Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

13Ruang Hilbert

Ruang Hilbert adalah ruang Banach yang normanya datang dari sebuah hasil kali dalam — dan satu struktur tambahan itu memulihkan, dalam dimensi tak berhingga, hampir seluruh geometri Euclid: proyeksi ortogonalnya ada, setiap fungsional kontinu berupa hasil kali dalam terhadap sebuah vektor tetap (menurut Riesz), dan basis ortonormalnya menguraikan setiap vektor menjadi deret konvergen dengan pembukuan Pythagoras (menurut Parseval). Puncak bab ini adalah sebuah utang yang dilunasi: bahwa sistem trigonometri merupakan basis ortonormal L2L^2, sehingga identitas Parseval berlaku bagi setiap fungsi yang terintegralkan kuadrat — yakni pernyataan yang pada Tahun ke-2 hanya dapat dibuktikan untuk fungsi C1\mathcal C^1 sepenggal-sepenggal. Kita mengakhirinya dengan Lax–Milgram, yakni lema kuda beban pendekatan variasi terhadap persamaan diferensial.

Sepanjang bab ini, HH adalah ruang vektor atas K=RK = \R atau C\C.

13.1 Hasil kali dalam; teorema proyeksi

Definisi 13.1

Sebuah hasil kali dalam adalah pemetaan ⟨⋅,⋅⟩ ⁣:H×H→K\langle \cdot,\cdot\rangle \colon H\times H \to K, yang linear pada variabel keduanya, dengan ⟨y,x⟩=⟨x,y⟩‾\langle y, x\rangle = \overline{\langle x, y\rangle} dan ⟨x,x⟩>0\langle x, x\rangle > 0 untuk x≠0x \neq 0. Ia menginduksi norma ∥x∥=⟨x,x⟩1/2\norm x = \langle x, x\rangle^{1/2}, ketaksamaan Cauchy–Schwarz ∣⟨x,y⟩∣≤∥x∥∥y∥\abs{\langle x, y\rangle} \leq \norm x\norm y (dengan bukti Tahun ke-2 — lewat diskriminannya — yang tak berubah), dan hukum jajaran genjang

∥x+y∥2+∥x−y∥2=2∥x∥2+2∥y∥2.\norm{x + y}^2 + \norm{x - y}^2 = 2\norm x^2 + 2\norm y^2 .

Sebuah ruang Hilbert adalah ruang hasil kali dalam yang lengkap terhadap norma ini. Contohnya: ℓ2\ell^2 (Soal 8.1) dan, yang paling mendasar, L2(μ)L^2(\mu) dengan ⟨f,g⟩=∫fˉg  ⁣dμ\langle f, g\rangle = \int\bar fg\,\dd\mu — yang lengkap menurut Riesz–Fischer (Teorema 12.4); sedangkan hasil kali dalamnya berhingga menurut Cauchy–Schwarz (== Hölder pada p=q=2p = q = 2).

Teorema 13.2 (Proyeksi ke sebuah himpunan cembung tertutup)

Misalkan C≠∅C \neq \varnothing sebuah himpunan bagian cembung tertutup dari ruang Hilbert HH dan x∈Hx \in H. Maka ada tepat satu pC(x)∈Cp_C(x) \in C dengan

∥x−pC(x)∥=d(x,C),\norm{x - p_C(x)} = d(x, C),

yang dicirikan oleh: Re⁡⟨x−pC(x), c−pC(x)⟩≤0\operatorname{Re}\langle x - p_C(x),\ c - p_C(x)\rangle \leq 0 untuk setiap c∈Cc \in C. Dan pemetaan pCp_C bersifat Lipschitz-11.

Bukti. Misalkan d=d(x,C)d = d(x, C) dan (cn)⊆C(c_n) \subseteq C dengan ∥x−cn∥→d\norm{x - c_n} \to d. Jajaran genjang pada x−cnx - c_n dan x−cmx - c_m:

∥cn−cm∥2=2∥x−cn∥2+2∥x−cm∥2−4 ∥x−cn+cm2∥2≤2∥x−cn∥2+2∥x−cm∥2−4d2\norm{c_n - c_m}^2 = 2\norm{x - c_n}^2 + 2\norm{x - c_m}^2 - 4\,\bigl\|x - \tfrac{c_n + c_m}2\bigr\|^2 \leq 2\norm{x{-}c_n}^2 + 2\norm{x{-}c_m}^2 - 4d^2

(sebab kecembungannya menaruh titik tengahnya di CC): jadi ruas kanannya menuju 00, sehingga (cn)(c_n) Cauchy, dan limitnya p∈Cp \in C (yang tertutup) mencapai dd. Ketunggalannya: dua pemberi minimum memberikan, lewat identitas yang sama, ∥p−p′∥2≤2d2+2d2−4d2=0\norm{p - p'}^2 \leq 2d^2 + 2d^2 - 4d^2 = 0.

Pencirinya: untuk c∈Cc \in C dan t∈(0, 1]t \in \intoc01, vektor p+t(c−p)∈Cp + t(c - p) \in C, sehingga

d2≤∥x−p−t(c−p)∥2=d2−2tRe⁡⟨x−p,c−p⟩+t2∥c−p∥2;d^2 \leq \norm{x - p - t(c-p)}^2 = d^2 - 2t\operatorname{Re}\langle x - p, c - p\rangle + t^2\norm{c-p}^2 ;

lalu bagilah dengan t→0+t \to 0^+: Re⁡⟨x−p,c−p⟩≤0\operatorname{Re}\langle x - p, c - p\rangle \leq 0. Sebaliknya ketaksamaan ini memberikan ∥x−c∥2=∥x−p∥2−2Re⁡⟨x−p,c−p⟩+∥p−c∥2≥∥x−p∥2\norm{x - c}^2 = \norm{x - p}^2 - 2\operatorname{Re}\langle x - p, c - p\rangle + \norm{p - c}^2 \geq \norm{x-p}^2. Untuk kelipschitzannya: bagi x,yx, y yang berproyeksi p,qp, q, jumlahkanlah kedua ketaksamaan variasinya (dengan c=qc = q, berturut-turut c=pc = p): Re⁡⟨x−y−(p−q),p−q⟩≥0\operatorname{Re}\langle x - y - (p - q), p - q\rangle \geq 0, sehingga ∥p−q∥2≤Re⁡⟨x−y,p−q⟩≤∥x−y∥∥p−q∥\norm{p - q}^2 \leq \operatorname{Re}\langle x - y, p - q\rangle \leq \norm{x - y}\norm{p - q}. ∎

Teorema 13.3 (Penguraian ortogonal)

Misalkan FF sebuah subruang tertutup dari HH. Maka pFp_F bersifat linear, x−pF(x)⊥Fx - p_F(x) \perp F untuk setiap xx, dan

H=F⊕F⊥,F⊥={y:⟨y,f⟩=0 ∀f∈F},(F⊥)⊥=F.H = F \oplus F^\perp, \qquad F^\perp = \{y : \langle y, f\rangle = 0\ \forall f\in F\}, \qquad (F^\perp)^\perp = F .

Untuk subruang yang umum, (F⊥)⊥=Fˉ(F^\perp)^\perp = \bar F; khususnya FF padat jika dan hanya jika F⊥={0}F^\perp = \{0\}.

Bukti. Untuk sebuah subruang, pencirian variasinya dengan c=pF(x)±fc = p_F(x) \pm f (dengan f∈Ff \in F, kedua tandanya, dan if\iu f pada kasus kompleksnya) memaksa ⟨x−pF(x),f⟩=0\langle x - p_F(x), f\rangle = 0: jadi sisanya ortogonal terhadap FF. Penguraiannya x=pF(x)+(x−pF(x))x = p_F(x) + (x - p_F(x)) dengan F∩F⊥={0}F \cap F^\perp = \{0\} (sebab ⟨y,y⟩=0\langle y, y \rangle = 0); sedangkan kelinearan pFp_F menyusul dari ketunggalan penguraian semacam itu (sebab kedua ruasnya linear di dalamnya). Selalu (F⊥)⊥⊇F(F^\perp) ^\perp \supseteq F; sebaliknya jika x⊥F⊥x \perp F^\perp, tulislah x=f+gx = f + g: maka g=x−f∈F⊥g = x - f \in F^\perp dan ⟨g,g⟩=⟨x,g⟩−⟨f,g⟩=0\langle g, g\rangle = \langle x, g\rangle - \langle f, g\rangle = 0: jadi x=f∈Fx = f \in F. Untuk subruang FF yang umum: F⊥=Fˉ ⊥F^\perp = \bar F^{\,\perp} (lewat kekontinuan hasil kali dalamnya), sehingga (F⊥)⊥=Fˉ(F^\perp)^\perp = \bar F menurut kasus tertutupnya; dan kepadatannya jika dan hanya jika Fˉ=H\bar F = H jika dan hanya jika F⊥=0F^\perp = 0. ∎

Teorema 13.4 (Penyajian Riesz)

Untuk setiap fungsional linear kontinu φ∈H′\varphi \in H' ada tepat satu a∈Ha \in H dengan

φ(x)=⟨a,x⟩(x∈H),∥φ∥H′=∥a∥.\varphi(x) = \langle a, x\rangle \quad (x \in H), \qquad \norm\varphi_{H'} = \norm a .

Bukti. Jika φ=0\varphi = 0: maka a=0a = 0. Selain itu F=ker⁡φF = \ker\varphi merupakan subruang sejati yang tertutup; lalu pilihlah u∈F⊥u \in F^\perp dengan ∥u∥=1\norm u = 1 (menurut Teorema 13.3: sebab F⊥≠0F^\perp \neq 0 karena F≠HF \neq H). Untuk sembarang xx, vektor φ(x)u−φ(u)x∈ker⁡φ\varphi(x)u - \varphi(u)x \in \ker\varphi, sehingga ⊥u\perp u:

0=⟨u,φ(x)u−φ(u)x⟩=φ(x)−φ(u)⟨u,x⟩:φ(x)=⟨φ(u)‾ u, x⟩.0 = \langle u, \varphi(x)u - \varphi(u)x\rangle = \varphi(x) - \varphi(u)\langle u, x\rangle : \qquad \varphi(x) = \langle \overline{\varphi(u)}\,u,\ x\rangle .

Jadi a=φ(u)‾ua = \overline{\varphi(u)}u berhasil. Ketunggalannya: ⟨a−a′,x⟩=0\langle a - a', x\rangle = 0 untuk setiap xx, lalu ujilah x=a−a′x = a - a'. Normanya: ∣φ(x)∣≤∥a∥∥x∥\abs{\varphi(x)} \leq \norm a\norm x (lewat Cauchy–Schwarz) dengan kesamaannya di x=ax = a. ∎

Contoh 13.5 (Sebuah proyeksi, yang dihitung sampai tuntas)

Di H=L2([0, 1])H = L^2(\intcc01), apakah penghampiran terbaik atas f(x)=x2f(x) = x^2 oleh fungsi afin? Subruang F=Vect⁡(1,x)F = \operatorname{Vect}(1, x) bersifat tertutup (sebab berdimensi berhingga), dan pF(f)=a+bxp_F(f) = a + bx dicirikan oleh keortogonalan sisanya terhadap 11 dan terhadap xx:

∫01(x2−a−bx)  ⁣dx=0,∫01x (x2−a−bx)  ⁣dx=0,\int_0^1(x^2 - a - bx)\,\dd x = 0, \qquad \int_0^1x\,(x^2 - a - bx)\,\dd x = 0,

yakni 13=a+b2\frac13 = a + \frac b2 dan 14=a2+b3\frac14 = \frac a2 + \frac b3: sehingga a=−16a = -\frac16 dan b=1b = 1. Jadi pF(x2)=x−16p_F(x^2) = x - \frac16, dan galatnya adalah

d(f,F)2=∫01(x2−x+16)2 ⁣dx=1180,d(f,F)=165.d(f, F)^2 = \int_0^1\Bigl(x^2 - x + \frac16\Bigr)^2\dd x = \frac1{180}, \qquad d(f, F) = \frac1{6\sqrt5} .

Dua catatan yang layak diendapkan. Pertama, perhitungannya tak lain sistem linear 2×22\times2 — yakni persamaan normalnya; dan untuk basis monomialnya matriksnya (1i+j+1)\bigl(\frac1{i+j+1}\bigr) adalah matriks Hilbert yang terkenal buruk kondisinya, sedangkan mengortogonalkannya lebih dahulu (lewat polinomial Legendre, Soal 13.1) merupakan obatnya. Kedua, penghampiran seragam terbaik atas x2x^2 oleh fungsi afin berbeda (x−18x - \frac18, lewat osilasi setara): sebab setiap norma mempunyai geometrinya sendiri, dan hanya yang Hilbertlah yang menjawab dengan sebuah sistem linear.

13.2 Basis ortonormal

Definisi 13.6

Sebuah keluarga (ei)i∈I(e_i)_{i\in I} disebut ortonormal jika ⟨ei,ej⟩=δij\langle e_i, e_j\rangle = \delta_{ij}, dan sebuah basis Hilbert (yakni basis ortonormal) jika lebih lanjut kombinasi linear berhingganya padat di HH (yakni keluarganya bersifat total). Kita menangani kasus terbilangnya I=NI = \N, yang lewat Gram–Schmidt mencakup setiap HH yang terpisahkan (Proposisi 13.8).

Teorema 13.7 (Bessel, Parseval)

Misalkan (en)n∈N(e_n)_{n\in\N} ortonormal di HH, dan cn(x)=⟨en,x⟩c_n(x) = \langle e_n, x\rangle.

  1. (Bessel) ∑n∣cn(x)∣2≤∥x∥2\sum_n\abs{c_n(x)}^2 \leq \norm x^2, dan deret ∑ncn(x)en\sum_nc_n(x)e_n konvergen di HH, dengan jumlah pF(x)p_F(x) dan F=Vect⁡‾(en)F = \overline{\operatorname{Vect}}(e_n).
  2. Pernyataan berikut setara: (i) (en)(e_n) merupakan basis Hilbert; (ii) x=∑ncn(x)enx = \sum_nc_n(x)e_n untuk setiap xx; (iii) Parseval: ∥x∥2=∑n∣cn(x)∣2\norm x^2 = \sum_n\abs{c_n(x)}^2 untuk setiap xx; (iv) satu-satunya vektor yang ortogonal terhadap semua ene_n adalah 00.
  3. Jika (en)(e_n) basis Hilbert, maka x↦(cn(x))nx \mapsto (c_n(x))_n merupakan isomorfisma isometrik H→ℓ2H \to \ell^2 (sehingga setiap ruang Hilbert terpisahkan berdimensi tak berhingga “adalah” ℓ2\ell^2), dan ⟨x,y⟩=∑ncn(x)‾cn(y)\langle x, y\rangle = \sum_n\overline{c_n(x)}c_n(y).

Bukti. (1) Untuk NN yang berhingga: x−∑n≤Ncnen⊥ekx - \sum_{n\leq N}c_ne_n \perp e_k (bila k≤Nk \leq N), sehingga Pythagoras memberikan ∥x∥2=∑n≤N∣cn∣2+∥x−∑n≤Ncnen∥2\norm x^2 = \sum_{n\leq N}\abs{c_n}^2 + \norm{x - \sum_{n\leq N}c_ne_n}^2: yakni Bessel. Lalu jumlah parsialnya SN=∑n≤NcnenS_N = \sum_{n\leq N}c_ne_n bersifat Cauchy: sebab ∥SN−SM∥2=∑M<n≤N∣cn∣2\norm{S_N - S_M}^2 = \sum_{M<n\leq N}\abs{c_n}^2, yakni ekor sebuah deret konvergen; limitnya terletak di FF, dan x−lim⁡SN⊥x - \lim S_N \perp setiap eke_k (lewat kekontinuannya), jadi ⊥F\perp F: sehingga menurut ketunggalan penguraian ortogonalnya, lim⁡SN=pF(x)\lim S_N = p_F(x).

(2) (i)⇒\Rightarrow(ii): sebab F=HF = H, sehingga pF=idp_F = \mathrm{id}. (ii)⇒\Rightarrow(iii): lewat Pythagoras pada limitnya (sebab ∥SN∥2=∑n≤N∣cn∣2→∥x∥2\norm{S_N}^2 = \sum_{n \leq N}\abs{c_n}^2 \to \norm x^2). (iii)⇒\Rightarrow(iv): sebab x⊥x \perp semua ene_n memberikan ∥x∥2=0\norm x^2 = 0. (iv)⇒\Rightarrow(i): sebab F⊥={0}F^\perp = \{0\} (karena keortogonalan terhadap semua ene_n adalah keortogonalan terhadap FF), sehingga FF padat menurut Teorema 13.3; padahal FF, sebagai sebuah penutup, sudah tertutup: jadi F=HF = H.

(3) Pemetaannya linear, isometrik menurut (iii) (sehingga injektif), dan surjektif: sebab diberikan (cn)∈ℓ2(c_n) \in \ell^2, deret ∑cnen\sum c_ne_n konvergen (yang Cauchy seperti pada (1)) ke sebuah prapetanya. Sedangkan rumus hasil kali dalamnya berupa polarisasi dari (iii), atau perhitungan limit yang langsung. ∎

Proposisi 13.8 (Gram–Schmidt)

Misalkan (xn)(x_n) sebuah barisan yang bebas linear. Dengan menetapkan secara induktif e~n=xn−∑k<n⟨ek,xn⟩ek\tilde e_n = x_n - \sum_{k<n}\langle e_k, x_n\rangle e_k dan en=e~n/∥e~n∥e_n = \tilde e_n/\norm{\tilde e_n} dihasilkanlah (en)(e_n) yang ortonormal dengan rentang berhingga yang sama: Vect⁡(e1,…,en)=Vect⁡(x1,…,xn)\operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_n) = \operatorname{Vect} (x_1, \dots, x_n). Karena itu setiap ruang Hilbert terpisahkan (yakni yang mempunyai himpunan bagian padat terbilang) mempunyai basis Hilbert.

Bukti. Lewat induksi: e~n⊥ek\tilde e_n \perp e_k (bila k<nk < n) menurut konstruksinya, dan e~n≠0\tilde e_n \neq 0 menurut kebebasannya; sedangkan rentangnya bersesuaian pada setiap tahapnya (lewat penggantian basis segitiga). Untuk HH yang terpisahkan: dari sebuah barisan padat petiklah subkeluarga yang bebas linear dengan rentang yang padat (buanglah setiap vektor yang berada di rentang pendahulunya, sebab rentangnya tak berubah), lalu ortonormalkan: sehingga hasilnya total. ∎

Teorema 13.9 (Sistem trigonometri; Parseval akhirnya)

Di L2([−π, π])L^2(\intcc{-\pi}\pi) dengan ⟨f,g⟩=12π∫−ππfˉg\langle f, g\rangle = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi \bar fg, keluarga en(t)=einte_n(t) = \eu^{\iu nt} dengan n∈Zn \in \Z merupakan basis Hilbert. Karena itu, untuk setiap f∈L2f \in L^2 — khususnya setiap fungsi 2π2\pi-periodik ff yang kontinu sepenggal-sepenggal — dengan cn(f)=12π∫−ππf(t)e−int ⁣dtc_n(f) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t)\eu^{-\iu nt}\dd t:

f=∑n∈Zcn(f) eint  di L2,12π∫−ππ∣f∣2=∑n∈Z∣cn(f)∣2.f = \sum_{n\in\Z}c_n(f)\,\eu^{\iu nt} \ \ \text{di } L^2, \qquad \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\abs f^2 = \sum_{n\in\Z}\abs{c_n(f)}^2 .

Ini membuktikan, dalam keumuman penuh, identitas Parseval yang diterima begitu saja pada Tahun ke-2.

Bukti. Keortonormalannya berupa perhitungan langsung (Tahun ke-2). Untuk ketotalannya: misalkan f∈L2f \in L^2 bersifat ⊥\perp semua ene_n, yakni semua koefisien Fouriernya lenyap. Fungsi kontinu berperiode 2π2\pi bersifat padat di L2([−π, π])L^2(\intcc{-\pi}\pi): sebab sungguh Cc((−π, π))\mathcal C_c(\intoo{-\pi}\pi) padat (Teorema 12.6(2)) dan fungsi semacam itu diperluas secara periodik dan kontinu. Sedangkan polinomial trigonometri bersifat padat terhadap ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty di antara fungsi periodik kontinu (menurut Stone–Weierstrass, Akibat 7.16(c)), dan ∥⋅∥2≤∥⋅∥∞\norm\cdot_2 \leq \norm\cdot_\infty: sehingga polinomial trigonometrinya padat di L2L^2. Padahal f⊥f \perp setiap polinomial trigonometri, jadi f⊥f \perp sebuah subruang padat: sehingga f∈(padat)⊥={0}f \in (\text{padat})^\perp = \{0\} (Teorema 13.3). Lalu kriteria (iv) Teorema 13.7 menuntaskannya; sedangkan (ii) dan (iii) terurai menjadi tampilannya (dengan mengindeks ulang Z\Z yang terbilang; dan deret dua ujungnya konvergen tanpa syarat — sebab semua jumlah parsialnya atas sembarang keluarga yang menghabiskan indeksnya konvergen, lewat argumen ekor ℓ2\ell^2-nya). ∎

Teorema 13.10 (Lax–Milgram)

Misalkan HH ruang Hilbert real dan a ⁣:H×H→Ra \colon H\times H \to \R bilinear, kontinu (yakni ∣a(u,v)∣≤M∥u∥∥v∥\abs{a(u,v)} \leq M\norm u\norm v) serta koersif (yakni a(u,u)≥α∥u∥2a(u, u) \geq \alpha\norm u^2 dengan α>0\alpha > 0). Maka untuk setiap φ∈H′\varphi \in H' ada tepat satu u∈Hu \in H dengan

a(u,v)=φ(v)untuk setiap v∈H.a(u, v) = \varphi(v) \qquad \text{untuk setiap } v \in H .

Bukti. Untuk uu yang tetap, v↦a(u,v)v \mapsto a(u, v) bersifat linear kontinu: sehingga Riesz memberikan tepat satu Au∈HAu \in H dengan a(u,v)=⟨Au,v⟩a(u,v) = \langle Au, v\rangle; dan AA linear dengan ∥Au∥≤M∥u∥\norm{Au} \leq M\norm u (lewat ketunggalan wakilnya, lalu batasnya). Untuk kekoersifannya: α∥u∥2≤a(u,u)=⟨Au,u⟩≤∥Au∥∥u∥\alpha\norm u^2 \leq a(u,u) = \langle Au, u\rangle \leq \norm{Au}\norm u, sehingga ∥Au∥≥α∥u∥\norm{Au} \geq \alpha\norm u: jadi AA injektif dengan jangkauan yang tertutup (sebab barisan peta Cauchy AunAu_n memaksa unu_n Cauchy). Jangkauannya padat: sebab w⊥im⁡Aw \perp \operatorname{im}A memberikan 0=⟨Aw,w⟩≥α∥w∥20 = \langle Aw, w\rangle \geq \alpha\norm w^2. Tertutup dan padat: jadi AA bijektif. Diberikan φ\varphi, misalkan ff menyajikannya (lewat Riesz) dan u=A−1fu = A^{-1}f: maka a(u,v)=⟨f,v⟩=φ(v)a(u, v) = \langle f, v\rangle = \varphi(v), secara tunggal (sebab a(u−u′,⋅)=0a(u - u', \cdot) = 0 dan kekoersifannya). ∎

Catatan 13.11

Bila aa setangkup, solusi Lax–Milgram merupakan satu-satunya pemberi minimum energi J(v)=12a(v,v)−φ(v)J(v) = \frac12a(v,v) - \varphi(v) (Latihan 13.9): jadi keberadaan solusi soal variasi dalam satu sapuan. Diterapkan pada ruang fungsi yang sesuai (yakni ruang Sobolev pada kuliah berikutnya), ini menyelesaikan soal nilai batas bagi persamaan diferensial — yakni pintu masuk modern ke persamaan diferensial parsial.

13.3 Latihan

Latihan 13.1 ★

(a) Buktikan identitas polarisasinya (yang real: 4⟨x,y⟩=∥x+y∥2−∥x−y∥24\langle x, y\rangle = \norm{x+y}^2 - \norm{x-y}^2; dan yang kompleks: versi empat sukunya). (b) Tunjukkan bahwa ∥⋅∥1\norm\cdot_1 pada L1([0, 1])L^1(\intcc01) dan ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty pada C([0, 1])\mathcal C(\intcc01) melanggar hukum jajaran genjang: sehingga norma ini tak datang dari hasil kali dalam mana pun.

Solusi

Solusi Latihan 13.1.

(a) Yang real: uraikan ∥x±y∥2=∥x∥2±2⟨x,y⟩+∥y∥2\norm{x \pm y}^2 = \norm x^2 \pm 2\langle x,y\rangle + \norm y^2 lalu kurangkan. Yang kompleks (dengan hasil kali dalamnya linear pada slot keduanya): dengan menguraikannya seperti di atas,

⟨x,y⟩=14∑k=03ik ∥ikx+y∥2,\langle x, y\rangle = \frac14\sum_{k=0}^{3} \iu^k\,\bigl\|\iu^kx + y\bigr\|^2,

sebab setiap sukunya menyumbang ik⋅2Re⁡((−i)k⟨x,y⟩)\iu^k\cdot2\operatorname{Re}\bigl( (-\iu)^k\langle x,y\rangle\bigr), yang jumlahnya 4⟨x,y⟩4\langle x,y\rangle (periksalah keempat nilai kk-nya; sedangkan ∑ik(∥x∥2+∥y∥2)=0\sum\iu^k (\norm x^2 + \norm y^2) = 0).

(b) Untuk L1L^1: f=1[0, 1/2]f = \mathbf 1_{\intcc0{1/2}} dan g=1[1/2, 1]g = \mathbf 1_{\intcc{1/2}1}: maka ∥f±g∥12=1\norm{f\pm g}_1^2 = 1 masing-masing, berjumlah 22; padahal 2∥f∥12+2∥g∥12=1≠22\norm f_1^2 + 2\norm g_1^2 = 1 \neq 2. Untuk norma supnya: f=1f = \mathbf 1 dan g(t)=tg(t) = t pada [0, 1]\intcc01: maka ∥f+g∥∞2+∥f−g∥∞2=4+1=5≠4=2+2\norm{f + g}_\infty^2 + \norm{f-g}_\infty^2 = 4 + 1 = 5 \neq 4 = 2 + 2. Karena gagal memenuhi hukum jajaran genjang, norma ini tak diinduksi hasil kali dalam mana pun (sebab hasil kali dalam akan memaksanya lewat penguraian langsung).

Latihan 13.2 ★

Di H=L2([0, 1])H = L^2(\intcc01) (yang real): (a) hitunglah proyeksi ff ke subruang berisi fungsi konstan, lalu tafsirkan; (b) hitunglah proyeksinya ke {g:g=0 hampir di mana-mana pada [0, 1/2]}\{g : g = 0 \text{ hampir di mana-mana pada } \intcc0{1/2}\}; (c) hitunglah d(x↦x, Vect⁡(1))d\bigl(x \mapsto x,\ \operatorname{Vect}(\mathbf 1)\bigr).

Solusi

Solusi Latihan 13.2.

(a) p(f)=(∫01f)1p(f) = \bigl(\int_0^1f\bigr)\mathbf 1: sebab sungguh f−∫f⊥f - \int f \perp fungsi konstan (karena ∫(f−∫f)c=0\int(f - \int f)c = 0). Jadi penghampiran konstan terbaik atas ff dalam kuadrat rata-rata adalah rata-ratanya — yakni contoh pertama nilai harapan bersyarat (Bab 22).

(b) p(f)=f 1[1/2, 1]p(f) = f\,\mathbf 1_{\intcc{1/2}1}: sebab selisihnya f1[0, 1/2]f\mathbf 1_{\intcc0{1/2}} ortogonal terhadap setiap gg yang lenyap pada [0, 1/2]\intcc0{1/2}.

(c) d2=∥x−12∥22=∫01(x−12)2 ⁣dx=112d^2 = \bigl\|x - \tfrac12\bigr\|_2^2 = \int_0^1(x - \tfrac12)^2\dd x = \tfrac1{12}: sehingga d=123d = \frac1{2\sqrt3}.

Latihan 13.3 ★★

(a) Tunjukkan bahwa untuk sebuah subruang FF: FF padat   ⟺  \iff F⊥={0}F^\perp = \{0\}, lalu berikan contoh di ℓ2\ell^2 sebuah subruang padat yang sejati (sehingga F⊥=0F^\perp = 0 tanpa F=HF = H: yakni teorema penguraiannya sungguh memerlukan FF yang tertutup). (b) Tunjukkan bahwa jika xn→xx_n \to x dan yn→yy_n \to y dalam norma, maka ⟨xn,yn⟩→⟨x,y⟩\langle x_n, y_n\rangle \to \langle x, y\rangle, lalu temukan dua tempat yang bab ini memakai kekontinuan itu.

Solusi

Solusi Latihan 13.3.

(a) Kesetaraannya adalah Teorema 13.3 (sebab Fˉ=(F⊥)⊥\bar F = (F^\perp)^\perp, dan Fˉ=H  ⟺  F⊥={0}\bar F = H \iff F^\perp = \{0\}). Contohnya: ruang FF berisi barisan berhingga bersifat padat di ℓ2\ell^2 (lewat pemancungan) dan sejati: sehingga F⊥={0}F^\perp = \{0\} padahal F≠ℓ2F \neq \ell^2 — jadi untuk subruang yang tak tertutup, H=F⊕F⊥H = F \oplus F^\perp gagal secara terang-terangan (sebab F⊕{0}≠HF \oplus \{0\} \neq H).

(b) ∣⟨xn,yn⟩−⟨x,y⟩∣≤∣⟨xn−x,yn⟩∣+∣⟨x,yn−y⟩∣≤∥xn−x∥sup⁡n∥yn∥+∥x∥ ∥yn−y∥→0\abs{\langle x_n, y_n\rangle - \langle x, y\rangle} \leq \abs{\langle x_n - x, y_n\rangle} + \abs{\langle x, y_n - y\rangle} \leq \norm{x_n - x}\sup_n\norm{y_n} + \norm x\,\norm{y_n - y} \to 0 (sebab barisan konvergen bersifat terbatas). Ia dipakai: pada Teorema 13.7(1) untuk melihat x−lim⁡SN⊥ekx - \lim S_N \perp e_k, dan pada Teorema 13.3 untuk melihat F⊥=Fˉ ⊥F^\perp = \bar F^{\,\perp}.

Latihan 13.4 ★★

Terapkan Gram–Schmidt pada 1,x,x21, x, x^2 di L2([−1, 1])L^2(\intcc{-1}1) (dengan ukuran Lebesgue): perolehlah ketiga polinomial Legendre ternormalkan yang pertama, lalu periksalah bahwa keduanya cocok dengan n+12 Pn\sqrt{n + \frac12}\,P_n untuk polinomial Rodrigues PnP_n pada Soal 13.1.

Solusi

Solusi Latihan 13.4.

Berlaku e0=12e_0 = \frac1{\sqrt2}. Berikutnya, x⊥1x \perp \mathbf 1 sudah sejak awal (sebab ∫−11x=0\int_{-1}^1x = 0), dan ∫−11x2=23\int_{-1}^1x^2 = \frac23: sehingga e1=32 xe_1 = \sqrt{\tfrac32}\,x. Lalu x2−⟨e0,x2⟩e0=x2−13x^2 - \langle e_0, x^2\rangle e_0 = x^2 - \frac13 (dan ⊥e1\perp e_1 menurut paritasnya), dengan

∫−11(x2−13)2 ⁣dx=25−49+29=845:e2=458 (x2−13).\int_{-1}^1\Bigl(x^2 - \frac13\Bigr)^2\dd x = \frac25 - \frac49 + \frac29 = \frac{8}{45}: \qquad e_2 = \sqrt{\tfrac{45}8}\,\Bigl(x^2 - \frac13\Bigr).

Perbandingannya: P0=1P_0 = 1, P1=xP_1 = x, P2=3x2−12P_2 = \frac{3x^2 - 1}2, dan n+12 Pn\sqrt{n + \tfrac12}\,P_n memberikan 12\frac1{\sqrt2}, 32x\sqrt{\frac32}x, 52 3x2−12=458(x2−13)\sqrt{\frac52}\,\frac{3x^2-1}2 = \sqrt{\frac{45}8}\bigl(x^2 - \frac13\bigr): yakni tepat e0,e1,e2e_0, e_1, e_2.

Latihan 13.5 ★★

Terapkan Parseval (Teorema 13.9) pada f(t)=tf(t) = t dan f(t)=t2f(t) = t^2 di [−π, π]\intcc{-\pi}\pi — kini secara sah bagi keduanya (yang kontinu, tetapi sebelumnya identitasnya menuntut kehati-hatian C1\mathcal C^1 sepenggal-sepenggal pada ketakkontinuan di sambungannya): pulihkanlah

∑n≥11n2=π26,∑n≥11n4=π490.\sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6, \qquad \sum_{n\geq1}\frac1{n^4} = \frac{\pi^4}{90} .
Solusi

Solusi Latihan 13.5.

Untuk f(t)=tf(t) = t: c0=0c_0 = 0 dan, lewat pengintegralan parsial, cn=i(−1)nnc_n = \frac{\iu(-1)^n}{n} untuk n≠0n \neq 0: sehingga ∣cn∣2=1n2\abs{c_n}^2 = \frac1{n^2}. Lalu Parseval:

12π∫−ππt2 ⁣dt=π23=∑n≠01n2=2∑n≥11n2 ⟹ ∑n≥11n2=π26.\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi t^2\dd t = \frac{\pi^2}3 = \sum_{n\neq0}\frac1{n^2} = 2\sum_{n\geq1}\frac1{n^2} \ \Longrightarrow\ \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6 .

Untuk f(t)=t2f(t) = t^2: c0=π23c_0 = \frac{\pi^2}3 dan cn=2(−1)nn2c_n = \frac{2(-1)^n}{n^2} (bila n≠0n \ne 0). Lalu Parseval:

12π∫−ππt4 ⁣dt=π45=π49+∑n≠04n4 ⟹ ∑n≥11n4=18(π45−π49)=π490.\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}t^4\dd t = \frac{\pi^4}5 = \frac{\pi^4}9 + \sum_{n\neq0}\frac4{n^4} \ \Longrightarrow\ \sum_{n\geq1}\frac1{n^4} = \frac18\Bigl(\frac{\pi^4}5 - \frac{\pi^4}9\Bigr) = \frac{\pi^4}{90} .

Tak diperlukan syarat C1\mathcal C^1 sepenggal-sepenggal apa pun: sebab Teorema 13.9 mencakup setiap fungsi L2L^2.

Latihan 13.6 ★★

(a) Carilah a∈L2([0, 1])a \in L^2(\intcc01) dengan ∫01/2f=⟨a,f⟩\int_0^{1/2}f = \langle a, f\rangle untuk setiap ff; lalu hitunglah ∥φ∥\norm\varphi untuk fungsional ini. (b) Tunjukkan bahwa penilaian f↦f(12)f \mapsto f(\frac12), yang terdefinisi pada subruang C([0, 1])⊆L2([0, 1])\mathcal C(\intcc01) \subseteq L^2(\intcc01), tak kontinu terhadap ∥⋅∥2\norm\cdot_2: sehingga tak ada wakil Riesznya (sebab penilaian bukan gagasan L2L^2).

Solusi

Solusi Latihan 13.6.

(a) φ(f)=∫01/2f=⟨1[0, 1/2], f⟩\varphi(f) = \int_0^{1/2}f = \langle\mathbf 1_{\intcc0{1/2}},\ f\rangle: jadi wakilnya adalah a=1[0, 1/2]a = \mathbf 1_{\intcc0{1/2}}, dan ∥φ∥=∥a∥2=12\norm\varphi = \norm a_2 = \frac1{\sqrt2} (Teorema 13.4).

(b) Ambillah fungsi tenda fnf_n yang berpuncak 11 di 12\frac12 dan berpendukung selebar 2n\frac2n: maka fn(12)=1f_n(\tfrac12) = 1 sedangkan ∥fn∥22≤2n→0\norm{f_n}_2^2 \leq \frac2n \to 0: sehingga tak ada konstanta CC yang dapat memberikan ∣f(12)∣≤C∥f∥2\abs{f(\frac12)} \leq C\norm f_2. Jadi penilaian titik tak bermakna di L2L^2 — sebab unsurnya berupa kelas modulo himpunan nol — dan perhitungan ini adalah alasan kuantitatifnya.

Latihan 13.7 ★★★

Misalkan HH terpisahkan dengan basis Hilbert (en)(e_n), dan (xk)(x_k) sebuah barisan yang terbatas. (a) Tunjukkan bahwa suatu subbarisannya konvergen secara lemah: yakni ada xx dengan ⟨y,xkj⟩→⟨y,x⟩\langle y, x_{k_j}\rangle \to \langle y, x\rangle untuk setiap y∈Hy \in H. (Pakai pemetikan diagonal pada koefisiennya ⟨en,xk⟩\langle e_n, x_k\rangle; lalu rakitlah xx lewat Bessel dan keterbatasan seragam normanya.) (b) Tunjukkan bahwa en⇀0e_n \rightharpoonup 0 padahal ∥en∥=1\norm{e_n} = 1: sehingga limit lemah dapat kehilangan norma. Lalu tunjukkan ∥x∥≤lim inf⁡∥xkj∥\norm x \leq \liminf\norm{x_{k_j}} pada (a).

Solusi

Solusi Latihan 13.7.

(a) Misalkan M=sup⁡k∥xk∥M = \sup_k\norm{x_k}. Barisan skalarnya (⟨en,xk⟩)k(\langle e_n, x_k\rangle)_k terbatas oleh MM: sehingga pemetikan diagonal melahirkan xkjx_{k_j} dengan ⟨en,xkj⟩→γn\langle e_n, x_{k_j}\rangle \to \gamma_n untuk setiap nn. Lalu untuk setiap NN: ∑n≤N∣γn∣2=lim⁡j∑n≤N∣⟨en,xkj⟩∣2≤M2\sum_{n\leq N}\abs{\gamma_n}^2 = \lim_j\sum_{n\leq N}\abs{\langle e_n, x_{k_j}\rangle}^2 \leq M^2 (lewat Bessel), sehingga (γn)∈ℓ2(\gamma_n) \in \ell^2 dan x=∑nγnen∈Hx = \sum_n\gamma_ne_n \in H (Teorema 13.7(3)). Untuk y∈Hy \in H:

∣⟨y,xkj−x⟩∣≤∣∑n≤Ncn(y)‾(⟨en,xkj⟩−γn)∣+2M(∑n>N∣cn(y)∣2)1/2,\abs{\langle y, x_{k_j} - x\rangle} \leq \Bigl|\sum_{n\leq N}\overline{c_n(y)}\bigl(\langle e_n, x_{k_j}\rangle - \gamma_n\bigr)\Bigr| + 2M\Bigl(\sum_{n>N}\abs{c_n(y)}^2\Bigr)^{1/2},

dengan memakai uraian ⟨y,z⟩=∑cn(y)‾cn(z)\langle y, z\rangle = \sum\overline{c_n(y)}c_n(z) dan Cauchy–Schwarz pada ekornya; lalu pilihlah NN kemudian jj: yakni kekonvergenan lemah ke xx.

(b) Berlaku ⟨y,en⟩=cn(y)→0\langle y, e_n\rangle = c_n(y) \to 0 untuk setiap yy (lewat ekor ℓ2\ell^2-nya): sehingga en⇀0e_n \rightharpoonup 0, padahal ∥en∥=1\norm{e_n} = 1: jadi normanya tak kontinu secara lemah. Pada (a): ∥x∥2=∑∣γn∣2≤lim inf⁡j∥xkj∥2\norm x^2 = \sum\abs{\gamma_n}^2 \leq \liminf_j\norm{x_{k_j}}^2 (lewat potongan berhingganya dan Bessel lagi): sehingga limit lemahnya hanya dapat kehilangan norma.

Latihan 13.8 ★★

(Adjoin) Untuk T∈L(H)T \in \mathcal L(H), tunjukkan bahwa ada tepat satu T∗∈L(H)T^* \in \mathcal L(H) dengan ⟨Tx,y⟩=⟨x,T∗y⟩\langle Tx, y\rangle = \langle x, T^*y\rangle (lewat Riesz), dan ∣∣∣T∗∣∣∣=∣∣∣T∣∣∣\vertiii{T^*} = \vertiii T. Hitunglah adjoin pergeseran SS pada ℓ2\ell^2, lalu buktikan ker⁡T∗=(im⁡T)⊥\ker T^* = (\operatorname{im}T)^\perp — lalu turunkan im⁡T‾=(ker⁡T∗)⊥\overline{\operatorname{im}T} = (\ker T^*)^\perp.

Solusi

Solusi Latihan 13.8.

Untuk yy yang tetap, x↦⟨y,Tx⟩x \mapsto \langle y, Tx\rangle merupakan fungsional linear kontinu; sehingga Riesz memberikan tepat satu T∗yT^*y dengan ⟨y,Tx⟩=⟨T∗y,x⟩\langle y, Tx\rangle = \langle T^*y, x\rangle untuk setiap xx — lalu dengan mengonjugasikannya, ⟨Tx,y⟩=⟨x,T∗y⟩\langle Tx, y\rangle = \langle x, T^*y\rangle. Ketunggalannya membuat T∗T^* linear;

∥T∗y∥=sup⁡∥x∥=1∣⟨T∗y,x⟩∣=sup⁡∥x∥=1∣⟨y,Tx⟩∣≤∣∣∣T∣∣∣ ∥y∥,\norm{T^*y} = \sup_{\norm x = 1}\abs{\langle T^*y, x\rangle} = \sup_{\norm x=1}\abs{\langle y, Tx\rangle} \leq \vertiii T\,\norm y,

sehingga ∣∣∣T∗∣∣∣≤∣∣∣T∣∣∣\vertiii{T^*} \leq \vertiii T, dan T∗∗=TT^{**} = T memberikan kesamaannya. Untuk pergeserannya: ⟨Sx,y⟩=∑n≥1xnyˉn+1=⟨x,S∗y⟩\langle Sx, y\rangle = \sum_{n\geq1} x_n\bar y_{n+1} = \langle x, S^*y\rangle dengan (S∗y)n=yn+1(S^*y)_n = y_{n+1}: yakni pergeseran mundurnya. Untuk kernel dan petanya: T∗y=0T^*y = 0 jika dan hanya jika ⟨x,T∗y⟩=0\langle x, T^*y\rangle = 0 untuk setiap xx jika dan hanya jika ⟨Tx,y⟩=0\langle Tx, y\rangle = 0 untuk setiap xx jika dan hanya jika y⊥im⁡Ty \perp \operatorname{im}T: sehingga ker⁡T∗=(im⁡T)⊥\ker T^* = (\operatorname{im}T)^\perp; lalu dengan mengambil ⊥\perp dan memakai Teorema 13.3, im⁡T‾=(ker⁡T∗)⊥\overline{\operatorname{im}T} = (\ker T^*)^\perp.

Latihan 13.9 ★★

Misalkan aa seperti pada Lax–Milgram dan lebih lanjut setangkup. Tunjukkan bahwa uu menyelesaikan a(u,⋅)=φa(u, \cdot) = \varphi jika dan hanya jika uu meminimumkan J(v)=12a(v,v)−φ(v)J(v) = \frac12a(v, v) - \varphi(v), dan bahwa minimumnya tercapai tepat di satu titik. (Lengkapkan kuadratnya: J(u+w)−J(u)=12a(w,w)≥α2∥w∥2J(u + w) - J(u) = \frac12a(w,w) \geq \frac\alpha2\norm w^2.) Terapannya: turunkan kembali teorema proyeksinya bagi subruang tertutup dari Lax–Milgram.

Solusi

Solusi Latihan 13.9.

Jika a(u,⋅)=φa(u, \cdot) = \varphi: maka untuk sembarang ww,

J(u+w)−J(u)=a(u,w)−φ(w)+12a(w,w)=12a(w,w)≥α2∥w∥2,J(u + w) - J(u) = a(u, w) - \varphi(w) + \tfrac12a(w,w) = \tfrac12a(w,w) \geq \tfrac\alpha2\norm w^2,

yang positif sejati untuk w≠0w \neq 0: jadi uu satu-satunya pemberi minimumnya. Sebaliknya, pada sebuah pemberi minimum fungsi t↦J(u+tw)t \mapsto J(u + tw) (yakni polinomial kuadratik terhadap tt) berturunan nol di 00: sehingga a(u,w)−φ(w)=0a(u, w) - \varphi(w) = 0 untuk setiap ww. Untuk proyeksi yang diturunkan kembali: bagi subruang tertutup FF, terapkan Lax–Milgram pada ruang Hilbert FF dengan a(u,v)=⟨u,v⟩a(u,v) = \langle u, v\rangle (sehingga M=α=1M = \alpha = 1) dan φ(v)=⟨x,v⟩\varphi(v) = \langle x, v\rangle: diperoleh tepat satu p∈Fp \in F dengan ⟨p,v⟩=⟨x,v⟩\langle p, v\rangle = \langle x, v\rangle untuk setiap v∈Fv \in F, yakni x−p⊥Fx - p \perp F — dan menurut kasus setangkupnya, pp meminimumkan 12∥v∥2−⟨x,v⟩=12∥v−x∥2−12∥x∥2\frac12\norm v^2 - \langle x, v\rangle = \frac12\norm{v - x}^2 - \frac12\norm x^2 atas FF: yakni proyeksinya.

Latihan 13.10 ★★★

(Sistem Haar) Pada [0, 1]\intcc01, misalkan h0=1h_{0} = \mathbf 1, dan untuk n=2j+kn = 2^j + k (dengan j≥0j \geq 0 dan 0≤k<2j0 \leq k < 2^j):

hn=2j/2(1[k2−j, (k+12)2−j)−1[(k+12)2−j, (k+1)2−j)).h_n = 2^{j/2}\Bigl(\mathbf 1_{[k2^{-j},\,(k + \frac12)2^{-j})} - \mathbf 1_{[(k+\frac12)2^{-j},\,(k+1)2^{-j})} \Bigr).

Tunjukkan bahwa (hn)n≥0(h_n)_{n\geq0} ortonormal di L2([0, 1])L^2(\intcc01), dan total. (Keortogonalannya: sebab pendukungnya saling lepas atau bersarang; sedangkan ketotalannya: sebab rentang berhingganya memuat semua fungsi tangga diadik, yang padat — lewat Teorema 12.6(1) dan penghampiran diadik atas selangnya.) Sistem Haar merupakan nenek moyang gelombang kecil.

Solusi

Solusi Latihan 13.10.

Penormalannya: ∫hn2=2j⋅2−j=1\int h_n^2 = 2^j\cdot 2^{-j} = 1. Keortogonalannya: dua fungsi Haar yang berbeda entah berpendukung (interior) saling lepas (sehingga hasil kalinya nol hampir di mana-mana), entah pendukung yang lebih halus termuat di sebuah setengah selang tempat yang lebih kasar bernilai konstan — lalu integral hasil kalinya adalah konstanta itu dikali ∫hlebih halus=0\int h_{\text{lebih halus}} = 0; sedangkan terhadap h0=1h_0 = \mathbf 1, kembali ∫hn=0\int h_n = 0. Untuk ketotalannya: rentang {h0,…,h2J−1}\{h_0, \dots, h_{2^J-1}\} terdiri atas fungsi tangga pada kisi diadik berlangkah 2−J2^{-J}; kedua ruangnya berdimensi 2J2^J dan fungsi Haarnya bebas (sebab ortonormal): sehingga rentangnya adalah seluruh fungsi tangga semacam itu. Lalu fungsi tangga diadiknya padat di L2([0, 1])L^2(\intcc01): sebab fungsi sederhananya padat (Teorema 12.6(1)), himpunan terukurnya dihampiri gabungan berhingga selang (Latihan 9.7), dan selangnya oleh yang diadik (sebab ujungnya bergeser sejauh ≤2−J\leq 2^{-J}). Menurut Teorema 13.7, sistem Haarnya merupakan basis Hilbert.

Latihan 13.11 ★★

(Proyeksi ortogonal, yang tercirikan) Misalkan HH sebuah ruang Hilbert dan P∈L(H)P \in \mathcal L(H) dengan P2=PP^2 = P dan P≠0P \neq 0. Tunjukkan kesetaraan: (i) PP merupakan proyeksi ortogonal ke im⁡P\operatorname{im}P; (ii) P=P∗P = P^* (Latihan 13.8); (iii) ∣∣∣P∣∣∣=1\vertiii P = 1. (Untuk (iii) ⇒\Rightarrow (i): jika suatu x∈(ker⁡P)⊥x \in (\ker P)^\perp mempunyai Px≠xPx \neq x, tinjaulah x+t(Px−x)x + t(Px - x) — atau secara langsung: untuk u∈im⁡Pu \in \operatorname{im}P dan v∈ker⁡Pv \in \ker P, uraikan ∥P(u+tv)∥2≤∥u+tv∥2\norm{P(u + tv)}^2 \leq \norm{u + tv}^2 untuk setiap t∈Rt \in \R lalu simpulkan ⟨u,v⟩=0\langle u, v\rangle = 0.) Tampilkan sebuah proyeksi tak ortogonal pada R2\R^2 lalu hitunglah normanya.

Solusi

Solusi Latihan 13.11.

(i) ⇒\Rightarrow (ii): untuk proyeksi ortogonalnya, ⟨Px,y⟩=⟨Px,Py⟩=⟨x,Py⟩\langle Px, y\rangle = \langle Px, Py\rangle = \langle x, Py\rangle (sisipkan penguraiannya x=Px+(x−Px)x = Px + (x - Px) dan seterusnya lalu bunuhlah suku silangnya). (ii) ⇒\Rightarrow (iii): ∥Px∥2=⟨P2x,x⟩=⟨Px,x⟩≤∥Px∥∥x∥\norm{Px}^2 = \langle P^2x, x\rangle = \langle Px, x\rangle \leq \norm{Px}\norm x, sehingga ∣∣∣P∣∣∣≤1\vertiii P \leq 1, dan Pu=uPu = u pada petanya yang tak nol: jadi =1= 1. (iii) ⇒\Rightarrow (i): H=im⁡P⊕ker⁡PH = \operatorname{im}P \oplus \ker P (secara aljabar, dari P2=PP^2 = P); lalu ambillah u=Pu∈im⁡Pu = Pu \in \operatorname{im}P, v∈ker⁡Pv \in \ker P, dan t∈Rt \in \R: maka ∥P(u+tv)∥2=∥u∥2\norm{P(u + tv)}^2 = \norm u^2 haruslah ≤∥u+tv∥2=∥u∥2+2tRe⁡⟨u,v⟩+t2∥v∥2\leq \norm{u + tv}^2 = \norm u^2 + 2t\operatorname{Re}\langle u, v\rangle + t^2\norm v^2 untuk setiap tt, yang memaksa Re⁡⟨u,v⟩=0\operatorname{Re}\langle u, v\rangle = 0 (bandingkan suku linearnya saat t→0±t \to 0^\pm); lalu mengganti vv dengan iv\iu v membunuh bagian imajinernya pula: sehingga im⁡P⊥ker⁡P\operatorname{im}P \perp \ker P, yang tepat merupakan keortogonalan proyeksinya. Contohnya: P(x,y)=(x+y,0)P(x, y) = (x + y, 0) pada R2\R^2: maka P2=PP^2 = P, dengan peta berupa sumbu-xx, kernel berupa garis y=−xy = -x, dan ∣∣∣P∣∣∣=sup⁡∣x+y∣∥(x,y)∥=2\vertiii P = \sup\frac{\abs{x+y}}{\norm{(x,y)}} = \sqrt2 (yang tercapai di (1,1)/2(1,1)/\sqrt2): jadi proyeksi miring bernorma >1> 1. (Untuk catatan, (ii) juga memberikan (i) secara langsung: sebab ker⁡P=ker⁡P∗=(im⁡P)⊥\ker P = \ker P^* = (\operatorname{im}P)^\perp menurut Latihan 13.8.)

Latihan 13.12 ★★★

(Teorema ergodik von Neumann) Misalkan U∈L(H)U \in \mathcal L(H) uniter (yakni U∗U=UU∗=IU^*U = UU^* = I), F=ker⁡(U−I)F = \ker(U - I) ruang tetapnya, PP proyeksi ortogonal ke FF, dan An=1n∑k=0n−1UkA_n = \frac1n\sum_{k=0}^{n-1}U^k. (a) Tunjukkan bahwa ker⁡(U−I)=ker⁡(U∗−I)\ker(U - I) = \ker(U^* - I) (dari ∥Ux−x∥2=2∥x∥2−2Re⁡⟨Ux,x⟩\norm{Ux - x}^2 = 2\norm x^2 - 2\operatorname{Re}\langle Ux, x\rangle dan keuniterannya), lalu turunkan im⁡(U−I)‾=F⊥\overline{\operatorname{im}(U - I)} = F^\perp. (b) Tunjukkan bahwa Anx→xA_nx \to x untuk x∈Fx \in F, dan Anx→0A_nx \to 0 untuk x∈im⁡(U−I)x \in \operatorname{im}(U - I) (lewat peneleskopan), lalu untuk x∈im⁡(U−I)‾x \in \overline{\operatorname{im}(U - I)} (dengan batas seragam ∣∣∣An∣∣∣≤1\vertiii{A_n} \leq 1). (c) Simpulkan: Anx→PxA_nx \to Px untuk setiap x∈Hx \in H — sehingga rata-rata waktunya konvergen ke proyeksi pada invariannya. (d) Uraikan hal itu untuk H=L2(R/Z)H = L^2(\R/\Z) dan Uf=f(⋅+α)Uf = f(\cdot + \alpha) dengan α\alpha irasional: kenalilah FF (pakailah deret Fourier, Teorema 13.9) lalu turunkan bahwa 1n∑k<nf(x+kα)→∫01f\frac1n\sum_{k<n}f(x + k\alpha) \to \int_0^1f di L2L^2: yakni pemerataan-L2L^2 rotasi irasionalnya.

Solusi

Solusi Latihan 13.12.

(a) Untuk UU yang uniter: ∥Ux−x∥2=2∥x∥2−2Re⁡⟨Ux,x⟩\norm{Ux - x}^2 = 2\norm x^2 - 2\operatorname{Re}\langle Ux, x\rangle dan ∥U∗x−x∥2=2∥x∥2−2Re⁡⟨x,Ux⟩\norm{U^*x - x}^2 = 2\norm x^2 - 2\operatorname{Re}\langle x, Ux\rangle: sehingga keduanya lenyap bersama, jadi ker⁡(U−I)=ker⁡(U∗−I)\ker(U - I) = \ker(U^* - I). Lalu, dengan memakai ker⁡T∗=(im⁡T)⊥\ker T^* = (\operatorname{im}T)^\perp (Latihan 13.8) untuk T=U−IT = U - I dan T∗=U∗−IT^* = U^* - I:

im⁡(U−I)‾=(ker⁡(U∗−I))⊥=F⊥.\overline{\operatorname{im}(U - I)} = \bigl(\ker(U^* - I)\bigr)^\perp = F^\perp .

(b) Pada FF: Ukx=xU^kx = x, sehingga Anx=xA_nx = x. Untuk x=(U−I)yx = (U - I)y: Anx=1n(Uny−y)A_nx = \frac1n(U^ny - y), yang bernorma ≤2n∥y∥→0\leq \frac2n\norm y \to 0. Sedangkan untuk xx pada penutupnya: diberikan ε\varepsilon, pilihlah x′=(U−I)yx' = (U - I)y dengan ∥x−x′∥<ε\norm{x - x'} < \varepsilon; lalu karena ∣∣∣An∣∣∣≤1n∑∣∣∣Uk∣∣∣=1\vertiii{A_n} \leq \frac1n\sum\vertiii{U^k} = 1, maka ∥Anx∥≤∥An(x−x′)∥+∥Anx′∥≤ε+o(1)\norm{A_nx} \leq \norm{A_n(x - x')} + \norm{A_nx'} \leq \varepsilon + o(1).

(c) Uraikan x=Px+(x−Px)x = Px + (x - Px) dengan Px∈FPx \in F dan x−Px∈F⊥=im⁡(U−I)‾x - Px \in F^\perp = \overline{\operatorname{im}(U - I)} (bagian (a)): sehingga Anx=Px+An(x−Px)→Px+0A_nx = Px + A_n(x - Px) \to Px + 0.

(d) Pada basis Fouriernya em(x)=e2iπmxe_m(x) = \eu^{2\iu\pi mx}: Uem=e2iπmαemUe_m = \eu^{2\iu\pi m\alpha}e_m, sehingga Uem=emUe_m = e_m jika dan hanya jika mα∈Zm\alpha \in \Z jika dan hanya jika m=0m = 0 (sebab α\alpha irasional): jadi F=C1F = \C\mathbf 1 dan Pf=⟨1,f⟩1=∫01fPf = \langle\mathbf 1, f\rangle\mathbf 1 = \int_0^1f. Teoremanya lalu berbunyi 1n∑k<nf(⋅+kα)→∫01f\frac1n\sum_{k<n}f(\cdot + k\alpha) \to \int_0^1f di L2(R/Z)L^2(\R/\Z): sehingga rata-rata orbit sebuah rotasi irasional merata — yakni bayangan L2L^2 dari teorema pemerataan Weyl, yang diperoleh lewat geometri Hilbert belaka.

13.4 Soal: polinomial ortogonal

Soal 13.1

Soal akhir pekan — Legendre, Hermite, dan kuadratur Gauss

Misalkan I⊆RI \subseteq \R sebuah selang dan w>0w > 0 sebuah bobot kontinu pada interior II sedemikian sehingga ∫I∣t∣nw(t) ⁣dt<∞\int_I \abs t^nw(t)\dd t < \infty untuk setiap nn; lalu bekerjalah di H=L2(I,w  ⁣dλ)H = L^2(I, w\,\dd\lambda) dengan ⟨f,g⟩=∫Ifˉg w\langle f, g\rangle = \int_I \bar fg\,w. Gram–Schmidt yang diterapkan pada 1,t,t2,…1, t, t^2, \dots menghasilkan polinomial ortogonal (pn)(p_n) untuk ww (dengan penormalan monik: pn=tn+⋯p_n = t^n + \cdots).

Bagian I — Teori umumnya.

  1. Tunjukkan bahwa pnp_n ortogonal terhadap setiap polinomial berderajat <n< n, dan bahwa (p0,…,pn)(p_0, \dots, p_n) merupakan basis Rn[t]\R_n[t].
  2. (Rekurensi tiga suku) Tunjukkan bahwa ada real an,bna_n, b_n dengan

    pn+1(t)=(t−an) pn(t)−bn pn−1(t),bn=∥pn∥2∥pn−1∥2>0.p_{n+1}(t) = (t - a_n)\,p_n(t) - b_n\,p_{n-1}(t), \qquad b_n = \frac{\norm{p_n}^2}{\norm{p_{n-1}}^2} > 0 .

    (Uraikan t pnt\,p_n pada basis (pk)k≤n+1(p_k)_{k \leq n+1} lalu bunuhlah koefisiennya lewat keortogonalannya, dengan memakai ⟨tpn,pk⟩=⟨pn,tpk⟩\langle tp_n, p_k\rangle = \langle p_n, tp_k\rangle.)

  3. (Akar) Tunjukkan bahwa pnp_n mempunyai nn akar yang berbeda, semuanya interior terhadap II. (Misalkan t1<⋯<tmt_1 < \dots < t_m pergantian tanda pnp_n di interiornya; lalu jika m<nm < n, ujilah pnp_n terhadap ∏i≤m(t−ti)\prod_{i\leq m}(t - t_i) lalu pertentangkan dengan keortogonalannya.)

Bagian II — Legendre (I=[−1, 1]I = \intcc{-1}1, w=1w = 1). Definisikan Pn(t)=12nn!  ⁣dn ⁣dtn[(t2−1)n]P_n(t) = \frac{1}{2^nn!}\,\frac{\dd^n}{\dd t^n}\bigl[(t^2 - 1)^n\bigr] (Rodrigues).

  1. Tunjukkan bahwa deg⁡Pn=n\deg P_n = n dengan koefisien utama (2n)!2n(n!)2\frac{(2n)!}{2^n(n!)^2}, dan, dengan mengintegralkan secara parsial nn kali, bahwa ⟨Pn,Q⟩=0\langle P_n, Q\rangle = 0 untuk setiap polinomial QQ berderajat <n< n: sehingga PnP_n merupakan (sampai penormalannya) polinomial ortogonal untuk w=1w = 1.
  2. Hitunglah ∥Pn∥22=22n+1\norm{P_n}_2^2 = \frac{2}{2n+1} (integralkan secara parsial nn kali terhadap dirinya lalu susutkan ke sebuah integral Beta/Wallis, Latihan 11.8).
  3. Tunjukkan bahwa polinomial Legendre yang ternormalkan membentuk basis Hilbert L2([−1, 1])L^2(\intcc{-1}1) (lewat Weierstrass, Akibat 7.16, ditambah kepadatan C\mathcal C di L2L^2), lalu uraikan f(t)=∣t∣f(t) = \abs t sampai derajat 22: yakni hitunglah penghampiran kuadratik-L2L^2 terbaik atas ∣t∣\abs t.

Bagian III — Hermite (I=RI = \R, w(t)=e−t2w(t) = \eu^{-t^2}). Definisikan Hn(t)=(−1)net2 ⁣dn ⁣dtne−t2H_n(t) = (-1)^n\eu^{t^2}\frac{\dd^n}{\dd t^n}\eu^{-t^2}.

  1. Tunjukkan bahwa HnH_n merupakan polinomial berderajat nn dengan koefisien utama 2n2^n, bahwa Hn+1=2tHn−Hn′H_{n+1} = 2tH_n - H_n', dan bahwa ⟨Hm,Hn⟩w=δmn 2nn!π\langle H_m, H_n\rangle_w = \delta_{mn}\,2^nn!\sqrt\pi (lewat pengintegralan parsial lagi).
  2. Tunjukkan bahwa keluarga Hermitenya total di L2(R,e−t2 ⁣dt)L^2(\R, \eu^{-t^2}\dd t), dengan menerima satu hasil dari Bab 14: bahwa jika g∈L1(R)g \in L^1(\R) mempunyai ∫g(t)e−iξt ⁣dt=0\int g(t)\eu^{-\iu\xi t}\dd t = 0 untuk setiap ξ\xi, maka g=0g = 0 hampir di mana-mana. (Untuk f⊥f \perp semua HnH_n, yakni ⊥\perp semua polinomial: tunjukkan bahwa z↦∫f(t)e−t2e−izt ⁣dtz \mapsto \int f(t)\eu^{-t^2}\eu^{-\iu zt}\dd t terdefinisi dengan baik, uraikan eksponensialnya menjadi deret, benarkan penukarannya lewat dominasi, lalu simpulkan bahwa transformasi Fourier fe−t2f\eu^{-t^2} lenyap.)

Bagian IV — Kuadratur Gauss. Tetapkan nn, misalkan t1<⋯<tnt_1 < \dots < t_n akar pnp_n (Bagian I), lalu definisikan bobotnya wi=∫Iℓi(t) w(t) ⁣dtw_i = \int_I \ell_i(t)\,w(t)\dd t dengan ℓi\ell_i polinomial basis interpolasi Lagrange di tit_i.

  1. Tunjukkan bahwa aturan kuadratur Q(f)=∑iwif(ti)Q(f) = \sum_iw_if(t_i) bersifat persis pada setiap polinomial berderajat ≤n−1\leq n - 1 (lewat interpolasinya), dan bahkan — inilah keajaibannya — pada setiap polinomial berderajat ≤2n−1\leq 2n - 1: tulislah P=qpn+rP = qp_n + r lalu pakailah keortogonalannya pada hasil bagi qq.
  2. Tunjukkan bahwa bobotnya positif (terapkan aturannya pada ℓi2\ell_i^2, yang berderajat 2n−22n - 2), lalu turunkan dari teorema Polya (Latihan 8.9) bahwa kuadratur Gauss konvergen: yakni Qn(f)→∫IfwQ_n(f) \to \int_I fw untuk setiap ff yang kontinu pada II yang kompak.
  3. Untuk n=2n = 2, I=[−1, 1]I = \intcc{-1}1, dan w=1w = 1: hitunglah simpulnya ±13\pm\frac1{\sqrt3} dan bobotnya 1,11, 1, lalu periksalah kepersisannya pada 1,t,t2,t31, t, t^2, t^3 dengan tangan. Bandingkan dengan aturan trapesium pada kedua titik penilaian yang sama.

Bagian V — Chebyshev: polinomial yang berosilasi paling baik. Kini I=[−1, 1]I = \intcc{-1}1 dan w(t)=11−t2w(t) = \frac1{\sqrt{1 - t^2}}.

  1. Tunjukkan bahwa Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta mendefinisikan sebuah polinomial TnT_n berderajat nn (tegakkanlah Tn+1=2t Tn−Tn−1T_{n+1} = 2t\,T_n - T_{n-1} dari sebuah identitas trigonometri), dengan koefisien utama 2n−12^{n-1} untuk n≥1n \geq 1; dan bahwa substitusi t=cos⁡θt = \cos\theta memberikan

    ⟨Tm,Tn⟩w=∫0πcos⁡mθ cos⁡nθ  ⁣dθ=0 (m≠n),∥T0∥w2=π,  ∥Tn∥w2=π2:\langle T_m, T_n\rangle_w = \int_0^\pi\cos m\theta\,\cos n\theta\,\dd\theta = 0 \ (m \neq n), \qquad \norm{T_0}_w^2 = \pi,\ \ \norm{T_n}_w^2 = \frac\pi2 :

    sehingga TnT_n merupakan polinomial ortogonal untuk bobot ini, dan uraian Chebyshevnya adalah deret kosinus Fourier yang menyamar.

  2. Temukan secara eksplisit nn akarnya tk=cos⁡(2k−1)π2nt_k = \cos\frac{(2k-1)\pi}{2n} dan n+1n + 1 ekstremumnya sj=cos⁡jπns_j = \cos\frac{j\pi}n dari TnT_n pada [−1, 1]\intcc{-1}1, yang Tn(sj)=(−1)jT_n(s_j) = (-1)^j-nya: sehingga grafiknya berosilasi setara antara ±1\pm1.
  3. (Minimaks) Tunjukkan bahwa di antara semua polinomial monik berderajat nn, polinomial 21−nTn2^{1-n}T_n mempunyai norma-sup terkecil pada [−1, 1]\intcc{-1}1, yakni 21−n2^{1-n} — dan ia satu-satunya pemberi minimumnya. (Sebab jika sebuah PP yang monik mempunyai sup⁡∣P∣<21−n\sup\abs P < 2^{1-n}, maka selisih 21−nTn−P2^{1-n}T_n - P, yang berderajat ≤n−1\leq n-1, akan berganti tanda di n+1n+1 titik osilasi setaranya.)
  4. Terapannya pada interpolasi: untuk simpul t1<⋯<tnt_1 < \dots < t_n di [−1, 1]\intcc{-1}1, galat interpolasi Lagrange atas fungsi Cn\mathcal C^n melibatkan ω(t)=∏i(t−ti)\omega(t) = \prod_i(t - t_i). Tunjukkan bahwa memilih akar Chebyshev sebagai simpulnya meminimumkan sup⁡[−1, 1]∣ω∣\sup_{\intcc{-1}1}\abs\omega, lalu berikan batas yang dihasilkannya ∥f−Lnf∥∞≤∥f(n)∥∞2n−1 n!\norm{f - L_nf}_\infty \leq \frac{\norm{f^{(n)}}_\infty} {2^{n-1}\,n!} — lalu bandingkan dengan simpul berjarak sama (dengan menyatakan gejala Runge sebagai kisah peringatannya).
  5. Periksalah ∣Tn′(±1)∣=n2\abs{T_n'(\pm1)} = n^2 (turunkan Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta lalu ambil limitnya θ→0,π\theta \to 0, \pi): sehingga polinomial yang terbatas oleh 11 pada [−1, 1]\intcc{-1}1 dapat berturunan sebesar n2n^2 di tepinya (dan ketaksamaan Markov mengatakan tak lebih besar — pernyataannya saja). Di manakah pada selangnya batas turunannya hanya O(n)O(n)?
  6. (Kuadratur Chebyshev–Gauss) Tunjukkan bahwa aturan Gauss untuk bobot ww pada nn akar Chebyshevnya mempunyai bobot yang sama wi=πnw_i = \frac\pi n (lewat kepersisannya pada T0,…,Tn−1T_0, \dots, T_{n-1} ditambah jumlah trigonometrinya ∑k=1ncos⁡(j(2k−1)π2n)=0\sum_{k=1}^n\cos\bigl(j\tfrac{(2k-1)\pi}{2n}\bigr) = 0 untuk 1≤j≤n−11 \leq j \leq n - 1): yakni yang paling seragam di antara semua kuadraturnya. Tuliskanlah untuk n=3n = 3.

Bagian VI — Christoffel–Darboux, keberselang-selingan, dan matriks Jacobi. Kembali ke bobot umum; dengan hk=∥pk∥2h_k = \norm{p_k}^2 (pkp_k monik) dan bk=hk/hk−1b_k = h_k/h_{k-1}.

  1. (Norma terkecil) Tunjukkan bahwa di antara semua polinomial monik berderajat nn, pnp_n yang ortogonal itu satu-satunya yang bernorma-L2(w)L^2(w) minimal — lalu kenalilah peminimumannya sebagai sebuah proyeksi ortogonal ke Rn−1[t]\R_{n-1}[t] (Teorema 13.2 atau proyeksi berdimensi berhingga pada Tahun ke-2). Sedangkan sifat minimaks pertanyaan 14 adalah pernyataan yang sama dengan L∞L^\infty menggantikan L2L^2: yakni pahlawan yang sama, dua norma.
  2. (Christoffel–Darboux) Buktikan, lewat induksi pada nn dengan memakai rekurensi tiga sukunya, identitas

    ∑k=0npk(x) pk(y)hk=pn+1(x) pn(y)−pn(x) pn+1(y)hn (x−y)(x≠y),\sum_{k=0}^{n}\frac{p_k(x)\,p_k(y)}{h_k} = \frac{p_{n+1}(x)\,p_n(y) - p_n(x)\,p_{n+1}(y)}{h_n\,(x - y)} \qquad (x \neq y),

    beserta bentuk konfluennya (saat y→xy \to x): ∑k≤npk(x)2hk=pn+1′(x)pn(x)−pn′(x)pn+1(x)hn\sum_{k\leq n}\frac{p_k(x)^2}{h_k} = \frac{p_{n+1}'(x)p_n(x) - p_n'(x)p_{n+1}(x)}{h_n}.

  3. Turunkan bahwa pnp_n dan pn+1p_{n+1} tak berakar bersama, dan bahwa pada setiap akar x0x_0 dari pn+1p_{n+1} berlaku: pn(x0) pn+1′(x0)>0p_n(x_0)\,p_{n+1}'(x_0) > 0. Lalu simpulkan keberselang-selingan akarnya: bahwa di antara dua akar berurutan pn+1p_{n+1} terletak tepat satu akar pnp_n.
  4. (Matriks Jacobi) Misalkan JnJ_n matriks tridiagonal setangkup berukuran n×nn\times n dengan diagonal a0,…,an−1a_0, \dots, a_{n-1} dan entri luar diagonalnya b1,…,bn−1\sqrt{b_1}, \dots, \sqrt{b_{n-1}}. Tunjukkan lewat induksi bahwa det⁡(tIn−Jn)=pn(t)\det(tI_n - J_n) = p_n(t), sehingga akar pnp_n merupakan nilai eigen sebuah matriks setangkup real — yang membuktikan kembali dalam satu baris bahwa akarnya real, dan (bersama keberselang-selingan di atas) mengikat polinomial ortogonalnya ke dunia spektral Bab 15.
  5. (Sintesis) Rakitlah kamus bagi ketiga keluarga klasiknya (Legendre, Hermite, Chebyshev): yakni selangnya, bobotnya, rumus pendefinisinya, rekurensi tiga sukunya, normanya, dan habitat alami masing-masingnya (kuadratur dan penghampiran pada kompak; analisis Gauss; serta metode minimaks dan kosinus Fourier). Lalu satu kalimat tentang apa yang diberikan teori umumnya (Bagian I, VI) yang tak dapat diberikan perhitungan satuan mana pun.

Bagian VII — Suku galatnya, dan kernel di balik bobotnya. Di sini II kompak dan f∈C2n(I)f \in \mathcal C^{2n}(I).

  1. (Rumus galat Gauss) Misalkan HfHf interpolan Hermite berderajat ≤2n−1\leq 2n - 1 yang mencocokkan ff dan f′f' di simpul t1,…,tnt_1, \dots, t_n (buktikanlah keberadaannya dan galat titik demi titiknya

    f(t)−Hf(t)=f(2n)(ξt)(2n)!  pn(t)2f(t) - Hf(t) = \frac{f^{(2n)}(\xi_t)}{(2n)!}\;p_n(t)^2

    lewat argumen fungsi bantunya yang lazim). Lalu turunkan, dengan mengintegralkan identitas ini terhadap ww dan menjepitnya di antara ekstremum f(2n)f^{(2n)}, bahwa

    ∫If w−Qn(f)=f(2n)(ξ)(2n)! hnuntuk suatu ξ∈I,\int_I f\,w - Q_n(f) = \frac{f^{(2n)}(\xi)}{(2n)!}\,h_n \qquad\text{untuk suatu } \xi \in I,

    dengan hn=∥pn∥2h_n = \norm{p_n}^2 seperti pada Bagian VI: sehingga kuadratur Gauss meleset sebesar satu turunan ke-2n2n, yang berbobot norma kuadrat polinomial ortogonal moniknya.

  2. (Bobotnya adalah nilai Christoffel) Dengan memakai kernel pereproduksi Kn(x,y)=∑k=0n−1pk(x)pk(y)hkK_n(x, y) = \sum_{k=0}^{n-1} \frac{p_k(x)p_k(y)}{h_k} dari Rn−1[t]\R_{n-1}[t] dan kepersisan QnQ_n sampai derajat 2n−22n - 2, buktikan bahwa

    wi  =  ( ∑k=0n−1pk(ti)2hk) ⁣−1:w_i \;=\; \Bigl(\,\sum_{k=0}^{n-1} \frac{p_k(t_i)^2}{h_k}\Bigr)^{\!-1} :

    yakni setiap bobotnya merupakan nilai di simpulnya bagi fungsi Christoffel — jadi kepositifan bobotnya (pertanyaan 10) lagi, kini dengan rumus yang persis. Periksalah bahwa ia memulihkan w1=w2=1w_1 = w_2 = 1 untuk n=2n = 2, I=[−1, 1]I = \intcc{-1}1, dan w=1w = 1.

  3. (Segalanya cocok pada satu integral) Untuk bobot Chebyshev dan n=3n = 3 simpul, hitunglah kedua ruas

    ∫−11t61−t2  ⁣dt=5π16,Q3(t6)=9π32,\int_{-1}^{1}\frac{t^6}{\sqrt{1 - t^2}}\,\dd t = \frac{5\pi}{16}, \qquad Q_3(t^6) = \frac{9\pi}{32},

    sehingga galat kuadraturnya tepat π32\frac{\pi}{32}; lalu periksalah bahwa rumus galat pertanyaan 23 meramalkan persis nilai itu (sebab di sini f(6)=6!f^{(6)} = 6! konstan, dan h3=∥2−2T3∥w2=π32h_3 = \norm{2^{-2}T_3}_w^2 = \frac\pi{32}): sehingga teori dan perhitungannya bersesuaian sampai angka terakhirnya.

Solusi

Solusi Soal 13.1.

1. Gram–Schmidt menjamin Vect⁡(p0,…,pn)=Vect⁡(1,…,tn)=Rn[t]\operatorname{Vect}(p_0, \dots, p_n) = \operatorname{Vect}(1, \dots, t^n) = \R_n[t] dan pn⊥pkp_n \perp p_k (bila k<nk < n), sehingga pn⊥Rn−1[t]p_n \perp \R_{n-1}[t]. Sedangkan pkp_k, yang berderajat naik sejati, bersifat bebas: jadi sebuah basis.

2. Polinomial t pnt\,p_n bersifat monik berderajat n+1n + 1: uraikan t pn=pn+1+∑k≤nckpkt\,p_n = p_{n+1} + \sum_{k\leq n}c_kp_k dengan ck=⟨pk,tpn⟩/∥pk∥2c_k = \langle p_k, tp_n\rangle/\norm{p_k}^2. Untuk k≤n−2k \leq n - 2: ⟨pk,tpn⟩=⟨tpk,pn⟩=0\langle p_k, tp_n\rangle = \langle tp_k, p_n\rangle = 0 (sebab berderajat k+1<nk + 1 < n). Jadi tpn=pn+1+anpn+bnpn−1tp_n = p_{n+1} + a_np_n + b_np_{n-1}, yakni rekurensi yang dinyatakan itu, dengan

bn=⟨pn−1,tpn⟩∥pn−1∥2=⟨tpn−1,pn⟩∥pn−1∥2=⟨pn+(yang lebih rendah), pn⟩∥pn−1∥2=∥pn∥2∥pn−1∥2>0.b_n = \frac{\langle p_{n-1}, tp_n\rangle}{\norm{p_{n-1}}^2} = \frac{\langle tp_{n-1}, p_n\rangle}{\norm{p_{n-1}}^2} = \frac{\langle p_n + (\text{yang lebih rendah}),\ p_n\rangle}{\norm{p_{n-1}}^2} = \frac{\norm{p_n}^2}{\norm{p_{n-1}}^2} > 0 .

3. Misalkan t1<⋯<tmt_1 < \dots < t_m titik interior II yang pnp_n-nya berganti tanda, dan q=∏i≤m(t−ti)q = \prod_{i\leq m}(t - t_i) (dengan q=1q = 1 bila m=0m = 0). Maka pnqp_nq bertanda tetap pada II dan tak nol hampir di mana-mana: sehingga ∫Ipnq w≠0\int_Ip_nq\,w \neq 0. Jika m<nm < n, ini bertentangan dengan pn⊥Rn−1[t]p_n \perp \R_{n-1}[t]. Jadi m=nm = n: sehingga pnp_n mempunyai nn akar interior yang berbeda (sebab ia berakar paling banyak nn seluruhnya).

4. Polinomial (t2−1)n(t^2 - 1)^n berderajat 2n2n; lalu nn turunan menyisakan derajat nn, dengan koefisien utama (2n)(2n−1)⋯(n+1)2nn!=(2n)!2n(n!)2\frac{(2n)(2n-1)\cdots(n+1)}{2^nn!} = \frac{(2n)!}{2^n(n!)^2}. Untuk deg⁡Q<n\deg Q < n, integralkan secara parsial nn kali: maka semua suku batasnya memuat sebuah turunan berorde <n< n dari (t2−1)n(t^2-1)^n, yang lenyap di ±1\pm1 (sebab akar berorde nn); dan setelah nn langkah integrannya membawa Q(n)=0Q^{(n)} = 0.

5. Dengan u=(t2−1)nu = (t^2 - 1)^n:

(2nn!)2∥Pn∥2=∫−11(u(n))2=(−1)n∫−11u u(2n)=(2n)!∫−11(1−t2)n ⁣dt,(2^nn!)^2\norm{P_n}^2 = \int_{-1}^1(u^{(n)})^2 = (-1)^n\int_{-1}^1 u\,u^{(2n)} = (2n)!\int_{-1}^1(1 - t^2)^n\dd t ,

(sebab u(2n)=(2n)!u^{(2n)} = (2n)!; sedangkan suku batasnya lenyap seperti pada pertanyaan 4). Dan ∫−11(1−t2)n ⁣dt=B(12,n+1)=Γ(12)Γ(n+1)Γ(n+32)=2⋅4n(n!)2(2n+1)!\int_{-1}^1(1-t^2)^n\dd t = B(\tfrac12, n+1) = \frac{\Gamma(\frac12)\Gamma(n+1)}{\Gamma(n + \frac32)} = \frac{2\cdot4^n(n!)^2}{(2n+1)!} (Latihan 11.8). Digabungkan: ∥Pn∥2=22n+1\norm{P_n}^2 = \frac{2}{2n + 1}.

6. Polinomialnya padat terhadap ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty di C([−1, 1])\mathcal C(\intcc{-1}1) (menurut Weierstrass, Akibat 7.16), fungsi kontinunya padat-L2L^2 (Teorema 12.6), dan ∥⋅∥2≤2∥⋅∥∞\norm\cdot_2 \leq \sqrt2\norm\cdot_\infty: sehingga rentang polinomialnya total, jadi PnP_n yang ternormalkan membentuk basis Hilbert. Untuk uraian ∣t∣\abs t: koefisiennya terhadap P0P_0 adalah ⟨P0,∣t∣⟩∥P0∥2=12\frac{\langle P_0, \abs t\rangle}{\norm{P_0}^2} = \frac12; terhadap P1P_1: 00 (menurut paritasnya); dan terhadap P2P_2: ∫−11∣t∣ 3t2−12 ⁣dt2/5=1/42/5=58\frac{\int_{-1}^1\abs t\,\frac{3t^2-1}2\dd t}{2/5} = \frac{1/4}{2/5} = \frac58. Jadi penghampiran kuadratik terbaiknya:

∣t∣≈12+58 P2(t)=316+1516 t2.\abs t \approx \frac12 + \frac58\,P_2(t) = \frac{3}{16} + \frac{15}{16}\,t^2 .

7. Dari  ⁣dn+1 ⁣dtn+1e−t2= ⁣dn ⁣dtn(−2t e−t2)\frac{\dd^{n+1}}{\dd t^{n+1}}\eu^{-t^2} = \frac{\dd^n}{\dd t^n}(-2t\,\eu^{-t^2}) dan Leibniz: Hn+1=2tHn−Hn′H_{n+1} = 2tH_n - H_n'; lalu induksinya memberikan derajat nn dan koefisien utama 2n2^n. Untuk m<nm < n, integralkan secara parsial nn kali pada ∫HmHne−t2=(−1)n∫Hm (e−t2)(n)\int H_m H_n\eu^{-t^2} = (-1)^n\int H_m\,\bigl(\eu^{-t^2} \bigr)^{(n)}: maka suku batasnya (yakni polinomial ×\times e−t2\eu^{-t^2}) lenyap di ±∞\pm\infty, menyisakan ∫Hm(n) e−t2=0\int H_m^{(n)}\,\eu^{-t^2} = 0. Sedangkan untuk m=nm = n: Hn(n)=2nn!H_n^{(n)} = 2^nn!, sehingga ∥Hn∥w2=2nn!∫e−t2=2nn!π\norm{H_n}_w^2 = 2^nn!\int\eu^{-t^2} = 2^nn!\sqrt\pi.

8. Misalkan f∈L2(R,e−t2 ⁣dt)f \in L^2(\R, \eu^{-t^2}\dd t) ortogonal terhadap setiap polinomial, dan g=fe−t2g = f\eu^{-t^2}. Maka g∈L1g \in L^1: sebab ∫∣f∣e−t2≤(∫∣f∣2e−t2)1/2(∫e−t2)1/2\int\abs f\eu^{-t^2} \leq \bigl(\int\abs f^2\eu^{-t^2}\bigr)^{1/2}\bigl(\int\eu^{-t^2}\bigr)^{1/2} (lewat Cauchy–Schwarz). Untuk ξ∈R\xi \in \R, uraikan e−iξt\eu^{-\iu\xi t}: maka jumlah parsialnya terdominasi sebab

∑k∣ξ∣kk!∫∣f∣ ∣t∣ke−t2 ⁣dt≤(∫∣f∣2e−t2)1/2∑k∣ξ∣kk!(∫t2ke−t2)1/2<∞\sum_k\frac{\abs\xi^k}{k!}\int\abs f\,\abs t^k\eu^{-t^2}\dd t \leq \Bigl(\int \abs f^2\eu^{-t^2}\Bigr)^{1/2} \sum_k\frac{\abs\xi^k}{k!}\Bigl(\int t^{2k}\eu^{-t^2}\Bigr)^{1/2} < \infty

(sebab deret terakhirnya konvergen: ∫t2ke−t2=Γ(k+12)≤k! π\int t^{2k}\eu^{-t^2} = \Gamma(k+\frac12) \leq k!\,\sqrt\pi, sehingga sukunya bernilai O(∣ξ∣k/k!)O(\abs\xi^k/\sqrt{k!})). Lalu pengintegralan suku demi suku (Akibat 10.7 yang diterapkan pada deret mutlaknya, lalu Fubini untuk deret) memberikan

∫Rg(t) e−iξt ⁣dt=∑k(−iξ)kk!∫f(t) tk e−t2 ⁣dt=0,\int_\R g(t)\,\eu^{-\iu\xi t}\dd t = \sum_k\frac{(-\iu\xi)^k}{k!}\int f(t)\,t^k\,\eu^{-t^2}\dd t = 0 ,

sebab setiap integralnya bertipe ⟨tk,f⟩w\langle t^k, f\rangle_w yang =0= 0. Menurut keinjektifan transformasi Fourier yang diterima (Bab 14), g=0g = 0 hampir di mana-mana, sehingga f=0f = 0 hampir di mana-mana: jadi keluarga Hermitenya (yang rentangnya adalah polinomialnya) bersifat total.

9. Untuk kepersisannya sampai derajat n−1n - 1: bagi PP semacam itu, P=∑iP(ti)ℓiP = \sum_iP(t_i)\ell_i secara persis, sehingga ∫Pw=∑iP(ti)∫ℓiw=Q(P)\int Pw = \sum_iP(t_i)\int \ell_iw = Q(P). Untuk derajat ≤2n−1\leq 2n - 1: bagilah P=qpn+rP = qp_n + r dengan deg⁡q≤n−1\deg q \leq n - 1 dan deg⁡r≤n−1\deg r \leq n-1; maka ∫Pw=∫qpnw+∫rw=0+Q(r)\int Pw = \int qp_nw + \int rw = 0 + Q(r) (sebab pn⊥Rn−1[t]p_n \perp \R_{n-1}[t]), sedangkan Q(P)=∑iwi(q(ti) pn(ti)+r(ti))=Q(r)Q(P) = \sum_iw_i\bigl(q(t_i)\,p_n(t_i) + r(t_i)\bigr) = Q(r) sebab simpulnya adalah akar pnp_n. Jadi sama.

10. Polinomial ℓi2\ell_i^2 berderajat 2n−2≤2n−12n - 2 \leq 2n - 1 dan ℓi2(tj)=δij\ell_i^2(t_j) = \delta_{ij}: sehingga 0<∫ℓi2w=Q(ℓi2)=wi0 < \int\ell_i^2w = Q(\ell_i^2) = w_i. Lalu Polya (Latihan 8.9, yang dipindahkan ke II dengan bobotnya): syarat (i) berlaku — sebab setiap polinomialnya diintegralkan persis sekali karena 2n−1≥2n - 1 \geq derajatnya; sedangkan syarat (ii): ∑i∣wi∣=∑iwi=Q(1)=∫Iw\sum_i\abs{w_{i}} = \sum_iw_i = Q(\mathbf 1) = \int_Iw, yang terbatas: sehingga Qn(f)→∫fwQ_n(f) \to \int fw untuk setiap f∈C(I)f \in \mathcal C(I) dengan II kompak.

11. Yang monik p2=t2−13p_2 = t^2 - \frac13 (dari Latihan 13.4): sehingga simpulnya ±13\pm\frac1{\sqrt3}. Bobotnya: ℓ1(t)=t−13−23\ell_1(t) = \frac{t - \frac1{\sqrt3}}{-\frac2{\sqrt3}}, dan w1=∫−11ℓ1=1w_1 = \int_{-1}^1\ell_1 = 1; lalu menurut kesetangkupannya w2=1w_2 = 1. Kepersisannya: ∫1=2=1+1\int 1 = 2 = 1 + 1; ∫t=0=−13+13\int t = 0 = -\frac1{\sqrt3} + \frac1{\sqrt3}; ∫t2=23=13+13\int t^2 = \frac23 = \frac13 + \frac13; ∫t3=0\int t^3 = 0. Sedangkan aturan trapesium dua titiknya (dengan simpul ±1\pm1 dan bobot 1,11, 1) persis hanya sampai derajat 11: sebab pada t2t^2 ia mengembalikan 22 alih-alih 23\frac23. Jadi dengan biaya yang sama, dua derajat kepersisan tambahan: itulah hasil simpul yang ortogonal.

12. Dari cos⁡(n+1)θ+cos⁡(n−1)θ=2cos⁡θcos⁡nθ\cos(n{+}1)\theta + \cos(n{-}1)\theta = 2\cos\theta\cos n\theta: Tn+1=2tTn−Tn−1T_{n+1} = 2tT_n - T_{n-1} dengan T0=1T_0 = 1 dan T1=tT_1 = t; lalu induksinya memberikan polinomial berderajat nn dengan koefisien utama 2n−12^{n-1} (bila n≥1n \geq 1). Dengan menyubstitusikan t=cos⁡θt = \cos\theta (sehingga w(t) ⁣dt↦ ⁣dθw(t)\dd t \mapsto \dd\theta): ⟨Tm,Tn⟩w=∫0πcos⁡mθcos⁡nθ  ⁣dθ=0\langle T_m, T_n\rangle_w = \int_0^\pi\cos m\theta\cos n\theta\,\dd\theta = 0 untuk m≠nm \neq n, =π= \pi untuk m=n=0m = n = 0, dan =π2= \frac\pi2 selainnya (lewat hasil kali ke jumlah). Derajat dan keortogonalan berpasangannya mengenali TnT_n dengan keluaran Gram–Schmidt sampai skalarnya; sedangkan uraian Chebyshev atas ff tepat merupakan deret kosinus Fourier dari θ↦f(cos⁡θ)\theta \mapsto f(\cos\theta).

13. Berlaku Tn(t)=0T_n(t) = 0 jika dan hanya jika cos⁡nθ=0\cos n\theta = 0 jika dan hanya jika θ=(2k−1)π2n\theta = \frac{(2k-1)\pi}{2n}: sehingga nn akarnya berbeda, yakni tk=cos⁡(2k−1)π2n∈(−1, 1)t_k = \cos\frac{(2k-1)\pi}{2n} \in \intoo{-1}1. Ekstremumnya: ∣Tn∣≤1\abs{T_n} \leq 1 pada [−1, 1]\intcc{-1}1, dengan Tn(sj)=(−1)jT_n(s_j) = (-1)^j di n+1n + 1 titik sj=cos⁡jπns_j = \cos\frac{j\pi}n: yakni osilasi setara yang sempurna.

14. Polinomial 21−nTn2^{1-n}T_n bersifat monik dengan norma-sup 21−n2^{1-n}. Jika sebuah PP monik berderajat nn mempunyai sup⁡∣P∣<21−n\sup\abs P < 2^{1-n}, maka selisih D=21−nTn−PD = 2^{1-n}T_n - P akan berderajat ≤n−1\leq n - 1 (sebab suku utamanya saling meniadakan) padahal berganti tanda di s0>⋯>sns_0 > \dots > s_n (sebab di sana 21−nTn=±21−n2^{1-n}T_n = \pm2^{1-n} mendominasi PP): jadi setidaknya nn akar — sehingga D≡0D \equiv 0, yang bertentangan. Untuk ketunggalannya pada kesamaannya, DD yang sama memenuhi (−1)jD(sj)≥0(-1)^jD(s_j) \geq 0; dan polinomial tak nol berderajat ≤n−1\leq n-1 tak dapat mempunyai nn kendala ekstremal yang berganti tanda secara lemah tanpa nn akar yang tercacah dengan benar (sebab jika D(sj)=0D(s_j) = 0 untuk suatu sjs_j interior, maka akar itu rangkap dalam pencacahannya karena DD mempertahankan tanda secara lokal): sehingga lagi-lagi D≡0D \equiv 0.

15. Rumus galat Lagrange (lewat Rolle, Tahun 2) memberikan f−Lnf=f(n)(ξt)n! ω(t)f - L_nf = \frac{f^{(n)}(\xi_t)}{n!}\,\omega(t), sehingga galat seragamnya paling banyak ∥f(n)∥∞n! sup⁡∣ω∣\frac{\norm{f^{(n)}}_\infty} {n!}\,\sup\abs\omega, sedangkan ω\omega monik berderajat nn: sehingga menurut pertanyaan 14, sup⁡[−1, 1]∣ω∣≥21−n\sup_{\intcc{-1}1}\abs\omega \geq 2^{1-n} dengan kesamaannya jika dan hanya jika simpulnya akar Chebyshev. Karena itu batas optimalnya ∥f−Lnf∥∞≤∥f(n)∥∞2n−1n!\norm{f - L_nf}_\infty \leq \frac{\norm{f^{(n)}}_\infty}{2^{n-1}n!}. Dengan simpul berjarak sama, sup⁡∣ω∣\sup\abs\omega jauh lebih besar secara eksponensial di dekat ujungnya, dan menginterpolasi bahkan 11+25t2\frac1{1 + 25t^2} divergen di sana saat n→∞n \to \infty (yakni gejala Runge); sedangkan simpul Chebyshev adalah obatnya.

16. Dengan menurunkan Tn(cos⁡θ)=cos⁡nθT_n(\cos\theta) = \cos n\theta: Tn′(cos⁡θ)=nsin⁡nθsin⁡θT_n'(\cos\theta) = \frac{n\sin n\theta} {\sin\theta}, yang menuju n2n^2 saat θ→0\theta \to 0 dan (−1)n+1n2(-1)^{n+1}n^2 saat θ→π\theta \to \pi: sehingga ∣Tn′(±1)∣=n2\abs{T_n'(\pm1)} = n^2. Sedangkan di titik interiornya, ∣Tn′(t)∣≤n1−t2=O(n)\abs{T_n'(t)} \leq \frac{n}{\sqrt{1 - t^2}} = O(n): jadi peledakan kuadratiknya hidup hanya di tepinya (yakni batas interior Bernstein lawan batas global Markov).

17. Misalkan θk=(2k−1)π2n\theta_k = \frac{(2k-1)\pi}{2n} dan Sj=∑k=1ncos⁡(jθk)S_j = \sum_{k=1}^n\cos(j\theta_k) untuk 1≤j≤n−11 \leq j \leq n-1. Maka

Sj=Re⁡[eijπ/2n∑k=0n−1eijkπ/n]=Re⁡[eijπ/2n eijπ−1eijπ/n−1].S_j = \operatorname{Re}\Bigl[\eu^{\iu j\pi/2n} \sum_{k=0}^{n-1}\eu^{\iu jk\pi/n}\Bigr] = \operatorname{Re}\Bigl[\eu^{\iu j\pi/2n}\, \frac{\eu^{\iu j\pi} - 1}{\eu^{\iu j\pi/n} - 1}\Bigr] .

Untuk jj yang genap pembilangnya lenyap: sehingga Sj=0S_j = 0. Sedangkan untuk jj yang gasal pembilangnya −2-2, dan eijπ/n−1=eijπ/2n⋅2isin⁡jπ2n\eu^{\iu j\pi/n} - 1 = \eu^{\iu j\pi/2n}\cdot2\iu\sin\frac{j\pi}{2n}, sehingga seluruh ungkapannya menjadi −22isin⁡(jπ/2n)=isin⁡(jπ/2n)\frac{-2}{2\iu\sin(j\pi/2n)} = \frac{\iu}{\sin(j\pi/2n)}: yang murni imajiner, jadi Sj=0S_j = 0 lagi. Karena itu aturan berbobot sama πn∑kf(tk)\frac\pi n\sum_kf(t_k) mengintegralkan T0T_0 (sebab ∑wi=π=∫w\sum w_i = \pi = \int w) dan membunuh T1,…,Tn−1T_1, \dots, T_{n-1} persis seperti ∫Tjw=0\int T_jw = 0: sehingga ia persis sampai derajat n−1n - 1. Sedangkan bobot yang persis sampai derajat n−1n-1 pada simpul tertentu bersifat tunggal (lewat basis Lagrange): jadi semua bobot Gaussnya πn\frac\pi n. Untuk n=3n = 3: simpulnya ±32,0\pm\frac{\sqrt3}2, 0 dan

∫−11f(t)1−t2  ⁣dt≈π3[f(32)+f(0)+f(−32)],\int_{-1}^1\frac{f(t)}{\sqrt{1 - t^2}}\,\dd t \approx \frac\pi3\Bigl[f\Bigl(\tfrac{\sqrt3}2\Bigr) + f(0) + f\Bigl(-\tfrac{\sqrt3}2\Bigr)\Bigr],

persis sampai derajat 55.

18. Untuk PP monik berderajat nn: P=pn+rP = p_n + r dengan r∈Rn−1[t]r \in \R_{n-1}[t], dan pn⊥Rn−1[t]p_n \perp \R_{n-1}[t] (pertanyaan 1), sehingga ∥P∥2=∥pn∥2+∥r∥2≥∥pn∥2\norm P^2 = \norm{p_n}^2 + \norm r^2 \geq \norm{p_n}^2, dengan kesamaannya jika dan hanya jika r=0r = 0: jadi pnp_n merupakan sisa proyeksi ortogonal tnt^n ke Rn−1[t]⊥\R_{n-1}[t]^\perp, yakni polinomial monik terdekat dengan subruang yang harus dihindarinya. Sedangkan 21−nTn2^{1-n}T_n milik Chebyshev menjawab pertanyaan yang sama untuk norma supnya: yakni simpangan terkecil dari nol, sekali di L2(w)L^2(w), sekali di L∞L^\infty.

19. Tulis Kn(x,y)=∑k=0npk(x)pk(y)hkK_n(x, y) = \sum_{k=0}^n\frac{p_k(x)p_k(y)}{h_k}. Basisnya n=0n = 0: (x−y)1h0=p1(x)⋅1−1⋅p1(y)h0(x - y)\frac1{h_0} = \frac{p_1(x)\cdot1 - 1\cdot p_1(y)}{h_0} sebab p1=t−a0p_1 = t - a_0. Langkahnya: dengan mengandaikan identitasnya untuk n−1n - 1,

(x−y) Kn(x,y)=pn(x)pn−1(y)−pn−1(x)pn(y)hn−1+(x−y) pn(x)pn(y)hn;(x - y)\,K_n(x,y) = \frac{p_n(x)p_{n-1}(y) - p_{n-1}(x)p_n(y)}{h_{n-1}} + \frac{(x - y)\,p_n(x)p_n(y)}{h_n} ;

substitusikan x pn(x)=pn+1(x)+anpn(x)+bnpn−1(x)x\,p_n(x) = p_{n+1}(x) + a_np_n(x) + b_np_{n-1}(x) dan y pn(y)=pn+1(y)+anpn(y)+bnpn−1(y)y\,p_n(y) = p_{n+1}(y) + a_np_n(y) + b_np_{n-1}(y) pada suku keduanya: maka sumbangan ana_n-nya saling meniadakan, dan sumbangan bn=hnhn−1b_n = \frac{h_n}{h_{n-1}}-nya meniadakan suku induksinya; sehingga yang bertahan adalah pn+1(x)pn(y)−pn(x)pn+1(y)hn\frac{p_{n+1}(x)p_n(y) - p_n(x)p_{n+1}(y)}{h_n}. Sedangkan bentuk konfluennya menyusul dengan membiarkan y→xy \to x (sebab kedua ruasnya polinomial terhadap yy).

20. Bentuk konfluennya memberikan pn+1′pn−pn′pn+1=hn∑k≤npk2hk≥hnh0>0p_{n+1}'p_n - p_n'p_{n+1} = h_n\sum_{k\leq n}\frac{p_k^2}{h_k} \geq \frac{h_n}{h_0} > 0 di mana-mana. Pada sebuah akar x0x_0 dari pn+1p_{n+1}: pn+1′(x0) pn(x0)>0p_{n+1}'(x_0)\,p_n(x_0) > 0, sehingga pn(x0)≠0p_n(x_0) \neq 0 (jadi tak ada akar bersama). Di antara akar berurutan x0<x1x_0 < x_1 dari pn+1p_{n+1} (yang semuanya sederhana, Bagian I), pn+1′p_{n+1}' bertanda berlawanan, sehingga demikian pula pnp_n: jadi sebuah akar pnp_n terletak di setiap nn celahnya — dan itu menghabiskan nn akarnya: yakni keberselang-selingannya.

21. Dengan menguraikan Dn(t)=det⁡(tIn−Jn)D_n(t) = \det(tI_n - J_n) sepanjang baris terakhirnya: Dn=(t−an−1)Dn−1−bn−1Dn−2D_n = (t - a_{n-1})D_{n-1} - b_{n-1}D_{n-2}, dengan D0=1D_0 = 1 dan D1=t−a0D_1 = t - a_0: yakni rekurensi dan benih pnp_n yang monik, sehingga Dn=pnD_n = p_n. Jadi akar pnp_n adalah nilai eigen JnJ_n yang setangkup: yang real, dan sederhana menurut pertanyaan 19 — sehingga kuadratur Gauss adalah teori spektral sebuah matriks tridiagonal yang menyamar, yakni bayangan berdimensi berhingga Bab 15.

22. Kamusnya:

LegendreHermiteChebyshev
selang[−1, 1]\intcc{-1}1R\R[−1, 1]\intcc{-1}1
bobot11e−t2\eu^{-t^2}(1−t2)−1/2(1-t^2)^{-1/2}
rumusRodrigues(−1)net2 ⁣dn ⁣dtne−t2(-1)^n\eu^{t^2} \frac{\dd^n}{\dd t^n}\eu^{-t^2}cos⁡(narccos⁡t)\cos(n\arccos t)
norma2^222n+1\frac2{2n+1}2nn!π2^nn!\sqrt\piπ,π2\pi, \frac\pi2
habitatkuadraturkalkulus Gaussminimaks

(masing-masing dengan rekurensi tiga sukunya: yakni bentuk umumnya untuk Legendre, Hn+1=2tHn−2nHn−1H_{n+1} = 2tH_n - 2nH_{n-1}, dan Tn+1=2tTn−Tn−1T_{n+1} = 2tT_n - T_{n-1}). Teori umumnya menyediakan apa yang tak ditunjukkan satu keluarga mana pun: yakni kerealan dan keberselang-selingan akarnya, kepositifan bobot kuadraturnya, serta keberadaan rekurensinya dan Christoffel–Darboux belaka — semuanya akibat keortogonalannya saja, yang seragam terhadap bobotnya.

23. Keberadaannya: pemetaan linear R2n−1[t]→R2n\R_{2n-1}[t] \to \R^{2n}, P↦(P(t1),P′(t1),…,P(tn),P′(tn))P \mapsto (P(t_1), P'(t_1), \dots, P(t_n), P'(t_n)), bersifat injektif (sebab PP di kernelnya berakar rangkap nn kali dan berderajat ≤2n−1\leq 2n - 1, jadi P=0P = 0) antara ruang berdimensi sama 2n2n: sehingga bijektif. Untuk galat titik demi titiknya: tetapkan tt yang bukan simpul lalu pilihlah KK sedemikian sehingga g(s)=f(s)−Hf(s)−K pn(s)2g(s) = f(s) - Hf(s) - K\,p_n(s)^2 lenyap di s=ts = t. Maka gg lenyap di n+1n + 1 titik berbeda t,t1,…,tnt, t_1, \dots, t_n, dan g′g' lenyap di setiap tit_i pula (sebab baik f−Hff - Hf maupun pn2p_n^2 berakar rangkap di sana). Lalu Rolle memberikan nn akar g′g' yang terletak sejati di antara akar berurutan gg — yang berbeda dari simpulnya — sehingga g′g' mempunyai 2n2n akar berbeda; lalu menerapkan Rolle 2n−12n - 1 kali lagi menghasilkan ξt\xi_t dengan g(2n)(ξt)=0g^{(2n)}(\xi_t) = 0. Karena deg⁡Hf≤2n−1\deg Hf \leq 2n - 1 dan pn2p_n^2 monik berderajat 2n2n, maka g(2n)=f(2n)−K (2n)!g^{(2n)} = f^{(2n)} - K\,(2n)!, sehingga K=f(2n)(ξt)/(2n)!K = f^{(2n)}(\xi_t)/(2n)! — dan identitasnya trivial di simpulnya. Untuk pengintegralannya: Qn(f)=Qn(Hf)Q_n(f) = Q_n(Hf) (sebab HfHf mencocokkan ff di simpulnya) dan Qn(Hf)=∫Hf wQ_n(Hf) = \int Hf\,w menurut kepersisannya sampai derajat 2n−12n - 1 (pertanyaan 9), sehingga galat kuadraturnya adalah ∫(f−Hf) w\int(f - Hf)\,w. Lalu dengan m,Mm, M sebagai ekstremum f(2n)f^{(2n)} pada II, identitas titik demi titiknya menjepit

m hn(2n)!  ≤  ∫I(f−Hf) w  ≤  M hn(2n)!,\frac{m\,h_n}{(2n)!} \;\leq\; \int_I(f - Hf)\,w \;\leq\; \frac{M\,h_n}{(2n)!} ,

lalu teorema nilai antara yang diterapkan pada f(2n)f^{(2n)} yang kontinu melahirkan ξ\xi. (Untuk Legendre dengan n=2n = 2: h2=∫−11(t2−13)2 ⁣dt=845h_2 = \int_{-1}^1(t^2 - \frac13)^2\dd t = \frac8{45}, sehingga galatnya f(4)(ξ)/135f^{(4)}(\xi)/135.)

24. Kernelnya mereproduksi Rn−1[t]\R_{n-1}[t]: sebab menguraikan q=∑k⟨pk,q⟩hkpkq = \sum_k\frac{\langle p_k, q\rangle}{h_k}p_k memberikan ∫IKn(ti,t) q(t) w(t) ⁣dt=q(ti)\int_I K_n(t_i, t)\,q(t)\,w(t)\dd t = q(t_i) untuk setiap qq berderajat ≤n−1\leq n - 1. Ambillah q=ℓiq = \ell_i: maka ruas kirinya sama dengan ℓi(ti)=1\ell_i(t_i) = 1. Padahal t↦Kn(ti,t) ℓi(t)t \mapsto K_n(t_i, t)\,\ell_i(t) merupakan polinomial berderajat ≤(n−1)+(n−1)=2n−2\leq (n - 1) + (n - 1) = 2n - 2, yang QnQ_n-nya persis (pertanyaan 9), dan ia lenyap di setiap simpul tj≠tit_j \neq t_i (lewat faktor ℓi\ell_i), sehingga

1=∫IKn(ti,t) ℓi(t) w(t) ⁣dt=wi Kn(ti,ti)=wi∑k=0n−1pk(ti)2hk.1 = \int_I K_n(t_i, t)\,\ell_i(t)\,w(t)\dd t = w_i\,K_n(t_i, t_i) = w_i\sum_{k=0}^{n-1}\frac{p_k(t_i)^2}{h_k} .

Jumlahnya >0> 0 (sebab suku k=0k = 0-nya adalah 1/h0>01/h_0 > 0): sehingga diperoleh rumus yang dinyatakan itu, beserta kepositifannya lagi. Pemeriksaannya (n=2n = 2, Legendre): p0=1p_0 = 1, h0=2h_0 = 2, p1=tp_1 = t, h1=23h_1 = \frac23; dan di ti=±13t_i = \pm\frac1{\sqrt3},

K2(ti,ti)=12+1/32/3=1,wi=1,K_2(t_i, t_i) = \frac12 + \frac{1/3}{2/3} = 1, \qquad w_i = 1,

seperti yang ditemukan pada pertanyaan 11.

25. Dengan menyubstitusikan t=cos⁡θt = \cos\theta, integralnya menjadi ∫0πcos⁡6θ  ⁣dθ=π 5⋅3⋅16⋅4⋅2=5π16\int_0^\pi\cos^6\theta\,\dd\theta = \pi\,\frac{5\cdot3\cdot1}{6\cdot4\cdot2} = \frac{5\pi}{16} (lewat Wallis, Latihan 11.8). Sedangkan aturan Chebyshev–Gauss dengan n=3n = 3 (pertanyaan 17) bersimpul cos⁡π6=32\cos\frac\pi6 = \frac{\sqrt3}2, cos⁡π2=0\cos\frac\pi2 = 0, dan cos⁡5π6=−32\cos\frac{5\pi}6 = -\frac{\sqrt3}2 serta berbobot sama π3\frac\pi3:

Q3(t6)=π3(2⋅(32)6)=π3⋅5464=9π32,5π16−9π32=π32.Q_3(t^6) = \frac\pi3\Bigl(2\cdot\Bigl(\frac{\sqrt3}2 \Bigr)^{6}\Bigr) = \frac\pi3\cdot\frac{54}{64} = \frac{9\pi}{32}, \qquad \frac{5\pi}{16} - \frac{9\pi}{32} = \frac\pi{32} .

Ramalannya: polinomial ortogonal monik berderajat 33 adalah 2−2T3=t3−34t2^{-2}T_3 = t^3 - \frac34t, dengan h3=116∥T3∥w2=116⋅π2=π32h_3 = \frac1{16}\norm{T_3}_w^2 = \frac1{16}\cdot\frac\pi2 = \frac\pi{32}; dan f=t6f = t^6 mempunyai f(6)=720=6!f^{(6)} = 720 = 6! yang konstan, sehingga pertanyaan 23 memberikan galat 6!6! h3=π32\frac{6!}{6!}\,h_3 = \frac\pi{32} — dan karena tak ada kebergantungan pada ξ\xi yang tersisa, rumusnya terpaksa persis, dan memang demikian.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium