{2}^{C}(a, b)\), элементами которого являются комплекснозначные функции, для каждой из которых найдется такое разбиение отрезка \([a, b]\) точками \(\{x_{i}\}\), \(i=\overline{0, n}\), что на любом из интервалов \((x_{i-1}, x_{i})\) функция непрерывна, а интеграл от квадрата ее модуля по отрезку \([a, b]\) сходится как несобственный.

Лемма 1.

Множество \(L_{2}^{C}(a, b)\) является линейным пространством с естественными операциями сложения и умножения на комплексные числа.

Доказательство.

\(\circ\) Пусть функции \(f, \varphi \in L_{2}^{C}(a, b)\). Из неравенства
$$
|f+\varphi|^{2}=(f+\varphi)(\overline{f}+\overline{\varphi})=f\overline{f}+f\overline{\varphi}+\overline{f}\varphi+\varphi\overline{\varphi} \leq\\ \leq |f|^{2}+|\varphi|^{2}+2|f| \cdot |\varphi| \leq 2|f|^{2}+2|\varphi|^{2}\nonumber
$$
и признака сравнения для несобственных интегралов следует, что несобственный интеграл \(\displaystyle\int\limits_{a}^{b}|f+\varphi|^{2}dx\) сходится и, следовательно, \(f+\varphi \in L_{2}^{C}(a, b)\).

Если \(f \in L_{2}^{C}(a, b)\), то и \(\alpha f \in L_{2}^{C}(a, b)\) для любого \(\alpha \in \mathbb{C}\). Проверка всех аксиом линейного пространства тривиальна. \(\bullet\)

Договоримся не различать две функции \(f\) и \(\varphi\) из пространства \(L_{2}^{C}(a, b)\), если их значения не совпадают лишь в конечном числе точек.

Лемма 2.

Линейное пространство \(L_{2}^{C}(a, b)\) будет унитарным, если определить скалярное произведение функций \(f, \varphi \in L_{2}^{C}(a, b)\) при помощи следующей формулы:
$$
(f, \varphi)=\int\limits_{a}^{b} f(x)\overline{\varphi(x)}\ dx.\label{ref3}
$$

Доказательство.

\(\circ\) Так как \(|f\overline{\varphi}| \leq \displaystyle\frac{1}{2}|f|^{2}+\frac{1}{2}|\varphi|^{2}\), то по признаку сравнения несобственный интеграл \eqref{ref3} сходится. Первые три аксиомы скалярного произведения проверяются без труда. Проверим выполнение аксиомы 4).

Пусть \((f, f)=\displaystyle\int\limits_{a}^{b}|f|^{2}dx\). Так как \(f \in L_{2}^{C}(a, b)\), то найдется такое разбиение отрезка \([a, b]\) точками \(\{x_{i}\}\), \(i=\overline{0, n}\), что на каждом из интервалов \((x_{i-1}, x_{i})\) функция \(f(x)\) непрерывна. Так как \((x_{i-1}, x_{i}) \subset [a, b]\), то
$$
\int\limits_{x_{i-1}}^{x_{i}} |f(x)|^{2}\ dx=0,\ i=\overline{1, n}.\nonumber
$$

Из этого равенства следует, что \(f(x)=0\) на любом интервале \((x_{i-1}, x_{i})\), \(i=\overline{1, n}\). Следовательно, функция \(f(x)\) отлична от нуля лишь в конечном числе точек. Согласно договоренности такая функция отождествляется с функцией, тождественно равной нулю на \([a, b]\). \(\bullet\)


Нормированные пространства.

В нормированных пространствах определены длины векторов, но нет скалярного произведения. Более точно, комплексное или вещественное линейное пространство \(E\) называется нормированным, если каждому элементу \(x\) поставлено в соответствие неотрицательное число \(\left\|x\right\|\) (норма элемента \(x\)), причем удовлетворяются следующие аксиомы нормы:

  1. \(\left\|\lambda x\right\|=|\lambda| \cdot \left\|x\right\|\) для любого , \(x \in E\) и любого \(\lambda \in \mathbb{C}\);
  2. \(\left\|x+y\right\| \leq \left\|x\right\|+\left\|y\right\|\) для любых \(x, y \in E\);
  3. \(\left\|x\right\|=0\) в том и только том случае, когда \(x=0\).

Если \(E\) есть унитарное пространство, то число \(\left\|x\right\|=\sqrt{(x, x)}\) удовлетворяет всем аксиомам нормы, и поэтому каждое унитарное пространство будет и нормированным пространством.

Множество непрерывных функций на отрезке \([a, b]\) станет нормированным пространством \(C[a, b]\), если определить норму функции следующим образом:
$$
\left\| f \right\|=\max_{a \leq x \leq b} |f(x)|.\label{ref4}
$$
Все аксиомы нормы проверяются без труда.

