Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

15Operator Kompak dan Teorema Spektral

Pendiagonalan adalah permata mahkota aljabar linear berdimensi berhingga: sebab matriks setangkup mempunyai basis ortonormal berisi vektor eigen. Dalam dimensi tak berhingga hal ini gagal bagi operator swa-adjoin terbatas pada umumnya — sebab perkalian dengan xx pada L2([0, 1])L^2(\intcc01) sama sekali tak bernilai eigen (Latihan 15.6) — tetapi ia bertahan, dalam bentuk yang sempurna, bagi operator yang hampir berdimensi berhingga: yakni yang kompak. Teorema spektral bagi operator swa-adjoin kompak merupakan teorema yang paling banyak dipakai dalam analisis fungsional terapan: ia mendiagonalkan persamaan integral, menggerakkan alternatif Fredholm, dan (pada soal akhir pekannya) menyelesaikan dawai yang bergetar, sambil menghasilkan basis sinus analisis Fourier dari teori operator belaka — dengan ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 milik Euler yang jatuh dari sebuah rumus trace sebagai hadiah perpisahan. Sepanjang bab ini, HH adalah ruang Hilbert atas C\C (atau R\R; pernyataannya menyesuaikan), dan operatornya terbatas.

15.1 Operator kompak

Definisi 15.1

Sebuah T∈L(E,F)T \in \mathcal L(E, F) (dengan E,FE, F Banach) disebut kompak jika peta T(B)T(B) atas bola satuannya bersifat kompak relatif di FF — setara dengan itu, setiap barisan terbatas (xn)(x_n) mempunyai subbarisan yang (Txnk)(Tx_{n_k})-nya konvergen. Operator rank berhingga bersifat kompak (sebab himpunan terbatas dalam dimensi berhingga); sedangkan identitas ruang berdimensi tak berhingga tak pernah demikian (menurut teorema Riesz, Tahun ke-2).

Proposisi 15.2

Operator kompaknya K(E,F)\mathcal K(E, F) membentuk subruang tertutup L(E,F)\mathcal L(E, F), sekaligus ideal dua sisi: yakni SS kompak ⇒\Rightarrow ASAS dan SBSB kompak untuk A,BA, B yang terbatas. Lebih lanjut, pada ruang Hilbert, setiap operator kompak merupakan limit norma operator rank berhingga.

Bukti. Subruangnya: jelas dari pencirian barisannya. Idealnya: sebab pemetaan terbatas mengirim barisan konvergen ke barisan konvergen dan yang terbatas ke yang terbatas. Ketertutupannya: misalkan Tn→TT_n \to T dengan TnT_n kompak, dan (xk)(x_k) terbatas oleh 11; maka pemetikan diagonal membuat (Tnxkj)j(T_nx_{k_j})_j konvergen untuk setiap nn; lalu (Txkj)(Tx_{k_j}) bersifat Cauchy, sebab

∥Txkj−Txkl∥≤2∣∣∣T−Tn∣∣∣+∥Tnxkj−Tnxkl∥,\norm{Tx_{k_j} - Tx_{k_l}} \leq 2\vertiii{T - T_n} + \norm{T_nx_{k_j} - T_nx_{k_l}} ,

dengan memilih nn lebih dahulu lalu indeksnya. Untuk penghampiran pada ruang Hilbertnya: misalkan TT kompak dan K=T(B)‾K = \overline{T(B)} kompak; lalu diberikan ε\varepsilon, selimuti KK oleh berhingga banyak bola B(yi,ε)B(y_i, \varepsilon) dan misalkan PP proyeksi ortogonal ke V=Vect⁡(y1,…,ym)V = \operatorname{Vect}(y_1, \dots, y_m) (yang tertutup sebab berdimensi berhingga). Maka PTPT mempunyai rank berhingga, dan untuk ∥x∥≤1\norm x \leq 1: dengan memilih yiy_i yang ∥Tx−yi∥<ε\norm{Tx - y_i} < \varepsilon,

∥Tx−PTx∥≤∥Tx−yi∥+∥P(yi−Tx)∥≤2ε\norm{Tx - PTx} \leq \norm{Tx - y_i} + \norm{P(y_i - Tx)} \leq 2\varepsilon

(sebab yi=Pyiy_i = Py_i dan ∣∣∣P∣∣∣≤1\vertiii P \leq 1): sehingga ∣∣∣T−PT∣∣∣≤2ε\vertiii{T - PT} \leq 2\varepsilon. ∎

Contoh 15.3

(a) Operator diagonal pada ℓ2\ell^2: T(xn)=(λnxn)T(x_n) = (\lambda_nx_n) bersifat kompak jika dan hanya jika λn→0\lambda_n \to 0 (Latihan 15.2). (b) Operator kernel pada C([0, 1])\mathcal C(\intcc01): kompak menurut Ascoli (Latihan 7.7). (c) Operator Hilbert–Schmidt: untuk k∈L2([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

mendefinisikan operator kompak pada L2([0, 1])L^2(\intcc01) dengan ∣∣∣Tk∣∣∣≤∥k∥L2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (Latihan 15.4: sebab memancung uraian basis kk menampilkan TkT_k sebagai limit operator rank berhingga).

15.2 Operator swa-adjoin

Definisi 15.4

Sebuah T∈L(H)T \in \mathcal L(H) disebut swa-adjoin jika T=T∗T = T^* (Latihan 13.8), yakni ⟨Tx,y⟩=⟨x,Ty⟩\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle untuk setiap x,yx, y. Maka ⟨x,Tx⟩∈R\langle x, Tx\rangle \in \R untuk setiap xx (sebab ia sama dengan konjugatnya).

Proposisi 15.5

Untuk TT yang swa-adjoin:

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

Nilai eigen TT bersifat real, dan vektor eigen bagi nilai eigen yang berbeda saling ortogonal.

Bukti. Misalkan MM supremumnya; maka M≤∣∣∣T∣∣∣M \leq \vertiii T menurut Cauchy–Schwarz. Sebaliknya, identitas bertipe polarisasi

⟨x+y,T(x+y)⟩−⟨x−y,T(x−y)⟩=4Re⁡⟨y,Tx⟩\langle x{+}y, T(x{+}y)\rangle - \langle x{-}y, T(x{-}y)\rangle = 4\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle

(uraikanlah; sebab suku silangnya ⟨y,Tx⟩+⟨x,Ty⟩=2Re⁡⟨y,Tx⟩\langle y, Tx\rangle + \langle x, Ty\rangle = 2\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle menurut keswa-adjoinannya) memberikan, bersama hukum jajaran genjangnya,

4Re⁡⟨y,Tx⟩≤M(∥x+y∥2+∥x−y∥2)=2M(∥x∥2+∥y∥2).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).

Lalu untuk ∥x∥=1\norm x = 1 dengan Tx≠0Tx \neq 0, ambillah y=Tx/∥Tx∥y = Tx/\norm{Tx}: sehingga 4∥Tx∥≤4M4\norm{Tx} \leq 4M. Jadi ∣∣∣T∣∣∣≤M\vertiii T \leq M. Untuk nilai eigennya: Tx=λxTx = \lambda x dengan x≠0x \ne 0 memberikan λ∥x∥2=⟨x,Tx⟩∈R\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \in \R. Untuk keortogonalannya: λ⟨x,y⟩=⟨Tx,y⟩=⟨x,Ty⟩=μ⟨x,y⟩\lambda\langle x, y\rangle = \langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle = \mu\langle x, y\rangle dengan λ≠μ\lambda \neq \mu yang real. ∎

15.3 Teorema spektralnya

Lema 15.6 (Keberadaan sebuah nilai eigen ekstrem)

Misalkan T≠0T \neq 0 kompak dan swa-adjoin. Maka ∣∣∣T∣∣∣\vertiii T atau −∣∣∣T∣∣∣-\vertiii T merupakan nilai eigen TT.

Bukti. Menurut Proposisi 15.5, pilihlah vektor satuan xnx_n dengan ⟨xn,Txn⟩→μ\langle x_n, Tx_n\rangle \to \mu, dengan ∣μ∣=∣∣∣T∣∣∣>0\abs\mu = \vertiii T > 0 (lalu beralihlah ke subbarisan untuk menetapkan tandanya). Maka

∥Txn−μxn∥2=∥Txn∥2−2μ⟨xn,Txn⟩+μ2≤∣∣∣T∣∣∣2−2μ⟨xn,Txn⟩+μ2⟶2μ2−2μ⋅μ=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 .

Lewat kekompakannya, sebuah subbarisan Txnk→yTx_{n_k} \to y; lalu μxnk=Txnk−(Txnk−μxnk)→y\mu x_{n_k} = Tx_{n_k} - (Tx_{n_k} - \mu x_{n_k}) \to y, sehingga xnk→x=y/μx_{n_k} \to x = y/\mu, yakni sebuah vektor satuan, dan kekontinuannya memberikan Tx=μxTx = \mu x. ∎

Teorema 15.7 (Teorema spektral bagi operator swa-adjoin kompak)

Misalkan TT operator swa-adjoin kompak pada ruang Hilbert HH.

  1. HH memiliki sistem ortonormal (en)n∈N(e_n)_{n \in N} (NN berhingga atau terbilang) berisi vektor eigen TT, dengan nilai eigen (λn)(\lambda_n) yang real dan tak nol, sedemikian sehingga

    Tx=∑n∈Nλn ⟨en,x⟩ en(x∈H),Tx = \sum_{n\in N}\lambda_n\,\langle e_n, x\rangle\, e_n \qquad (x \in H),

    dan H=ker⁡T ⊕⊥ Vect⁡‾(en:n∈N)H = \ker T \,\oplus^\perp\, \overline{\operatorname{Vect}}(e_n : n \in N).

  2. Jika NN tak berhingga, maka λn→0\lambda_n \to 0; lalu untuk setiap δ>0\delta > 0 hanya berhingga banyak nn yang mempunyai ∣λn∣≥δ\abs{\lambda_n} \geq \delta, dan setiap ruang eigen ker⁡(T−λ)\ker(T - \lambda) dengan λ≠0\lambda \neq 0 berdimensi berhingga.
  3. Melengkapkan (en)(e_n) dengan sebuah basis ortonormal ker⁡T\ker T melahirkan, bila HH terpisahkan, sebuah basis ortonormal HH yang terbuat dari vektor eigen: sehingga TT terdiagonalkan.

Bukti. (2) lebih dahulu. Seandainya tak berhingga banyak vektor eigen ortonormal xkx_k mempunyai ∣λ(k)∣≥δ\abs{\lambda_{(k)}} \geq \delta: maka ∥Txk−Txl∥2=λ(k)2+λ(l)2≥2δ2\norm{Tx_k - Tx_l}^2 = \lambda_{(k)}^2 + \lambda_{(l)}^2 \geq 2\delta^2 (menurut keortogonalannya dan Pythagoras): sehingga tak ada subbarisan (Txk)(Tx_k) yang konvergen, yang bertentangan dengan kekompakan TT pada (xk)(x_k) yang terbatas. Ini membatasi, untuk setiap δ\delta, kelipatan total nilai eigen di luar (−δ, δ)\intoo{-\delta}\delta oleh sebuah bilangan berhingga; sehingga keterbilangannya dan λn→0\lambda_n \to 0 menyusul.

