Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3
15Operadores compactos y el teorema espectral
La diagonalización es la joya de la corona del álgebra lineal en dimensión finita: toda matriz simétrica tiene una base ortonormal de vectores propios. En dimensión infinita esto falla para los operadores autoadjuntos acotados en general — la multiplicación por en no tiene ningún valor propio (el Ejercicio 15.6) —, pero sobrevive, en forma perfecta, para los operadores casi de dimensión finita: los compactos. El teorema espectral para operadores compactos autoadjuntos es el teorema más utilizado del análisis funcional aplicado: diagonaliza ecuaciones integrales, mueve la alternativa de Fredholm y (problema de fin de semana) resuelve la cuerda vibrante, produciendo la base de senos del análisis de Fourier a partir de pura teoría de operadores — con el de Euler cayendo de una fórmula de trazas como regalo de despedida. En todo el capítulo, es un espacio de Hilbert sobre (o ; los enunciados se adaptan) y los operadores son acotados.
15.1 Operadores compactos
Definición 15.1
(con de Banach) es compacto si la imagen de la bola unidad es relativamente compacta en — equivalentemente, si toda sucesión acotada tiene una subsucesión con convergente. Los operadores de rango finito son compactos (los acotados en dimensión finita lo son); la identidad de un espacio de dimensión infinita nunca lo es (teorema de Riesz, segundo año).
Proposición 15.2
Los operadores compactos forman un subespacio cerrado de y un ideal bilátero: compacto y compactos para acotados. Además, en un espacio de Hilbert, todo operador compacto es límite en norma de operadores de rango finito.
Demostración. Subespacio: claro por la caracterización con sucesiones. Ideal: las aplicaciones acotadas llevan sucesiones convergentes a convergentes y acotadas a acotadas. Cerrado: sean con las compactas y acotada por ; una extracción diagonal hace convergente para todo ; entonces es de Cauchy, pues
eligiendo primero y después los índices. Aproximación en espacios de Hilbert: sea compacto, con compacto; dado , recúbrase por un número finito de bolas y sea la proyección ortogonal sobre (cerrado: de dimensión finita). Entonces tiene rango finito y, para , tomando con ,
(; ): . ∎
Ejemplo 15.3
(a) Operadores diagonales sobre : es compacto si y solo si (Ejercicio 15.2). (b) Operadores con núcleo sobre : compactos por Ascoli (el Ejercicio 7.7). (c) Operadores de Hilbert–Schmidt: para ,
define un operador compacto sobre con (el Ejercicio 15.4: truncar el desarrollo en la base de exhibe como límite de operadores de rango finito).
15.2 Operadores autoadjuntos
Definición 15.4
es autoadjunto si (el Ejercicio 13.8), es decir, si para todos . Entonces para todo (es igual a su conjugado).
Proposición 15.5
Para autoadjunto:
Los valores propios de son reales, y los vectores propios de valores propios distintos son ortogonales.
Demostración. Sea el supremo; por Cauchy–Schwarz. Recíprocamente, la identidad de tipo polarización
(desarróllese; los términos cruzados por autoadjunción) da, junto con la ley del paralelogramo,
Para con , tómese : . Luego . Valores propios: , y da . Ortogonalidad: con reales. ∎
15.3 El teorema espectral
Lema 15.6 (Existencia de un valor propio extremo)
Sea compacto y autoadjunto. Entonces o es valor propio de .
Demostración. Por la Proposición 15.5, tómense vectores unitarios con , donde (pásese a una subsucesión para fijar el signo). Entonces
Por compacidad, alguna subsucesión ; entonces , luego , un vector unitario, y la continuidad da . ∎
Teorema 15.7 (Teorema espectral para operadores compactos autoadjuntos)
Sea un operador compacto autoadjunto sobre un espacio de Hilbert .
admite un sistema ortonormal (con finito o numerable) de vectores propios de , con valores propios reales no nulos , tal que
y .
- Si es infinito, ; para cada , solo un número finito de cumple , y cada espacio propio , , tiene dimensión finita.
- Completando con una base ortonormal de se obtiene, cuando es separable, una base ortonormal de formada por vectores propios: queda diagonalizado.
Demostración. Primero (2). Si infinitos vectores propios ortonormales tuvieran : (ortogonalidad, Pitágoras): ninguna subsucesión de converge, en contra de la compacidad de sobre el acotado . Esto acota por un número finito, para cada , la multiplicidad total de los valores propios fuera de ; la numerabilidad y se siguen.