Заметим еще, что любое нормированное пространство есть частный случай метрического пространства, если ввести метрику следующим образом:
$$
\rho(x, y)=\left\|x-y\right\|.\label{ref5}
$$

Из аксиом нормы тогда следует, что для расстояния \eqref{ref5} выполняются все аксиомы метрики:

  1. \(\rho(x, y)=\rho(y, x)\);
  2. \(\rho(x, y)+\rho(y, z) \geq \rho(x, z)\);
  3. \(\rho(x, y)=0 \Leftrightarrow x=y\).

Поскольку нормированные и унитарные пространства есть частные случаи метрических пространств, то на них переносятся все метрические понятия, например понятие предела последовательности.


Сходимость. Полные пространства. Гильбертовы пространства.

Определение.

Последовательность точек \(\{x_{n}\}\) унитарного пространства \(E\) сходится к точке \(x \in E\), если
$$
\lim_{n \rightarrow \infty} \left\|x_{n}-x\right\|=0.\label{ref6}
$$
Запись \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=x\) означает, что выполнено равенство \eqref{ref6}.

Запишем основные свойства пределов (часть из них представлена без доказательств).

Свойство 1.

Если \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=x\) и \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} y_{n}=y\), то
$$
\lim_{n \rightarrow \infty} (x_{n}+y_{n})=\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}+\lim_{n \rightarrow \infty} y_{n}=x+y.\nonumber
$$

Свойство 2.

Если \(\alpha_{n} \in \boldsymbol{R}\), \(x_{n} \in E\) и \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=x\), \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} \alpha_{n}=\alpha\), то
$$
\lim_{n \rightarrow \infty} \alpha_{n}x_{n}=\alpha x.\nonumber
$$

Свойство 3.

Сходящаяся последовательность ограничена, то есть если существует \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=x\), то найдется число \(C > 0\) такое, что для всех \(n \in \mathbb{N}\) выполнено неравенство \(\left\|x_{n}\right\| \leq C\).

Свойство 4.

Скалярное произведение непрерывно, то есть если \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=x\) и \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} y_{n}=y\), то
$$
\lim_{n \rightarrow \infty} (x_{n}, y_{n})=(x, y).\nonumber
$$

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} x_{n}=x\) и \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} y_{n}=y\). Так как сходящаяся последовательность ограничена, то существует такое число \(C\), что \(\left\|y_{n}\right\| \leq C\) для всех \(n \in N\). Воспользовавшись неравенством Коши-Буняковского, получаем, что
$$
|(x_{n}, y_{n})-(x, y)|=|(x_{n}-x, y_{n})+(x, y_{n}-y)| \leq \\ \leq \left\|y_{n}\right\| \cdot \left\|x_{n}-x\right\|+\left\|x\right\| \cdot \left\|y_{n}-y\right\| \leq C\left\|x_{n}-x\right\|+\left\|x\right\| \cdot \left\|y_{n}-y\right\| \rightarrow 0
$$
при \(n \rightarrow \infty\). Следовательно, \(\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} (x_{n}, y_{n})=(x, y)\). \(\bullet\)

Замечание.

Сходимость в пространстве \(L_{2}^{C}\) называют сходимостью в смысле среднего квадратичного.

Будем говорить, что последовательность точек \(x_{n}\) унитарного (или нормированного) пространства \(E\) фундаментальна, если для любого \(\varepsilon > 0\) найдется номер \(N\) такой, что для всех \(n, m \geq N\) выполнено неравенство \(\left\|x_{n}-x_{m}\right\| < \varepsilon\).

Введенное понятие фундаментальной последовательности точек унитарного пространства находится в полном соответствии с введенным ранее понятием фундаментальной последовательности точек метрического пространства. Достаточно вспомнить формулу \(\rho(x, y)=\left\|x-y\right\|\), задающую метрику в унитарном пространстве. Если последовательность сходится, то она фундаментальна. В произвольном унитарном пространстве фундаментальная последовательность может не сходиться.

Говорят, что унитарное (нормированное, метрическое) пространство полное, если любая фундаментальная последовательность его точек сходится к точке этого пространства.

Полное нормированное пространство называется банаховым, полное унитарное бесконечномерное пространство называется гильбертовым.

Нетрудно видеть, что каждое конечномерное унитарное пространство будет полным (критерий Коши сходимости в пространстве \(\boldsymbol{R}^{n}\)).

Покажем, что существуют неполные бесконечномерные унитарные пространства.

Пример.

Пространство \(L_{2}^{C}(0, 1)\) неполное.

Решение.

