Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

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 xx en L2([0,1])L^2(\intcc01) 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 ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 de Euler cayendo de una fórmula de trazas como regalo de despedida. En todo el capítulo, HH es un espacio de Hilbert sobre C\C (o R\R; los enunciados se adaptan) y los operadores son acotados.

15.1 Operadores compactos

Definición 15.1

TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F) (con E,FE, F de Banach) es compacto si la imagen T(B)T(B) de la bola unidad es relativamente compacta en FF — equivalentemente, si toda sucesión acotada (xn)(x_n) tiene una subsucesión con (Txnk)(Tx_{n_k}) 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 K(E,F)\mathcal K(E, F) forman un subespacio cerrado de L(E,F)\mathcal L(E, F) y un ideal bilátero: SS compacto \Rightarrow ASAS y SBSB compactos para A,BA, B 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 TnTT_n \to T con las TnT_n compactas y (xk)(x_k) acotada por 11; una extracción diagonal hace convergente (Tnxkj)j(T_nx_{k_j})_j para todo nn; entonces (Txkj)(Tx_{k_j}) es de Cauchy, pues

TxkjTxkl2TTn+TnxkjTnxkl,\norm{Tx_{k_j} - Tx_{k_l}} \leq 2\vertiii{T - T_n} + \norm{T_nx_{k_j} - T_nx_{k_l}} ,

eligiendo primero nn y después los índices. Aproximación en espacios de Hilbert: sea TT compacto, con K=T(B)K = \overline{T(B)} compacto; dado ε\varepsilon, recúbrase KK por un número finito de bolas B(yi,ε)B(y_i, \varepsilon) y sea PP la proyección ortogonal sobre V=Vect(y1,,ym)V = \operatorname{Vect}(y_1, \dots, y_m) (cerrado: de dimensión finita). Entonces PTPT tiene rango finito y, para x1\norm x \leq 1, tomando yiy_i con Txyi<ε\norm{Tx - y_i} < \varepsilon,

TxPTxTxyi+P(yiTx)2ε\norm{Tx - PTx} \leq \norm{Tx - y_i} + \norm{P(y_i - Tx)} \leq 2\varepsilon

(yi=Pyiy_i = Py_i; P1\vertiii P \leq 1): TPT2ε\vertiii{T - PT} \leq 2\varepsilon.

Ejemplo 15.3

(a) Operadores diagonales sobre 2\ell^2: T(xn)=(λnxn)T(x_n) = (\lambda_nx_n) es compacto si y solo si λn0\lambda_n \to 0 (Ejercicio 15.2). (b) Operadores con núcleo sobre C([0,1])\mathcal C(\intcc01): compactos por Ascoli (el Ejercicio 7.7). (c) Operadores de Hilbert–Schmidt: para kL2([0,1]2)k \in L^2(\intcc01^2),

(Tkf)(x)=01k(x,y)f(y) ⁣dy(T_kf)(x) = \int_0^1k(x, y)\,f(y)\,\dd y

define un operador compacto sobre L2([0,1])L^2(\intcc01) con TkkL2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (el Ejercicio 15.4: truncar el desarrollo en la base de kk exhibe TkT_k como límite de operadores de rango finito).

15.2 Operadores autoadjuntos

Definición 15.4

TL(H)T \in \mathcal L(H) es autoadjunto si T=TT = T^* (el Ejercicio 13.8), es decir, si Tx,y=x,Ty\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle para todos x,yx, y. Entonces x,TxR\langle x, Tx\rangle \in \R para todo xx (es igual a su conjugado).

Proposición 15.5

Para TT autoadjunto:

T=supx1 x,Tx.\vertiii T = \sup_{\norm x \leq 1}\ \abs{\langle x, Tx\rangle} .

Los valores propios de TT son reales, y los vectores propios de valores propios distintos son ortogonales.

Demostración. Sea MM el supremo; MTM \leq \vertiii T por Cauchy–Schwarz. Recíprocamente, la identidad de tipo polarización

x+y,T(x+y)xy,T(xy)=4Rey,Tx\langle x{+}y, T(x{+}y)\rangle - \langle x{-}y, T(x{-}y)\rangle = 4\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle

(desarróllese; los términos cruzados y,Tx+x,Ty=2Rey,Tx\langle y, Tx\rangle + \langle x, Ty\rangle = 2\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle por autoadjunción) da, junto con la ley del paralelogramo,

4Rey,TxM(x+y2+xy2)=2M(x2+y2).4\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle \leq M\bigl(\norm{x{+}y}^2 + \norm{x{-}y}^2\bigr) = 2M\bigl(\norm x^2 + \norm y^2\bigr).

Para x=1\norm x = 1 con Tx0Tx \neq 0, tómese y=Tx/Txy = Tx/\norm{Tx}: 4Tx4M4\norm{Tx} \leq 4M. Luego TM\vertiii T \leq M. Valores propios: Tx=λxTx = \lambda x, y x0x \ne 0 da λx2=x,TxR\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \in \R. Ortogonalidad: λx,y=Tx,y=x,Ty=μx,y\lambda\langle x, y\rangle = \langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle = \mu\langle x, y\rangle con λμ\lambda \neq \mu reales.

15.3 El teorema espectral

Lema 15.6 (Existencia de un valor propio extremo)

Sea T0T \neq 0 compacto y autoadjunto. Entonces T\vertiii T o T-\vertiii T es valor propio de TT.

Demostración. Por la Proposición 15.5, tómense vectores unitarios xnx_n con xn,Txnμ\langle x_n, Tx_n\rangle \to \mu, donde μ=T>0\abs\mu = \vertiii T > 0 (pásese a una subsucesión para fijar el signo). Entonces

Txnμxn2=Txn22μxn,Txn+μ2T22μxn,Txn+μ22μ22μμ=0.\norm{Tx_n - \mu x_n}^2 = \norm{Tx_n}^2 - 2\mu\langle x_n, Tx_n\rangle + \mu^2 \leq \vertiii T^2 - 2\mu\langle x_n, Tx_n\rangle + \mu^2 \longrightarrow 2\mu^2 - 2\mu\cdot\mu = 0 .

Por compacidad, alguna subsucesión TxnkyTx_{n_k} \to y; entonces μxnk=Txnk(Txnkμxnk)y\mu x_{n_k} = Tx_{n_k} - (Tx_{n_k} - \mu x_{n_k}) \to y, luego xnkx=y/μx_{n_k} \to x = y/\mu, un vector unitario, y la continuidad da Tx=μxTx = \mu x.

Teorema 15.7 (Teorema espectral para operadores compactos autoadjuntos)

Sea TT un operador compacto autoadjunto sobre un espacio de Hilbert HH.

  1. HH admite un sistema ortonormal (en)nN(e_n)_{n \in N} (con NN finito o numerable) de vectores propios de TT, con valores propios reales no nulos (λn)(\lambda_n), tal que

    Tx=nNλnen,xen(xH),Tx = \sum_{n\in N}\lambda_n\,\langle e_n, x\rangle\, e_n \qquad (x \in H),

    y H=kerTVect(en:nN)H = \ker T \,\oplus^\perp\, \overline{\operatorname{Vect}}(e_n : n \in N).

  2. Si NN es infinito, λn0\lambda_n \to 0; para cada δ>0\delta > 0, solo un número finito de nn cumple λnδ\abs{\lambda_n} \geq \delta, y cada espacio propio ker(Tλ)\ker(T - \lambda), λ0\lambda \neq 0, tiene dimensión finita.
  3. Completando (en)(e_n) con una base ortonormal de kerT\ker T se obtiene, cuando HH es separable, una base ortonormal de HH formada por vectores propios: TT queda diagonalizado.

Demostración. Primero (2). Si infinitos vectores propios ortonormales xkx_k tuvieran λ(k)δ\abs{\lambda_{(k)}} \geq \delta: TxkTxl2=λ(k)2+λ(l)22δ2\norm{Tx_k - Tx_l}^2 = \lambda_{(k)}^2 + \lambda_{(l)}^2 \geq 2\delta^2 (ortogonalidad, Pitágoras): ninguna subsucesión de (Txk)(Tx_k) converge, en contra de la compacidad de TT sobre el acotado (xk)(x_k). Esto acota por un número finito, para cada δ\delta, la multiplicidad total de los valores propios fuera de (δ,δ)\intoo{-\delta}\delta; la numerabilidad y λn0\lambda_n \to 0 se siguen.

(1) Sea H0H_0 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 (en)(e_n) con valores propios λn0\lambda_n \neq 0. TT lleva H0H_0 dentro de H0H_0, y también H0H_0^\perp dentro de H0H_0^\perp: para yH0y \perp H_0 y ee un vector propio, e,Ty=Te,y=λe,y=0\langle e, Ty\rangle = \langle Te, y\rangle = \lambda\langle e, y\rangle = 0. La restricción T=TH0T' = T\restriction_{H_0^\perp} es compacta y autoadjunta sobre el espacio de Hilbert H0H_0^\perp; si T0T' \neq 0, el Lema 15.6 produce un vector propio de TT con valor propio no nulo dentro de H0H_0^\perp — imposible, tales vectores viven en H0H_0. Luego T=0T' = 0: H0kerTH_0^\perp \subseteq \ker T. Recíprocamente, kerT\ker T \perp todo ene_n (en,z=1λnTen,z=1λnen,Tz=0\langle e_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle Te_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle e_n, Tz\rangle = 0): kerTH0\ker T \subseteq H_0^\perp, de donde kerT=H0\ker T = H_0^\perp y la descomposición ortogonal. El desarrollo: para x=z+ncnenx = z + \sum_nc_ne_n (zkerTz \in \ker T, cn=en,xc_n = \langle e_n, x\rangle; el Teorema 13.7(1) sobre H0H_0), la continuidad de TT da Tx=ncnλnenTx = \sum_nc_n\lambda_ne_n.

(3) kerT\ker T, subespacio cerrado de un espacio separable, es separable: tiene una base ortonormal (la Proposición 13.8); la unión es una base ortonormal de HH por la descomposición de (1).

Teorema 15.8 (Alternativa de Fredholm)

Sean TT compacto y autoadjunto, y λR{0}\lambda \in \R\setminus \{0\}.

  1. Si λ\lambda no es valor propio, entonces TλIT - \lambda I es biyectivo con inversa acotada: para toda ff, la ecuación Txλx=fTx - \lambda x = f tiene exactamente una solución, que depende continuamente de ff.
  2. Si λ\lambda es valor propio, Txλx=fTx - \lambda x = f es resoluble si y solo si fker(TλI)f \perp \ker(T - \lambda I), y la solución es única salvo ese núcleo (de dimensión finita).

Demostración. Descompónganse x=z+cnenx = z + \sum c_ne_n y f=w+dnenf = w + \sum d_ne_n según el Teorema 15.7 (z,wkerTz, w \in \ker T). La ecuación se lee

λz=w,(λnλ)cn=dn (nN).-\lambda z = w, \qquad (\lambda_n - \lambda)\,c_n = d_n\ (n \in N).

(1) λ{λn}{0}\lambda \notin \{\lambda_n\}\cup\{0\}: por (2) del teorema espectral, infnλnλ=δ>0\inf_n\abs{\lambda_n - \lambda} = \delta > 0 (los valores propios solo se acumulan en 0λ0 \neq \lambda). Resolviendo: z=w/λz = -w/\lambda, cn=dn/(λnλ)c_n = d_n/(\lambda_n - \lambda), con cn2δ2dn2\sum\abs{c_n}^2 \leq \delta^{-2}\sum\abs{d_n}^2: una única solución con xCf\norm x \leq C\norm f. (2) λ=λn\lambda = \lambda_{n} para nn en un conjunto finito FF: la resolubilidad de (λnλ)cn=dn(\lambda_n - \lambda)c_n = d_n para nFn \in F exige dn=0d_n = 0, es decir, fenf \perp e_n (nFn \in F), o sea fker(TλI)f \perp \ker(T - \lambda I); y los cnc_n, nFn \in F, quedan entonces libres.

Ejemplo 15.9

Sobre L2([0,1])L^2(\intcc01), sea Tf(x)=01min(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x, y)f(y)\dd y: un operador de Hilbert–Schmidt con núcleo real y simétrico: compacto y autoadjunto. Resolviendo Tf=λfTf = \lambda f: la relación (Tf)(x)=0xyf(y) ⁣dy+xx1f(y) ⁣dy\bigl(Tf\bigr)(x) = \int_0^xyf(y)\dd y + x\int_x^1f(y)\dd y muestra que u=Tfu = Tf cumple u=fu'' = -f (dos derivaciones, lícitas para ff continua, y TfTf es continua para fL2f \in L^2: convergencia dominada), con u(0)=0u(0) = 0 y u(1)=0u'(1) = 0. Así pues, las funciones propias resuelven λu=u\lambda u'' = -u, u(0)=0u(0) = 0, u(1)=0u'(1) = 0:

un(x)=sin((n+12)πx),λn=1(n+12)2π2(n0),u_n(x) = \sin\Bigl(\bigl(n + \tfrac12\bigr)\pi x\Bigr), \qquad \lambda_n = \frac{1}{\bigl(n + \frac12\bigr)^2\pi^2} \quad (n \geq 0),

y el teorema espectral afirma — sin teoría de Fourier alguna — que estos senos forman una base ortonormal de L2([0,1])L^2(\intcc01) tras normalizar (el núcleo de TT es 00: Tf=0Tf = 0 obliga, por las dos derivaciones, a f=0f = 0 en casi todo punto). El problema de fin de semana recorre el mismo círculo de ideas para la cuerda vibrante y extrae ζ(2)\zeta(2) de la traza.

Método 15.10

Dada una ecuación integral o diferencial: (1) reescríbase como (IλK)u=f(I - \lambda K)u = f o Ku=λuKu = \lambda u con KK un operador integral; (2) compruébese que KK 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) T(B)T(B) es un subconjunto acotado del espacio de dimensión finita imT\operatorname{im}T: relativamente compacto por Heine–Borel (el Corolario 6.17, trasladado por un homeomorfismo lineal con Rn\R^n). (b) Que II 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 TT compacto tuviera inversa acotada T1T^{-1}, entonces I=T1TI = T^{-1}T sería compacta (la Proposición 15.2): imposible en dimensión infinita.

Ejercicio 15.2

Sea T(x1,x2,)=(λ1x1,λ2x2,)T(x_1, x_2, \dots) = (\lambda_1x_1, \lambda_2x_2, \dots) sobre 2\ell^2, con (λn)(\lambda_n) acotada. (a) Demostrar T=supλn\vertiii T = \sup\abs{\lambda_n}. (b) Demostrar que TT es compacto si y solo si λn0\lambda_n \to 0. (Para \Leftarrow, trúnquese; para \Rightarrow, evalúese en (en)(e_n).) (c) ¿Cuándo es TT autoadjunto? Verifíquese el teorema espectral por inspección en ese caso.

Solución

Solución de Ejercicio 15.2.

(a) Tx2=λn2xn2supλn2x2\norm{Tx}^2 = \sum\abs{\lambda_n}^2\abs{x_n}^2 \leq \sup\abs{\lambda_n}^2\norm x^2, con casi igualdad en los ene_n que realizan el supremo. (b) (\Leftarrow) Los truncamientos TNT_N (consérvense nNn \leq N, cero a partir de ahí) tienen rango finito y TTN=supn>Nλn0\vertiii{T - T_N} = \sup_{n>N}\abs{\lambda_n} \to 0: compacto por la Proposición 15.2. (\Rightarrow) Si λnkδ>0\abs{\lambda_{n_k}} \geq \delta > 0 a lo largo de una subsucesión: TenkTenl2=λnk2+λnl22δ2\norm{Te_{n_k} - Te_{n_l}}^2 = \abs{\lambda_{n_k}}^2 + \abs{\lambda_{n_l}}^2 \geq 2\delta^2: ninguna subsucesión de (Tenk)(Te_{n_k}) converge. (c) T=T^* = diagonal con (λˉn)(\bar\lambda_n): es autoadjunto si y solo si todos los λnR\lambda_n \in \R. Entonces la base canónica (en)(e_n) es una base ortonormal de vectores propios, con valores propios λn0\lambda_n \to 0: el teorema espectral al pie de la letra.

Ejercicio 15.3 ★★

Dense los detalles de la propiedad de ideal (la Proposición 15.2): si SS es compacto y A,BA, B está acotado, entonces ASBASB es compacto. Dedúzcase que si ST=TS=IST = TS = I para cierto SS acotado y dimH=\dim H = \infty, entonces TT no es compacto — y reconcíliese con el Ejercicio 15.1(b).

Solución

Solución de Ejercicio 15.3.

Sea (xn)(x_n) acotada. Entonces (Bxn)(Bx_n) está acotada (B<\vertiii B < \infty); la compacidad de SS extrae SBxnkySBx_{n_k} \to y, y la continuidad de AA da ASBxnkAyASBx_{n_k} \to Ay: ASBASB es compacto. Si ST=TS=IST = TS = I con TT compacto y dimH=\dim H = \infty: I=STI = ST 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 kL2([0,1]2)k \in L^2(\intcc01^2) y (en)(e_n) una base hilbertiana de L2([0,1])L^2(\intcc01). (a) Demostrar que TkkL2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (Cauchy–Schwarz en la variable yy, después Tonelli). (b) Desarróllese k(x,y)=m,ncmnem(x)en(y)k(x,y) = \sum_{m,n}c_{mn}e_m(x)\overline{e_n(y)} en L2L^2 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 TkT_k en norma de operador: TkT_k es compacto.

Solución

Solución de Ejercicio 15.4.

(a) Por Cauchy–Schwarz en yy: Tkf(x)2(k(x,y)2 ⁣dy)f22\abs{T_kf(x)}^2 \leq \bigl(\int\abs{k(x,y)}^2\dd y\bigr)\norm f_2^2; intégrese en xx (Tonelli): Tkf2kL2()f2\norm{T_kf}_2 \leq \norm k_{L^2(\square)} \norm f_2.

(b) La familia emn(x,y)=em(x)en(y)e_{mn}(x,y) = e_m(x)\overline{e_n(y)} es ortonormal en L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (Tonelli separa la integral doble). Total: si hh \perp a todos los emne_{mn}, entonces, para cada mm, la función yh(x,y)em(x) ⁣dxy \mapsto \int h(x,y)\overline{e_m(x)}\dd x (en L2L^2 por Cauchy–Schwarz y Tonelli) es ortogonal a todo en\overline{e_n} — y las conjugadas (en)(\overline{e_n}) forman una base hilbertiana siempre que (en)(e_n) lo haga (la conjugación es una biyección isométrica de L2L^2 que conserva la ortogonalidad y la totalidad) —, de modo que es 00 en casi todo punto; y entonces, para casi todo yy, h(,y)h(\cdot, y) \perp a todo eme_m: h(,y)=0h(\cdot, y) = 0 en casi todo punto, luego h=0h = 0 (Tonelli). Así, (emn)(e_{mn}) es una base hilbertiana; desarróllese k=cmnemnk = \sum c_{mn}e_{mn}. El truncamiento kNk_N (índices N\leq N) da TkNT_{k_N} de rango finito (imagen en Vect(e1,,eN)\operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_N)) y, por (a),

TkTkNkkNL20:\vertiii{T_k - T_{k_N}} \leq \norm{k - k_N}_{L^2} \to 0 :

TkT_k es límite en norma de operadores de rango finito: compacto (Proposición 15.2).

Ejercicio 15.5 ★★

Sea TT autoadjunto con x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0 para todo xx (operador positivo). (a) Demostrar que los valores propios son 0\geq 0 y que T=supx1x,Tx\vertiii T = \sup_{\norm x\leq1}\langle x, Tx\rangle. (b) Demostrar la desigualdad de Cauchy–Schwarz generalizada x,Ty2x,Txy,Ty\abs{\langle x, Ty\rangle}^2 \leq \langle x, Tx\rangle\langle y, Ty\rangle.

Solución

Solución de Ejercicio 15.5.

(a) λx2=x,Tx0\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \geq 0 sobre un vector propio. La fórmula es la Proposición 15.5 con todos los valores x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0: el valor absoluto es redundante. (b) (x,y)x,Ty(x, y) \mapsto \langle x, Ty\rangle es una forma sesquilineal hermítica positiva (posiblemente degenerada); la demostración habitual de Cauchy–Schwarz (desarróllese x+teiθy,T(x+teiθy)0\langle x + t\eu^{\iu\theta}y, T(x + t\eu^{\iu\theta}y)\rangle \geq 0 y tómese el discriminante) nunca usa que sea definida.

Ejercicio 15.6 ★★

En L2([0,1])L^2(\intcc01), sea (Mf)(x)=xf(x)(Mf)(x) = x\,f(x). (a) Demostrar que MM es acotado y autoadjunto, con M=1\vertiii M = 1, pero que no tiene valores propios. (b) Demostrar que MM no es compacto (exhíbase una sucesión acotada cuya imagen no tenga subsucesión convergente, por ejemplo indicadores normalizados de intervalos que se encogen cerca de 11 — o invóquese el teorema espectral). (c) ¿Dónde se rompe la demostración del Lema 15.6 para MM?

Solución

Solución de Ejercicio 15.6.

(a) Mf2f2\norm{Mf}_2 \leq \norm f_2 y, sobre fn=n1[11/n,1]f_n = \sqrt n\, \mathbf 1_{\intcc{1 - 1/n}1} (vectores unitarios), Mfn211n\norm{Mf_n}_2 \geq 1 - \frac1n: M=1\vertiii M = 1; es autoadjunto porque el multiplicador es real. Valores propios: xf(x)=λf(x)xf(x) = \lambda f(x) en casi todo punto obliga a f=0f = 0 en casi todo punto fuera del conjunto nulo {x=λ}\{x = \lambda\}: f=0f = 0 en L2L^2. (b) Con los mismos fnf_n: Mfnfn21n0\norm{Mf_n - f_n}_2 \leq \frac1n \to 0, mientras que fn0f_n \rightharpoonup 0 (para gL2g \in L^2 fijo, g,fng1[11/n,1]20\abs{\langle g, f_n\rangle} \leq \norm{g\,\mathbf 1_{\intcc{1-1/n}1}}_2 \to 0 por convergencia dominada). Si MfnkhMf_{n_k} \to h en norma, entonces fnkhf_{n_k} \to h, lo que obliga a h=0h = 0 (límite débil) y sin embargo h=1\norm h = 1: ninguna subsucesión converge. (c) En el Lema 15.6, es precisamente la extracción «TxnkyTx_{n_k} \to y» la que usa la compacidad; para MM, las sucesiones maximizantes se concentran cerca de x=1x = 1 y sus imágenes convergen débilmente a 00, nunca en norma: el vector propio en la cima del rango numérico sencillamente no existe.

Ejercicio 15.7 ★★

(Volterra) En L2([0,1])L^2(\intcc01), sea Vf(x)=0xf(y) ⁣dyVf(x) = \int_0^xf(y)\dd y. (a) Demostrar que VV es compacto (Hilbert–Schmidt con núcleo 1y<x\mathbf 1_{y < x}) pero no autoadjunto; calcúlese VV^*. (b) Demostrar que VV no tiene valores propios no nulos. (De Vf=λfVf = \lambda f: ff tiene un representante continuo, después es C1\mathcal C^1 y resuelve λf=f\lambda f' = f, f(0)=0f(0) = 0.) (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) V=TkV = T_k con k(x,y)=1y<xL2([0,1]2)k(x, y) = \mathbf 1_{y < x} \in L^2(\intcc01^2): compacto (el Ejercicio 15.4). Su adjunto es el operador con núcleo k(y,x)=1y>x\overline{k(y, x)} = \mathbf 1_{y > x}: Vf(x)=x1fV^*f(x) = \int_x^1f; VVV \neq V^* (evalúese en f=1f = \mathbf 1). (b) Si Vf=λfVf = \lambda f, λ0\lambda \ne 0: VfVf es continua en [0,1]\intcc01 (convergencia dominada en 0xf\int_0^x f), de modo que f=1λVff = \frac1\lambda Vf tiene un representante continuo; entonces VfVf es C1\mathcal C^1 (teorema fundamental del cálculo para integrandos continuos), luego ff es C1\mathcal C^1, y λf=f\lambda f' = f con f(0)=1λVf(0)=0f(0) = \frac1\lambda Vf(0) = 0: f=Cex/λf = C\eu^{x/\lambda} con C=f(0)=0C = f(0) = 0. (c) VV es compacto sin ningún valor propio salvo, quizá, 00 (Vf=0Vf = 0 obliga a f=0f = 0 en casi todo punto derivando la integral — así que ni siquiera 00): la maquinaria espectral exige genuinamente la autoadjunción, no solo la compacidad.

Ejercicio 15.8 ★★★

(Courant–Fischer) Sea TT compacto, autoadjunto y positivo, con valores propios μ1μ2>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \dots > 0 (repetidos según multiplicidad, con vectores propios e1,e2,e_1, e_2, \dots). Demostrar:

μk=maxVHdimV=k minxVx=1 x,Tx=minWHcodimW=k1 maxxWx=1 x,Tx.\mu_{k} = \max_{\substack{V \subseteq H \\ \dim V = k}}\ \min_{\substack{x \in V\\ \norm x = 1}}\ \langle x, Tx\rangle = \min_{\substack{W \subseteq H\\ \operatorname{codim}W = k-1}}\ \max_{\substack{x\in W\\ \norm x = 1}}\ \langle x, Tx\rangle .

(Evalúese en V=Vect(e1,,ek)V = \operatorname{Vect}(e_1,\dots,e_k); para la cota superior, interséquese cualquier VV con espacios de tipo Vect(ek,ek+1,)\operatorname{Vect}(e_k, e_{k+1}, \dots): el recuento de dimensiones fuerza una intersección no nula.) Dedúzcase que los valores propios dependen monótonamente de TT (TSμk(T)μk(S)T \leq S \Rightarrow \mu_k(T) \leq \mu_k(S)).

Solución

Solución de Ejercicio 15.8.

Escríbanse x=iciei+zx = \sum_ic_ie_i + z, zkerTz \in \ker T, de modo que x,Tx=iμici2\langle x, Tx\rangle = \sum_i\mu_i\abs{c_i}^2. Cota inferior: sobre la esfera unidad de Vk=Vect(e1,,ek)V_k = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_k), x,Tx=ikμici2μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i\leq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \geq \mu_k: el máximo sobre VV de los mínimos es μk\geq \mu_k. Cota superior: sean dimV=k\dim V = k y Wk=Vect(ek,ek+1,)+kerTW_k = \overline{\operatorname{Vect}}(e_k, e_{k+1}, \dots) + \ker T, de codimensión k1k - 1 (su complemento ortogonal es Vk1V_{k-1}); VWk{0}V \cap W_k \neq \{0\} (una aplicación lineal VH/WkVk1V \to H/W_k \cong V_{k-1} de rango k1\leq k - 1 tiene núcleo no trivial), y un unitario xVWkx \in V\cap W_k cumple x,Tx=ikμici2μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i \geq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \leq \mu_k: el mínimo sobre VV es μk\leq \mu_k. Juntas: la primera fórmula; la segunda se demuestra simétricamente (evalúese en W=WkW = W_k; para WW arbitrario de codimensión k1k-1, WVk0W \cap V_k \neq 0 da un vector unitario con x,Txμk\langle x, Tx\rangle \geq \mu_k). Monotonía: x,Txx,Sx\langle x, Tx\rangle \leq \langle x, Sx\rangle puntualmente se transfiere a través de maxmin\max\min.

Ejercicio 15.9 ★★

Usando el Teorema 15.8 para Tf(x)=01min(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x,y)f(y)\dd y (el Ejemplo 15.9): ¿para qué λR\lambda \in \R tiene la ecuación integral

f(x)λ01min(x,y)f(y) ⁣dy=g(x)f(x) - \lambda\int_0^1\min(x,y)\,f(y)\,\dd y = g(x)

una única solución fL2f \in L^2 para toda gL2g \in L^2? ¿Qué ocurre en los valores excepcionales?

Solución

Solución de Ejercicio 15.9.

Reescríbase fλTf=gf - \lambda Tf = g. Para λ=0\lambda = 0: f=gf = g, siempre unívocamente resoluble. Para λ0\lambda \neq 0: esto es (T1λ)f=gλ(T - \frac1\lambda)f = -\frac g\lambda y, por la alternativa de Fredholm (el Teorema 15.8) con los valores propios λn=((n+12)π)2\lambda_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-2} de TT (el Ejemplo 15.9): hay resolubilidad única para toda gg si y solo si 1λλn\frac1\lambda \neq \lambda_n para todo nn, es decir,

λ(n+12)2π2(n=0,1,2,).\lambda \neq \Bigl(n + \tfrac12\Bigr)^2\pi^2 \qquad (n = 0, 1, 2, \dots).

En un λ=(n+12)2π2\lambda = (n+\frac12)^2\pi^2 excepcional: hay soluciones si y solo si gsin((n+12)πx)g \perp \sin\bigl((n{+}\frac12)\pi x\bigr), y entonces son únicas salvo múltiplos de ese seno.

Ejercicio 15.10 ★★★

Sea SS el desplazamiento en 2\ell^2 (Ejercicio 8.1). (a) Demostrar que SS no tiene valores propios, mientras que todo λ\lambda con λ<1\abs\lambda < 1 es valor propio de SS^* (hállense los vectores propios explícitamente: sucesiones geométricas). (b) Ni SS ni SS^* son compactos: compruébese evaluando al estilo del Ejercicio 15.2 en (en)(e_n). (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) Sx=λxSx = \lambda x: comparando coordenadas, 0=λx10 = \lambda x_1 y xn=λxn+1x_n = \lambda x_{n+1}; si λ0\lambda \ne 0, entonces x1=0x_1 = 0 e, inductivamente, x=0x = 0; y si λ=0\lambda = 0, Sx=0Sx = 0 obliga a x=0x = 0 (SS isométrico). Sin valores propios. Sx=λxS^*x = \lambda x se lee xn+1=λxnx_{n+1} = \lambda x_n: x=x1(1,λ,λ2,)x = x_1(1, \lambda, \lambda^2, \dots), que está en 2\ell^2 exactamente cuando λ<1\abs\lambda < 1: todo un disco abierto de valores propios. (b) SenSem=en+1em+1=2\norm{Se_n - Se_m} = \norm{e_{n+1} - e_{m+1}} = \sqrt2: la imagen de la sucesión acotada (en)(e_n) no tiene subsucesión de Cauchy; y análogamente Sen+1=enS^*e_{n+1} = e_n. 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 (SS, Volterra) o llenar un disco (SS^*): el objeto robusto es el espectro {λ:TλI no invertible}\{\lambda : T - \lambda I \text{ no invertible}\}, cuya teoría corresponde a un curso posterior.

Ejercicio 15.11 ★★

(Raíces cuadradas) Sea TT compacto, autoadjunto y positivo (x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0) sobre un espacio de Hilbert HH, con descomposición espectral Tx=nμnen,xenTx = \sum_n\mu_n\langle e_n, x\rangle e_n (μn>0\mu_n > 0). (a) Defínase Sx=nμnen,xenSx = \sum_n\sqrt{\mu_n}\,\langle e_n, x\rangle e_n; demuéstrese que SS es compacto, autoadjunto y positivo, con S2=TS^2 = T. (b) Demuéstrese la unicidad: todo RR compacto, positivo y autoadjunto con R2=TR^2 = T conserva los espacios propios de TT (RT=R3=TRRT = R^3 = TR: RR conmuta con TT, luego R(ker(Tμ))ker(Tμ)R(\ker(T - \mu)) \subseteq \ker(T - \mu)) y, sobre ker(Tμ)\ker(T - \mu), RR es un operador positivo cuyo cuadrado es μid\mu\,\mathrm{id} en un espacio de dimensión finita: diagonalícese allí y conclúyase R=μidR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} en cada espacio propio, de donde R=SR = S. (c) Calcúlese G\sqrt G para el operador de la cuerda GG del Problema 15.1: ¿qué núcleo tiene valores propios 1nπ\frac1{n\pi} sobre la base de senos? (Exprésese G\sqrt G como límite en L2L^2 de núcleos; no se pide forma cerrada.)

Solución

Solución de Ejercicio 15.11.

(a) SS es el operador diagonal de coeficientes μn0\sqrt{\mu_n} \to 0: compacto (el Ejercicio 15.2(b), trasladado a la base (en)(e_n) completada por kerT\ker T, donde S=0S = 0), autoadjunto (diagonal real), positivo (x,Sx=μnen,x2\langle x, Sx\rangle = \sum\sqrt{\mu_n}\abs{\langle e_n, x\rangle}^2) y S2=TS^2 = T término a término.

(b) RR conmuta con T=R2T = R^2; para un vector propio xx de TT de valor propio μ\mu: T(Rx)=RTx=μRxT(Rx) = RTx = \mu Rx, de modo que el espacio propio Eμ=ker(Tμ)E_\mu = \ker(T - \mu), de dimensión finita, es RR-estable. Sobre EμE_\mu, RR es simétrico positivo con R2=μidR^2 = \mu\,\mathrm{id}: sus valores propios ρ\rho cumplen ρ2=μ\rho^2 = \mu, ρ0\rho \geq 0: todos valen μ\sqrt\mu, y un operador diagonalizable con un solo valor propio es escalar: R=μidR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} sobre EμE_\mu. Sobre kerT\ker T: Rx2=x,R2x=x,Tx=0\norm {Rx}^2 = \langle x, R^2x\rangle = \langle x, Tx\rangle = 0. Así pues, RR coincide con SS en kerT\ker T y en cada espacio propio, cuya envoltura cerrada es HH (teorema espectral): R=SR = S.

(c) G\sqrt G actúa como 1nπ\frac1{n\pi} sobre en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x): es el operador con núcleo

k(x,y)=n12sin(nπx)sin(nπy)nπ,k(x, y) = \sum_{n\geq1}\frac{2\sin(n\pi x)\sin(n\pi y)}{n\pi},

convergiendo la serie en L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (coeficientes 1nπ2\frac1{n\pi} \in \ell^2; 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 TL(H)T \in \mathcal L(H) compacto, no necesariamente autoadjunto. (a) Demostrar que TTT^*T es compacto, autoadjunto y positivo; sea (en)(e_n) una familia ortonormal de vectores propios con TTen=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n, sn>0s_n > 0 (los valores singulares), completada por ker(TT)=kerT\ker(T^*T) = \ker T (demuéstrese esta igualdad). (b) Póngase fn=Tensnf_n = \frac{Te_n}{s_n}; demuéstrese que (fn)(f_n) es ortonormal y establézcase la descomposición en valores singulares:

Tx=nsnen,xfn(xH),Tx = \sum_n s_n\,\langle e_n, x\rangle\,f_n \qquad (x \in H),

con convergencia en HH. (c) Dedúzcase: T=maxnsn\vertiii T = \max_ns_n; TT 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 VV del Ejercicio 15.7, que no tiene valores propios, explíquese por qué existe pese a todo la descomposición y cuáles son sus ingredientes (identifíquese VVV^*V 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) TTT^*T es compacto (producto de un operador acotado y un operador compacto, el Ejercicio 15.3), autoadjunto ((TT)=TT(T^*T)^* = T^*T) y positivo (x,TTx=Tx2\langle x, T^*Tx\rangle = \norm{Tx}^2). Núcleo: TTx=0Tx2=x,TTx=0Tx=0T^*Tx = 0 \Rightarrow \norm{Tx}^2 = \langle x, T^*Tx\rangle = 0 \Rightarrow Tx = 0, y recíprocamente: kerTT=kerT\ker T^*T = \ker T. El teorema espectral proporciona la familia ortonormal (en)(e_n) con TTen=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n, sn>0s_n > 0, que genera (kerT)(\ker T)^\perp.

(b) fm,fn=Tem,Tensmsn=em,TTensmsn=sn2smsnδmn=δmn\langle f_m, f_n\rangle = \frac{\langle Te_m, Te_n\rangle}{s_ms_n} = \frac{\langle e_m, T^*Te_n\rangle}{s_ms_n} = \frac{s_n^2}{s_ms_n}\delta_{mn} = \delta_{mn}. Desarróllese x=x0+nen,xenx = x_0 + \sum_n\langle e_n, x\rangle e_n con x0kerTx_0 \in \ker T (Parseval en la envoltura cerrada más el núcleo); aplicando el continuo TT:

Tx=nen,xTen=nsnen,xfn,Tx = \sum_n\langle e_n, x\rangle\,Te_n = \sum_ns_n\langle e_n, x\rangle\,f_n,

convergiendo la serie porque sus sumas parciales son de Cauchy (N<nMsnen,xfn2=sn2en,x2\norm{\sum_{N<n\leq M}s_n\langle e_n, x\rangle f_n}^2 = \sum s_n^2\abs{\langle e_n, x\rangle}^2, dominadas por supn>Nsn2x2\sup_{n>N}s_n^2\cdot\norm x^2, y sn0s_n \to 0).

(c) Tx2=nsn2en,x2(maxsn)2x2\norm{Tx}^2 = \sum_ns_n^2\abs{\langle e_n, x\rangle}^2 \leq (\max s_n)^2\norm x^2, alcanzado en el maximizante ene_n: T=maxsn\vertiii T = \max s_n. Truncar la descomposición en rango NN deja un operador de norma supn>Nsn0\sup_{n>N}s_n \to 0: aproximación de rango finito. El operador de Volterra no tiene valores propios (el Ejercicio 15.7), pero VVV^*V sí: VVf(x)=x10tf(s) ⁣ds ⁣dtV^*Vf(x) = \int_x^1\int_0^tf(s)\,\dd s\,\dd t es un operador con núcleo simétrico positivo (núcleo 1max(x,y)1 - \max(x,y), un núcleo de Green de tipo cuerda), cuyos pares propios — calculados mediante el problema de contorno u=λ1u-u'' = \lambda^{-1}u, u(0)=u(1)=0u'(0) = u(1) = 0, es decir, la familia del Ejercicio 15.9 — dan valores singulares sn=((n+12)π)1s_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-1}. La descomposición vive sobre dos familias ortonormales precisamente porque VV 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 ζ(2)\zeta(2)

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 — u=νu-u'' = \nu u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 — mediante teoría de operadores, obtendremos la base ortonormal de senos sin ningún cálculo de Fourier y evaluaremos ζ(2)\zeta(2) comparando dos expresiones de la traza del operador de Green. Defínase, sobre L2([0,1])L^2(\intcc01),

(Gf)(x)=01g(x,y)f(y) ⁣dy,g(x,y)=min(x,y)(1max(x,y)).(Gf)(x) = \int_0^1 g(x,y)\,f(y)\,\dd y, \qquad g(x, y) = \min(x,y)\,\bigl(1 - \max(x,y)\bigr).

Parte I — El operador de Green.

  1. Demostrar que gg es continuo y simétrico, con 0g140 \leq g \leq \frac14, y que GG es compacto y autoadjunto (el Ejemplo 15.3(c)).
  2. Para ff continua, demostrar que u=Gfu = Gf es C2\mathcal C^2 con

    u=f,u(0)=u(1)=0-u'' = f, \qquad u(0) = u(1) = 0

    (escríbase u(x)=(1x)0xyf(y) ⁣dy+xx1(1y)f(y) ⁣dyu(x) = (1-x)\int_0^xyf(y)\dd y + x\int_x^1(1-y)f(y)\dd y y derívese dos veces). Recíprocamente, si uC2u \in \mathcal C^2 con u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, entonces G(u)=uG(-u'') = u: GG invierte el operador de la cuerda.

  3. Demostrar kerG={0}\ker G = \{0\} (si Gf=0Gf = 0 con fL2f \in L^2: evalúese contra φ\varphi continua, transfiérase GG por simetría o Fubini a φ\varphi, y úsese el lema fundamental el Corolario 12.11 — o regularícese), y que GG es un operador positivo: f,Gf0\langle f, Gf\rangle \geq 0. (Para ff continua: f,Gf=01(u)2\langle f, Gf\rangle = \int_0^1 (u')^2 con u=Gfu = Gf, por partes; conclúyase por densidad.)

Parte II — Diagonalización: la base de senos.

  1. Demostrar que las funciones propias de GG de valor propio λ0\lambda \ne 0 son, salvo escalares, las soluciones de λu=u-\lambda u'' = u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 (una función propia tiene un representante continuoGfGf es continua para fL2f \in L^2, ¿por qué? — y, por tanto, es C2\mathcal C^2 reiterando la pregunta 2).
  2. Resuélvase el problema de contorno: los valores propios de GG son λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} (n1n \geq 1), con funciones propias normalizadas en(x)=2sin(nπx)e_n(x) = \sqrt2\,\sin(n\pi x); compruébese la ortonormalidad por integración directa como control.
  3. Concluir del Teorema 15.7 y de la pregunta 3 que (2sin(nπx))n1\bigl(\sqrt2\sin(n\pi x)\bigr)_{n\geq1} es una base ortonormal de L2([0,1])L^2(\intcc01) — sin Stone–Weierstrass ni series de Fourier. Desarróllese f(x)=x(1x)f(x) = x(1-x) en esta base y escríbase Parseval para ella.

Parte III — La fórmula de la traza y ζ(2)\zeta(2).

  1. Demostrar las dos identidades

    en,Gen=λnyn1λn=01g(x,x) ⁣dx.\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n \quad\text{y}\quad \sum_{n\geq1}\lambda_n = \int_0^1 g(x,x)\,\dd x .

    Para la segunda (la fórmula de la traza): desarróllese g(x,)g(x, \cdot), para xx fijo, en la base (en)(e_n) — demuéstrese que los coeficientes son λnen(x)\lambda_ne_n(x), de modo que g(x,)=nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n en L2L^2. Aquí los senos son explícitos: verifíquese directamente que nλnen(x)en(y)\sum_n\lambda_ne_n(x)e_n(y) converge uniformemente en el cuadrado (compárese con 2n2π2\sum \frac2{n^2\pi^2}), de modo que su suma es continua y, teniendo los mismos desarrollos en L2L^2 en yy para cada xx, es igual a g(x,y)g(x,y) en todo punto. Póngase y=xy = x e intégrese término a término.

  2. Calcular 01g(x,x) ⁣dx=01x(1x) ⁣dx=16\int_0^1g(x,x)\dd x = \int_0^1x(1-x)\dd x = \frac16 y concluir

    n11n2π2=16,es decir ζ(2)=π26 :\sum_{n\geq1}\frac{1}{n^2\pi^2} = \frac16, \qquad\text{es decir}\qquad \boxed{\ \zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}\ } :

    la suma de Euler a partir de la traza de un operador.

  3. Vuélvase a deducir ζ(2)\zeta(2) de una tercera manera: aplíquese Parseval en la base de senos a la función constante 1\mathbf 1, calcúlese n impar1n2\sum_{n \text{ impar}}\frac1{n^2} 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.

  1. (Separación de variables, sintetizada) Para fL2f \in L^2, defínase

    u(t,x)=n1  cncos(nπt)2sin(nπx),cn=en,f.u(t, x) = \sum_{n\geq1}\;c_n\, \cos(n\pi t)\,\sqrt2\sin(n\pi x), \qquad c_n = \langle e_n, f\rangle .

    Demostrar que la serie converge en L2([0,1])L^2(\intcc01) para cada tt, que tu(t,)t\mapsto u(t, \cdot) es continua con valores en L2L^2, y que para ff en la envoltura de un número finito de ene_n resuelve la ecuación de ondas t2u=x2u\partial_t^2u = \partial_x^2u con u(0)=fu(0) = f, tu(0)=0\partial_tu(0) = 0 y extremos fijos. Los valores propios n2π2n^2\pi^2 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 π\pi. Sea AA un operador compacto, autoadjunto y positivo con valores propios μ1μ2>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \cdots > 0 y vectores propios ortonormales (un)(u_n); R(x)=x,Axx2R(x) = \frac{\langle x, Ax\rangle}{\norm x^2}. Las fórmulas mín–máx son el Ejercicio 15.8; aquí las gastamos.

  1. (Método de la potencia) Para x0x \neq 0, escríbase mp=nμnpun,x2m_p = \sum_n\mu_n^p\abs{\langle u_n, x\rangle}^2. Demostrar mpmp+2mp+12m_pm_{p+2} \geq m_{p+1}^2 (Cauchy–Schwarz), dedúzcase la cadena

    R(x)    Ax,Axx,Ax    R(Ax)    μ1,R(x) \;\leq\; \frac{\langle Ax, Ax\rangle}{\langle x, Ax\rangle} \;\leq\; R(Ax) \;\leq\; \mu_1,

    y demuéstrese que, si u1,x0\langle u_1, x\rangle \neq 0, entonces R(Akx)μ1R(A^kx) \to \mu_1: iterar el operador sobre cualquier vector genérico calcula el valor propio dominante — el método de la potencia del análisis numérico, certificado.

  2. (Estabilidad de Weyl) Para A,BA, B compactos, autoadjuntos y positivos, dedúzcase del Ejercicio 15.8 que

    μn(A)μn(B)    ABpara todo n:\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \;\leq\; \vertiii{A - B} \qquad\text{para todo } n :

    todo el espectro es 11-lipschitziano para la norma de operador — los valores propios de grandes sistemas simétricos pueden calcularse a partir de aproximaciones con error garantizado.

  3. Aplíquese la cota de Rayleigh a GG con la función de prueba u(x)=x(1x)u(x) = x(1-x): resuélvase w=u-w'' = u, w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0 para obtener Gu=w=x(1x)(1+xx2)12Gu = w = \frac{x(1-x)(1 + x - x^2)}{12}, calcúlese

    u22=130,u,Gu=112(130+1140)=175040,R(u)=17168,\norm u_2^2 = \frac1{30}, \qquad \langle u, Gu\rangle = \frac1{12}\Bigl(\frac1{30} + \frac1{140}\Bigr) = \frac{17}{5040}, \qquad R(u) = \frac{17}{168},

    y conclúyase la cota rigurosa 1π2=λ117168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, es decir, π168/17<3.1437\pi \leq \sqrt{168/17} < 3.1437.

  4. Un paso de la cadena de la pregunta 11, sobre la misma función de prueba: usando 01(xx2)4 ⁣dx=1630\int_0^1(x - x^2)^4\dd x = \frac1{630}, calcúlese

    Gu22=1144(130+2140+1630)=3190720,Gu,Guu,Gu=31306,\norm{Gu}_2^2 = \frac1{144}\Bigl(\frac1{30} + \frac2{140} + \frac1{630}\Bigr) = \frac{31}{90720}, \qquad \frac{\langle Gu, Gu\rangle}{\langle u, Gu\rangle} = \frac{31}{306},

    y conclúyase π306/31<3.1419\pi \leq \sqrt{306/31} < 3.1419: dos integrales, cuatro cifras correctas. (Cada iteración adicional prácticamente eleva al cuadrado la precisión: el salto λ1/λ2=4\lambda_1/\lambda_2 = 4 entre vectores propios impulsa la convergencia geométrica.)

Parte VI — La traza de G2G^2, y ζ(4)\zeta(4).

  1. Demostrar que nλn2=[0,1]2g(x,y)2 ⁣dx ⁣dy\sum_n\lambda_n^2 = \iint_{\intcc01^2}g(x,y)^2\,\dd x\,\dd y (desarróllese gg en la base producto (em(x)en(y))m,n(e_m(x)e_n(y))_{m,n} de L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) — una base hilbertiana, cf. el Ejercicio 15.5 — y aplíquese Parseval en el cuadrado; la pregunta 7 identifica los coeficientes).
  2. Calcular la integral doble:

    g2=201(1x)2(0xy2 ⁣dy) ⁣dx=2301x3(1x)2 ⁣dx=190.\iint g^2 = 2\int_0^1(1-x)^2\Bigl(\int_0^x y^2\,\dd y\Bigr)\dd x = \frac23\int_0^1x^3(1-x)^2\,\dd x = \frac1{90} .
  3. Concluir ζ(4)=π490\zeta(4) = \dfrac{\pi^4}{90}; explíquese, sin cálculos, cómo las trazas de potencias superiores GkG^k producen ζ(2k)π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\,\Q para todo k1k \geq 1, y por qué los valores impares ζ(3),ζ(5),\zeta(3), \zeta(5), \dots quedan estructuralmente fuera del alcance de esta máquina.
  4. (π\pi por abajo) De λ12nλn2=190\lambda_1^2 \leq \sum_n\lambda_n^2 = \frac1{90} dedúzcase π901/4>3.080\pi \geq 90^{1/4} > 3.080 y móntese, con la pregunta 14, el veredicto por ambos lados

    3.080  <  π  <  3.1419,3.080 \;<\; \pi \;<\; 3.1419,

    obtenido enteramente a partir de la aritmética de la cuerda vibrante. ¿Qué lado converge más deprisa si se usan trazas superiores (trG2k)1/4k(\operatorname{tr}G^{2k})^{-1/4k}, y por qué?

Parte VII — Forzamiento y resonancia. Fíjese νR\nu \in \R y considérese la cuerda forzada uνu=f-u'' - \nu u = f, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, con fL2f \in L^2 y cn=en,fc_n = \langle e_n, f\rangle.

  1. Supóngase ν{n2π2:n1}\nu \notin \{n^2\pi^2 : n \geq 1\}. Demostrar que

    u=n1cnn2π2νenu = \sum_{n\geq1}\frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu}\,e_n

    converge en L2L^2 y uniformemente en [0,1]\intcc01 (Cauchy–Schwarz entre (cn)(c_n) y las colas de n4\sum n^{-4}, con en=2\norm{e_n}_\infty = \sqrt2), y que cumple u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu — la forma en coordenadas explícitas de la alternativa de Fredholm (el Teorema 15.8), con unicidad.

  2. Supóngase ν=m2π2\nu = m^2\pi^2. Demostrar que u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu tiene solución si y solo si cm=0c_m = 0, única salvo múltiplos de eme_m. Lectura física: empujar un columpio exactamente a su propia frecuencia.
  3. Para ν<π2\nu < \pi^2, demostrar que el operador solución Rν ⁣:fuR_\nu\colon f \mapsto u está acotado en L2L^2 con norma 1π2ν\frac1{\pi^2 - \nu}, es compacto, autoadjunto y positivo: todo el análisis espectral vuelve a empezar, desplazado por ν\nu.
  4. (Síntesis) Recopílese el diccionario de este problema: valor propio \leftrightarrow frecuencia al cuadrado (armónicos); traza \leftrightarrow ζ(2)\zeta(2); norma de Hilbert–Schmidt \leftrightarrow ζ(4)\zeta(4); alternativa de Fredholm \leftrightarrow resonancia; mín–máx \leftrightarrow cotas variacionales (π<3.1437\pi < 3.1437 a partir de un polinomio). Un solo operador integral, cinco capítulos de análisis cobrados.

Parte VIII — Tres últimos ecos.

  1. (ζ(6)\zeta(6), gratis) La identidad de Parseval de la pregunta 6 dio n imparn6=π6960\sum_{n\text{ impar}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}. Sepárese ζ(6)\zeta(6) en nn pares e impares y conclúyase

    ζ(6)=π6945,\zeta(6) = \frac{\pi^6}{945},

    sin ninguna integral nueva: la máquina de la pregunta 17 (trazas de G3G^3) habría dado el mismo valor al precio de un núcleo iterado — Parseval sobre una función bien elegida es aquí la vía más barata.

  2. (El estado fundamental es positivo) Sea AA un operador compacto, autoadjunto y positivo sobre L2([0,1])L^2(\intcc01) dado por un núcleo simétrico continuo k>0k > 0 sobre (0,1)2\intoo01^2, con mayor valor propio μ1\mu_1. Demostrar: (a) todo maximizador del cociente de Rayleigh es una función propia de μ1\mu_1; (b) si uu lo es, entonces u,Auu,Au\langle\abs u, A\abs u\rangle \geq \langle u, Au\rangle, con desigualdad estricta si uu toma ambos signos en conjuntos de medida positiva — de modo que uu tiene signo constante en casi todo punto y u=μ11Auu = \mu_1^{-1}Au no se anula nunca en (0,1)\intoo01; (c) μ1\mu_1 es un valor propio simple. Verifíquese cada afirmación en GG: e1=2sin(πx)>0e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) > 0, y cada ene_n, n2n \geq 2, al ser ortogonal a e1e_1, ha de cambiar de signo (y lo hace: n1n - 1 ceros interiores).
  3. (Distancia al espectro y el precio de la resonancia) Para ν{n2π2}\nu \notin \{n^2\pi^2\}, demostrar que el operador solución RνR_\nu de la pregunta 19 está acotado, es autoadjunto y compacto, con

    Rν=1minn1n2π2ν=1dist(ν,{n2π2}),\vertiii{R_\nu} = \frac1{\min_{n\geq1}\,\abs{n^2\pi^2 - \nu}} = \frac1{\operatorname{dist}\bigl(\nu, \{n^2\pi^2\}\bigr)},

    alcanzándose la norma en el modo más próximo. Cuantifíquese después el columpio de la pregunta 20: forzar con f=e1f = e_1 en ν=(1ε)π2\nu = (1 - \varepsilon)\pi^2 produce u=1επ2e1u = \frac{1}{\varepsilon\pi^2}\,e_1, una amplificación de 1ε\frac1\varepsilon respecto de la respuesta estática Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1 — un uno por ciento por debajo del fundamental (ε=102\varepsilon = 10^{-2}), la cuerda responde cien veces más fuerte.

Solución

Solución de Problema 15.1.

1. Continuidad: min\min y max\max son continuas; simetría: intercambiar x,yx, y no altera ni min(x,y)\min(x,y) ni 1max(x,y)1 - \max(x,y). Cotas: 0g0 \leq g, y cotas de tipo g(x,y)max(1max)g(x,y) \leq \max\cdot(1-\max) dan g14g \leq \frac14 (para u=maxu = \max: minu\min \leq u, luego gu(1u)14g \leq u(1-u) \leq \frac14). gL2()g \in L^2(\square): es de Hilbert–Schmidt y, por tanto, GG es compacto (el Ejercicio 15.4); el núcleo es real y simétrico: GG es autoadjunto.

2. Separando en y=xy = x:

u(x)=(1x)0xyf(y) ⁣dy+xx1(1y)f(y) ⁣dy.u(x) = (1 - x)\int_0^x y\,f(y)\,\dd y + x\int_x^1(1 - y)\,f(y)\,\dd y .

Para ff continua, derívese (producto y teorema fundamental):

u(x)=0xyf+x1(1y)f(los teˊrminos de borde se cancelan),u'(x) = -\int_0^xyf + \int_x^1(1-y)f \qquad\text{(los términos de borde se cancelan)},

y u(x)=xf(x)(1x)f(x)=f(x)u''(x) = -xf(x) - (1 - x)f(x) = -f(x); y claramente u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0. Recíprocamente, si uC2u \in \mathcal C^2 se anula en ambos extremos, w=uG(u)w = u - G(-u'') cumple w=0w'' = 0, w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0: ww es afín y se anula dos veces, luego w=0w = 0.

3. Sean Gf=0Gf = 0, fL2f \in L^2. Para ψCc((0,1))\psi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo01): ψ=G(ψ)\psi = G(-\psi'') por la pregunta 2, de modo que

f,ψ=f,G(ψ)=Gf,ψ=0\langle f, \psi\rangle = \langle f, G(-\psi'')\rangle = \langle Gf, -\psi''\rangle = 0

(GG autoadjunto): por el lema fundamental (el Corolario 12.11), f=0f = 0 en casi todo punto. Positividad: para ff continua, con u=Gfu = Gf,

f,Gf=01fu=01(u)u=[uu]01+01(u)2=01(u)20;\langle f, Gf\rangle = \int_0^1 fu = \int_0^1(-u'')u = \bigl[-u'u\bigr]_0^1 + \int_0^1(u')^2 = \int_0^1(u')^2 \geq 0 ;

y para fL2f \in L^2, aproxímese en L2L^2 por fnf_n continuas: ambos miembros pasan al límite (GG acotado).

4. Si Gu=λuGu = \lambda u, λ0\lambda \neq 0: GuGu es continua (Gu(x)Gu(x)g(x,)g(x,)2u2\abs{Gu(x) - Gu(x')} \leq \norm{g(x,\cdot) - g(x',\cdot)}_2\norm u_2, y el núcleo es uniformemente continuo), de modo que uu tiene un representante continuo; y entonces las fórmulas de la pregunta 2 muestran que GuC2Gu \in \mathcal C^2, luego u=1λGuC2u = \frac1\lambda Gu \in \mathcal C^2 con λu=(Gu)=u-\lambda u'' = -(Gu)'' = u y u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0.

5. λu=u-\lambda u'' = u, u(0)=0u(0) = 0: u=Asin(x/λ)u = A\sin(x/\sqrt \lambda) (λ\lambda positivo: por la pregunta 3, λ=u,Gu/u2>0\lambda = \langle u, Gu\rangle/\norm u^2 > 0 sobre vectores propios). u(1)=0u(1) = 0 obliga a 1λ=nπ\frac1{\sqrt\lambda} = n\pi: λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}, con funciones propias sin(nπx)\sin(n\pi x), normalizadas en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x) (012sin2(nπx) ⁣dx=1\int_0^12\sin^2(n\pi x)\dd x = 1). Comprobación de ortogonalidad: 2sin(mπx)sin(nπx)=cos((mn)πx)cos((m+n)πx)2\sin(m\pi x)\sin(n\pi x) = \cos((m-n)\pi x) - \cos((m+n)\pi x) integra a 00 para mnm \neq n.

6. kerG={0}\ker G = \{0\} (pregunta 3), de modo que el Teorema 15.7(1) da H=Vect(en)H = \overline{\operatorname{Vect}}(e_n): los senos son una base hilbertiana de L2([0,1])L^2(\intcc01). Para f(x)=x(1x)f(x) = x(1 - x):

cn=201x(1x)sin(nπx) ⁣dx=2  2(1(1)n)n3π3={42n3π3n impar,0n par,c_n = \sqrt2\int_0^1x(1-x)\sin(n\pi x)\,\dd x = \sqrt2\;\frac{2\bigl(1 - (-1)^n\bigr)}{n^3\pi^3} = \begin{cases}\dfrac{4\sqrt2}{n^3\pi^3} & n \text{ impar},\\ 0 & n \text{ par},\end{cases}

(dos integraciones por partes). Parseval: 01x2(1x)2 ⁣dx=130=n impar32n6π6\int_0^1x^2(1-x)^2\dd x = \frac1{30} = \sum_{n \text{ impar}}\frac{32}{n^6\pi^6}, i.e. n imparn6=π6960\sum_{n\text{ impar}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}.

7. en,Gen=λnen2=λn\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n\norm{e_n}^2 = \lambda_n. Para xx fijo, los coeficientes de g(x,)g(x, \cdot): en,g(x,)=(Gen)(x)=λnen(x)\langle e_n, g(x,\cdot)\rangle = (Ge_n)(x) = \lambda_ne_n(x), luego g(x,)=nλnen(x)eng(x,\cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n en L2L^2. La serie explícita nλnen(x)en(y)=n2sin(nπx)sin(nπy)n2π2\sum_n\lambda_ne_n(x)e_n(y) = \sum_n\frac{2\sin(n\pi x)\sin(n\pi y)}{n^2\pi^2} converge normalmente en el cuadrado (teˊrmino2n2π2\abs{\text{término}} \leq \frac2{n^2\pi^2}): su suma es continua y, para cada xx, tiene los mismos coeficientes en L2( ⁣dy)L^2(\dd y) que g(x,)g(x, \cdot): las dos funciones continuas coinciden para todo (x,y)(x, y). Poniendo y=xy = x e integrando (la convergencia normal permite integrar término a término):

01g(x,x) ⁣dx=nλn01en(x)2 ⁣dx=nλn.\int_0^1g(x,x)\,\dd x = \sum_n\lambda_n\int_0^1e_n(x)^2\dd x = \sum_n\lambda_n .

8. 01g(x,x) ⁣dx=01x(1x) ⁣dx=16\int_0^1g(x,x)\dd x = \int_0^1x(1 - x)\dd x = \frac16, luego n11n2π2=16\sum_{n\geq1}\frac1{n^2\pi^2} = \frac16:

ζ(2)=n11n2=π26.\zeta(2) = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6 .

9. Para f=1f = \mathbf 1: cn=201sin(nπx) ⁣dx=21(1)nnπc_n = \sqrt2\int_0^1\sin(n\pi x)\dd x = \sqrt2\,\frac{1 - (-1)^n}{n\pi}: cn=22nπc_n = \frac{2\sqrt2}{n\pi} para nn impar, 00 para par. Parseval: 1=n odd8n2π21 = \sum_{n\text{ odd}}\frac{8}{n^2\pi^2}, luego n imparn2=π28\sum_{n\text{ impar}}n^{-2} = \frac{\pi^2}8 y ζ(2)=π281114=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}8\cdot\frac{1}{1 - \frac14} = \frac{\pi^2}6 (los términos pares son 14ζ(2)\frac14\zeta(2)). Comparación: Parseval para una sola ff suma en,f2\abs{\langle e_n, f\rangle}^2; la fórmula de la traza integra la diagonal del núcleo, lo que equivale a sumar Parseval sobre toda una familia ortonormal de una vez — nen,Gen\sum_n\langle e_n, Ge_n\rangle — y es, por tanto, ciega a cualquier elección particular de función de prueba.

10. cncos(nπt)cn\abs{c_n\cos(n\pi t)} \leq \abs{c_n} con cn2<\sum\abs{c_n}^2 < \infty: para cada tt, la serie converge en L2L^2 (desarrollo ortonormal, el Teorema 13.7(3)); la cota de la cola u(t)uN(t)22n>Ncn2\norm{u(t) - u_N(t)}_2^2 \leq \sum_{n>N}\abs{c_n}^2 es uniforme en tt, y cada suma parcial es continua en tt (finitos cosenos): tu(t,)t \mapsto u(t,\cdot) es continua con valores en L2L^2. Para f=nNcnenf = \sum_{n\leq N}c_ne_n: cada modo cos(nπt)sin(nπx)\cos(n\pi t)\sin(n\pi x) cumple t2=n2π2=x2\partial_t^2 = -n^2\pi^2 = \partial_x^2 aplicada a él, se anula en x=0,1x = 0, 1, tiene valor sin(nπx)\sin(n\pi x) y derivada temporal 00 en t=0t = 0: la suma finita lo resuelve todo. Musicalmente: el movimiento de la cuerda es superposición de ondas estacionarias ene_n, cuyas frecuencias nπn\pi 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 cnc_n el timbre. Oír una cuerda es calcular un desarrollo ortonormal.

11. Con an=un,x2a_n = \abs{\langle u_n, x\rangle}^2: mp+1=nμnp+1an=n(μnp/2an)(μnp/2+1an)mpmp+2m_{p+1} = \sum_n\mu_n^{p+1}a_n = \sum_n\bigl(\mu_n^{p/2} \sqrt{a_n}\bigr)\bigl(\mu_n^{p/2+1}\sqrt{a_n}\bigr) \leq \sqrt{m_p\,m_{p+2}} (Cauchy–Schwarz en 2\ell^2). Por tanto, los cocientes mp+1/mpm_{p+1}/m_p son no decrecientes en pp; y como R(x)=m1m0R(x) = \frac{m_1}{m_0}, Ax,Axx,Ax=m2m1\frac{\langle Ax, Ax\rangle} {\langle x, Ax\rangle} = \frac{m_2}{m_1} y R(Ax)=m3m2R(Ax) = \frac{m_3}{m_2}, se sigue la cadena, con cada término μ1\leq \mu_1 porque mp+1μ1mpm_{p+1} \leq \mu_1m_p término a término. Convergencia: si a1>0a_1 > 0 (escribiendo el peso total del valor propio dominante como a1a_1), entonces

μ1R(Akx)=m2k+1m2k=μ1a1+μn<μ1(μn/μ1)2k+1ana1+μn<μ1(μn/μ1)2kanμ1,\mu_1 \geq R(A^kx) = \frac{m_{2k+1}}{m_{2k}} = \mu_1\,\frac{a_1 + \sum_{\mu_n<\mu_1}(\mu_n/\mu_1)^{2k+1} a_n}{a_1 + \sum_{\mu_n<\mu_1}(\mu_n/\mu_1)^{2k}a_n} \longrightarrow \mu_1,

por convergencia dominada de las sumas (cocientes <1< 1): el método de la potencia converge para todo vector inicial no ortogonal al espacio propio dominante.

12. Puntualmente, x,(AB)xABx2\abs{\langle x, (A - B)x\rangle} \leq \vertiii{A - B}\,\norm x^2, de modo que RA(x)RB(x)+ABR_A(x) \leq R_B(x) + \vertiii{A - B} para todo xx. Introduciendo esto en la fórmula máx–mín del Ejercicio 15.8: μn(A)μn(B)+AB\mu_n(A) \leq \mu_n(B) + \vertiii{A - B} y, simétricamente en A,BA, B: μn(A)μn(B)AB\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \leq \vertiii{A - B} para todo nn a la vez.

13. w=xx2-w'' = x - x^2 integra a w=x36+x412+cxw = -\frac{x^3}6 + \frac{x^4}{12} + cx (con w(0)=0w(0) = 0), y w(1)=0w(1) = 0 da c=112c = \frac1{12}:

w=x42x3+x12=x(1x)(1+xx2)12=Gu.w = \frac{x^4 - 2x^3 + x}{12} = \frac{x(1-x)(1 + x - x^2)}{12} = Gu .

Entonces u22=01x2(1x)2=130\norm u_2^2 = \int_0^1x^2(1-x)^2 = \frac1{30} y, con 01x3(1x)3=B(4,4)=1140\int_0^1x^3(1-x)^3 = B(4,4) = \frac1{140}:

u,Gu=112(130+1140)=175040,R(u)=17/50401/30=17168.\langle u, Gu\rangle = \frac1{12}\Bigl(\frac1{30} + \frac1{140}\Bigr) = \frac{17}{5040}, \qquad R(u) = \frac{17/5040}{1/30} = \frac{17}{168} .

Luego 1π2=λ117168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, es decir, π216817=9.8824\pi^2 \leq \frac{168}{17} = 9.8824: π3.14364<3.1437\pi \leq 3.14364 < 3.1437 (valor verdadero π2=9.8696\pi^2 = 9.8696). Un polinomio, una integral, una cifra.

14. Escríbase u=xx2u = x - x^2, de modo que Gu=u(1+u)12Gu = \frac{u(1 + u)}{12} y, usando u2=130\int u^2 = \frac1{30}, u3=1140\int u^3 = \frac1{140}, u4=B(5,5)=4!4!9!=1630\int u^4 = B(5,5) = \frac{4!\,4!}{9!} = \frac1{630}:

Gu22=1144u2(1+u)2=1144(130+2140+1630)=1144621260=3190720.\norm{Gu}_2^2 = \frac1{144}\int u^2(1+u)^2 = \frac1{144}\Bigl(\frac1{30} + \frac2{140} + \frac1{630}\Bigr) = \frac1{144}\cdot\frac{62}{1260} = \frac{31}{90720} .

Por tanto Gu,Guu,Gu=31/9072017/5040=31306\frac{\langle Gu, Gu\rangle}{\langle u, Gu\rangle} = \frac{31/90720}{17/5040} = \frac{31}{306} y, por la pregunta 11, esto sigue siendo μ1=1π2\leq \mu_1 = \frac1{\pi^2}: π230631=9.87097\pi^2 \leq \frac{306}{31} = 9.87097, es decir, π3.14181<3.1419\pi \leq 3.14181 < 3.1419 — cuatro cifras (y la siguiente iteración daría unas ocho, contrayéndose el error en (λ2/λ1)2=116(\lambda_2/\lambda_1)^2 = \frac1{16} por paso).

15. La familia (emen)(x,y)=em(x)en(y)(e_m \otimes e_n)(x,y) = e_m(x)e_n(y) es una base hilbertiana de L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (ortonormalidad por Tonelli; totalidad como en el Ejercicio 15.5). Por la pregunta 7, para xx fijo: g(x,)=nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)e_n, de modo que el coeficiente de gg sobre emene_m\otimes e_n es

emen, g=01em(x)λnen(x) ⁣dx=λnδmn.\langle e_m\otimes e_n,\ g\rangle = \int_0^1 e_m(x)\,\lambda_n e_n(x)\,\dd x = \lambda_n\,\delta_{mn} .

Parseval en el cuadrado:

g2=m,nemen,g2=nλn2.\iint g^2 = \sum_{m,n}\abs{\langle e_m\otimes e_n, g\rangle}^2 = \sum_n\lambda_n^2 .

16. Por la simetría de gg,

g2=2y<xy2(1x)2=201(1x)2x33 ⁣dx=23B(4,3)=233!2!6!=23160=190.\iint g^2 = 2\iint_{y<x}y^2(1-x)^2 = 2\int_0^1(1-x)^2\,\frac{x^3}3\,\dd x = \frac23\,B(4, 3) = \frac23\cdot\frac{3!\,2!}{6!} = \frac23\cdot\frac1{60} = \frac1{90} .

17. Combinando: n1n4π4=190\sum_n\frac1{n^4\pi^4} = \frac1{90}, es decir, ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}. En general, tr(Gk)=λnk=ζ(2k)π2k\operatorname{tr}(G^k) = \sum\lambda_n^k = \frac{\zeta(2k)}{\pi^{2k}} es una integral iterada de productos del núcleo racional-polinómico gg sobre el cubo kk: un número racional. Por tanto, ζ(2k)π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\Q para todo kk. La máquina solo alcanza argumentos pares porque los valores propios entran por sus potenciasλnk\sum\lambda_n^k — y λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}: ninguna combinación de trazas produce n3\sum n^{-3}; la naturaleza aritmética de ζ(3)\zeta(3) (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: λ12λn2=190\lambda_1^2 \leq \sum\lambda_n^2 = \frac1{90}, luego 1π2190\frac1{\pi^2} \leq \frac1{\sqrt{90}} y π901/4=3.0801\pi \geq 90^{1/4} = 3.0801\ldots Con la pregunta 14: 3.080<π<3.14193.080 < \pi < 3.1419, por pura aritmética de la cuerda. Las trazas superiores afinan geométricamente la cota inferior: λ1(trG2k)1/2k=λ1(1+n2(λn/λ1)2k)1/2k\lambda_1 \leq (\operatorname{tr}G^{2k})^{1/2k} = \lambda_1\bigl(1 + \sum_{n\geq2}(\lambda_n/\lambda_1)^{2k} \bigr)^{1/2k}, y el factor parásito muere a velocidad (14)2k12k\bigl(\tfrac14\bigr)^{2k}\cdot\frac1{2k} — el mismo mecanismo de salto espectral que la convergencia del método de la potencia (pregunta 11), visto desde el lado de las trazas.

19. n2π2νδ>0\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \delta > 0 para todo nn (la sucesión n2π2n^2\pi^2 \to \infty evita ν\nu con margen) y n2π2νn2π22\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \frac{n^2\pi^2}2 para nn grande. Convergencia en L2L^2: los coeficientes cnn2π2ν\frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu} son de cuadrado sumable (dominados por cnδ\frac{\abs{c_n}}\delta). Convergencia uniforme: las normas del supremo de las colas están acotadas por 2n>Ncnn2π2ν22π2(cn2)1/2(n>Nn4)1/20\sqrt2\sum_{n>N} \frac{\abs{c_n}}{\abs{n^2\pi^2 - \nu}} \leq \frac{2\sqrt2}{\pi^2}\bigl(\sum\abs{c_n}^2\bigr)^{1/2} \bigl(\sum_{n>N}n^{-4}\bigr)^{1/2} \to 0 (Cauchy–Schwarz). Verificación: Gf+νGuGf + \nu Gu tiene coeficiente ene_n igual a

λncn+νλncnn2π2ν=cnn2π2(1+νn2π2ν)=cnn2π2ν:\lambda_nc_n + \frac{\nu\lambda_nc_n}{n^2\pi^2 - \nu} = \frac{c_n}{n^2\pi^2}\Bigl(1 + \frac{\nu}{n^2\pi^2 - \nu}\Bigr) = \frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu} :

exactamente los coeficientes de uu, de modo que u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu; la unicidad, porque una diferencia vv de soluciones cumple v=νGvv = \nu Gv, es decir, en,v(n2π2ν)=0\langle e_n, v\rangle(n^2\pi^2 - \nu) = 0 para todo nn: v=0v = 0.

20. Como en la pregunta 19, la ecuación u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu equivale a la familia de ecuaciones de coeficientes (n2π2ν)en,u=cn(n^2\pi^2 - \nu)\,\langle e_n, u\rangle = c_n, n1n \geq 1. Para n=mn = m, el miembro izquierdo es 00: la resolubilidad obliga a cm=0c_m = 0 y entonces em,u\langle e_m, u\rangle queda libre, mientras que todos los demás coeficientes están determinados: las soluciones forman la recta u0+Remu_0 + \R e_m. 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, Rνf22=cn2(n2π2ν)2f2(π2ν)2\norm{R_\nu f}_2^2 = \sum\frac{\abs{c_n}^2}{(n^2\pi^2 - \nu)^2} \leq \frac{\norm f^2}{(\pi^2 - \nu)^2} (para ν<π2\nu < \pi^2 el valor propio más próximo es π2\pi^2), con igualdad aproximada sobre f=e1f = e_1: norma de operador 1π2ν\frac1{\pi^2 - \nu}. Compacidad: RνR_\nu es límite en norma de sus truncamientos de rango finito (los coeficientes de la cola son 1n2π2ν0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} \to 0); la autoadjunción y la positividad se leen en la forma diagonal (todos los coeficientes son 1n2π2ν>0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} > 0). RνR_\nu tiene valores propios 1n2π2ν\frac1{n^2\pi^2 - \nu}: el análisis de las Partes I–VI vuelve a empezar literalmente.

22. El diccionario: valor propio λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} \leftrightarrow frecuencia al cuadrado n2π2n^2\pi^2 del nn-ésimo armónico; traza λn=16\sum \lambda_n = \frac16 \leftrightarrow ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6; norma de Hilbert–Schmidt g2=190\iint g^2 = \frac1{90} \leftrightarrow ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}; alternativa de Fredholm \leftrightarrow resonancia de la cuerda forzada; mín–máx \leftrightarrow estimaciones variacionales, hasta π<3.1437\pi < 3.1437 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 n=2mn = 2m en la parte par,

ζ(6)=n impar1n6+m11(2m)6=π6960+ζ(6)64,\zeta(6) = \sum_{n\text{ impar}}\frac1{n^6} + \sum_{m\geq1}\frac1{(2m)^6} = \frac{\pi^6}{960} + \frac{\zeta(6)}{64},

luego 6364ζ(6)=π6960\frac{63}{64}\zeta(6) = \frac{\pi^6}{960} y ζ(6)=64π663960=π6945\zeta(6) = \frac{64\,\pi^6}{63\cdot960} = \frac{\pi^6}{945}. La vía de la traza calcularía trG3=λn3=ζ(6)/π6\operatorname{tr}G^3 = \sum\lambda_n^3 = \zeta(6)/\pi^6 como gg2\iint g\,g_2 con el núcleo iterado g2(x,y)=01g(x,z)g(z,y) ⁣dzg_2(x,y) = \int_0^1g(x,z)g(z,y)\dd z — tres integraciones de polinomios a trozos —; Parseval sobre x(1x)x(1-x) solo necesitó una.

24. (a) Diagonalícese: v=nanunv = \sum_na_nu_n (más una posible componente en el núcleo, sobre la que v,Av\langle v, Av\rangle no gana nada y v2\norm v^2 crece, de modo que un maximizador no la tiene). Entonces v,Av=μnan2μ1an2\langle v, Av\rangle = \sum\mu_na_n^2 \leq \mu_1\sum a_n^2, con igualdad si y solo si an=0a_n = 0 siempre que μn<μ1\mu_n < \mu_1: un maximizador está en el espacio propio de μ1\mu_1. (b) Para cualquier uu,

u,Auu,Au=k(x,y)(u(x)u(y)u(x)u(y)) ⁣dx ⁣dy    0,\langle\abs u, A\abs u\rangle - \langle u, Au\rangle = \iint k(x,y)\,\bigl(\abs{u(x)}\abs{u(y)} - u(x)u(y)\bigr)\dd x\,\dd y \;\geq\; 0,

siendo el integrando puntualmente no negativo. Si P={u>0}P = \{u > 0\} y N={u<0}N = \{u < 0\} tienen ambos medida positiva, entonces sobre P×NP\times N el integrando vale 2ku(x)u(y)>02k\abs{u(x)}\abs{u(y)} > 0 en un conjunto de medida positiva: desigualdad estricta. Una función propia uu de μ1\mu_1 maximiza el cociente de Rayleigh, y u\abs u tiene la misma norma, de modo que la estrictud exhibiría R(u)>μ1R(\abs u) > \mu_1 — imposible; luego uu tiene signo constante en casi todo punto, digamos u0u \geq 0. Y entonces u(x)=μ11(Au)(x)=μ11k(x,y)u(y) ⁣dy>0u(x) = \mu_1^{-1}(Au)(x) = \mu_1^{-1}\int k(x,y)u(y)\dd y > 0 para todo x(0,1)x \in \intoo01 (k(x,)>0k(x,\cdot) > 0 y u0u \neq 0). (c) Si el espacio propio tuviera dimensión 2\geq 2, contendría dos funciones propias ortogonales u,vu, v, cada una de signo constante y sin ceros interiores por (b); pero entonces u,v=uv>0\abs{\langle u, v\rangle} = \int\abs u\,\abs v > 0 — contradicción. Sobre la cuerda: k=g>0k = g > 0 en el cuadrado abierto, μ1=λ1=1π2\mu_1 = \lambda_1 = \frac1{\pi^2} es en efecto simple, e1=2sin(πx)e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) es positiva en (0,1)\intoo01; y cada en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x), n2n \geq 2, ortogonal a la positiva e1e_1, ha de integrar cero contra ella y, por tanto, cambiar de signo — como confirman sus n1n - 1 ceros interiores kn\frac kn.

25. Como n2π2n^2\pi^2 \to \infty, el mínimo d=minnn2π2νd = \min_n\abs{n^2\pi^2 - \nu} se alcanza, en cierto modo mm, y d>0d > 0 porque ν\nu evita el espectro. La fórmula diagonal de la pregunta 19 da

Rνf22=ncn2(n2π2ν)21d2f22,\norm{R_\nu f}_2^2 = \sum_n\frac{\abs{c_n}^2}{(n^2\pi^2 - \nu)^2} \leq \frac1{d^2}\,\norm f_2^2,

con igualdad para f=emf = e_m: Rν=1d\vertiii{R_\nu} = \frac1d, el inverso de la distancia de ν\nu 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 00, de modo que los truncamientos de rango finito convergen en norma). Precio de la resonancia: para f=e1f = e_1 y ν=(1ε)π2\nu = (1-\varepsilon)\pi^2, la fórmula da u=c1π2νe1=1επ2e1u = \frac{c_1}{\pi^2 - \nu}e_1 = \frac1{\varepsilon\pi^2}e_1, frente a la respuesta estática Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1: amplificación 1ε\frac1\varepsilon. En ε=102\varepsilon = 10^{-2}, la respuesta es 100100 veces la estática — y diverge cuando ε0\varepsilon \to 0, 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.

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