(1) Misalkan H0H_0 rentang tertutup atas semua vektor eigen bernilai eigen tak nol, yang ditata (menurut (2) dan Gram–Schmidt di dalam setiap ruang eigen berdimensi berhingga, dengan keortogonalan antarruang eigennya dari Proposisi 15.5) menjadi sistem ortonormal (en)(e_n) bernilai eigen λn≠0\lambda_n \neq 0. Lalu TT memetakan H0H_0 ke H0H_0, dan juga H0⊥H_0^\perp ke H0⊥H_0^\perp: sebab untuk y⊥H0y \perp H_0 dan ee sebuah vektor eigen, ⟨e,Ty⟩=⟨Te,y⟩=λ⟨e,y⟩=0\langle e, Ty\rangle = \langle Te, y\rangle = \lambda\langle e, y\rangle = 0. Sedangkan pembatasan T′=T↾H0⊥T' = T\restriction_{H_0^\perp} bersifat swa-adjoin kompak pada ruang Hilbert H0⊥H_0^\perp; dan jika T′≠0T' \neq 0, maka Lema 15.6 menghasilkan sebuah vektor eigen TT bernilai eigen tak nol di dalam H0⊥H_0^\perp — yang mustahil, sebab vektor semacam itu tinggal di H0H_0. Jadi T′=0T' = 0: sehingga H0⊥⊆ker⁡TH_0^\perp \subseteq \ker T. Sebaliknya ker⁡T⊥\ker T \perp setiap ene_n (sebab ⟨en,z⟩=1λn⟨Ten,z⟩=1λn⟨en,Tz⟩=0\langle e_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle Te_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle e_n, Tz\rangle = 0): jadi ker⁡T⊆H0⊥\ker T \subseteq H_0^\perp, sehingga ker⁡T=H0⊥\ker T = H_0^\perp beserta penguraian ortogonalnya. Untuk uraiannya: bagi x=z+∑ncnenx = z + \sum_nc_ne_n (dengan z∈ker⁡Tz \in \ker T dan cn=⟨en,x⟩c_n = \langle e_n, x\rangle; Teorema 13.7(1) pada H0H_0), kekontinuan TT memberikan Tx=∑ncnλnenTx = \sum_nc_n\lambda_ne_n.

(3) Ruang ker⁡T\ker T, sebagai subruang tertutup ruang yang terpisahkan, bersifat terpisahkan: sehingga ia mempunyai basis ortonormal (Proposisi 13.8); dan gabungannya merupakan basis ortonormal HH menurut penguraian pada (1). ∎

Teorema 15.8 (Alternatif Fredholm)

Misalkan TT swa-adjoin kompak dan λ∈R∖{0}\lambda \in \R\setminus \{0\}.

  1. Jika λ\lambda bukan nilai eigen, maka T−λIT - \lambda I bersifat bijektif dengan balikan terbatas: sehingga untuk setiap ff, persamaan Tx−λx=fTx - \lambda x = f mempunyai tepat satu solusi, yang bergantung kontinu pada ff.
  2. Jika λ\lambda merupakan nilai eigen, maka Tx−λx=fTx - \lambda x = f terselesaikan jika dan hanya jika f⊥ker⁡(T−λI)f \perp \ker(T - \lambda I), dan solusinya tunggal sampai kernel (berdimensi berhingga) itu.

Bukti. Uraikan x=z+∑cnenx = z + \sum c_ne_n dan f=w+∑dnenf = w + \sum d_ne_n sepanjang Teorema 15.7 (dengan z,w∈ker⁡Tz, w \in \ker T). Maka persamaannya berbunyi

−λz=w,(λn−λ) cn=dn (n∈N).-\lambda z = w, \qquad (\lambda_n - \lambda)\,c_n = d_n\ (n \in N).

(1) Bila λ∉{λn}∪{0}\lambda \notin \{\lambda_n\}\cup\{0\}: menurut (2) teorema spektralnya, inf⁡n∣λn−λ∣=δ>0\inf_n\abs{\lambda_n - \lambda} = \delta > 0 (sebab nilai eigennya menumpuk hanya di 0≠λ0 \neq \lambda). Lalu selesaikan: z=−w/λz = -w/\lambda dan cn=dn/(λn−λ)c_n = d_n/(\lambda_n - \lambda), dengan ∑∣cn∣2≤δ−2∑∣dn∣2\sum\abs{c_n}^2 \leq \delta^{-2}\sum\abs{d_n}^2: yakni satu-satunya solusi dengan ∥x∥≤C∥f∥\norm x \leq C\norm f. (2) Bila λ=λn\lambda = \lambda_{n} untuk nn pada sebuah himpunan berhingga FF: keterselesaian (λn−λ)cn=dn(\lambda_n - \lambda)c_n = d_n untuk n∈Fn \in F menuntut dn=0d_n = 0, yakni f⊥enf \perp e_n (bila n∈Fn \in F), yakni f⊥ker⁡(T−λI)f \perp \ker(T - \lambda I); sedangkan cnc_n dengan n∈Fn \in F lalu bebas. ∎

Contoh 15.9

Pada L2([0, 1])L^2(\intcc01), misalkan Tf(x)=∫01min⁡(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x, y)f(y)\dd y: yakni operator Hilbert–Schmidt berkernel setangkup real: jadi kompak dan swa-adjoin. Untuk menyelesaikan Tf=λfTf = \lambda f: hubungan (Tf)(x)=∫0xyf(y) ⁣dy+x∫x1f(y) ⁣dy\bigl(Tf\bigr)(x) = \int_0^xyf(y)\dd y + x\int_x^1f(y)\dd y menunjukkan bahwa u=Tfu = Tf memenuhi u′′=−fu'' = -f (lewat dua penurunan, yang sah untuk ff yang kontinu, dan TfTf bersifat kontinu untuk f∈L2f \in L^2: lewat kekonvergenan terdominasi), dengan u(0)=0u(0) = 0 dan u′(1)=0u'(1) = 0. Jadi fungsi eigennya menyelesaikan 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(n≥0),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),

dan teorema spektralnya menyatakan — tanpa teori Fourier apa pun — bahwa sinus ini membentuk basis ortonormal L2([0, 1])L^2(\intcc01) setelah dinormalkan (sebab kernel TT adalah 00: karena Tf=0Tf = 0 memaksa, lewat kedua penurunannya, f=0f = 0 hampir di mana-mana). Sedangkan soal akhir pekannya menjalankan lingkaran gagasan yang sama untuk dawai yang bergetar lalu memetik ζ(2)\zeta(2) dari tracenya.

Metode 15.10

Diberikan sebuah persamaan integral atau diferensial: (1) tuangkanlah kembali sebagai (I−λK)u=f(I - \lambda K)u = f atau Ku=λuKu = \lambda u dengan KK sebuah operator integral; (2) periksalah KK kompak (lewat kernel Hilbert–Schmidt atau Ascoli) dan, bila mungkin, swa-adjoin (lewat kernel real yang setangkup); (3) diagonalkanlah dengan teorema spektralnya atau panggillah alternatif Fredholm untuk keterselesaiannya; (4) lalu bacalah keberadaan, ketunggalan, kestabilan, dan rumus deret bagi solusinya pada basis eigennya. Operator diferensial bersifat tak terbatas, tetapi balikannya (yakni operator Green) bersifat kompak: jadi balikkanlah selalu lebih dahulu.

15.4 Latihan

Latihan 15.1 ★

(a) Tunjukkan bahwa operator terbatas yang jangkauannya berdimensi berhingga bersifat kompak. (b) Tunjukkan bahwa identitas sebuah ruang bernorma bersifat kompak jika dan hanya jika dimensinya berhingga (menurut Riesz, Tahun ke-2). Lalu turunkan bahwa operator kompak pada ruang berdimensi tak berhingga tak pernah terbalikkan dengan balikan yang terbatas.

Solusi

Solusi Latihan 15.1.

(a) Himpunan T(B)T(B) merupakan himpunan bagian terbatas dari im⁡T\operatorname{im}T yang berdimensi berhingga: jadi kompak relatif menurut Heine–Borel (Akibat 6.17, yang dipindahkan lewat homeomorfisma linear dengan Rn\R^n). (b) Bahwa II kompak berarti bola satuan tertutupnya kompak, yang menurut teorema Riesz (Tahun ke-2) terjadi tepat dalam dimensi berhingga. Jika sebuah TT yang kompak berbalikan terbatas T−1T^{-1}, maka I=T−1TI = T^{-1}T akan kompak (Proposisi 15.2): yang mustahil dalam dimensi tak berhingga.

Latihan 15.2 ★

Misalkan T(x1,x2,… )=(λ1x1,λ2x2,… )T(x_1, x_2, \dots) = (\lambda_1x_1, \lambda_2x_2, \dots) pada ℓ2\ell^2, dengan (λn)(\lambda_n) yang terbatas. (a) Tunjukkan ∣∣∣T∣∣∣=sup⁡∣λn∣\vertiii T = \sup\abs{\lambda_n}. (b) Tunjukkan bahwa TT kompak jika dan hanya jika λn→0\lambda_n \to 0. (Untuk ⇐\Leftarrow, pancunglah; sedangkan untuk ⇒\Rightarrow, ujilah pada (en)(e_n).) (c) Kapankah TT bersifat swa-adjoin? Lalu periksalah teorema spektralnya lewat pengamatan pada kasus itu.

Solusi

Solusi Latihan 15.2.

(a) ∥Tx∥2=∑∣λn∣2∣xn∣2≤sup⁡∣λn∣2∥x∥2\norm{Tx}^2 = \sum\abs{\lambda_n}^2\abs{x_n}^2 \leq \sup\abs{\lambda_n}^2\norm x^2, dengan kesamaan hampiran pada ene_n yang mewujudkan supremumnya. (b) (⇐\Leftarrow) Pancungannya TNT_N (yang menyimpan n≤Nn \leq N dan nol selebihnya) mempunyai rank berhingga dengan ∣∣∣T−TN∣∣∣=sup⁡n>N∣λn∣→0\vertiii{T - T_N} = \sup_{n>N}\abs{\lambda_n} \to 0: jadi kompak menurut Proposisi 15.2. (⇒\Rightarrow) Jika ∣λnk∣≥δ>0\abs{\lambda_{n_k}} \geq \delta > 0 sepanjang sebuah subbarisan: maka ∥Tenk−Tenl∥2=∣λnk∣2+∣λnl∣2≥2δ2\norm{Te_{n_k} - Te_{n_l}}^2 = \abs{\lambda_{n_k}}^2 + \abs{\lambda_{n_l}}^2 \geq 2\delta^2: sehingga tak ada subbarisan (Tenk)(Te_{n_k}) yang konvergen. (c) T∗=T^* = diagonal dengan (λˉn)(\bar\lambda_n): jadi swa-adjoin jika dan hanya jika semua λn∈R\lambda_n \in \R. Lalu basis bakunya (en)(e_n) merupakan basis ortonormal berisi vektor eigen, bernilai eigen λn→0\lambda_n \to 0: yakni teorema spektralnya kata demi kata.

Latihan 15.3 ★★

Berikan rincian sifat idealnya (Proposisi 15.2): bahwa jika SS kompak dan A,BA, B terbatas, maka ASBASB kompak. Lalu turunkan bahwa jika ST=TS=IST = TS = I untuk suatu SS yang terbatas, dan dim⁡H=∞\dim H = \infty, maka TT tak kompak — lalu damaikanlah dengan Latihan 15.1(b).

Solusi

Solusi Latihan 15.3.

Misalkan (xn)(x_n) terbatas. Maka (Bxn)(Bx_n) terbatas (sebab ∣∣∣B∣∣∣<∞\vertiii B < \infty); lalu kekompakan SS memetik SBxnk→ySBx_{n_k} \to y; dan kekontinuan AA memberikan ASBxnk→AyASBx_{n_k} \to Ay: sehingga ASBASB kompak. Jika ST=TS=IST = TS = I dengan TT kompak dan dim⁡H=∞\dim H = \infty: maka I=STI = ST akan kompak, yang bertentangan dengan Latihan 15.1(b) — yakni pernyataan yang sama dilihat dari sisi lainnya.

Latihan 15.4 ★★

(Hilbert–Schmidt) Misalkan k∈L2([0, 1]2)k \in L^2(\intcc01^2) dan (en)(e_n) sebuah basis Hilbert L2([0, 1])L^2(\intcc01). (a) Tunjukkan bahwa ∣∣∣Tk∣∣∣≤∥k∥L2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (lewat Cauchy–Schwarz pada variabel-yy, lalu Tonelli). (b) Uraikan k(x,y)=∑m,ncmnem(x)en(y)‾k(x,y) = \sum_{m,n}c_{mn}e_m(x)\overline{e_n(y)} di L2L^2 pada bujur sangkarnya (benarkanlah bahwa hasil kalinya membentuk basis Hilbert di sana), lalu tunjukkan bahwa memancung jumlahnya memberikan operator rank berhingga yang konvergen ke TkT_k dalam norma operator: sehingga TkT_k kompak.