(1) Sea la envoltura lineal cerrada de todos los vectores propios de valor propio no nulo, organizados (por (2) y Gram–Schmidt dentro de cada espacio propio de dimensión finita, con ortogonalidad entre espacios propios por la Proposición 15.5) en un sistema ortonormal con valores propios . lleva dentro de , y también dentro de : para y un vector propio, . La restricción es compacta y autoadjunta sobre el espacio de Hilbert ; si , el Lema 15.6 produce un vector propio de con valor propio no nulo dentro de — imposible, tales vectores viven en . Luego : . Recíprocamente, todo (): , de donde y la descomposición ortogonal. El desarrollo: para (, ; el Teorema 13.7(1) sobre ), la continuidad de da .
(3) , subespacio cerrado de un espacio separable, es separable: tiene una base ortonormal (la Proposición 13.8); la unión es una base ortonormal de por la descomposición de (1). ∎
Teorema 15.8 (Alternativa de Fredholm)
Sean compacto y autoadjunto, y .
- Si no es valor propio, entonces es biyectivo con inversa acotada: para toda , la ecuación tiene exactamente una solución, que depende continuamente de .
- Si es valor propio, es resoluble si y solo si , y la solución es única salvo ese núcleo (de dimensión finita).
Demostración. Descompónganse y según el Teorema 15.7 (). La ecuación se lee
(1) : por (2) del teorema espectral, (los valores propios solo se acumulan en ). Resolviendo: , , con : una única solución con . (2) para en un conjunto finito : la resolubilidad de para exige , es decir, (), o sea ; y los , , quedan entonces libres. ∎
Ejemplo 15.9
Sobre , sea : un operador de Hilbert–Schmidt con núcleo real y simétrico: compacto y autoadjunto. Resolviendo : la relación muestra que cumple (dos derivaciones, lícitas para continua, y es continua para : convergencia dominada), con y . Así pues, las funciones propias resuelven , , :
y el teorema espectral afirma — sin teoría de Fourier alguna — que estos senos forman una base ortonormal de tras normalizar (el núcleo de es : obliga, por las dos derivaciones, a en casi todo punto). El problema de fin de semana recorre el mismo círculo de ideas para la cuerda vibrante y extrae de la traza.
Método 15.10
Dada una ecuación integral o diferencial: (1) reescríbase como o con un operador integral; (2) compruébese que es compacto (núcleo de Hilbert–Schmidt, o Ascoli) y, si es posible, autoadjunto (núcleo real simétrico); (3) diagonalícese con el teorema espectral o invóquese la alternativa de Fredholm para la resolubilidad; (4) léanse la existencia, la unicidad, la estabilidad y las fórmulas en serie de las soluciones en la base propia. Los operadores diferenciales no están acotados, pero sus inversas (los operadores de Green) sí son compactas: inviértase siempre primero.
15.4 Ejercicios
Ejercicio 15.1 ★
(a) Demostrar que un operador acotado de rango finito es compacto. (b) Demostrar que la identidad de un espacio normado es compacta si y solo si la dimensión es finita (Riesz, segundo año). Dedúzcase que un operador compacto sobre un espacio de dimensión infinita nunca es invertible con inversa acotada.
Solución
Solución de Ejercicio 15.1.
(a) es un subconjunto acotado del espacio de dimensión finita : relativamente compacto por Heine–Borel (el Corolario 6.17, trasladado por un homeomorfismo lineal con ). (b) Que sea compacta significa que la bola unidad cerrada es compacta, lo que, por el teorema de Riesz (segundo año), ocurre exactamente en dimensión finita. Si un compacto tuviera inversa acotada , entonces sería compacta (la Proposición 15.2): imposible en dimensión infinita.
Ejercicio 15.2 ★
Sea sobre , con acotada. (a) Demostrar . (b) Demostrar que es compacto si y solo si . (Para , trúnquese; para , evalúese en .) (c) ¿Cuándo es autoadjunto? Verifíquese el teorema espectral por inspección en ese caso.
Solución
Solución de Ejercicio 15.2.
(a) , con casi igualdad en los que realizan el supremo. (b) () Los truncamientos (consérvense , cero a partir de ahí) tienen rango finito y : compacto por la Proposición 15.2. () Si a lo largo de una subsucesión: : ninguna subsucesión de converge. (c) diagonal con : es autoadjunto si y solo si todos los . Entonces la base canónica es una base ortonormal de vectores propios, con valores propios : el teorema espectral al pie de la letra.