\(\circ\) Для доказательства рассмотрим счетное множество точек
$$
1, \frac{1}{2}, \frac{1}{2^{2}}, \ldots, \frac{1}{2^{n}}, \ldots\nonumber
$$
Построим следующую функцию (рис. 70.1):
$$
f(x)=\left\{
\begin{array}{ll}
1, & \displaystyle\frac{1}{2^{2n+1}} \leq x \leq \frac{1}{2^{2n}},\ n=0, 1, \ldots,\\
\\
0, & \displaystyle\frac{1}{2^{2n}} \leq x \leq \frac{1}{2^{2n-1}},\ n=1, 2, \ldots
\end{array} \right.\nonumber
$$

Рис. 70.1
Рис. 70.1

Очевидно, что \(f \notin L_{2}^{C}(0, 1)\), так как множество ее точек разрыва счетно. Построим последовательность
$$
f_{n}(x)=\left\{
\begin{array}{ll}
f(x), & \displaystyle\frac{1}{2^{n}} \leq x < 1,\\
\\
0, & \displaystyle 0 < x \leq \frac{1}{2^{n}}.
\end{array} \right.\nonumber
$$

Покажем, что последовательность \(f_{n}\) фундаментальна в пространстве \(L_{2}^{C}(0, 1)\). Так как на отрезке \([1/2^{n}, 1]\) функции \(f_{n+p}\) и \(f_{n}\) совпадают, то
$$
\left\|f_{n+p}-f_{n}\right\|^{2}=\int\limits_{0}^{1} |f_{n+p}(x)-f_{n}(x)|^{2}\ dx=\int\limits_{0}^{1/2^{n}} |f_{n+p}(x)-f_{n}(x)|^{2}\ dx \leq\\\leq \frac{1}{2^{n}} \max|f_{n+p}(x)-f_{n}(x)| \leq \frac{1}{2^{n}} < \varepsilon\ \mbox{при}\ n > N(\varepsilon).\nonumber
$$

Последовательность \(\{f_{n}\}\) фундаментальна. Покажем, что она не может быть сходящейся. Если \(\varphi \in L_{2}^{C}(0, 1)\) и \(\left\|f_{n}-\varphi\right\|^{2} \rightarrow 0\) то для всех \(m \in N\) выполнено условие
$$
\int\limits_{1/2^{m+1}}^{1/2^{m}} |f_{n}-\varphi|^{2}\ dx \rightarrow 0\ \mbox{при}\ n \rightarrow \infty.\nonumber
$$
Если \(n > m\), то \(f_{n}=f\) при \(x \in \displaystyle\left(\frac{1}{2^{m+1}}, \frac{1}{2^{m}}\right)\). Поэтому
$$
\int\limits_{1/2^{m+1}}^{1/2^{m}} |f_{n}-\varphi|^{2}\ dx=0,\ m=0, 1, \ldots\label{ref7}
$$

Так как функция \(\varphi(x)\) имеет конечное число точек разрыва, то при достаточно большом \(m\) на интервале \(\displaystyle\left(\frac{1}{2^{m+1}}, \frac{1}{2^{m}}\right)\) у функции \(\varphi(x)\) точек разрыва не будет, функция \(f(x)\) непрерывна на этом же интервале. Поэтому из \eqref{ref7} следует, что
$$
f(x)=\varphi(x)\ \mbox{при}\ x \in \left(\frac{1}{2^{m+1}}, \frac{1}{2^{m}}\right),\ m=M+1, \ldots\nonumber
$$

Но тогда функция \(\varphi\), как и функция \(f\), должна иметь счетное множество точек разрыва и, следовательно, не может принадлежать пространству \(L_{2}^{C}(a, b)\). Итак, пространство \(L_{2}^{C}(a, b)\) неполное. \(\bullet\)


Пополнение унитарного пространства.

Определение.

Два унитарных пространства называются изоморфными, если можно установить такое взаимно однозначное отображение \(F\) пространства \(E_{1}\) на пространство \(E_{2}\), что для любых \(x, y \in E\) и любого \(\alpha \in \mathbb{C}\) выполнены равенства
$$
F(x+y)=F(x)+F(y),\quad F(\alpha x)=\alpha F(x),\quad (Fx, Fy)=(x, y).\nonumber
$$

Подмножество \(L\) унитарного пространства \(E\), само являющееся унитарным пространством с тем же скалярным произведением, называется подпространством пространства \(E\).

Пусть \(A\) и \(B\) — подмножества унитарного (или нормированного) пространства \(E\). Говорят, что \(B\) плотно в \(A\), если для любого \(\varepsilon > 0\) и любого \(x \in A\) найдется \(y \in B\) такой, что \(\left\|x-y\right\| < \varepsilon\).

Лемма 3.

Если \(A, B, C \subset E\) и \(C\) плотно в \(B\), а \(B\) плотно в \(A\), то \(C\) плотно в \(A\).