Solusi

Solusi Latihan 15.4.

(a) Lewat Cauchy–Schwarz pada yy: ∣Tkf(x)∣2≤(∫∣k(x,y)∣2 ⁣dy)∥f∥22\abs{T_kf(x)}^2 \leq \bigl(\int\abs{k(x,y)}^2\dd y\bigr)\norm f_2^2; lalu integralkan terhadap xx (lewat Tonelli): ∥Tkf∥2≤∥k∥L2(□)∥f∥2\norm{T_kf}_2 \leq \norm k_{L^2(\square)} \norm f_2.

(b) Keluarga emn(x,y)=em(x)en(y)‾e_{mn}(x,y) = e_m(x)\overline{e_n(y)} bersifat ortonormal di L2([0, 1]2)L^2(\intcc01^2) (sebab Tonelli memisahkan integral rangkapnya). Untuk ketotalannya: jika h⊥h \perp semua emne_{mn}, maka untuk setiap mm, fungsi y↦∫h(x,y)em(x)‾ ⁣dxy \mapsto \int h(x,y)\overline{e_m(x)}\dd x (yang berada di L2L^2 menurut Cauchy–Schwarz dan Tonelli) ortogonal terhadap setiap en‾\overline{e_n} — dan konjugatnya (en‾)(\overline{e_n}) membentuk basis Hilbert setiap kali (en)(e_n) demikian (sebab pengonjugatan merupakan bijeksi isometrik L2L^2 yang mengawetkan keortogonalan dan ketotalan) — sehingga ia 00 hampir di mana-mana; lalu untuk hampir setiap yy, h(⋅,y)⊥h(\cdot, y) \perp setiap eme_m: jadi h(⋅,y)=0h(\cdot, y) = 0 hampir di mana-mana, sehingga h=0h = 0 (lewat Tonelli). Jadi (emn)(e_{mn}) merupakan basis Hilbert; lalu uraikan k=∑cmnemnk = \sum c_{mn}e_{mn}. Pancungannya kNk_N (dengan indeks ≤N\leq N) memberikan TkNT_{k_N} yang mempunyai rank berhingga (dengan jangkauan di Vect⁡(e1,…,eN)\operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_N)), dan menurut (a),

∣∣∣Tk−TkN∣∣∣≤∥k−kN∥L2→0:\vertiii{T_k - T_{k_N}} \leq \norm{k - k_N}_{L^2} \to 0 :

sehingga TkT_k merupakan limit norma operator rank berhingga: jadi kompak (Proposisi 15.2).

Latihan 15.5 ★★

Misalkan TT swa-adjoin dengan ⟨x,Tx⟩≥0\langle x, Tx\rangle \geq 0 untuk setiap xx (yakni operator positif). (a) Tunjukkan bahwa nilai eigennya ≥0\geq 0 dan bahwa ∣∣∣T∣∣∣=sup⁡∥x∥≤1⟨x,Tx⟩\vertiii T = \sup_{\norm x\leq1}\langle x, Tx\rangle. (b) Buktikan ketaksamaan Cauchy–Schwarz yang diperumum ∣⟨x,Ty⟩∣2≤⟨x,Tx⟩⟨y,Ty⟩\abs{\langle x, Ty\rangle}^2 \leq \langle x, Tx\rangle\langle y, Ty\rangle.

Solusi

Solusi Latihan 15.5.

(a) λ∥x∥2=⟨x,Tx⟩≥0\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \geq 0 pada sebuah vektor eigen. Sedangkan rumusnya adalah Proposisi 15.5 dengan semua nilainya ⟨x,Tx⟩≥0\langle x, Tx\rangle \geq 0: sehingga nilai mutlaknya berlebihan. (b) Pemetaan (x,y)↦⟨x,Ty⟩(x, y) \mapsto \langle x, Ty\rangle merupakan bentuk seskuilinear Hermite positif (yang mungkin merosot); dan bukti Cauchy–Schwarz yang lazim (yakni menguraikan ⟨x+teiθy,T(x+teiθy)⟩≥0\langle x + t\eu^{\iu\theta}y, T(x + t\eu^{\iu\theta}y)\rangle \geq 0 lalu mengambil diskriminannya) tak pernah memakai kedefinitannya.

Latihan 15.6 ★★

Pada L2([0, 1])L^2(\intcc01), misalkan (Mf)(x)=x f(x)(Mf)(x) = x\,f(x). (a) Tunjukkan bahwa MM terbatas, swa-adjoin, dengan ∣∣∣M∣∣∣=1\vertiii M = 1, tetapi sama sekali tak bernilai eigen. (b) Tunjukkan bahwa MM tak kompak (tampilkan sebuah barisan terbatas yang petanya tak bersubbarisan konvergen, misalnya indikator ternormalkan selang yang menyusut di dekat 11 — atau panggillah teorema spektralnya). (c) Di manakah bukti Lema 15.6 patah bagi MM?

Solusi

Solusi Latihan 15.6.

(a) ∥Mf∥2≤∥f∥2\norm{Mf}_2 \leq \norm f_2, dan pada fn=n 1[1−1/n, 1]f_n = \sqrt n\, \mathbf 1_{\intcc{1 - 1/n}1} (yakni vektor satuan), ∥Mfn∥2≥1−1n\norm{Mf_n}_2 \geq 1 - \frac1n: sehingga ∣∣∣M∣∣∣=1\vertiii M = 1; dan ia swa-adjoin sebab pengalinya real. Untuk nilai eigennya: xf(x)=λf(x)xf(x) = \lambda f(x) hampir di mana-mana memaksa f=0f = 0 hampir di mana-mana di luar himpunan nol {x=λ}\{x = \lambda\}: jadi f=0f = 0 di L2L^2. (b) Dengan fnf_n yang sama: ∥Mfn−fn∥2≤1n→0\norm{Mf_n - f_n}_2 \leq \frac1n \to 0, sedangkan fn⇀0f_n \rightharpoonup 0 (sebab untuk g∈L2g \in L^2 yang tetap, ∣⟨g,fn⟩∣≤∥g 1[1−1/n, 1]∥2→0\abs{\langle g, f_n\rangle} \leq \norm{g\,\mathbf 1_{\intcc{1-1/n}1}}_2 \to 0 lewat kekonvergenan terdominasi). Jika Mfnk→hMf_{n_k} \to h dalam norma, maka fnk→hf_{n_k} \to h, yang memaksa h=0h = 0 (lewat limit lemahnya) padahal ∥h∥=1\norm h = 1: jadi tak ada subbarisan yang konvergen. (c) Pada Lema 15.6, tepatnya pemetikan “Txnk→yTx_{n_k} \to y” yang memakai kekompakannya; sedangkan untuk MM barisan pemberi maksimumnya memusat di dekat x=1x = 1 dan petanya konvergen lemah ke 00, tak pernah dalam norma: sehingga vektor eigen di puncak jangkauan numeriknya sekadar gagal ada.

Latihan 15.7 ★★

(Volterra) Pada L2([0, 1])L^2(\intcc01), misalkan Vf(x)=∫0xf(y) ⁣dyVf(x) = \int_0^xf(y)\dd y. (a) Tunjukkan bahwa VV kompak (yakni Hilbert–Schmidt berkernel 1y<x\mathbf 1_{y < x}) tetapi tak swa-adjoin; lalu hitunglah V∗V^*. (b) Tunjukkan bahwa VV tak bernilai eigen tak nol. (Dari Vf=λfVf = \lambda f: ff mempunyai wakil yang kontinu, lalu bersifat C1\mathcal C^1, dan menyelesaikan λf′=f\lambda f' = f dengan f(0)=0f(0) = 0.) (c) Simpulkan bahwa kekompakan saja sama sekali tak melahirkan vektor eigen: sehingga keswa-adjoinan pada Teorema 15.7 bersifat mendasar.

Solusi

Solusi Latihan 15.7.

(a) V=TkV = T_k dengan k(x,y)=1y<x∈L2([0, 1]2)k(x, y) = \mathbf 1_{y < x} \in L^2(\intcc01^2): jadi kompak (Latihan 15.4). Adjoinnya adalah operator kernel berkernel k(y,x)‾=1y>x\overline{k(y, x)} = \mathbf 1_{y > x}: yakni V∗f(x)=∫x1fV^*f(x) = \int_x^1f; sehingga V≠V∗V \neq V^* (ujilah pada f=1f = \mathbf 1). (b) Jika Vf=λfVf = \lambda f dengan λ≠0\lambda \ne 0: maka VfVf kontinu pada [0, 1]\intcc01 (lewat kekonvergenan terdominasi pada ∫0xf\int_0^x f), sehingga f=1λVff = \frac1\lambda Vf mempunyai wakil yang kontinu; lalu VfVf bersifat C1\mathcal C^1 (menurut teorema fundamental kalkulus untuk integran kontinu), sehingga ff bersifat C1\mathcal C^1, dan λf′=f\lambda f' = f dengan f(0)=1λVf(0)=0f(0) = \frac1\lambda Vf(0) = 0: jadi f=Cex/λf = C\eu^{x/\lambda} dengan C=f(0)=0C = f(0) = 0. (c) Jadi VV kompak tanpa nilai eigen sama sekali kecuali mungkin 00 (sebab Vf=0Vf = 0 memaksa f=0f = 0 hampir di mana-mana lewat menurunkan integralnya — jadi bahkan 00 pun tidak): sehingga mesin spektralnya sungguh menuntut keswa-adjoinan, bukan sekadar kekompakan.

Latihan 15.8 ★★★

(Courant–Fischer) Misalkan TT kompak, swa-adjoin, dan positif, bernilai eigen μ1≥μ2≥⋯>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \dots > 0 (yang berulang menurut kelipatannya, dengan vektor eigen e1,e2,…e_1, e_2, \dots). Tunjukkan bahwa:

μk=max⁡V⊆Hdim⁡V=k min⁡x∈V∥x∥=1 ⟨x,Tx⟩=min⁡W⊆Hcodim⁡W=k−1 max⁡x∈W∥x∥=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 .

(Ujilah V=Vect⁡(e1,…,ek)V = \operatorname{Vect}(e_1,\dots,e_k); sedangkan untuk batas atasnya iriskan sembarang VV dengan ruang bertipe Vect⁡(ek,ek+1,… )\operatorname{Vect}(e_k, e_{k+1}, \dots): sebab pencacahan dimensinya memaksa irisan yang tak nol.) Lalu turunkan bahwa nilai eigennya bergantung monoton pada TT (yakni T≤S⇒μk(T)≤μk(S)T \leq S \Rightarrow \mu_k(T) \leq \mu_k(S)).

Solusi

Solusi Latihan 15.8.

Tulis x=∑iciei+zx = \sum_ic_ie_i + z dengan z∈ker⁡Tz \in \ker T, sehingga ⟨x,Tx⟩=∑iμi∣ci∣2\langle x, Tx\rangle = \sum_i\mu_i\abs{c_i}^2. Batas bawahnya: pada bola satuan Vk=Vect⁡(e1,…,ek)V_k = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_k), ⟨x,Tx⟩=∑i≤kμi∣ci∣2≥μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i\leq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \geq \mu_k: sehingga maksimum atas VV dari minimumnya bernilai ≥μk\geq \mu_k. Batas atasnya: misalkan dim⁡V=k\dim V = k dan Wk=Vect⁡‾(ek,ek+1,… )+ker⁡TW_k = \overline{\operatorname{Vect}}(e_k, e_{k+1}, \dots) + \ker T, yang berkodimensi k−1k - 1 (sebab komplemen ortogonalnya adalah Vk−1V_{k-1}); maka V∩Wk≠{0}V \cap W_k \neq \{0\} (sebab pemetaan linear V→H/Wk≅Vk−1V \to H/W_k \cong V_{k-1} yang ranknya ≤k−1\leq k - 1 berkernel tak trivial), dan sebuah satuan x∈V∩Wkx \in V\cap W_k mempunyai ⟨x,Tx⟩=∑i≥kμi∣ci∣2≤μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i \geq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \leq \mu_k: sehingga minimum atas VV bernilai ≤μk\leq \mu_k. Digabungkan: yakni rumus pertamanya; sedangkan yang kedua dibuktikan secara setangkup (ujilah W=WkW = W_k; dan untuk WW sembarang yang berkodimensi k−1k-1, W∩Vk≠0W \cap V_k \neq 0 memberikan sebuah vektor satuan dengan ⟨x,Tx⟩≥μk\langle x, Tx\rangle \geq \mu_k). Untuk kemonotonannya: ⟨x,Tx⟩≤⟨x,Sx⟩\langle x, Tx\rangle \leq \langle x, Sx\rangle secara titik demi titik berpindah lewat max⁡min⁡\max\min-nya.