Ejercicio 15.3 ★★
Dense los detalles de la propiedad de ideal (la Proposición 15.2): si es compacto y está acotado, entonces es compacto. Dedúzcase que si para cierto acotado y , entonces no es compacto — y reconcíliese con el Ejercicio 15.1(b).
Solución
Solución de Ejercicio 15.3.
Sea acotada. Entonces está acotada (); la compacidad de extrae , y la continuidad de da : es compacto. Si con compacto y : sería compacta, en contra del Ejercicio 15.1(b) — que es el mismo enunciado visto desde el otro lado.
Ejercicio 15.4 ★★
(Hilbert–Schmidt) Sean y una base hilbertiana de . (a) Demostrar que (Cauchy–Schwarz en la variable , después Tonelli). (b) Desarróllese en del cuadrado (justifíquese que los productos forman allí una base hilbertiana) y demuéstrese que truncar la suma da operadores de rango finito que convergen a en norma de operador: es compacto.
Solución
Solución de Ejercicio 15.4.
(a) Por Cauchy–Schwarz en : ; intégrese en (Tonelli): .
(b) La familia es ortonormal en (Tonelli separa la integral doble). Total: si a todos los , entonces, para cada , la función (en por Cauchy–Schwarz y Tonelli) es ortogonal a todo — y las conjugadas forman una base hilbertiana siempre que lo haga (la conjugación es una biyección isométrica de que conserva la ortogonalidad y la totalidad) —, de modo que es en casi todo punto; y entonces, para casi todo , a todo : en casi todo punto, luego (Tonelli). Así, es una base hilbertiana; desarróllese . El truncamiento (índices ) da de rango finito (imagen en ) y, por (a),
es límite en norma de operadores de rango finito: compacto (Proposición 15.2).
Ejercicio 15.5 ★★
Sea autoadjunto con para todo (operador positivo). (a) Demostrar que los valores propios son y que . (b) Demostrar la desigualdad de Cauchy–Schwarz generalizada .
Solución
Solución de Ejercicio 15.5.
(a) sobre un vector propio. La fórmula es la Proposición 15.5 con todos los valores : el valor absoluto es redundante. (b) es una forma sesquilineal hermítica positiva (posiblemente degenerada); la demostración habitual de Cauchy–Schwarz (desarróllese y tómese el discriminante) nunca usa que sea definida.
Ejercicio 15.6 ★★
En , sea . (a) Demostrar que es acotado y autoadjunto, con , pero que no tiene valores propios. (b) Demostrar que no es compacto (exhíbase una sucesión acotada cuya imagen no tenga subsucesión convergente, por ejemplo indicadores normalizados de intervalos que se encogen cerca de — o invóquese el teorema espectral). (c) ¿Dónde se rompe la demostración del Lema 15.6 para ?
Solución
Solución de Ejercicio 15.6.
(a) y, sobre (vectores unitarios), : ; es autoadjunto porque el multiplicador es real. Valores propios: en casi todo punto obliga a en casi todo punto fuera del conjunto nulo : en . (b) Con los mismos : , mientras que (para fijo, por convergencia dominada). Si en norma, entonces , lo que obliga a (límite débil) y sin embargo : ninguna subsucesión converge. (c) En el Lema 15.6, es precisamente la extracción «» la que usa la compacidad; para , las sucesiones maximizantes se concentran cerca de y sus imágenes convergen débilmente a , nunca en norma: el vector propio en la cima del rango numérico sencillamente no existe.
Ejercicio 15.7 ★★
(Volterra) En , sea . (a) Demostrar que es compacto (Hilbert–Schmidt con núcleo ) pero no autoadjunto; calcúlese . (b) Demostrar que no tiene valores propios no nulos. (De : tiene un representante continuo, después es y resuelve , .) (c) Concluir que la compacidad por sí sola no da vectores propios: la autoadjunción del Teorema 15.7 es esencial.
Solución
Solución de Ejercicio 15.7.
(a) con : compacto (el Ejercicio 15.4). Su adjunto es el operador con núcleo : ; (evalúese en ). (b) Si , : es continua en (convergencia dominada en ), de modo que tiene un representante continuo; entonces es (teorema fundamental del cálculo para integrandos continuos), luego es , y con : con . (c) es compacto sin ningún valor propio salvo, quizá, ( obliga a en casi todo punto derivando la integral — así que ni siquiera ): la maquinaria espectral exige genuinamente la autoadjunción, no solo la compacidad.