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(\varepsilon > 0\) и \(x \in A\). Так как \(B\) плотно в \(A\), то найдется \(y \in B\) такой, что \(\left\|x-y\right\| < \varepsilon/2\). Так как \(C\) плотно в \(B\), то найдется \(z \in \mathbb{C}\) такой, что \(\left\|y-z\right\| < \varepsilon/2\). Тогда
$$
\left\|x-z\right\| \leq \left\|x-y\right\|+\left\|y-z\right\| < \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon.\nonumber
$$
Следовательно, \(C\) плотно в \(A\). \(\bullet\)

Лемма 4.

Подпространство функций, непрерывных на отрезке \([a, b]\) и принимающих на концах этого отрезка равные значения, плотно в \(L_{2}^{C}(a, b)\).

Доказательство.

\(\circ\) Обозначим для краткости через \(B\) подпространство кусочно непрерывных на \([a, b]\) функций, а через \(C\) — подпространство непрерывных функций, принимающих на концах отрезка \([a, b]\) одинаковые значения. Договоримся, что будем доопределять нулем функции вне отрезка \([a, b]\).

Покажем, что \(B\) плотно в \(L_{2}^{C}(a, b)\). Возьмем произвольную функцию \(f \in L_{2}^{C}(a, b)\) и любое \(\varepsilon > 0\). Тогда существует такое разбиение \(x_{0}=a < x_{1} < \ldots < x_{n}=b\), что на каждом из интервалов \((x_{i-1}, x_{i})\) функция \(f(x)\) непрерывна, а интеграл \(\int\limits_{a}^{b}|f|^{2}dx\) сходится как несобственный. Найдется такое \(\delta > 0\), что
$$
\sum_{i=0}^{n} \int\limits_{x_{i}-\delta}^{x_{i}+\delta}|f|^{2}dx < \varepsilon,\quad (x_{i}-\delta, x_{i}+\delta) \cap (x_{j}-\delta, x_{j}+\delta)=\varnothing,\ i \neq j.\nonumber
$$

Возьмем функцию
$$
\varphi_{n}(x)=\left\{
\begin{array}{ll}
0, & x \in \displaystyle\bigcup_{i=0}^{n}(x_{i}-\delta, x_{i}+\delta),\\
f(x) & \mbox{в остальных точках}.
\end{array} \right.\nonumber
$$
Очевидно, что \(\varphi(x)\) кусочно непрерывна и
$$
\left\|f-\varphi\right\|^{2}=\sum_{i=0}^{n} \int\limits_{x_{i}-\delta}^{x_{i}+\delta}|f|^{2}dx < \varepsilon.
$$

Итак, \(B\) плотно в \(L_{2}^{C}(a, b)\). Покажем, что \(C\) плотно в \(B\). Пусть \(\varphi \in B\) и \(\tilde{x}_{0}=a < \tilde{x}_{1} < \ldots < \tilde{x}_{n}=b\) — ее точки разрыва первого рода. Построим непрерывную функцию \(\psi(x)\), обращающуюся в нуль во всех точках \(\tilde{x}_{i}\), (рис. 70.2):
$$
\psi_{n}(x)=\left\{
\begin{array}{ll}
\displaystyle\frac{\tilde{x}_{i}-x}{\varepsilon} \varphi(\tilde{x}_{i}-\varepsilon), & \tilde{x}_{i}-\varepsilon \leq x \leq \tilde{x}_{i},\\
\displaystyle\frac{x-\tilde{x}_{i}}{\varepsilon} \varphi(\tilde{x}_{i}+\varepsilon), & \tilde{x}_{i} \displaystyle\leq x \leq \tilde{x}_{i}+\varepsilon,\ i=\overline{0, m},\\
\varphi(x), & \mbox{в остальных точках}
\end{array} \right.\nonumber
$$
где \(\varepsilon < \displaystyle\frac{1}{4} \max_{i=\overline{0, m}} \bigtriangleup \tilde{x}_{i}\), \(\bigtriangleup \tilde{x}_{i}=\tilde{x}_{i}-\tilde{x}_{i-1}\).

Рис. 70.2
Рис. 70.2

Функция \(\psi(x)\) непрерывна на отрезке \([a, b]\) и
$$
|\psi(x)| \leq M=\max_{a \leq x \leq b} |\varphi(x)|.\nonumber
$$
В самом деле, так как функция \(\psi(x)\) линейна на отрезках \([\tilde{x}_{i}-\varepsilon, \tilde{x}_{i}]\) и \([\tilde{x}_{i}, \tilde{x}_{i}+\varepsilon]\) и \(\psi(\tilde{x}_{i})=0\), то
$$
\max_{\tilde{x}_{i}-\varepsilon \leq x \leq \tilde{x}_{i}} |\psi(x)|=|\psi(\tilde{x}_{i}-\varepsilon)|=|\varphi(\tilde{x}_{i}-\varepsilon)| \leq M,\nonumber
$$
$$
\max_{\tilde{x}_{i} \leq x \leq \tilde{x}_{i}+\varepsilon} |\psi(x)|=|\psi(\tilde{x}_{i}+\varepsilon)|=|\varphi(\tilde{x}_{i}+\varepsilon)| \leq M,\nonumber
$$
Вне отрезков \([\tilde{x}_{i}-\varepsilon, \tilde{x}_{i}]\) и \([\tilde{x}_{i}, \tilde{x}_{i}+\varepsilon]\) функция совпадает с \(\varphi(x)\) и ее значения по модулю не превосходят \(M\).