Latihan 15.9 ★★

Dengan memakai Teorema 15.8 untuk Tf(x)=∫01min⁡(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x,y)f(y)\dd y (Contoh 15.9): untuk λ∈R\lambda \in \R yang mana persamaan integral

f(x)−λ∫01min⁡(x,y) f(y)  ⁣dy=g(x)f(x) - \lambda\int_0^1\min(x,y)\,f(y)\,\dd y = g(x)

mempunyai tepat satu solusi f∈L2f \in L^2 untuk setiap g∈L2g \in L^2? Apa yang terjadi pada nilai kecualiannya?

Solusi

Solusi Latihan 15.9.

Tulis ulang f−λTf=gf - \lambda Tf = g. Untuk λ=0\lambda = 0: f=gf = g, yang selalu terselesaikan secara tunggal. Untuk λ≠0\lambda \neq 0: ini adalah (T−1λ)f=−gλ(T - \frac1\lambda)f = -\frac g\lambda, sehingga menurut alternatif Fredholm (Teorema 15.8) dengan nilai eigen λn=((n+12)π)−2\lambda_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-2} milik TT (Contoh 15.9): keterselesaian tunggal untuk setiap gg jika dan hanya jika 1λ≠λn\frac1\lambda \neq \lambda_n untuk setiap nn, yakni

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

Pada λ=(n+12)2π2\lambda = (n+\frac12)^2\pi^2 yang kecualian: solusinya ada jika dan hanya jika g⊥sin⁡((n+12)πx)g \perp \sin\bigl((n{+}\frac12)\pi x\bigr), dan lalu tunggal sampai penambahan kelipatan sinus itu.

Latihan 15.10 ★★★

Misalkan SS pergeseran pada ℓ2\ell^2 (Latihan 8.1). (a) Tunjukkan bahwa SS tak bernilai eigen, sedangkan setiap λ\lambda dengan ∣λ∣<1\abs\lambda < 1 merupakan nilai eigen S∗S^* (carilah vektor eigennya secara eksplisit, yakni barisan geometri). (b) Baik SS maupun S∗S^* tak kompak: periksalah lewat pengujian bergaya Latihan 15.2 pada (en)(e_n). (c) Berkomentarlah: bahwa bagi operator yang tak swa-adjoin dan tak kompak, lanskap nilai eigennya dapat berupa apa saja dari kosong sampai sebuah cakram penuh — sedangkan gagasan yang bertahan adalah spektrumnya, yang dipelajari pada kuliah berikutnya.

Solusi

Solusi Latihan 15.10.

(a) Sx=λxSx = \lambda x: dengan membandingkan koordinatnya, 0=λx10 = \lambda x_1 dan xn=λxn+1x_n = \lambda x_{n+1}; lalu jika λ≠0\lambda \ne 0 maka x1=0x_1 = 0 dan secara induktif x=0x = 0; sedangkan jika λ=0\lambda = 0, Sx=0Sx = 0 memaksa x=0x = 0 (sebab SS isometrik). Jadi tak ada nilai eigen. Sedangkan S∗x=λxS^*x = \lambda x berbunyi xn+1=λxnx_{n+1} = \lambda x_n: sehingga x=x1(1,λ,λ2,… )x = x_1(1, \lambda, \lambda^2, \dots), yang berada di ℓ2\ell^2 tepat bila ∣λ∣<1\abs\lambda < 1: yakni satu cakram terbuka penuh berisi nilai eigen. (b) ∥Sen−Sem∥=∥en+1−em+1∥=2\norm{Se_n - Se_m} = \norm{e_{n+1} - e_{m+1}} = \sqrt2: sehingga peta (en)(e_n) yang terbatas tak bersubbarisan Cauchy; dan demikian pula S∗en+1=enS^*e_{n+1} = e_n. Jadi keduanya tak kompak. (c) Bagi operator swa-adjoin kompak, nilai eigennya menangkap segalanya (Teorema 15.7); sedangkan dengan membuang salah satu hipotesisnya, nilai eigennya dapat lenyap sama sekali (SS, Volterra) atau memenuhi sebuah cakram (S∗S^*): sehingga objek yang tegar adalah spektrum {λ:T−λI tak terbalikkan}\{\lambda : T - \lambda I \text{ tak terbalikkan}\}, yang teorinya termasuk kuliah berikutnya.

Latihan 15.11 ★★

(Akar kuadrat) Misalkan TT kompak, swa-adjoin, dan positif (yakni ⟨x,Tx⟩≥0\langle x, Tx\rangle \geq 0) pada ruang Hilbert HH, dengan penguraian spektral Tx=∑nμn⟨en,x⟩enTx = \sum_n\mu_n\langle e_n, x\rangle e_n (dengan μn>0\mu_n > 0). (a) Definisikan Sx=∑nμn ⟨en,x⟩enSx = \sum_n\sqrt{\mu_n}\,\langle e_n, x\rangle e_n; lalu tunjukkan bahwa SS kompak, swa-adjoin, positif, dengan S2=TS^2 = T. (b) Buktikan ketunggalannya: bahwa sembarang RR yang kompak, positif, dan swa-adjoin dengan R2=TR^2 = T mengawetkan ruang eigen TT (sebab RT=R3=TRRT = R^3 = TR: sehingga RR komutatif dengan TT, jadi R(ker⁡(T−μ))⊆ker⁡(T−μ)R(\ker(T - \mu)) \subseteq \ker(T - \mu)), dan pada ker⁡(T−μ)\ker(T - \mu), RR merupakan operator positif yang berkuadrat μ id\mu\,\mathrm{id} pada ruang berdimensi berhingga: diagonalkanlah ia di sana lalu simpulkan R=μ idR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} pada setiap ruang eigennya, sehingga R=SR = S. (c) Hitunglah G\sqrt G untuk operator dawai GG pada Soal 15.1: kernel mana yang bernilai eigen 1nπ\frac1{n\pi} pada basis sinusnya? (Nyatakanlah G\sqrt G sebagai limit-L2L^2 kernelnya; tanpa perlu bentuk tertutup.)

Solusi

Solusi Latihan 15.11.

(a) SS merupakan operator diagonal berkoefisien μn→0\sqrt{\mu_n} \to 0: jadi kompak (Latihan 15.2(b), yang dipindahkan ke basis (en)(e_n) yang dilengkapkan oleh ker⁡T\ker T, tempat S=0S = 0), swa-adjoin (sebab diagonalnya real), positif (sebab ⟨x,Sx⟩=∑μn∣⟨en,x⟩∣2\langle x, Sx\rangle = \sum\sqrt{\mu_n}\abs{\langle e_n, x\rangle}^2), dengan S2=TS^2 = T suku demi suku.

(b) Operator RR komutatif dengan T=R2T = R^2; lalu untuk sebuah vektor eigen xx milik TT bernilai eigen μ\mu: T(Rx)=RTx=μRxT(Rx) = RTx = \mu Rx, sehingga ruang eigen berdimensi berhingga Eμ=ker⁡(T−μ)E_\mu = \ker(T - \mu) bersifat stabil-RR. Pada EμE_\mu, RR bersifat setangkup positif dengan R2=μ idR^2 = \mu\,\mathrm{id}: sehingga nilai eigennya ρ\rho memenuhi ρ2=μ\rho^2 = \mu dengan ρ≥0\rho \geq 0: jadi semuanya sama dengan μ\sqrt\mu, dan operator terdiagonalkan yang bernilai eigen tunggal bersifat skalar: sehingga R=μ idR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} pada EμE_\mu. Sedangkan pada ker⁡T\ker T: ∥Rx∥2=⟨x,R2x⟩=⟨x,Tx⟩=0\norm {Rx}^2 = \langle x, R^2x\rangle = \langle x, Tx\rangle = 0. Jadi RR bersesuaian dengan SS pada ker⁡T\ker T dan pada setiap ruang eigennya, yang rentang tertutupnya adalah HH (menurut teorema spektralnya): sehingga R=SR = S.

(c) Operator G\sqrt G bekerja sebagai 1nπ\frac1{n\pi} pada en=2sin⁡(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x): yakni operator kernel dengan

k(x,y)=∑n≥12sin⁡(nπx)sin⁡(nπy)nπ,k(x, y) = \sum_{n\geq1}\frac{2\sin(n\pi x)\sin(n\pi y)}{n\pi},

dengan deretnya konvergen di L2([0, 1]2)L^2(\intcc01^2) (sebab koefisiennya 1nπ∈ℓ2\frac1{n\pi} \in \ell^2; dan kernel jumlah parsialnya memberikan hampiran rank berhingga). Jadi tak diperlukan bentuk tertutup dasar: sebab sisi spektralnya adalah operatornya.

Latihan 15.12 ★★★

(Penguraian nilai singular) Misalkan T∈L(H)T \in \mathcal L(H) kompak, yang tak harus swa-adjoin. (a) Tunjukkan bahwa T∗TT^*T kompak, swa-adjoin, dan positif; lalu misalkan (en)(e_n) keluarga ortonormal berisi vektor eigen dengan T∗Ten=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n dan sn>0s_n > 0 (yakni nilai singularnya), yang dilengkapkan oleh ker⁡(T∗T)=ker⁡T\ker(T^*T) = \ker T (buktikanlah kesamaan ini). (b) Tetapkan fn=Tensnf_n = \frac{Te_n}{s_n}; lalu tunjukkan bahwa (fn)(f_n) ortonormal, dan tegakkanlah penguraian nilai singularnya:

Tx=∑nsn ⟨en,x⟩ fn(x∈H),Tx = \sum_n s_n\,\langle e_n, x\rangle\,f_n \qquad (x \in H),

dengan kekonvergenan di HH. (c) Turunkan: bahwa ∣∣∣T∣∣∣=max⁡nsn\vertiii T = \max_ns_n; bahwa TT merupakan limit norma operator rank berhingga (yang membuktikan kembali konvers Proposisi 15.2 bagi ruang Hilbert); dan untuk operator Volterra VV pada Latihan 15.7, yang tak bernilai eigen, terangkanlah mengapa penguraian nilai singularnya tetap ada dan apa saja bahannya (kenalilah V∗VV^*V sebagai operator kernel bertipe dawai — sedangkan menghitung nilai eigennya secara eksplisit adalah wilayah Latihan 15.9).

Solusi

Solusi Latihan 15.12.

(a) T∗TT^*T bersifat kompak (sebab hasil kali operator terbatas dengan operator kompak, Latihan 15.3), swa-adjoin (sebab (T∗T)∗=T∗T(T^*T)^* = T^*T), dan positif (sebab ⟨x,T∗Tx⟩=∥Tx∥2\langle x, T^*Tx\rangle = \norm{Tx}^2). Untuk kernelnya: T∗Tx=0⇒∥Tx∥2=⟨x,T∗Tx⟩=0⇒Tx=0T^*Tx = 0 \Rightarrow \norm{Tx}^2 = \langle x, T^*Tx\rangle = 0 \Rightarrow Tx = 0, dan sebaliknya: sehingga ker⁡T∗T=ker⁡T\ker T^*T = \ker T. Lalu teorema spektralnya menyediakan (en)(e_n) yang ortonormal dengan T∗Ten=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n dan sn>0s_n > 0, yang merentang (ker⁡T)⊥(\ker T)^\perp.