Ejercicio 15.8 ★★★
(Courant–Fischer) Sea compacto, autoadjunto y positivo, con valores propios (repetidos según multiplicidad, con vectores propios ). Demostrar:
(Evalúese en ; para la cota superior, interséquese cualquier con espacios de tipo : el recuento de dimensiones fuerza una intersección no nula.) Dedúzcase que los valores propios dependen monótonamente de ().
Solución
Solución de Ejercicio 15.8.
Escríbanse , , de modo que . Cota inferior: sobre la esfera unidad de , : el máximo sobre de los mínimos es . Cota superior: sean y , de codimensión (su complemento ortogonal es ); (una aplicación lineal de rango tiene núcleo no trivial), y un unitario cumple : el mínimo sobre es . Juntas: la primera fórmula; la segunda se demuestra simétricamente (evalúese en ; para arbitrario de codimensión , da un vector unitario con ). Monotonía: puntualmente se transfiere a través de .
Ejercicio 15.9 ★★
Usando el Teorema 15.8 para (el Ejemplo 15.9): ¿para qué tiene la ecuación integral
una única solución para toda ? ¿Qué ocurre en los valores excepcionales?
Solución
Solución de Ejercicio 15.9.
Reescríbase . Para : , siempre unívocamente resoluble. Para : esto es y, por la alternativa de Fredholm (el Teorema 15.8) con los valores propios de (el Ejemplo 15.9): hay resolubilidad única para toda si y solo si para todo , es decir,
En un excepcional: hay soluciones si y solo si , y entonces son únicas salvo múltiplos de ese seno.
Ejercicio 15.10 ★★★
Sea el desplazamiento en (Ejercicio 8.1). (a) Demostrar que no tiene valores propios, mientras que todo con es valor propio de (hállense los vectores propios explícitamente: sucesiones geométricas). (b) Ni ni son compactos: compruébese evaluando al estilo del Ejercicio 15.2 en . (c) Coméntese: para operadores no autoadjuntos y no compactos, el paisaje de valores propios puede ser cualquier cosa, desde vacío hasta un disco completo — la noción que sobrevive es el espectro, que se estudia en un curso posterior.
Solución
Solución de Ejercicio 15.10.
(a) : comparando coordenadas, y ; si , entonces e, inductivamente, ; y si , obliga a ( isométrico). Sin valores propios. se lee : , que está en exactamente cuando : todo un disco abierto de valores propios. (b) : la imagen de la sucesión acotada no tiene subsucesión de Cauchy; y análogamente . Ninguno de los dos es compacto. (c) Para los operadores compactos autoadjuntos, los valores propios lo capturan todo (el Teorema 15.7); si se suprime cualquiera de las dos hipótesis, los valores propios pueden desaparecer del todo (, Volterra) o llenar un disco (): el objeto robusto es el espectro , cuya teoría corresponde a un curso posterior.
Ejercicio 15.11 ★★
(Raíces cuadradas) Sea compacto, autoadjunto y positivo () sobre un espacio de Hilbert , con descomposición espectral (). (a) Defínase ; demuéstrese que es compacto, autoadjunto y positivo, con . (b) Demuéstrese la unicidad: todo compacto, positivo y autoadjunto con conserva los espacios propios de (: conmuta con , luego ) y, sobre , es un operador positivo cuyo cuadrado es en un espacio de dimensión finita: diagonalícese allí y conclúyase en cada espacio propio, de donde . (c) Calcúlese para el operador de la cuerda del Problema 15.1: ¿qué núcleo tiene valores propios sobre la base de senos? (Exprésese como límite en de núcleos; no se pide forma cerrada.)
Solución
Solución de Ejercicio 15.11.
(a) es el operador diagonal de coeficientes : compacto (el Ejercicio 15.2(b), trasladado a la base completada por , donde ), autoadjunto (diagonal real), positivo () y término a término.
(b) conmuta con ; para un vector propio de de valor propio : , de modo que el espacio propio , de dimensión finita, es -estable. Sobre , es simétrico positivo con : sus valores propios cumplen , : todos valen , y un operador diagonalizable con un solo valor propio es escalar: sobre . Sobre : . Así pues, coincide con en y en cada espacio propio, cuya envoltura cerrada es (teorema espectral): .
(c) actúa como sobre : es el operador con núcleo
convergiendo la serie en (coeficientes ; los núcleos de las sumas parciales dan las aproximaciones de rango finito). No hace falta ninguna forma cerrada elemental: el lado espectral es el operador.
Ejercicio 15.12 ★★★
(Descomposición en valores singulares) Sea compacto, no necesariamente autoadjunto. (a) Demostrar que es compacto, autoadjunto y positivo; sea una familia ortonormal de vectores propios con , (los valores singulares), completada por (demuéstrese esta igualdad). (b) Póngase ; demuéstrese que es ortonormal y establézcase la descomposición en valores singulares:
con convergencia en . (c) Dedúzcase: ; es límite en norma de operadores de rango finito (lo que vuelve a demostrar el recíproco de la Proposición 15.2 para espacios de Hilbert); y, para el operador de Volterra del Ejercicio 15.7, que no tiene valores propios, explíquese por qué existe pese a todo la descomposición y cuáles son sus ingredientes (identifíquese como un operador con núcleo de tipo cuerda — calcular sus valores propios explícitamente es territorio del Ejercicio 15.9).
Solución
Solución de Ejercicio 15.12.
(a) es compacto (producto de un operador acotado y un operador compacto, el Ejercicio 15.3), autoadjunto () y positivo (). Núcleo: , y recíprocamente: . El teorema espectral proporciona la familia ortonormal con , , que genera .
(b) . Desarróllese con (Parseval en la envoltura cerrada más el núcleo); aplicando el continuo :
convergiendo la serie porque sus sumas parciales son de Cauchy (, dominadas por , y ).
(c) , alcanzado en el maximizante : . Truncar la descomposición en rango deja un operador de norma : aproximación de rango finito. El operador de Volterra no tiene valores propios (el Ejercicio 15.7), pero sí: es un operador con núcleo simétrico positivo (núcleo , un núcleo de Green de tipo cuerda), cuyos pares propios — calculados mediante el problema de contorno , , es decir, la familia del Ejercicio 15.9 — dan valores singulares . La descomposición vive sobre dos familias ortonormales precisamente porque desvía su geometría propia: sin vectores propios y, aun así, con estructura diagonal perfecta entre dos bases distintas.
15.5 Problema: la cuerda vibrante y
Problema 15.1
Problema de fin de semana — el operador de Green, la base de senos y una fórmula de trazas
Resolveremos el problema de valores propios de la cuerda vibrante con extremos fijos — , — mediante teoría de operadores, obtendremos la base ortonormal de senos sin ningún cálculo de Fourier y evaluaremos comparando dos expresiones de la traza del operador de Green. Defínase, sobre ,
Parte I — El operador de Green.
- Demostrar que es continuo y simétrico, con , y que es compacto y autoadjunto (el Ejemplo 15.3(c)).
Para continua, demostrar que es con
(escríbase y derívese dos veces). Recíprocamente, si con , entonces : invierte el operador de la cuerda.
- Demostrar (si con : evalúese contra continua, transfiérase por simetría o Fubini a , y úsese el lema fundamental el Corolario 12.11 — o regularícese), y que es un operador positivo: . (Para continua: con , por partes; conclúyase por densidad.)
Parte II — Diagonalización: la base de senos.
- Demostrar que las funciones propias de de valor propio son, salvo escalares, las soluciones de , (una función propia tiene un representante continuo — es continua para , ¿por qué? — y, por tanto, es reiterando la pregunta 2).
- Resuélvase el problema de contorno: los valores propios de son (), con funciones propias normalizadas ; compruébese la ortonormalidad por integración directa como control.
- Concluir del Teorema 15.7 y de la pregunta 3 que es una base ortonormal de — sin Stone–Weierstrass ni series de Fourier. Desarróllese en esta base y escríbase Parseval para ella.
Parte III — La fórmula de la traza y .
Demostrar las dos identidades
Para la segunda (la fórmula de la traza): desarróllese , para fijo, en la base — demuéstrese que los coeficientes son , de modo que en . Aquí los senos son explícitos: verifíquese directamente que converge uniformemente en el cuadrado (compárese con ), de modo que su suma es continua y, teniendo los mismos desarrollos en en para cada , es igual a en todo punto. Póngase e intégrese término a término.
Calcular y concluir
la suma de Euler a partir de la traza de un operador.
- Vuélvase a deducir de una tercera manera: aplíquese Parseval en la base de senos a la función constante , calcúlese y conclúyase. Compárense después los mecanismos: ¿en qué sentido es el argumento de la traza de las preguntas 7–8 «Parseval aplicado al núcleo entero de una vez»?
Parte IV — La cuerda vibra.
(Separación de variables, sintetizada) Para , defínase
Demostrar que la serie converge en para cada , que es continua con valores en , y que para en la envoltura de un número finito de resuelve la ecuación de ondas con , y extremos fijos. Los valores propios son las frecuencias al cuadrado: los armónicos de la cuerda — explíquese en un párrafo la interpretación musical del Teorema 15.7.
Parte V — Dividendos variacionales: el método de la potencia, la estabilidad de Weyl y una cota rigurosa de . Sea un operador compacto, autoadjunto y positivo con valores propios y vectores propios ortonormales ; . Las fórmulas mín–máx son el Ejercicio 15.8; aquí las gastamos.
(Método de la potencia) Para , escríbase . Demostrar (Cauchy–Schwarz), dedúzcase la cadena
y demuéstrese que, si , entonces : iterar el operador sobre cualquier vector genérico calcula el valor propio dominante — el método de la potencia del análisis numérico, certificado.
(Estabilidad de Weyl) Para compactos, autoadjuntos y positivos, dedúzcase del Ejercicio 15.8 que
todo el espectro es -lipschitziano para la norma de operador — los valores propios de grandes sistemas simétricos pueden calcularse a partir de aproximaciones con error garantizado.
Aplíquese la cota de Rayleigh a con la función de prueba : resuélvase , para obtener , calcúlese
y conclúyase la cota rigurosa , es decir, .
Un paso de la cadena de la pregunta 11, sobre la misma función de prueba: usando , calcúlese
y conclúyase : dos integrales, cuatro cifras correctas. (Cada iteración adicional prácticamente eleva al cuadrado la precisión: el salto entre vectores propios impulsa la convergencia geométrica.)
Parte VI — La traza de , y .
- Demostrar que (desarróllese en la base producto de — una base hilbertiana, cf. el Ejercicio 15.5 — y aplíquese Parseval en el cuadrado; la pregunta 7 identifica los coeficientes).
Calcular la integral doble:
- Concluir ; explíquese, sin cálculos, cómo las trazas de potencias superiores producen para todo , y por qué los valores impares quedan estructuralmente fuera del alcance de esta máquina.
( por abajo) De dedúzcase y móntese, con la pregunta 14, el veredicto por ambos lados
obtenido enteramente a partir de la aritmética de la cuerda vibrante. ¿Qué lado converge más deprisa si se usan trazas superiores , y por qué?
Parte VII — Forzamiento y resonancia. Fíjese y considérese la cuerda forzada , , con y .
Supóngase . Demostrar que
converge en y uniformemente en (Cauchy–Schwarz entre y las colas de , con ), y que cumple — la forma en coordenadas explícitas de la alternativa de Fredholm (el Teorema 15.8), con unicidad.
- Supóngase . Demostrar que tiene solución si y solo si , única salvo múltiplos de . Lectura física: empujar un columpio exactamente a su propia frecuencia.
- Para , demostrar que el operador solución está acotado en con norma , es compacto, autoadjunto y positivo: todo el análisis espectral vuelve a empezar, desplazado por .
- (Síntesis) Recopílese el diccionario de este problema: valor propio frecuencia al cuadrado (armónicos); traza ; norma de Hilbert–Schmidt ; alternativa de Fredholm resonancia; mín–máx cotas variacionales ( a partir de un polinomio). Un solo operador integral, cinco capítulos de análisis cobrados.
Parte VIII — Tres últimos ecos.
(, gratis) La identidad de Parseval de la pregunta 6 dio . Sepárese en pares e impares y conclúyase
sin ninguna integral nueva: la máquina de la pregunta 17 (trazas de ) habría dado el mismo valor al precio de un núcleo iterado — Parseval sobre una función bien elegida es aquí la vía más barata.
- (El estado fundamental es positivo) Sea un operador compacto, autoadjunto y positivo sobre dado por un núcleo simétrico continuo sobre , con mayor valor propio . Demostrar: (a) todo maximizador del cociente de Rayleigh es una función propia de ; (b) si lo es, entonces , con desigualdad estricta si toma ambos signos en conjuntos de medida positiva — de modo que tiene signo constante en casi todo punto y no se anula nunca en ; (c) es un valor propio simple. Verifíquese cada afirmación en : , y cada , , al ser ortogonal a , ha de cambiar de signo (y lo hace: ceros interiores).
(Distancia al espectro y el precio de la resonancia) Para , demostrar que el operador solución de la pregunta 19 está acotado, es autoadjunto y compacto, con
alcanzándose la norma en el modo más próximo. Cuantifíquese después el columpio de la pregunta 20: forzar con en produce , una amplificación de respecto de la respuesta estática — un uno por ciento por debajo del fundamental (), la cuerda responde cien veces más fuerte.
Solución
Solución de Problema 15.1.
1. Continuidad: y son continuas; simetría: intercambiar no altera ni ni . Cotas: , y cotas de tipo dan (para : , luego ). : es de Hilbert–Schmidt y, por tanto, es compacto (el Ejercicio 15.4); el núcleo es real y simétrico: es autoadjunto.
2. Separando en :
Para continua, derívese (producto y teorema fundamental):
y ; y claramente . Recíprocamente, si se anula en ambos extremos, cumple , : es afín y se anula dos veces, luego .
3. Sean , . Para : por la pregunta 2, de modo que
( autoadjunto): por el lema fundamental (el Corolario 12.11), en casi todo punto. Positividad: para continua, con ,
y para , aproxímese en por continuas: ambos miembros pasan al límite ( acotado).
4. Si , : es continua (, y el núcleo es uniformemente continuo), de modo que tiene un representante continuo; y entonces las fórmulas de la pregunta 2 muestran que , luego con y .
5. , : ( positivo: por la pregunta 3, sobre vectores propios). obliga a : , con funciones propias , normalizadas (). Comprobación de ortogonalidad: integra a para .
6. (pregunta 3), de modo que el Teorema 15.7(1) da : los senos son una base hilbertiana de . Para :
(dos integraciones por partes). Parseval: , i.e. .
7. . Para fijo, los coeficientes de : , luego en . La serie explícita converge normalmente en el cuadrado (): su suma es continua y, para cada , tiene los mismos coeficientes en que : las dos funciones continuas coinciden para todo . Poniendo e integrando (la convergencia normal permite integrar término a término):
8. , luego :
9. Para : : para impar, para par. Parseval: , luego y (los términos pares son ). Comparación: Parseval para una sola suma ; la fórmula de la traza integra la diagonal del núcleo, lo que equivale a sumar Parseval sobre toda una familia ortonormal de una vez — — y es, por tanto, ciega a cualquier elección particular de función de prueba.
10. con : para cada , la serie converge en (desarrollo ortonormal, el Teorema 13.7(3)); la cota de la cola es uniforme en , y cada suma parcial es continua en (finitos cosenos): es continua con valores en . Para : cada modo cumple aplicada a él, se anula en , tiene valor y derivada temporal en : la suma finita lo resuelve todo. Musicalmente: el movimiento de la cuerda es superposición de ondas estacionarias , cuyas frecuencias son la fundamental y sus armónicos; el teorema espectral dice que toda forma inicial se descompone de manera única en esos tonos puros, siendo los coeficientes el timbre. Oír una cuerda es calcular un desarrollo ortonormal.
11. Con : (Cauchy–Schwarz en ). Por tanto, los cocientes son no decrecientes en ; y como , y , se sigue la cadena, con cada término porque término a término. Convergencia: si (escribiendo el peso total del valor propio dominante como ), entonces
por convergencia dominada de las sumas (cocientes ): el método de la potencia converge para todo vector inicial no ortogonal al espacio propio dominante.
12. Puntualmente, , de modo que para todo . Introduciendo esto en la fórmula máx–mín del Ejercicio 15.8: y, simétricamente en : para todo a la vez.
13. integra a (con ), y da :
Entonces y, con :
Luego , es decir, : (valor verdadero ). Un polinomio, una integral, una cifra.
14. Escríbase , de modo que y, usando , , :
Por tanto y, por la pregunta 11, esto sigue siendo : , es decir, — cuatro cifras (y la siguiente iteración daría unas ocho, contrayéndose el error en por paso).
15. La familia es una base hilbertiana de (ortonormalidad por Tonelli; totalidad como en el Ejercicio 15.5). Por la pregunta 7, para fijo: , de modo que el coeficiente de sobre es
Parseval en el cuadrado:
16. Por la simetría de ,
17. Combinando: , es decir, . En general, es una integral iterada de productos del núcleo racional-polinómico sobre el cubo : un número racional. Por tanto, para todo . La máquina solo alcanza argumentos pares porque los valores propios entran por sus potencias — — y : ninguna combinación de trazas produce ; la naturaleza aritmética de (irracional por Apéry, con la trascendencia abierta) queda fuera de la contabilidad espectral.
18. El término dominante de una suma de términos positivos es a lo sumo la suma: , luego y Con la pregunta 14: , por pura aritmética de la cuerda. Las trazas superiores afinan geométricamente la cota inferior: , y el factor parásito muere a velocidad — el mismo mecanismo de salto espectral que la convergencia del método de la potencia (pregunta 11), visto desde el lado de las trazas.
19. para todo (la sucesión evita con margen) y para grande. Convergencia en : los coeficientes son de cuadrado sumable (dominados por ). Convergencia uniforme: las normas del supremo de las colas están acotadas por (Cauchy–Schwarz). Verificación: tiene coeficiente igual a
exactamente los coeficientes de , de modo que ; la unicidad, porque una diferencia de soluciones cumple , es decir, para todo : .
20. Como en la pregunta 19, la ecuación equivale a la familia de ecuaciones de coeficientes , . Para , el miembro izquierdo es : la resolubilidad obliga a y entonces queda libre, mientras que todos los demás coeficientes están determinados: las soluciones forman la recta . Resonancia: un forzamiento con componente sobre el modo propio bombea energía en él sin límite — el columpio empujado a su propia frecuencia.
21. De la fórmula de la pregunta 19, (para el valor propio más próximo es ), con igualdad aproximada sobre : norma de operador . Compacidad: es límite en norma de sus truncamientos de rango finito (los coeficientes de la cola son ); la autoadjunción y la positividad se leen en la forma diagonal (todos los coeficientes son ). tiene valores propios : el análisis de las Partes I–VI vuelve a empezar literalmente.
22. El diccionario: valor propio frecuencia al cuadrado del -ésimo armónico; traza ; norma de Hilbert–Schmidt ; alternativa de Fredholm resonancia de la cuerda forzada; mín–máx estimaciones variacionales, hasta a partir de un polinomio. Detrás de cada emparejamiento, el mismo objeto: un operador compacto autoadjunto, diagonalizado una vez y explotado de cinco maneras.
23. Separando por paridad y sustituyendo en la parte par,
luego y . La vía de la traza calcularía como con el núcleo iterado — tres integraciones de polinomios a trozos —; Parseval sobre solo necesitó una.
24. (a) Diagonalícese: (más una posible componente en el núcleo, sobre la que no gana nada y crece, de modo que un maximizador no la tiene). Entonces , con igualdad si y solo si siempre que : un maximizador está en el espacio propio de . (b) Para cualquier ,
siendo el integrando puntualmente no negativo. Si y tienen ambos medida positiva, entonces sobre el integrando vale en un conjunto de medida positiva: desigualdad estricta. Una función propia de maximiza el cociente de Rayleigh, y tiene la misma norma, de modo que la estrictud exhibiría — imposible; luego tiene signo constante en casi todo punto, digamos . Y entonces para todo ( y ). (c) Si el espacio propio tuviera dimensión , contendría dos funciones propias ortogonales , cada una de signo constante y sin ceros interiores por (b); pero entonces — contradicción. Sobre la cuerda: en el cuadrado abierto, es en efecto simple, es positiva en ; y cada , , ortogonal a la positiva , ha de integrar cero contra ella y, por tanto, cambiar de signo — como confirman sus ceros interiores .
25. Como , el mínimo se alcanza, en cierto modo , y porque evita el espectro. La fórmula diagonal de la pregunta 19 da
con igualdad para : , el inverso de la distancia de al espectro — el principio general de la resolvente, aquí en coordenadas explícitas. La autoadjunción se lee en los coeficientes diagonales reales; la compacidad se sigue como en la pregunta 21 (los coeficientes tienden a , de modo que los truncamientos de rango finito convergen en norma). Precio de la resonancia: para y , la fórmula da , frente a la respuesta estática : amplificación . En , la respuesta es veces la estática — y diverge cuando , que es la alternativa de la pregunta 20 vista desde el lado acotado: cuanto más próxima está la frecuencia de forzamiento a una natural, menos acotada es la inversa.