Оценивая среднеквадратичное отклонение функции \(\varphi(x)\) от функции \(\psi(x)\), получаем
$$
\left\|\varphi(x)-\psi(x)\right\|^{2}=\sum_{i=1}^{n} \int\limits_{\tilde{x}_{i}-\varepsilon}^{\tilde{x}_{i}+\varepsilon}|\varphi(x)-\psi(x)|^{2}dx \leq 8Mn\varepsilon.\nonumber
$$
Отсюда следует, что \(C\) плотно в \(B\). Итак, \(C\) плотно в \(B\), а \(B\) плотно в \(L_{2}^{C}(a, b)\). В силу леммы 3 \(C\) плотно в \(L_{2}^{C}(a, b)\). \(\bullet\)

Пополнением унитарного пространства \(E\) называется полное унитарное пространство \(\tilde{E}\), содержащее плотное в \(\tilde{E}\) подпространство \(L\), изоморфное \(E\).

Теорема 1.

Для любого унитарного пространства существует пополнение, единственное с точностью до изоморфизма.

Доказательство.

Данная теорема приводится без доказательства.

Пополнение пространства \(L_{2}^{C}(a, b)\) называется пространством \(L_{2}(a, b)\). Можно показать, что \(L_{2}^{C}(a, b)\) изоморфно гильбертову пространству функций, интегрируемых с квадратом по Лебегу.


Ряды Фурье по ортогональным системам.

Пусть \(H\) бесконечномерное унитарное пространство. Систему элементов \(\{e_{i}\}_{i=1, \ldots} \in H\) будем называть линейно независимой, если при любом \(n\) элементы \(e_{1}, e_{2}, \ldots, e_{n}\) линейно независимы. Если любой элемент \(x \in H\) можно представить в виде суммы сходящегося ряда
$$
x=\lim_{m \rightarrow \infty} \sum_{n=1}^{m} x_{n}e_{n}=\sum_{n=1}^{\infty}x_{n}e_{n},\label{ref8}
$$
то линейно независимая система \(\{e_{i}\}\) называется базисом в \(H\). Система \(\{e_{i}\}\) называется ортогональной, если \((e_{i}, e_{j})=0\) при \(i \neq j\), и ортонормированной, если \((e_{i}, e_{j})=\delta_{ij}\), где \(\delta_{ij}\) — символ Кронекера, то есть \(\delta_{ij}=0\) при \(i \neq j\) и \(\delta_{ii}=1\). Если, кроме того, \(\{e_{i}\}\) есть базис, то будем говорить об ортогональных и ортонормированных базисах.

Если \(\{e_{i}\}\) — ортогональный базис, то все коэффициенты \(x_{n}\) ряда \eqref{ref8} могут быть выражены через \(x\). Так как элементы \(e_{i}\) ортогональны, то при \(k \leq n\) имеем
$$
\left(\sum_{i=1}^{n} x_{i}e_{i}, e_{k}\right)=x_{k}(e_{k}, e_{k}).\label{ref9}
$$
Так как \(x=\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^{n} x_{i}e_{i}\), а скалярное произведение непрерывно, то, переходя в \eqref{ref9} к пределу при \(n \rightarrow \infty\), получаем
$$
x_{k}=\dfrac{(x, e_{k})}{\left\|e_{k}\right\|^{2}},\ k \in N.\label{ref10}
$$
Если базис ортонормированный, то \(\left\|e_{k}\right\|=1\) и \(x_{k}=(x, e_{k})\). Числа \(x_{k}\) называются коэффициентами Фурье элемента \(x\) по ортогональной системе \(\{e_{i}\}\).

Если теперь отказаться от требования, чтобы ортогональная система \(\{e_{i}\}\) была базисом в \(H\), то коэффициенты Фурье элемента \(x\) все равно можно вычислять по формуле \eqref{ref10}. Выражение \(\displaystyle\sum_{k=1}^{\infty}x_{k}e_{k}\) где \(x_{k}\) — коэффициенты Фурье элемента \(x\), будем называть рядом Фурье элемента \(x\) по ортогональной системе \(\{e_{i}\}\). Так как, вообще говоря, ряд может и не сходиться, то будем писать
$$
x \sim \sum_{k=1}^{\infty}x_{k}e_{k},\quad x_{k}=\dfrac{(x, e_{k})}{\left\|e_{k}\right\|^{2}}.\nonumber
$$


Минимальное свойство коэффициентов Фурье. Неравенство Бесселя.

Теорема 2.

Пусть \(\{e_{i}\}\) — ортонормированная система элементов унитарного пространства \(E\), \(x\) — произвольный элемент пространства \(E\), \(n \in N\). Тогда из всех линейных комбинаций \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\), где \(\alpha_{i} \in \mathbb{C}\), \(i=\overline{1, n}\), наилучшим образом приближает элемент \(x\) но норме пространства \(E\) \(n\)-я частичная сумма ряда Фурье элемента \(x\) по ортонормированной системе \(\{e_{i}\}\), то есть
$$
\min_{\alpha_{1}, \ldots, \alpha_{n} \in \mathbb{C}} \left\|x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\|=\left\|x-\sum_{i=1}^{n}(x, e_{i})e_{i}\right\|.\nonumber
$$

Доказательство.

\(\circ\) Обозначим \(\sigma_{n}=\displaystyle\left\|x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\|^{2}\). Так как \(\left\|x\right\|^{2}=(x, x)\), то
$$
0 \leq \sigma_{n}=\left(x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}, x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right)=(x, x)-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}(e_{i}, x) -\\- \sum_{i=1}^{n}\overline{\alpha}_{i}(e_{i}, x)+\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}\overline{\alpha}_{i}=(x, x)-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}\overline{x}_{i}-\sum_{i=1}^{n}\overline{\alpha}_{i}x_{i}+\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}\overline{\alpha}_{i} =\\= \left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2}+\sum_{i=1}^{n}(\alpha_{i}-x_{i})(\overline{\alpha}_{i}-\overline{x}_{i}).\nonumber
$$
Следовательно, $$ 0 \leq \sigma_{n}=\left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2}+\sum_{i=1}^{n}|\alpha_{i}-x_{i}|^{2}.\label{ref11}
$$

Из равенства \eqref{ref11} следует, что минимум \(\sigma_{n}\) достигается при \(\alpha_{i}=x_{i}\), причем
$$
0 \leq \min_{\alpha_{1} \in \mathbb{C}, i=\overline{1, n}} \sigma_{n}=\left|\|x-\sum_{i=1}^{n}x_{i}e_{i}\right|\|^{2}=\left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2},\ x_{i}=(x, e_{i}).\ \bullet\label{ref12}
$$

Следствие.

Для коэффициентов Фурье элемента \(x\) по ортонормированной системе \(\{e_{i}\}\) справедливо неравенство Бесселя
$$
\sum_{i=1}^{\infty}|x_{i}|^{2} \leq \left\|x\right\|^{2}.\label{ref13}
$$

\(\circ\) Из \eqref{ref12} следует, что \(\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2} \leq \left\|x\right\|^{2}\). Переходя к пределу при \(n \rightarrow \infty\), получаем неравенство Бесселя. \(\bullet\)


Полнота системы элементов {ei} в унитарном пространстве. Полнота тригонометрической системы в L2(-π, π).

Система элементов \(\{e_{i}\}\) называется полной в унитарном (нормированном) пространстве \(E\), если любой элемент \(x \in E\) может с любой степенью точности быть приближен по норме конечной линейной комбинацией \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\) то есть для любого \(\varepsilon > 0\) найдется линейная комбинация \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\) такая, что
$$
\left\|x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\| < \varepsilon.\label{ref14}
$$

Теорема 3.

Если \(\{e_{i}\}\) — ортонормированная система в унитарном пространстве \(H\), то следующие условия эквивалентны:

  1. система \(\{e_{i}\}\) полна в \(H\);
  2. для любого \(x \in H\) справедливо равенство Парсеваля
    $$
    \left\|x\right\|^{2}=\sum_{i=1}^{\infty}|x_{i}|^{2},\ x_{i}=(x, e_{i});\label{ref15}
    $$
  3. для любого \(x \in H\) выполнено равенство
    $$
    x=\sum_{i=1}^{\infty}x_{i}e_{i}.\label{ref16}
    $$

Доказательство.

\(\circ\) Докажем, что 1)\(\Rightarrow\)2). Пусть ортонормированная система \(\{e_{i}\}\) полна в \(H\). Тогда для любого \(\varepsilon > 0\) найдется линейная комбинация \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\) такая, что справедливо неравенство \eqref{ref14}.

В силу минимального свойства коэффициентов Фурье
$$
0 \leq \left\|x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\|^{2}=\left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2} \leq \left\|x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\|^{2} < \varepsilon^{2}.
$$
Используя это неравенство и неравенство \eqref{ref13}, получаем
$$
0 \leq \left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{\infty}|x_{i}|^{2} \leq \left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2} < \varepsilon^{2}.\nonumber
$$
В силу произвольности \(\varepsilon\) должно быть справедливо равенство Парсеваля \eqref{ref15}.

Докажем, что 2)\(\Rightarrow\)3). Пусть справедливо равенство Парсеваля \eqref{ref15}. Тогда
$$
\left\|x-\sum_{i=1}^{n}x_{i}e_{i}\right\|^{2}=\left\|x\right\|^{2}-\sum_{i=1}^{n}|x_{i}|^{2} \rightarrow 0\ \mbox{при}\ n \rightarrow \infty,
$$
то есть справедливо равенство \eqref{ref16}.

Утверждение 3)\(\Rightarrow\)1) очевидно. \(\bullet\)

Лемма 5.

Пусть подпространство \(L\) плотно в унитарном пространстве \(H\), а система \(\{e_{i}\}\) полна в \(L\). Тогда система элементов \(\{e_{i}\}\) полна в \(H\).

Доказательство.

\(\circ\) Пусть \(x\) — произвольный элемент пространства \(H\). Так как \(L\) плотно в \(H\), то для любого \(\varepsilon > 0\) найдется элемент \(y \in L\) такой, что \(\displaystyle\left\|x-y\right\| < \frac{\varepsilon}{2}\) Так как система \(\{e_{i}\}\) полна в \(L\), то найдется линейная комбинация \(\displaystyle\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\) такая, что
$$
\left\|y-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\| < \frac{\varepsilon}{2}.\nonumber
$$
Тогда
$$
\left\|x-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\| \leq \left\|x-y\right\|+\left\|y-\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}e_{i}\right\| < \frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\varepsilon.\nonumber
$$
Поэтому \(\{e_{i}\}\) — полная система в пространстве \(H\). \(\bullet\)

Теорема 4.

Тригонометрическая система полна в \(L_{2}(-\pi, \pi)\).

Доказательство.

\(\circ\) Пространство \(L_{2}(-\pi, \pi)\) есть пополнение \(L_{2}^{C}(-\pi, \pi)\). Поэтому \(L_{2}^{C}(-\pi, \pi)\) плотно в \(L_{2}(-\pi, \pi)\). Пространство непрерывных функций, принимающих одинаковые значения в точках \(\pi\) и \(-\pi\), в силу леммы 4 плотно в \(L_{2}^{C}(-\pi, \pi)\), а следовательно, и в \(L_{2}(-\pi, \pi)\).

Осталось, в силу леммы 5, показать, что тригонометрическая система полна в подпространстве \(L\) непрерывных на \([-\pi, \pi]\) функций, принимающих одинаковые значения в точках \(\pi\) и \(-\pi\). Каждую такую функцию можно в силу теоремы Вейерштрасса равномерно приблизить тригонометрическим многочленом \(T(x)\), то есть
$$
\max_{-\pi \leq x \leq \pi} |f(x)-T(x)| < \varepsilon,\nonumber
$$
где \(T(x)=\displaystyle\frac{A_{0}}{2}+\sum_{n=1}^{n} A_{n} \cos nx+B_{n} \sin nx\).

Но тогда \(f(x)\) можно приблизить с любой степенью точности тригонометрическим многочленом и по норме пространства \(L_{2}(-\pi, \pi)\) (в смысле среднего квадратичного), так как
$$
\left\|f-T\right\|=\left(\int\limits_{-\pi}^{\pi}|f-T|^{2}dx\right)^{1/2} \leq \varepsilon \sqrt{2\pi}.\nonumber
$$

Итак, тригонометрическая система полна в \(L_{2}(-\pi, \pi)\). \(\bullet\)

Следствие.

Из теорем 3 и 4 следует, что для любой функции \(f \in L_{2}^{C}[-\pi, \pi]\), в частности, для любой непрерывной или кусочно непрерывной функции, выполнено равенство Парсеваля
$$
\frac{|a_{0}|^{2}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty} |a_{n}|^{2}+|b_{n}|^{2}=\frac{1}{\pi}\int\limits_{-\pi}^{\pi}|f(x)|^{2} dx\nonumber
$$
и ряд Фурье такой функции сходится в смысле среднего квадратичного к функции \(f(x)\), то есть
$$
\lim_{n \rightarrow \infty} \int\limits_{-\pi}^{\pi} \left|f(x)-\frac{a_{0}}{2}-\sum_{k=1}^{n} (a_{k} \cos kx+b_{k} \sin kx)\right|^{2}dx=0.\nonumber
$$


Эквивалентность полноты и замкнутости ортогональной системы в гильбертовом пространстве.

Теорема 5.

Пусть \(H\) — гильбертово пространство и \(\{e_{i}\}\) — ортонормированная система элементов. Для того чтобы ряд
$$
\sum_{i=1}^{\infty}\alpha_{i}e_{i}\nonumber
$$
сходился, необходимо и достаточно, чтобы сходился числовой ряд
$$
\sum_{i=1}^{\infty}|\alpha_{i}|^{2}.\nonumber
$$

Доказательство.

\(\circ\) Необходимость следует из неравенства Бесселя. Если \(x=\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}\alpha_{i}e_{i}\), то \(\alpha_{i}=\displaystyle\lim_{n \rightarrow \infty} \left(\sum_{k=1}^{n}\alpha_{k}e_{k}, e_{i}\right)=(x, e_{i})\) и \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}|\alpha_{i}|^{2} \leq \left\|x\right\|^{2}\).

Достаточность. Пусть числовой ряд \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}|\alpha_{i}|^{2}\) сходится. Тогда для любого \(\varepsilon > 0\) найдется такой номер \(N\), что для всех \(n, m > N\) выполнено неравенство
$$
\sum_{k=n}^{m}|\alpha_{i}|^{2} < \varepsilon.\nonumber
$$

Последовательность частичных сумм ряда \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}\alpha_{i}e_{i}\) будет фундаментальной, так как при любых \(n, m > N\) выполнено условие
$$
\left\|s_{n}-s_{m}\right\|^{2}=\left\|\sum_{i=n}^{m}\alpha_{i}e_{i}\right\|^{2}=\sum_{i=n}^{m}|\alpha_{i}|^{2} < \varepsilon,\nonumber
$$
где \(s_{n}=\alpha_{1}e_{1}+\ldots+\alpha_{n}e_{n}\).

Но в полном пространстве любая фундаментальная последовательность сходится. Следовательно, последовательность частичных сумм \(s_{n}\) сходится, то есть ряд \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}\alpha_{i}e_{i}\) сходится. \(\bullet\)

Следствие.

Если \(\{e_{i}\}\) — ортонормированная система в гильбертовом пространстве \(H\), то для любого \(x \in H\) ряд Фурье по ортонормированной системе \(\{e_{i}\}\) сходится и элемент \(x\) представим в виде
$$
x=\sum_{i=1}^{\infty}x_{i}e_{i}+y,\ \mbox{где}\ x_{i}=(x, e_{i}),\ (y, e_{i})=0,\ i \in N.\label{ref17}
$$

\(\circ\) Пусть \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}x_{i}e_{i}\) есть ряд Фурье элемента \(x\). В силу неравенства Бесселя числовой ряд \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}|x_{i}|^{2}\) сходится. Из теоремы 5 тогда следует, что ряд \(\displaystyle\sum_{i=1}^{\infty}x_{i}e_{i}\) будет сходящимся.

Пусть
$$
y=x-\sum_{i=1}^{\infty}x_{i}e_{i}=\lim_{n \rightarrow \infty} \left(x-\sum_{i=1}^{n}x_{i}e_{i}\right).\nonumber
$$

В силу ортогональности системы \(\{e_{i}\}\) и непрерывности скалярного произведения справедливо равенство
$$
(y, e_{i})=\lim_{n \rightarrow \infty} \left(x-\sum_{i=1}^{n}x_{i}e_{i}, e_{i}\right)=(x, e_{i})-x_{i}=0,\ i \in N.\ \bullet\nonumber
$$

Ортогональная система \(\{e_{i}\}\) называется замкнутой в унитарном пространстве \(H\), если для любого \(x \in H\) из \((x, e_{i})=0\), \(i=1, 2, \ldots\), следует \(x=0\).

Теорема 6.

Для того чтобы ортонормированная система была полной в унитарном пространстве, необходимо, а в случае полного пространства и достаточно, чтобы она была замкнутой.

Доказательство.

\(\circ\) Необходимость. Пусть \(\{e_{i}\}\) — полная система в унитарном пространстве \(H\). Если для элемента \(x \in H\) справедливы равенства \((x, e_{i})=0\), \(i \in N\), то, применяя равенство Парсеваля, получаем
$$
\left\|x\right\|^{2}=\sum_{i=1}^{\infty}|x_{i}e_{i}|^{2}=0,\nonumber
$$
то есть \(x=0\).

Достаточность. Пусть \(H\) — полное пространство. Тогда каждый элемент \(x \in H\) можно представить в виде \eqref{ref17}. Так как система \(\{e_{i}\}\) замкнута, то из равенств \((y, e_{i})=0\), \(i \in N\), следует, что \(y=0\). Таким образом, любой элемент \(x\) есть сумма своего ряда Фурье по ортонормированной системе \(\{e_{i}\}\). Следовательно, система \(\{e_{i}\}\) полна в \(H\). \(\bullet\)

Оставить комментарий