(b) ⟨fm,fn⟩=⟨Tem,Ten⟩smsn=⟨em,T∗Ten⟩smsn=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}. Lalu uraikan x=x0+∑n⟨en,x⟩enx = x_0 + \sum_n\langle e_n, x\rangle e_n dengan x0∈ker⁡Tx_0 \in \ker T (lewat Parseval pada rentang tertutupnya ditambah kernelnya); lalu dengan menerapkan TT yang kontinu:

Tx=∑n⟨en,x⟩ Ten=∑nsn⟨en,x⟩ fn,Tx = \sum_n\langle e_n, x\rangle\,Te_n = \sum_ns_n\langle e_n, x\rangle\,f_n,

dengan deretnya konvergen sebab jumlah parsialnya Cauchy (karena ∥∑N<n≤Msn⟨en,x⟩fn∥2=∑sn2∣⟨en,x⟩∣2\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, yang terdominasi oleh sup⁡n>Nsn2⋅∥x∥2\sup_{n>N}s_n^2\cdot\norm x^2, dan sn→0s_n \to 0).

(c) ∥Tx∥2=∑nsn2∣⟨en,x⟩∣2≤(max⁡sn)2∥x∥2\norm{Tx}^2 = \sum_ns_n^2\abs{\langle e_n, x\rangle}^2 \leq (\max s_n)^2\norm x^2, yang tercapai pada ene_n pemberi maksimumnya: sehingga ∣∣∣T∣∣∣=max⁡sn\vertiii T = \max s_n. Lalu memancung penguraiannya pada rank NN menyisakan operator bernorma sup⁡n>Nsn→0\sup_{n>N}s_n \to 0: yakni hampiran rank berhingga. Sedangkan operator Volterra sama sekali tak bernilai eigen (Latihan 15.7), tetapi V∗VV^*V demikian: sebab V∗Vf(x)=∫x1∫0tf(s)  ⁣ds  ⁣dtV^*Vf(x) = \int_x^1\int_0^tf(s)\,\dd s\,\dd t merupakan operator kernel setangkup positif (berkernel 1−max⁡(x,y)1 - \max(x,y), yakni kernel Green bertipe dawai), yang pasangan eigennya — yang dihitung lewat soal nilai batas −u′′=λ−1u-u'' = \lambda^{-1}u dengan u′(0)=u(1)=0u'(0) = u(1) = 0, yakni keluarga Latihan 15.9 — memberikan nilai singular sn=((n+12)π)−1s_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-1}. Jadi penguraian nilai singularnya hidup pada dua keluarga ortonormal justru karena VV memutar geometri eigennya menjauh: sehingga tanpa vektor eigen, namun berstruktur diagonal sempurna antara dua basis yang berbeda.

15.5 Soal: dawai yang bergetar dan ζ(2)\zeta(2)

Soal 15.1

Soal akhir pekan — operator Green, basis sinus, dan sebuah rumus trace

Kita menyelesaikan soal nilai eigen dawai yang bergetar dengan ujung tetap — yakni −u′′=νu-u'' = \nu u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 — lewat teori operator, memperoleh basis ortonormal sinusnya tanpa perhitungan Fourier apa pun, lalu menilaikan ζ(2)\zeta(2) dengan membandingkan dua ungkapan bagi trace operator Greennya. Definisikan, pada L2([0, 1])L^2(\intcc01),

(Gf)(x)=∫01g(x,y) f(y)  ⁣dy,g(x,y)=min⁡(x,y) (1−max⁡(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).

Bagian I — Operator Greennya.

  1. Tunjukkan bahwa gg kontinu, setangkup, dengan 0≤g≤140 \leq g \leq \frac14, dan bahwa GG bersifat kompak dan swa-adjoin (Contoh 15.3(c)).
  2. Untuk ff yang kontinu, tunjukkan bahwa u=Gfu = Gf bersifat C2\mathcal C^2 dengan

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

    (tulislah u(x)=(1−x)∫0xyf(y) ⁣dy+x∫x1(1−y)f(y) ⁣dyu(x) = (1-x)\int_0^xyf(y)\dd y + x\int_x^1(1-y)f(y)\dd y lalu turunkan dua kali). Sebaliknya, jika u∈C2u \in \mathcal C^2 dengan u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, maka G(−u′′)=uG(-u'') = u: sehingga GG membalikkan operator dawainya.

  3. Tunjukkan ker⁡G={0}\ker G = \{0\} (sebab jika Gf=0Gf = 0 dengan f∈L2f \in L^2: ujilah terhadap φ\varphi yang kontinu, pindahkan GG lewat kesetangkupan/Fubini ke φ\varphi, lalu pakailah lema fundamental Akibat 12.11 — atau regularkanlah), dan bahwa GG merupakan operator positif: yakni ⟨f,Gf⟩≥0\langle f, Gf\rangle \geq 0. (Untuk ff yang kontinu: ⟨f,Gf⟩=∫01(u′)2\langle f, Gf\rangle = \int_0^1 (u')^2 dengan u=Gfu = Gf, lewat pengintegralan parsial; lalu simpulkan lewat kepadatannya.)

Bagian II — Pendiagonalannya: basis sinusnya.

  1. Tunjukkan bahwa fungsi eigen GG bernilai eigen λ≠0\lambda \ne 0 merupakan, sampai skalarnya, solusi −λu′′=u-\lambda u'' = u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 (sebab sebuah fungsi eigen mempunyai wakil yang kontinu — karena GfGf kontinu untuk f∈L2f \in L^2, mengapa? — sehingga ia C2\mathcal C^2 lewat pengangkatan pertanyaan 2).
  2. Selesaikan soal nilai batasnya: bahwa nilai eigen GG adalah λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} (dengan n≥1n \geq 1), dengan fungsi eigen ternormalkan en(x)=2 sin⁡(nπx)e_n(x) = \sqrt2\,\sin(n\pi x); lalu periksalah keortonormalannya lewat pengintegralan langsung sebagai uji kewarasan.
  3. Simpulkan dari Teorema 15.7 dan pertanyaan 3 bahwa (2sin⁡(nπx))n≥1\bigl(\sqrt2\sin(n\pi x)\bigr)_{n\geq1} merupakan basis ortonormal L2([0, 1])L^2(\intcc01) — tanpa Stone–Weierstrass dan tanpa deret Fourier. Lalu uraikan f(x)=x(1−x)f(x) = x(1-x) pada basis ini dan tuliskan Parseval baginya.

Bagian III — Rumus tracenya dan ζ(2)\zeta(2).

  1. Buktikan kedua identitas

    ⟨en,Gen⟩=λndan∑n≥1λn=∫01g(x,x)  ⁣dx.\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n \quad\text{dan}\quad \sum_{n\geq1}\lambda_n = \int_0^1 g(x,x)\,\dd x .

    Untuk yang kedua (yakni rumus tracenya): uraikan g(x,⋅)g(x, \cdot), untuk xx yang tetap, pada basis (en)(e_n) — lalu tunjukkan bahwa koefisiennya adalah λnen(x)\lambda_ne_n(x), sehingga g(x,⋅)=∑nλnen(x) eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n di L2L^2. Di sini sinusnya eksplisit: periksalah secara langsung bahwa ∑nλnen(x)en(y)\sum_n\lambda_ne_n(x)e_n(y) konvergen secara seragam pada bujur sangkarnya (bandingkan dengan ∑2n2π2\sum \frac2{n^2\pi^2}), sehingga jumlahnya kontinu dan, karena beruraian-L2L^2 sama pada yy untuk setiap xx, sama dengan g(x,y)g(x,y) di mana-mana. Lalu tetapkan y=xy = x dan integralkan suku demi suku.

  2. Hitunglah ∫01g(x,x) ⁣dx=∫01x(1−x) ⁣dx=16\int_0^1g(x,x)\dd x = \int_0^1x(1-x)\dd x = \frac16, lalu simpulkan

    ∑n≥11n2π2=16,yakni ζ(2)=π26 :\sum_{n\geq1}\frac{1}{n^2\pi^2} = \frac16, \qquad\text{yakni}\qquad \boxed{\ \zeta(2) = \frac{\pi^2}{6}\ } :

    yakni jumlah Euler dari sebuah trace operator.

  3. Turunkanlah ζ(2)\zeta(2) dengan cara ketiga: terapkan Parseval pada basis sinusnya untuk fungsi konstan 1\mathbf 1, hitunglah ∑n gasal1n2\sum_{n \text{ gasal}}\frac1{n^2}, lalu simpulkan. Lalu bandingkan mekanismenya: dalam arti apakah argumen trace pertanyaan 7–8 merupakan “Parseval yang diterapkan pada seluruh kernelnya sekaligus”?

Bagian IV — Dawainya bergetar.

  1. (Pemisahan variabel, yang disintesiskan) Untuk f∈L2f \in L^2, definisikan

    u(t,x)=∑n≥1  cn cos⁡(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 .

    Tunjukkan bahwa deretnya konvergen di L2([0, 1])L^2(\intcc01) untuk setiap tt, bahwa t↦u(t,⋅)t\mapsto u(t, \cdot) kontinu ke dalam L2L^2, dan bahwa untuk ff pada rentang berhingga banyak ene_n ia menyelesaikan persamaan gelombang ∂t2u=∂x2u\partial_t^2u = \partial_x^2u dengan u(0)=fu(0) = f, ∂tu(0)=0\partial_tu(0) = 0, dan ujung yang tetap. Nilai eigennya n2π2n^2\pi^2 adalah kuadrat frekuensinya: yakni harmonik dawainya — lalu terangkanlah tafsiran musik Teorema 15.7 dalam satu paragraf.

Bagian V — Buah hasil variasinya: metode pangkat, kestabilan Weyl, dan sebuah batas ketat bagi π\pi. Misalkan AA operator swa-adjoin kompak yang positif dengan nilai eigen μ1≥μ2≥⋯>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \cdots > 0 dan vektor eigen ortonormal (un)(u_n); lalu R(x)=⟨x,Ax⟩∥x∥2R(x) = \frac{\langle x, Ax\rangle}{\norm x^2}. Rumus min–maksnya adalah Latihan 15.8; dan di sini kita membelanjakannya.

  1. (Metode pangkat) Untuk x≠0x \neq 0 tulislah mp=∑nμnp∣⟨un,x⟩∣2m_p = \sum_n\mu_n^p\abs{\langle u_n, x\rangle}^2. Tunjukkan mpmp+2≥mp+12m_pm_{p+2} \geq m_{p+1}^2 (lewat Cauchy–Schwarz), lalu turunkan rantainya

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

    lalu buktikan bahwa jika ⟨u1,x⟩≠0\langle u_1, x\rangle \neq 0, maka R(Akx)→μ1R(A^kx) \to \mu_1: sehingga mengiterasikan operatornya pada sembarang vektor generik menghitung nilai eigen puncaknya — yakni metode pangkat analisis numerik, yang tersahihkan.

  2. (Kestabilan Weyl) Untuk A,BA, B yang swa-adjoin kompak dan positif, turunkan dari Latihan 15.8 bahwa

    ∣μn(A)−μn(B)∣  ≤  ∣∣∣A−B∣∣∣untuk setiap n:\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \;\leq\; \vertiii{A - B} \qquad\text{untuk setiap } n :

    sehingga seluruh spektrumnya bersifat Lipschitz-11 dalam norma operatornya — jadi nilai eigen sistem setangkup yang besar dapat dihitung dari hampirannya dengan galat yang terjamin.

  3. Terapkan batas Rayleigh pada GG dengan fungsi uji u(x)=x(1−x)u(x) = x(1-x): selesaikanlah −w′′=u-w'' = u dengan w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0 untuk memperoleh Gu=w=x(1−x)(1+x−x2)12Gu = w = \frac{x(1-x)(1 + x - x^2)}{12}, lalu hitunglah

    ∥u∥22=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},

    lalu simpulkan batas ketatnya 1π2=λ1≥17168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, yakni π≤168/17<3.1437\pi \leq \sqrt{168/17} < 3.1437.

  4. Satu langkah rantai pertanyaan 11, pada fungsi uji yang sama: dengan memakai ∫01(x−x2)4 ⁣dx=1630\int_0^1(x - x^2)^4\dd x = \frac1{630}, hitunglah

    ∥Gu∥22=1144(130+2140+1630)=3190720,⟨Gu,Gu⟩⟨u,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},

    lalu simpulkan π≤306/31<3.1419\pi \leq \sqrt{306/31} < 3.1419: yakni dua integral, empat angka yang benar. (Setiap iterasi berikutnya kira-kira mengkuadratkan ketelitiannya: sebab jurang vektor eigennya λ1/λ2=4\lambda_1/\lambda_2 = 4 menggerakkan kekonvergenan geometrinya.)

Bagian VI — Jejak G2G^2, dan ζ(4)\zeta(4).

  1. Tunjukkan bahwa ∑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 (uraikan gg pada basis hasil kalinya (em(x)en(y))m,n(e_m(x)e_n(y))_{m,n} dari L2([0, 1]2)L^2(\intcc01^2) — yakni sebuah basis Hilbert, bandingkan Latihan 15.5 — lalu terapkan Parseval pada bujur sangkarnya; sedangkan pertanyaan 7 mengenali koefisiennya).
  2. Hitunglah integral rangkapnya:

    ∬g2=2∫01(1−x)2(∫0xy2  ⁣dy) ⁣dx=23∫01x3(1−x)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. Simpulkan ζ(4)=π490\zeta(4) = \dfrac{\pi^4}{90}; lalu terangkan, tanpa perhitungan, bagaimana trace pangkat yang lebih tinggi GkG^k menghasilkan ζ(2k)∈π2k Q\zeta(2k) \in \pi^{2k}\,\Q untuk setiap k≥1k \geq 1, dan mengapa nilai gasalnya ζ(3),ζ(5),…\zeta(3), \zeta(5), \dots secara struktural berada di luar jangkauan mesin ini.
  4. (π\pi dari bawah) Dari λ12≤∑nλn2=190\lambda_1^2 \leq \sum_n\lambda_n^2 = \frac1{90} turunkan π≥901/4>3.080\pi \geq 90^{1/4} > 3.080, lalu rakitlah bersama pertanyaan 14 putusan dua sisinya

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

    yang diperoleh sepenuhnya dari aritmetika dawai yang bergetar. Sisi mana yang konvergen lebih cepat bila orang memakai trace yang lebih tinggi (tr⁡G2k)−1/4k(\operatorname{tr}G^{2k})^{-1/4k}, dan mengapa?

Bagian VII — Penggerakan dan resonansi. Tetapkan ν∈R\nu \in \R lalu tinjaulah dawai yang digerakkan −u′′−νu=f-u'' - \nu u = f, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, dengan f∈L2f \in L^2 dan cn=⟨en,f⟩c_n = \langle e_n, f\rangle.

  1. Andaikan ν∉{n2π2:n≥1}\nu \notin \{n^2\pi^2 : n \geq 1\}. Tunjukkan bahwa

    u=∑n≥1cnn2π2−ν enu = \sum_{n\geq1}\frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu}\,e_n

    konvergen di L2L^2 dan secara seragam pada [0, 1]\intcc01 (lewat Cauchy–Schwarz antara (cn)(c_n) dan ekor ∑n−4\sum n^{-4}, dengan ∥en∥∞=2\norm{e_n}_\infty = \sqrt2), dan bahwa ia memenuhi u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu — yakni bentuk berkoordinat eksplisit alternatif Fredholm (Teorema 15.8), beserta ketunggalannya.

  2. Andaikan ν=m2π2\nu = m^2\pi^2. Tunjukkan bahwa u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu bersolusi jika dan hanya jika cm=0c_m = 0, dan tunggal sampai penambahan kelipatan eme_m. Bacaan fisikanya: yakni mendorong ayunan tepat pada frekuensinya sendiri.
  3. Untuk ν<π2\nu < \pi^2, tunjukkan bahwa operator solusinya Rν ⁣:f↦uR_\nu\colon f \mapsto u terbatas pada L2L^2 dengan norma 1π2−ν\frac1{\pi^2 - \nu}, kompak, swa-adjoin, dan positif: sehingga seluruh analisis spektralnya berulang, tergeser sejauh ν\nu.
  4. (Sintesis) Susunlah kamus soal ini: nilai eigen ↔\leftrightarrow kuadrat frekuensi (harmonik); trace ↔\leftrightarrow ζ(2)\zeta(2); norma Hilbert–Schmidt ↔\leftrightarrow ζ(4)\zeta(4); alternatif Fredholm ↔\leftrightarrow resonansi; min–maks ↔\leftrightarrow batas variasi (dengan π<3.1437\pi < 3.1437 dari satu polinomial). Yakni satu operator integral, lima bab analisis yang diuangkan.

Bagian VIII — Tiga gema terakhir.

  1. (ζ(6)\zeta(6), secara cuma-cuma) Identitas Parseval pertanyaan 6 memberikan ∑n gasaln−6=π6960\sum_{n\text{ gasal}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}. Pisahkan ζ(6)\zeta(6) menurut nn yang gasal dan genap lalu simpulkan

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

    tanpa integral baru: sebab mesin pertanyaan 17 (yakni trace G3G^3) akan menghasilkan nilai yang sama dengan biaya sebuah kernel teriterasi — jadi Parseval pada satu fungsi yang terpilih baik adalah jalur yang lebih murah di sini.

  2. (Keadaan dasarnya positif) Misalkan AA operator swa-adjoin kompak positif pada L2([0, 1])L^2(\intcc01) yang diberikan oleh kernel setangkup kontinu k>0k > 0 pada (0, 1)2\intoo01^2, bernilai eigen terbesar μ1\mu_1. Tunjukkan bahwa: (a) sembarang pemberi maksimum hasil bagi Rayleighnya merupakan fungsi eigen-μ1\mu_1; (b) jika uu salah satunya, maka ⟨∣u∣,A∣u∣⟩≥⟨u,Au⟩\langle\abs u, A\abs u\rangle \geq \langle u, Au\rangle, dengan ketaksamaan sejati jika uu bertanda dua-duanya pada himpunan berukuran positif — sehingga uu bertanda tetap hampir di mana-mana, dan u=μ1−1Auu = \mu_1^{-1}Au tak pernah lenyap pada (0, 1)\intoo01; (c) μ1\mu_1 merupakan nilai eigen yang sederhana. Lalu periksalah setiap klaimnya pada GG: sebab e1=2sin⁡(πx)>0e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) > 0, dan setiap ene_n dengan n≥2n \geq 2, karena ortogonal terhadap e1e_1, haruslah berganti tanda (dan memang: sebab ia berakar n−1n - 1 kali di interiornya).
  3. (Jarak ke spektrumnya, dan harga resonansinya) Untuk ν∉{n2π2}\nu \notin \{n^2\pi^2\}, tunjukkan bahwa operator solusi RνR_\nu pada pertanyaan 19 bersifat terbatas, swa-adjoin, kompak, dengan

    ∣∣∣Rν∣∣∣=1min⁡n≥1 ∣n2π2−ν∣=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)},

    dengan normanya tercapai pada ragam yang terdekat. Lalu ukurlah ayunan pertanyaan 20: sebab menggerakkannya dengan f=e1f = e_1 pada ν=(1−ε)π2\nu = (1 - \varepsilon)\pi^2 menghasilkan u=1επ2 e1u = \frac{1}{\varepsilon\pi^2}\,e_1, yakni penguatan sebesar 1ε\frac1\varepsilon atas tanggapan statisnya Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1 — sehingga pada satu persen di bawah nada dasarnya (yakni ε=10−2\varepsilon = 10^{-2}), dawainya menjawab seratus kali lebih keras.

Solusi

Solusi Soal 15.1.

1. Kekontinuannya: sebab min⁡\min dan max⁡\max kontinu; kesetangkupannya: sebab menukar x,yx, y tak menukar min⁡(x,y)\min(x,y) maupun 1−max⁡(x,y)1 - \max(x,y). Batasnya: 0≤g0 \leq g, dan batas bertipe g(x,y)≤max⁡⋅(1−max⁡)g(x,y) \leq \max\cdot(1-\max) memberikan g≤14g \leq \frac14 (sebab untuk u=max⁡u = \max: min⁡≤u\min \leq u sehingga g≤u(1−u)≤14g \leq u(1-u) \leq \frac14). Lalu g∈L2(□)g \in L^2(\square): jadi Hilbert–Schmidt, sehingga GG kompak (Latihan 15.4); dan kernelnya real setangkup: sehingga GG swa-adjoin.

2. Dengan memisahkannya di y=xy = x:

u(x)=(1−x)∫0xy f(y)  ⁣dy+x∫x1(1−y) 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 .

Untuk ff yang kontinu, turunkanlah (lewat aturan hasil kali dan teorema fundamentalnya):

u′(x)=−∫0xyf+∫x1(1−y)f(sebab suku batasnya saling meniadakan),u'(x) = -\int_0^xyf + \int_x^1(1-y)f \qquad\text{(sebab suku batasnya saling meniadakan)},

dan u′′(x)=−xf(x)−(1−x)f(x)=−f(x)u''(x) = -xf(x) - (1 - x)f(x) = -f(x); sedangkan jelaslah u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0. Sebaliknya jika u∈C2u \in \mathcal C^2 lenyap di kedua ujungnya, maka w=u−G(−u′′)w = u - G(-u'') memenuhi w′′=0w'' = 0 dengan w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0: sehingga ww afin dan lenyap dua kali, jadi w=0w = 0.

3. Misalkan Gf=0Gf = 0 dengan f∈L2f \in L^2. Untuk ψ∈Cc∞((0, 1))\psi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo01): ψ=G(−ψ′′)\psi = G(-\psi'') menurut pertanyaan 2, sehingga

⟨f,ψ⟩=⟨f,G(−ψ′′)⟩=⟨Gf,−ψ′′⟩=0\langle f, \psi\rangle = \langle f, G(-\psi'')\rangle = \langle Gf, -\psi''\rangle = 0

(sebab GG swa-adjoin): sehingga menurut lema fundamentalnya (Akibat 12.11), f=0f = 0 hampir di mana-mana. Untuk kepositifannya: bagi ff yang kontinu, dengan u=Gfu = Gf,

⟨f,Gf⟩=∫01fu=∫01(−u′′)u=[−u′u]01+∫01(u′)2=∫01(u′)2≥0;\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 ;

sedangkan untuk f∈L2f \in L^2, hampirilah di L2L^2 oleh fnf_n yang kontinu: maka kedua ruasnya beralih ke limitnya (sebab GG terbatas).

4. Jika Gu=λuGu = \lambda u dengan λ≠0\lambda \neq 0: maka GuGu kontinu (sebab ∣Gu(x)−Gu(x′)∣≤∥g(x,⋅)−g(x′,⋅)∥2∥u∥2\abs{Gu(x) - Gu(x')} \leq \norm{g(x,\cdot) - g(x',\cdot)}_2\norm u_2, dan kernelnya kontinu seragam), sehingga uu mempunyai wakil yang kontinu; lalu rumus pertanyaan 2 menunjukkan Gu∈C2Gu \in \mathcal C^2, sehingga u=1λGu∈C2u = \frac1\lambda Gu \in \mathcal C^2 dengan −λu′′=−(Gu)′′=u-\lambda u'' = -(Gu)'' = u dan u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0.

5. Dari −λu′′=u-\lambda u'' = u dengan u(0)=0u(0) = 0: u=Asin⁡(x/λ)u = A\sin(x/\sqrt \lambda) (dengan λ\lambda yang positif: sebab menurut pertanyaan 3, λ=⟨u,Gu⟩/∥u∥2>0\lambda = \langle u, Gu\rangle/\norm u^2 > 0 pada vektor eigennya). Lalu u(1)=0u(1) = 0 memaksa 1λ=nπ\frac1{\sqrt\lambda} = n\pi: sehingga λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}, dengan fungsi eigen sin⁡(nπx)\sin(n\pi x), yang ternormalkan en=2sin⁡(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x) (sebab ∫012sin⁡2(nπx) ⁣dx=1\int_0^12\sin^2(n\pi x)\dd x = 1). Untuk pemeriksaan keortogonalannya: 2sin⁡(mπx)sin⁡(nπx)=cos⁡((m−n)πx)−cos⁡((m+n)πx)2\sin(m\pi x)\sin(n\pi x) = \cos((m-n)\pi x) - \cos((m+n)\pi x) berintegral 00 untuk m≠nm \neq n.

6. Karena ker⁡G={0}\ker G = \{0\} (pertanyaan 3), maka Teorema 15.7(1) memberikan H=Vect⁡‾(en)H = \overline{\operatorname{Vect}}(e_n): sehingga sinusnya merupakan basis Hilbert L2([0, 1])L^2(\intcc01). Untuk f(x)=x(1−x)f(x) = x(1 - x):

cn=2∫01x(1−x)sin⁡(nπx)  ⁣dx=2  2(1−(−1)n)n3π3={42n3π3n gasal,0n genap,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{ gasal},\\ 0 & n \text{ genap},\end{cases}

(lewat dua kali pengintegralan parsial). Lalu Parseval: ∫01x2(1−x)2 ⁣dx=130=∑n gasal32n6π6\int_0^1x^2(1-x)^2\dd x = \frac1{30} = \sum_{n \text{ gasal}}\frac{32}{n^6\pi^6}, yakni ∑n gasaln−6=π6960\sum_{n\text{ gasal}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}.

7. Berlaku ⟨en,Gen⟩=λn∥en∥2=λn\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n\norm{e_n}^2 = \lambda_n. Untuk xx yang tetap, koefisien 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), sehingga g(x,⋅)=∑nλnen(x) eng(x,\cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n di L2L^2. Sedangkan deret eksplisitnya ∑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} konvergen secara normal pada bujur sangkarnya (sebab ∣sukunya∣≤2n2π2\abs{\text{sukunya}} \leq \frac2{n^2\pi^2}): sehingga jumlahnya kontinu, dan untuk setiap xx ia berkoefisien L2( ⁣dy)L^2(\dd y) sama dengan g(x,⋅)g(x, \cdot): jadi kedua fungsi kontinunya bersesuaian untuk setiap (x,y)(x, y). Lalu dengan menetapkan y=xy = x dan mengintegralkannya (sebab kekonvergenan normalnya mengizinkan pengintegralan yang suku demi suku):

∫01g(x,x)  ⁣dx=∑nλn∫01en(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. Berlaku ∫01g(x,x) ⁣dx=∫01x(1−x) ⁣dx=16\int_0^1g(x,x)\dd x = \int_0^1x(1 - x)\dd x = \frac16, sehingga ∑n≥11n2π2=16\sum_{n\geq1}\frac1{n^2\pi^2} = \frac16:

ζ(2)=∑n≥11n2=π26.\zeta(2) = \sum_{n\geq1}\frac1{n^2} = \frac{\pi^2}6 .

9. Untuk f=1f = \mathbf 1: cn=2∫01sin⁡(nπx) ⁣dx=2 1−(−1)nnπc_n = \sqrt2\int_0^1\sin(n\pi x)\dd x = \sqrt2\,\frac{1 - (-1)^n}{n\pi}: sehingga cn=22nπc_n = \frac{2\sqrt2}{n\pi} untuk nn yang gasal, dan 00 untuk yang genap. Lalu Parseval: 1=∑n gasal8n2π21 = \sum_{n\text{ gasal}}\frac{8}{n^2\pi^2}, sehingga ∑n gasaln−2=π28\sum_{n\text{ gasal}}n^{-2} = \frac{\pi^2}8, dan ζ(2)=π28⋅11−14=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}8\cdot\frac{1}{1 - \frac14} = \frac{\pi^2}6 (sebab suku genapnya adalah 14ζ(2)\frac14\zeta(2)). Perbandingannya: Parseval untuk satu ff menjumlahkan ∣⟨en,f⟩∣2\abs{\langle e_n, f\rangle}^2; sedangkan rumus tracenya mengintegralkan diagonal kernelnya, yang setara dengan menjumlahkan Parseval atas seluruh keluarga ortonormalnya sekaligus — ∑n⟨en,Gen⟩\sum_n\langle e_n, Ge_n\rangle — sehingga ia buta terhadap pilihan fungsi uji tertentu mana pun.

10. Berlaku ∣cncos⁡(nπt)∣≤∣cn∣\abs{c_n\cos(n\pi t)} \leq \abs{c_n} dengan ∑∣cn∣2<∞\sum\abs{c_n}^2 < \infty: sehingga untuk setiap tt deretnya konvergen di L2L^2 (lewat uraian ortonormalnya, Teorema 13.7(3)); sedangkan batas ekornya ∥u(t)−uN(t)∥22≤∑n>N∣cn∣2\norm{u(t) - u_N(t)}_2^2 \leq \sum_{n>N}\abs{c_n}^2 bersifat seragam terhadap tt, dan setiap jumlah parsialnya kontinu terhadap tt (sebab berupa berhingga banyak kosinus): jadi t↦u(t,⋅)t \mapsto u(t,\cdot) kontinu ke dalam L2L^2. Untuk f=∑n≤Ncnenf = \sum_{n\leq N}c_ne_n: setiap ragamnya cos⁡(nπt)sin⁡(nπx)\cos(n\pi t)\sin(n\pi x) memenuhi ∂t2=−n2π2=∂x2\partial_t^2 = -n^2\pi^2 = \partial_x^2 yang diterapkan padanya, lenyap di x=0,1x = 0, 1, bernilai sin⁡(nπx)\sin(n\pi x) dan berturunan waktu 00 di t=0t = 0: sehingga jumlah berhingganya menyelesaikan segalanya. Secara musik: gerak dawainya merupakan tumpangan gelombang tegak ene_n, yang frekuensinya nπn\pi adalah nada dasar dan nada atasnya; sedangkan teorema spektralnya mengatakan bahwa setiap bentuk awal terurai secara tunggal menjadi nada murni ini, dengan koefisien cnc_n sebagai warna suaranya. Jadi mendengar dawai adalah menghitung uraian ortonormal.

11. Dengan an=∣⟨un,x⟩∣2a_n = \abs{\langle u_n, x\rangle}^2: mp+1=∑nμnp+1an=∑n(μnp/2an)(μnp/2+1an)≤mp mp+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}} (lewat Cauchy–Schwarz di ℓ2\ell^2). Karena itu nisbah mp+1/mpm_{p+1}/m_p bersifat tak turun terhadap pp; lalu karena R(x)=m1m0R(x) = \frac{m_1}{m_0}, ⟨Ax,Ax⟩⟨x,Ax⟩=m2m1\frac{\langle Ax, Ax\rangle} {\langle x, Ax\rangle} = \frac{m_2}{m_1} dan R(Ax)=m3m2R(Ax) = \frac{m_3}{m_2}, rantainya menyusul, dengan setiap sukunya ≤μ1\leq \mu_1 sebab mp+1≤μ1mpm_{p+1} \leq \mu_1m_p suku demi suku. Untuk kekonvergenannya: jika a1>0a_1 > 0 (dengan menulis bobot total nilai eigen puncaknya sebagai a1a_1), maka

μ1≥R(Akx)=m2k+1m2k=μ1 a1+∑μn<μ1(μn/μ1)2k+1ana1+∑μn<μ1(μn/μ1)2kan⟶μ1,\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,

lewat kekonvergenan terdominasi jumlahnya (sebab nisbahnya <1< 1): sehingga metode pangkatnya konvergen untuk setiap vektor awal yang tak ortogonal terhadap ruang eigen puncaknya.

12. Secara titik demi titik, ∣⟨x,(A−B)x⟩∣≤∣∣∣A−B∣∣∣ ∥x∥2\abs{\langle x, (A - B)x\rangle} \leq \vertiii{A - B}\,\norm x^2, sehingga RA(x)≤RB(x)+∣∣∣A−B∣∣∣R_A(x) \leq R_B(x) + \vertiii{A - B} untuk setiap xx. Lalu memasukkan ini ke rumus maks–min Latihan 15.8: μn(A)≤μn(B)+∣∣∣A−B∣∣∣\mu_n(A) \leq \mu_n(B) + \vertiii{A - B}, dan secara setangkup pada A,BA, B: sehingga ∣μn(A)−μn(B)∣≤∣∣∣A−B∣∣∣\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \leq \vertiii{A - B} untuk setiap nn sekaligus.

13. Persamaan −w′′=x−x2-w'' = x - x^2 terintegralkan menjadi w=−x36+x412+cxw = -\frac{x^3}6 + \frac{x^4}{12} + cx (dengan w(0)=0w(0) = 0), dan w(1)=0w(1) = 0 memberikan c=112c = \frac1{12}:

w=x4−2x3+x12=x(1−x)(1+x−x2)12=Gu.w = \frac{x^4 - 2x^3 + x}{12} = \frac{x(1-x)(1 + x - x^2)}{12} = Gu .

Lalu ∥u∥22=∫01x2(1−x)2=130\norm u_2^2 = \int_0^1x^2(1-x)^2 = \frac1{30}, dan dengan ∫01x3(1−x)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} .

Jadi 1π2=λ1≥17168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, yakni π2≤16817=9.8824\pi^2 \leq \frac{168}{17} = 9.8824: sehingga π≤3.14364<3.1437\pi \leq 3.14364 < 3.1437 (dengan nilai sejatinya π2=9.8696\pi^2 = 9.8696). Yakni sebuah polinomial, sebuah integral, sebuah angka.

14. Tulis u=x−x2u = x - x^2, sehingga Gu=u(1+u)12Gu = \frac{u(1 + u)}{12} dan, dengan memakai ∫u2=130\int u^2 = \frac1{30}, ∫u3=1140\int u^3 = \frac1{140}, dan ∫u4=B(5,5)=4! 4!9!=1630\int u^4 = B(5,5) = \frac{4!\,4!}{9!} = \frac1{630}:

∥Gu∥22=1144∫u2(1+u)2=1144(130+2140+1630)=1144⋅621260=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} .

Karena itu ⟨Gu,Gu⟩⟨u,Gu⟩=31/9072017/5040=31306\frac{\langle Gu, Gu\rangle}{\langle u, Gu\rangle} = \frac{31/90720}{17/5040} = \frac{31}{306}, dan menurut pertanyaan 11 ini tetap ≤μ1=1π2\leq \mu_1 = \frac1{\pi^2}: sehingga π2≤30631=9.87097\pi^2 \leq \frac{306}{31} = 9.87097, yakni π≤3.14181<3.1419\pi \leq 3.14181 < 3.1419 — yakni empat angka (dan iterasi berikutnya akan memberikan sekitar delapan, sebab galatnya mengerut sebesar (λ2/λ1)2=116(\lambda_2/\lambda_1)^2 = \frac1{16} setiap langkah).

15. Keluarga (em⊗en)(x,y)=em(x)en(y)(e_m \otimes e_n)(x,y) = e_m(x)e_n(y) merupakan basis Hilbert L2([0, 1]2)L^2(\intcc01^2) (dengan keortonormalannya lewat Tonelli; dan ketotalannya seperti pada Latihan 15.5). Menurut pertanyaan 7, untuk xx yang tetap: g(x,⋅)=∑nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)e_n, sehingga koefisien gg pada em⊗ene_m\otimes e_n adalah

⟨em⊗en, g⟩=∫01em(x) λnen(x)  ⁣dx=λn δmn.\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} .

Lalu Parseval pada bujur sangkarnya:

∬g2=∑m,n∣⟨em⊗en,g⟩∣2=∑nλn2.\iint g^2 = \sum_{m,n}\abs{\langle e_m\otimes e_n, g\rangle}^2 = \sum_n\lambda_n^2 .

16. Menurut kesetangkupan gg,

∬g2=2∬y<xy2(1−x)2=2∫01(1−x)2 x33  ⁣dx=23 B(4,3)=23⋅3! 2!6!=23⋅160=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. Digabungkan: ∑n1n4π4=190\sum_n\frac1{n^4\pi^4} = \frac1{90}, yakni ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}. Secara umum, tr⁡(Gk)=∑λnk=ζ(2k)π2k\operatorname{tr}(G^k) = \sum\lambda_n^k = \frac{\zeta(2k)}{\pi^{2k}} sama dengan sebuah integral teriterasi atas hasil kali kernel polinomial rasional gg pada kubus-kk: yakni sebuah bilangan rasional. Karena itu ζ(2k)∈π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\Q untuk setiap kk. Mesinnya hanya mencapai argumen genap sebab nilai eigennya masuk lewat pangkatnya — yakni ∑λnk\sum\lambda_n^k — dan λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}: sehingga tak ada gabungan trace yang menghasilkan ∑n−3\sum n^{-3}; sedangkan sifat aritmetika ζ(3)\zeta(3) (yang irasional menurut Apéry, dengan ketranssendenannya masih terbuka) terletak di luar pembukuan spektralnya.

18. Suku puncak sebuah jumlah bersuku positif bernilai paling banyak jumlahnya: λ12≤∑λn2=190\lambda_1^2 \leq \sum\lambda_n^2 = \frac1{90}, sehingga 1π2≤190\frac1{\pi^2} \leq \frac1{\sqrt{90}} dan π≥901/4=3.0801…\pi \geq 90^{1/4} = 3.0801\ldots Bersama pertanyaan 14: 3.080<π<3.14193.080 < \pi < 3.1419, lewat aritmetika dawai belaka. Sedangkan trace yang lebih tinggi menajamkan batas bawahnya secara geometri: λ1≤(tr⁡G2k)1/2k=λ1(1+∑n≥2(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}, dan faktor parasitnya mati secepat (14)2k⋅12k\bigl(\tfrac14\bigr)^{2k}\cdot\frac1{2k} — yakni mekanisme jurang spektral yang sama seperti kekonvergenan metode pangkat (pertanyaan 11), yang dilihat dari sisi tracenya.

19. Berlaku ∣n2π2−ν∣≥δ>0\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \delta > 0 untuk setiap nn (sebab barisan n2π2→∞n^2\pi^2 \to \infty menghindari ν\nu dengan sebuah selisih), dan ∣n2π2−ν∣≥n2π22\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \frac{n^2\pi^2}2 untuk nn yang besar. Untuk kekonvergenan L2L^2-nya: koefisiennya cnn2π2−ν\frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu} terjumlahkan kuadrat (sebab terdominasi oleh ∣cn∣δ\frac{\abs{c_n}}\delta). Untuk kekonvergenan seragamnya: norma sup ekornya terbatas oleh 2∑n>N∣cn∣∣n2π2−ν∣≤22π2(∑∣cn∣2)1/2(∑n>Nn−4)1/2→0\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 (lewat Cauchy–Schwarz). Untuk pemeriksaannya: Gf+νGuGf + \nu Gu berkoefisien-ene_n

λncn+νλncnn2π2−ν=cnn2π2(1+νn2π2−ν)=cnn2π2−ν:\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} :

yakni tepat koefisien uu, sehingga u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu; sedangkan ketunggalannya sebab selisih vv dua solusinya memenuhi v=νGvv = \nu Gv, yakni ⟨en,v⟩(n2π2−ν)=0\langle e_n, v\rangle(n^2\pi^2 - \nu) = 0 untuk setiap nn: jadi v=0v = 0.

20. Seperti pada pertanyaan 19, persamaan u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu setara dengan keluarga persamaan koefisiennya (n2π2−ν) ⟨en,u⟩=cn(n^2\pi^2 - \nu)\,\langle e_n, u\rangle = c_n dengan n≥1n \geq 1. Untuk n=mn = m ruas kirinya adalah 00: sehingga keterselesaiannya memaksa cm=0c_m = 0, dan lalu ⟨em,u⟩\langle e_m, u\rangle bebas sedangkan semua koefisien lainnya tertentukan: jadi solusinya membentuk garis u0+Remu_0 + \R e_m. Untuk resonansinya: sebuah penggerak yang berkomponen pada ragam eigennya memompakan energi ke dalamnya tanpa batas — yakni ayunan yang didorong pada frekuensinya sendiri.

21. Dari rumus pertanyaan 19, ∥Rνf∥22=∑∣cn∣2(n2π2−ν)2≤∥f∥2(π2−ν)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} (sebab untuk ν<π2\nu < \pi^2 nilai eigen terdekatnya adalah π2\pi^2), dengan kesamaannya didekati pada f=e1f = e_1: sehingga norma operatornya 1π2−ν\frac1{\pi^2 - \nu}. Untuk kekompakannya: RνR_\nu merupakan limit norma pancungan rank berhingganya (sebab koefisien ekornya 1n2π2−ν→0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} \to 0); sedangkan keswa-adjoinan dan kepositifannya terbaca dari bentuk diagonalnya (sebab semua koefisiennya 1n2π2−ν>0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} > 0). Jadi RνR_\nu bernilai eigen 1n2π2−ν\frac1{n^2\pi^2 - \nu}: sehingga analisis Bagian I–VI berulang kata demi kata.

22. Kamusnya: nilai eigen λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} ↔\leftrightarrow kuadrat frekuensi n2π2n^2\pi^2 harmonik ke-nn; trace ∑λn=16\sum \lambda_n = \frac16 ↔\leftrightarrow ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6; norma Hilbert–Schmidt ∬g2=190\iint g^2 = \frac1{90} ↔\leftrightarrow ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}; alternatif Fredholm ↔\leftrightarrow resonansi dawai yang digerakkan; min–maks ↔\leftrightarrow taksiran variasi, sampai π<3.1437\pi < 3.1437 dari satu polinomial. Di balik setiap pasangannya, objek yang sama: yakni satu operator swa-adjoin kompak, yang didiagonalkan sekali lalu dieksploitasi lima cara.

23. Dengan memisahkannya menurut paritas lalu menyubstitusikan n=2mn = 2m pada bagian genapnya,

ζ(6)=∑n gasal1n6+∑m≥11(2m)6=π6960+ζ(6)64,\zeta(6) = \sum_{n\text{ gasal}}\frac1{n^6} + \sum_{m\geq1}\frac1{(2m)^6} = \frac{\pi^6}{960} + \frac{\zeta(6)}{64},

sehingga 6364ζ(6)=π6960\frac{63}{64}\zeta(6) = \frac{\pi^6}{960} dan ζ(6)=64 π663⋅960=π6945\zeta(6) = \frac{64\,\pi^6}{63\cdot960} = \frac{\pi^6}{945}. Sedangkan jalur tracenya akan menghitung tr⁡G3=∑λn3=ζ(6)/π6\operatorname{tr}G^3 = \sum\lambda_n^3 = \zeta(6)/\pi^6 sebagai ∬g g2\iint g\,g_2 dengan kernel teriterasi g2(x,y)=∫01g(x,z)g(z,y) ⁣dzg_2(x,y) = \int_0^1g(x,z)g(z,y)\dd z — yakni tiga pengintegralan polinomial sepenggal-sepenggal; padahal Parseval pada x(1−x)x(1-x) hanya memerlukan satu.

24. (a) Diagonalkanlah: v=∑nanunv = \sum_na_nu_n (ditambah sebuah komponen kernel yang mungkin, yang ⟨v,Av⟩\langle v, Av\rangle-nya tak memperoleh apa pun sedangkan ∥v∥2\norm v^2-nya tumbuh, sehingga pemberi maksimumnya tak memilikinya). Maka ⟨v,Av⟩=∑μnan2≤μ1∑an2\langle v, Av\rangle = \sum\mu_na_n^2 \leq \mu_1\sum a_n^2, dengan kesamaannya jika dan hanya jika an=0a_n = 0 setiap kali μn<μ1\mu_n < \mu_1: sehingga pemberi maksimumnya terletak di ruang eigen-μ1\mu_1. (b) Untuk sembarang uu,

⟨∣u∣,A∣u∣⟩−⟨u,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,

sebab integrannya tak negatif di setiap titiknya. Jika P={u>0}P = \{u > 0\} dan N={u<0}N = \{u < 0\} keduanya berukuran positif, maka pada P×NP\times N integrannya sama dengan 2k∣u(x)∣∣u(y)∣>02k\abs{u(x)}\abs{u(y)} > 0 pada himpunan berukuran positif: sehingga ketaksamaannya sejati. Sedangkan sebuah fungsi eigen-μ1\mu_1 uu memaksimumkan hasil bagi Rayleighnya, dan ∣u∣\abs u bernorma sama, sehingga kesejatiannya akan menampilkan R(∣u∣)>μ1R(\abs u) > \mu_1 — yang mustahil; jadi uu bertanda tetap hampir di mana-mana, katakanlah u≥0u \geq 0. Lalu u(x)=μ1−1(Au)(x)=μ1−1∫k(x,y)u(y) ⁣dy>0u(x) = \mu_1^{-1}(Au)(x) = \mu_1^{-1}\int k(x,y)u(y)\dd y > 0 untuk setiap x∈(0, 1)x \in \intoo01 (sebab k(x,⋅)>0k(x,\cdot) > 0 dan u≠0u \neq 0). (c) Jika ruang eigennya berdimensi ≥2\geq 2, ia akan memuat dua fungsi eigen yang ortogonal u,vu, v, yang masing-masing bertanda tetap dan tak lenyap di interiornya menurut (b); tetapi lalu ∣⟨u,v⟩∣=∫∣u∣ ∣v∣>0\abs{\langle u, v\rangle} = \int\abs u\,\abs v > 0 — yang bertentangan. Pada dawainya: k=g>0k = g > 0 pada bujur sangkar terbukanya, μ1=λ1=1π2\mu_1 = \lambda_1 = \frac1{\pi^2} memang sederhana, dan e1=2sin⁡(πx)e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) positif pada (0, 1)\intoo01; sedangkan setiap en=2sin⁡(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x) dengan n≥2n \geq 2, yang ortogonal terhadap e1e_1 yang positif, haruslah berintegral nol terhadapnya, sehingga berganti tanda — seperti dibenarkan n−1n - 1 akar interiornya kn\frac kn.

25. Karena n2π2→∞n^2\pi^2 \to \infty, minimumnya d=min⁡n∣n2π2−ν∣d = \min_n\abs{n^2\pi^2 - \nu} tercapai, pada suatu ragam mm, dan d>0d > 0 sebab ν\nu menghindari spektrumnya. Lalu rumus diagonal pertanyaan 19 memberikan

∥Rνf∥22=∑n∣cn∣2(n2π2−ν)2≤1d2 ∥f∥22,\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,

dengan kesamaannya untuk f=emf = e_m: sehingga ∣∣∣Rν∣∣∣=1d\vertiii{R_\nu} = \frac1d, yakni kebalikan jarak dari ν\nu ke spektrumnya — yaitu asas resolven umumnya, di sini dalam koordinat yang eksplisit. Keswa-adjoinannya terbaca dari koefisien diagonalnya yang real; sedangkan kekompakannya menyusul seperti pada pertanyaan 21 (sebab koefisiennya menuju 00, sehingga pancungan rank berhingganya konvergen dalam norma). Untuk harga resonansinya: bagi f=e1f = e_1 dan ν=(1−ε)π2\nu = (1-\varepsilon)\pi^2, rumusnya memberikan u=c1π2−νe1=1επ2e1u = \frac{c_1}{\pi^2 - \nu}e_1 = \frac1{\varepsilon\pi^2}e_1, terhadap tanggapan statisnya Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1: yakni penguatan sebesar 1ε\frac1\varepsilon. Pada ε=10−2\varepsilon = 10^{-2} tanggapannya 100100 kali tanggapan statisnya — dan ia divergen saat ε→0\varepsilon \to 0, yang merupakan alternatif pertanyaan 20 yang dilihat dari sisi terbatasnya: sehingga makin dekat frekuensi penggeraknya ke frekuensi alaminya, makin tak terbatas balikannya.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium