Mathematics · Boek 5 · Bachelor Year 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3

15Compacte operatoren en de spectraalstelling

Diagonaliseren is het kroonjuweel van de eindigdimensionale lineaire algebra: een symmetrische matrix heeft een orthonormale basis van eigenvectoren. In oneindige dimensie faalt dat voor begrensde zelftoegevoegde operatoren in het algemeen — vermenigvuldiging met xx op L2([0,1])L^2(\intcc01) heeft helemaal geen eigenwaarden (Oefening 15.6) — maar het overleeft, in volmaakte vorm, voor de operatoren die bijna eindigdimensionaal zijn: de compacte. De spectraalstelling voor compacte zelftoegevoegde operatoren is de meest gebruikte stelling van de toegepaste functionaalanalyse: ze diagonaliseert integraalvergelijkingen, drijft het alternatief van Fredholm aan en lost (in de weekendopgave) de trillende snaar op, waarbij ze de sinusbasis van de fourieranalyse uit pure operatortheorie voortbrengt — met Eulers ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 als afscheidsgeschenk uit een spoorformule. Overal is HH een hilbertruimte over C\C (of R\R; de uitspraken passen zich aan), en zijn de operatoren begrensd.

15.1 Compacte operatoren

Definitie 15.1

TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F) (E,FE, F banach) heet compact als het beeld T(B)T(B) van de eenheidsbal relatief compact is in FF — gelijkwaardig: als elke begrensde rij (xn)(x_n) een deelrij heeft waarvoor (Txnk)(Tx_{n_k}) convergeert. Operatoren van eindige rang zijn compact (begrensde verzamelingen in eindige dimensie); de identiteit van een oneindigdimensionale ruimte is dat nooit (de stelling van Riesz, volume van bachelorjaar 2).

Propositie 15.2

De compacte operatoren K(E,F)\mathcal K(E, F) vormen een gesloten deelruimte van L(E,F)\mathcal L(E, F) en een tweezijdig ideaal: is SS compact, dan zijn ASAS en SBSB compact voor begrensde A,BA, B. Bovendien is in een hilbertruimte elke compacte operator een limiet in norm van operatoren van eindige rang.

Bewijs. Deelruimte: duidelijk uit de karakterisering met rijen. Ideaal: begrensde afbeeldingen sturen convergente rijen naar convergente en begrensde naar begrensde. Geslotenheid: zij TnTT_n \to T met TnT_n compact, en (xk)(x_k) begrensd door 11; een diagonaalextractie maakt (Tnxkj)j(T_nx_{k_j})_j convergent voor elke nn; dan is (Txkj)(Tx_{k_j}) cauchy, want

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

waarbij je eerst nn kiest en dan de indices. Benadering in hilbertruimten: zij TT compact en K=T(B)K = \overline{T(B)} compact; overdek KK bij gegeven ε\varepsilon met eindig veel ballen B(yi,ε)B(y_i, \varepsilon) en zij PP de orthogonale projectie op V=Vect(y1,,ym)V = \operatorname{Vect}(y_1, \dots, y_m) (gesloten: eindigdimensionaal). Dan heeft PTPT eindige rang, en voor x1\norm x \leq 1 geldt, met een yiy_i waarvoor Txyi<ε\norm{Tx - y_i} < \varepsilon,

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

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

Voorbeeld 15.3

(a) Diagonaaloperatoren op 2\ell^2: T(xn)=(λnxn)T(x_n) = (\lambda_nx_n) is compact dan en slechts dan als λn0\lambda_n \to 0 (Oefening 15.2). (b) Kernoperatoren op C([0,1])\mathcal C(\intcc01): compact volgens Ascoli (Oefening 7.7). (c) Hilbert-schmidtoperatoren: voor kL2([0,1]2)k \in L^2(\intcc01^2) definieert

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

een compacte operator op L2([0,1])L^2(\intcc01) met TkkL2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (Oefening 15.4: de basisontwikkeling van kk afknotten toont TkT_k als limiet van operatoren van eindige rang).

15.2 Zelftoegevoegde operatoren

Definitie 15.4

TL(H)T \in \mathcal L(H) heet zelftoegevoegd als T=TT = T^* (Oefening 13.8), dat wil zeggen Tx,y=x,Ty\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle voor alle x,yx, y. Dan is x,TxR\langle x, Tx\rangle \in \R voor elke xx (gelijk aan haar toegevoegde).

Propositie 15.5

Voor zelftoegevoegde TT geldt

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

De eigenwaarden van TT zijn reëel, en eigenvectoren bij verschillende eigenwaarden staan loodrecht op elkaar.

Bewijs. Zij MM het supremum; MTM \leq \vertiii T volgens Cauchy–Schwarz. Omgekeerd geeft de identiteit van polarisatietype

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

(ontwikkel; de kruistermen y,Tx+x,Ty=2Rey,Tx\langle y, Tx\rangle + \langle x, Ty\rangle = 2\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle wegens de zelftoegevoegdheid), samen met de parallellogramwet,

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

Neem voor x=1\norm x = 1 met Tx0Tx \neq 0 y=Tx/Txy = Tx/\norm{Tx}: 4Tx4M4\norm{Tx} \leq 4M. Dus TM\vertiii T \leq M. Eigenwaarden: uit Tx=λxTx = \lambda x met x0x \ne 0 volgt λx2=x,TxR\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \in \R. Orthogonaliteit: λx,y=Tx,y=x,Ty=μx,y\lambda\langle x, y\rangle = \langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle = \mu\langle x, y\rangle met λμ\lambda \neq \mu reëel.

15.3 De spectraalstelling

Lemma 15.6 (Bestaan van een extreme eigenwaarde)

Zij T0T \neq 0 compact en zelftoegevoegd. Dan is T\vertiii T of T-\vertiii T een eigenwaarde van TT.

Bewijs. Kies volgens Propositie 15.5 eenheidsvectoren xnx_n met xn,Txnμ\langle x_n, Tx_n\rangle \to \mu, waarbij μ=T>0\abs\mu = \vertiii T > 0 (ga over op een deelrij om het teken vast te leggen). Dan is

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

Wegens de compactheid convergeert een deelrij TxnkyTx_{n_k} \to y; dan is μxnk=Txnk(Txnkμxnk)y\mu x_{n_k} = Tx_{n_k} - (Tx_{n_k} - \mu x_{n_k}) \to y, dus xnkx=y/μx_{n_k} \to x = y/\mu, een eenheidsvector, en de continuïteit geeft Tx=μxTx = \mu x.

Stelling 15.7 (Spectraalstelling voor compacte zelftoegevoegde operatoren)

Zij TT een compacte zelftoegevoegde operator op een hilbertruimte HH.

  1. HH laat een orthonormaal stelsel (en)nN(e_n)_{n \in N} (NN eindig of aftelbaar) van eigenvectoren van TT toe, met reële eigenwaarden (λn)0(\lambda_n) \neq 0, zodat

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

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

  2. Is NN oneindig, dan is λn0\lambda_n \to 0; voor elke δ>0\delta > 0 hebben slechts eindig veel nn λnδ\abs{\lambda_n} \geq \delta, en elke eigenruimte ker(Tλ)\ker(T - \lambda) met λ0\lambda \neq 0 is eindigdimensionaal.
  3. (en)(e_n) aanvullen met een orthonormale basis van kerT\ker T levert, wanneer HH separabel is, een orthonormale basis van HH die uit eigenvectoren bestaat: TT is gediagonaliseerd.

Bewijs. Eerst (2). Hadden oneindig veel orthonormale eigenvectoren xkx_k λ(k)δ\abs{\lambda_{(k)}} \geq \delta, dan is TxkTxl2=λ(k)2+λ(l)22δ2\norm{Tx_k - Tx_l}^2 = \lambda_{(k)}^2 + \lambda_{(l)}^2 \geq 2\delta^2 (orthogonaliteit, Pythagoras): geen enkele convergente deelrij van (Txk)(Tx_k), in tegenspraak met de compactheid van TT op de begrensde (xk)(x_k). Dat begrenst voor elke δ\delta de totale multipliciteit van de eigenwaarden buiten (δ,δ)\intoo{-\delta}\delta door een eindig getal; de aftelbaarheid en λn0\lambda_n \to 0 volgen.

(1) Zij H0H_0 het gesloten opspansel van alle eigenvectoren met eigenwaarde 0\neq 0, geordend (met (2) en Gram–Schmidt binnen elke eindigdimensionale eigenruimte, en de orthogonaliteit tussen eigenruimten uit Propositie 15.5) tot een orthonormaal stelsel (en)(e_n) met eigenwaarden λn0\lambda_n \neq 0. TT beeldt H0H_0 in H0H_0 af, en ook H0H_0^\perp in H0H_0^\perp: voor yH0y \perp H_0 en ee een eigenvector is e,Ty=Te,y=λe,y=0\langle e, Ty\rangle = \langle Te, y\rangle = \lambda\langle e, y\rangle = 0. De beperking T=TH0T' = T\restriction_{H_0^\perp} is compact en zelftoegevoegd op de hilbertruimte H0H_0^\perp; was T0T' \neq 0, dan zou Lemma 15.6 binnen H0H_0^\perp een eigenvector van TT met eigenwaarde 0\neq 0 voortbrengen — onmogelijk, want zulke vectoren wonen in H0H_0. Dus T=0T' = 0: H0kerTH_0^\perp \subseteq \ker T. Omgekeerd staat kerT\ker T loodrecht op elke ene_n (en,z=1λnTen,z=1λnen,Tz=0\langle e_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle Te_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle e_n, Tz\rangle = 0): kerTH0\ker T \subseteq H_0^\perp, waaruit kerT=H0\ker T = H_0^\perp en de orthogonale ontbinding volgen. De ontwikkeling: voor x=z+ncnenx = z + \sum_nc_ne_n (zkerTz \in \ker T, cn=en,xc_n = \langle e_n, x\rangle; Stelling 13.7(1) op H0H_0) geeft de continuïteit van TT dat Tx=ncnλnenTx = \sum_nc_n\lambda_ne_n.

(3) kerT\ker T, een gesloten deelruimte van een separabele ruimte, is separabel: ze heeft een orthonormale basis (Propositie 13.8); de vereniging is wegens de ontbinding in (1) een orthonormale basis van HH.

Stelling 15.8 (Alternatief van Fredholm)

Zij TT compact en zelftoegevoegd en λR{0}\lambda \in \R\setminus\{0\}.

  1. Is λ\lambda geen eigenwaarde, dan is TλIT - \lambda I bijectief met begrensde inverse: voor elke ff heeft de vergelijking Txλx=fTx - \lambda x = f precies één oplossing, die continu van ff afhangt.
  2. Is λ\lambda een eigenwaarde, dan is Txλx=fTx - \lambda x = f oplosbaar dan en slechts dan als fker(TλI)f \perp \ker(T - \lambda I), en de oplossing is uniek op die (eindigdimensionale) kern na.

Bewijs. Ontbind x=z+cnenx = z + \sum c_ne_n en f=w+dnenf = w + \sum d_ne_n langs Stelling 15.7 (z,wkerTz, w \in \ker T). De vergelijking luidt

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

(1) λ{λn}{0}\lambda \notin \{\lambda_n\}\cup\{0\}: volgens (2) van de spectraalstelling is infnλnλ=δ>0\inf_n\abs{\lambda_n - \lambda} = \delta > 0 (de eigenwaarden hopen zich enkel op in 0λ0 \neq \lambda). Los op: z=w/λz = -w/\lambda en cn=dn/(λnλ)c_n = d_n/(\lambda_n - \lambda), met cn2δ2dn2\sum\abs{c_n}^2 \leq \delta^{-2}\sum\abs{d_n}^2: één unieke oplossing met xCf\norm x \leq C\norm f. (2) λ=λn\lambda = \lambda_{n} voor nn in een eindige verzameling FF: de oplosbaarheid van (λnλ)cn=dn(\lambda_n - \lambda)c_n = d_n voor nFn \in F vereist dn=0d_n = 0, dat wil zeggen fenf \perp e_n (nFn \in F), oftewel fker(TλI)f \perp \ker(T - \lambda I); de cnc_n met nFn \in F zijn dan vrij.

Voorbeeld 15.9

Stel op L2([0,1])L^2(\intcc01) Tf(x)=01min(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x, y)f(y)\dd y: een hilbert-schmidtoperator met reële symmetrische kern, dus compact en zelftoegevoegd. Het oplossen van Tf=λfTf = \lambda f: de betrekking (Tf)(x)=0xyf(y) ⁣dy+xx1f(y) ⁣dy\bigl(Tf\bigr)(x) = \int_0^xyf(y)\dd y + x\int_x^1f(y)\dd y toont dat u=Tfu = Tf voldoet aan u=fu'' = -f (twee keer differentiëren, geoorloofd voor continue ff, en TfTf is continu voor fL2f \in L^2: gedomineerde convergentie), met u(0)=0u(0) = 0 en u(1)=0u'(1) = 0. Eigenfuncties lossen dus λu=u\lambda u'' = -u op met u(0)=0u(0) = 0 en u(1)=0u'(1) = 0:

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

en de spectraalstelling beweert — zonder enige fouriertheorie — dat deze sinussen na normering een orthonormale basis van L2([0,1])L^2(\intcc01) vormen (de kern van TT is 00: Tf=0Tf = 0 dwingt via de twee differentiaties f=0f = 0 b.o. af). De weekendopgave doorloopt dezelfde ideeënkring voor de trillende snaar en haalt ζ(2)\zeta(2) uit het spoor.

Methode 15.10

Bij een integraal- of differentiaalvergelijking: (1) herschrijf haar als (IλK)u=f(I - \lambda K)u = f of Ku=λuKu = \lambda u met KK een integraaloperator; (2) ga na dat KK compact is (hilbert-schmidtkern, of Ascoli) en indien mogelijk zelftoegevoegd (reële symmetrische kern); (3) diagonaliseer met de spectraalstelling, of roep het alternatief van Fredholm in voor de oplosbaarheid; (4) lees bestaan, uniciteit, stabiliteit en reeksformules voor de oplossingen in de eigenbasis af. Differentiaaloperatoren zijn onbegrensd, maar hun inversen (greenoperatoren) zijn compact: inverteer altijd eerst.

15.4 Oefeningen

Oefening 15.1

(a) Toon aan dat een begrensde operator met eindigdimensionaal beeld compact is. (b) Toon aan dat de identiteit van een genormeerde ruimte compact is dan en slechts dan als de dimensie eindig is (Riesz, volume van bachelorjaar 2). Leid af dat een compacte operator op een oneindigdimensionale ruimte nooit inverteerbaar is met begrensde inverse.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.1.

(a) T(B)T(B) is een begrensde deelverzameling van de eindigdimensionale imT\operatorname{im}T: relatief compact volgens Heine–Borel (Gevolg 6.17, overgezet met een lineair homeomorfisme met Rn\R^n). (b) II compact betekent dat de gesloten eenheidsbal compact is, wat volgens de stelling van Riesz (volume van bachelorjaar 2) precies in eindige dimensie gebeurt. Had een compacte TT een begrensde inverse T1T^{-1}, dan zou I=T1TI = T^{-1}T compact zijn (Propositie 15.2): onmogelijk in oneindige dimensie.

Oefening 15.2

Zij T(x1,x2,)=(λ1x1,λ2x2,)T(x_1, x_2, \dots) = (\lambda_1x_1, \lambda_2x_2, \dots) op 2\ell^2, met (λn)(\lambda_n) begrensd. (a) Toon aan dat T=supλn\vertiii T = \sup\abs{\lambda_n}. (b) Toon aan dat TT compact is dan en slechts dan als λn0\lambda_n \to 0. (Voor \Leftarrow afknotten; voor \Rightarrow testen op (en)(e_n).) (c) Wanneer is TT zelftoegevoegd? Ga in dat geval de spectraalstelling met het blote oog na.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.2.

(a) Tx2=λn2xn2supλn2x2\norm{Tx}^2 = \sum\abs{\lambda_n}^2\abs{x_n}^2 \leq \sup\abs{\lambda_n}^2\norm x^2, met bijna gelijkheid op de ene_n die het supremum verwezenlijken. (b) (\Leftarrow) De afknottingen TNT_N (behoud nNn \leq N, daarbuiten nul) hebben eindige rang met TTN=supn>Nλn0\vertiii{T - T_N} = \sup_{n>N}\abs{\lambda_n} \to 0: compact volgens Propositie 15.2. (\Rightarrow) Is λnkδ>0\abs{\lambda_{n_k}} \geq \delta > 0 langs een deelrij, dan is TenkTenl2=λnk2+λnl22δ2\norm{Te_{n_k} - Te_{n_l}}^2 = \abs{\lambda_{n_k}}^2 + \abs{\lambda_{n_l}}^2 \geq 2\delta^2: geen enkele convergente deelrij van (Tenk)(Te_{n_k}). (c) TT^* is de diagonaaloperator met (λˉn)(\bar\lambda_n): zelftoegevoegd dan en slechts dan als alle λnR\lambda_n \in \R. Dan is de standaardbasis (en)(e_n) een orthonormale basis van eigenvectoren, met eigenwaarden λn0\lambda_n \to 0: de spectraalstelling woordelijk.

Oefening 15.3 ★★

Geef de details van de ideaaleigenschap (Propositie 15.2): is SS compact en zijn A,BA, B begrensd, dan is ASBASB compact. Leid af dat als ST=TS=IST = TS = I voor een begrensde SS en dimH=\dim H = \infty, TT niet compact is — en verzoen dat met Oefening 15.1(b).

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.3.

Zij (xn)(x_n) begrensd. Dan is (Bxn)(Bx_n) begrensd (B<\vertiii B < \infty); de compactheid van SS haalt er SBxnkySBx_{n_k} \to y uit, en de continuïteit van AA geeft ASBxnkAyASBx_{n_k} \to Ay: dus is ASBASB compact. Is ST=TS=IST = TS = I met TT compact en dimH=\dim H = \infty, dan zou I=STI = ST compact zijn, in tegenspraak met Oefening 15.1(b) — dezelfde uitspraak, van de andere kant bekeken.

Oefening 15.4 ★★

(Hilbert–Schmidt) Zij kL2([0,1]2)k \in L^2(\intcc01^2) en (en)(e_n) een hilbertbasis van L2([0,1])L^2(\intcc01). (a) Toon aan dat TkkL2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (Cauchy–Schwarz in de veranderlijke yy, daarna Tonelli). (b) Ontwikkel k(x,y)=m,ncmnem(x)en(y)k(x,y) = \sum_{m,n}c_{mn}e_m(x)\overline{e_n(y)} in L2L^2 van het vierkant (rechtvaardig dat de producten daar een hilbertbasis vormen), en toon aan dat de afgeknotte som operatoren van eindige rang geeft die in operatornorm naar TkT_k convergeren: dus is TkT_k compact.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.4.

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

(b) De familie emn(x,y)=em(x)en(y)e_{mn}(x,y) = e_m(x)\overline{e_n(y)} is orthonormaal in L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (Tonelli splitst de dubbele integraal). Totaal: staat hh loodrecht op alle emne_{mn}, dan staat voor elke mm de functie yh(x,y)em(x) ⁣dxy \mapsto \int h(x,y)\overline{e_m(x)}\dd x (in L2L^2 volgens Cauchy–Schwarz en Tonelli) loodrecht op elke en\overline{e_n} — en de toegevoegden (en)(\overline{e_n}) vormen een hilbertbasis zodra (en)(e_n) dat doet (toevoeging is een isometrische bijectie van L2L^2 die orthogonaliteit en totaliteit behoudt) — dus is ze 00 b.o.; dan staat voor b.o. yy h(,y)h(\cdot, y) loodrecht op elke eme_m: dus h(,y)=0h(\cdot, y) = 0 b.o., en h=0h = 0 (Tonelli). Bijgevolg is (emn)(e_{mn}) een hilbertbasis; ontwikkel k=cmnemnk = \sum c_{mn}e_{mn}. De afknotting kNk_N (indices N\leq N) geeft een TkNT_{k_N} van eindige rang (beeld in Vect(e1,,eN)\operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_N)), en volgens (a) is

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

TkT_k is een limiet in norm van operatoren van eindige rang, dus compact (Propositie 15.2).

Oefening 15.5 ★★

Zij TT zelftoegevoegd met x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0 voor alle xx (een positieve operator). (a) Toon aan dat de eigenwaarden 0\geq 0 zijn en dat T=supx1x,Tx\vertiii T = \sup_{\norm x\leq1}\langle x, Tx\rangle. (b) Bewijs de veralgemeende ongelijkheid van Cauchy–Schwarz x,Ty2x,Txy,Ty\abs{\langle x, Ty\rangle}^2 \leq \langle x, Tx\rangle\langle y, Ty\rangle.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.5.

(a) Op een eigenvector is λx2=x,Tx0\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \geq 0. De formule is Propositie 15.5 met alle waarden x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0: de absolute waarde is overbodig. (b) (x,y)x,Ty(x, y) \mapsto \langle x, Ty\rangle is een hermitische positieve (mogelijk ontaarde) sesquilineaire vorm; het gebruikelijke bewijs van Cauchy–Schwarz (ontwikkel x+teiθy,T(x+teiθy)0\langle x + t\eu^{\iu\theta}y, T(x + t\eu^{\iu\theta}y)\rangle \geq 0 en neem de discriminant) gebruikt de definietheid nergens.

Oefening 15.6 ★★

Stel op L2([0,1])L^2(\intcc01) (Mf)(x)=xf(x)(Mf)(x) = x\,f(x). (a) Toon aan dat MM begrensd en zelftoegevoegd is met M=1\vertiii M = 1, maar geen eigenwaarden heeft. (b) Toon aan dat MM niet compact is (geef een begrensde rij waarvan het beeld geen convergente deelrij heeft, bijvoorbeeld genormeerde indicatoren van krimpende intervallen nabij 11 — of roep de spectraalstelling in). (c) Waar breekt het bewijs van Lemma 15.6 voor MM?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.6.

(a) Mf2f2\norm{Mf}_2 \leq \norm f_2, en op fn=n1[11/n,1]f_n = \sqrt n\, \mathbf 1_{\intcc{1 - 1/n}1} (eenheidsvectoren) is Mfn211n\norm{Mf_n}_2 \geq 1 - \frac1n: dus M=1\vertiii M = 1; zelftoegevoegd omdat de vermenigvuldiger reëel is. Eigenwaarden: xf(x)=λf(x)xf(x) = \lambda f(x) b.o. dwingt f=0f = 0 b.o. af buiten de nulverzameling {x=λ}\{x = \lambda\}: dus f=0f = 0 in L2L^2. (b) Met dezelfde fnf_n: Mfnfn21n0\norm{Mf_n - f_n}_2 \leq \frac1n \to 0, terwijl fn0f_n \rightharpoonup 0 (voor vaste gL2g \in L^2 is g,fng1[11/n,1]20\abs{\langle g, f_n\rangle} \leq \norm{g\,\mathbf 1_{\intcc{1-1/n}1}}_2 \to 0 volgens de gedomineerde convergentie). Zou MfnkhMf_{n_k} \to h in norm, dan is fnkhf_{n_k} \to h, wat h=0h = 0 afdwingt (zwakke limiet) terwijl h=1\norm h = 1: dus geen enkele convergente deelrij. (c) In Lemma 15.6 gebruikt precies de extractie “TxnkyTx_{n_k} \to y” de compactheid; voor MM concentreren de maximaliserende rijen zich nabij x=1x = 1 en convergeren hun beelden zwak naar 00, nooit in norm: de eigenvector aan de top van het numerieke bereik bestaat eenvoudigweg niet.

Oefening 15.7 ★★

(Volterra) Stel op L2([0,1])L^2(\intcc01) Vf(x)=0xf(y) ⁣dyVf(x) = \int_0^xf(y)\dd y. (a) Toon aan dat VV compact is (hilbert-schmidtoperator met kern 1y<x\mathbf 1_{y < x}) maar niet zelftoegevoegd; bereken VV^*. (b) Toon aan dat VV geen eigenwaarde 0\neq 0 heeft. (Uit Vf=λfVf = \lambda f: ff heeft een continue vertegenwoordiger, is dan C1\mathcal C^1, en lost λf=f\lambda f' = f met f(0)=0f(0) = 0 op.) (c) Besluit dat compactheid alleen geen eigenvectoren oplevert: de zelftoegevoegdheid in Stelling 15.7 is essentieel.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.7.

(a) V=TkV = T_k met k(x,y)=1y<xL2([0,1]2)k(x, y) = \mathbf 1_{y < x} \in L^2(\intcc01^2): compact (Oefening 15.4). Haar toegevoegde is de kernoperator met kern k(y,x)=1y>x\overline{k(y, x)} = \mathbf 1_{y > x}: Vf(x)=x1fV^*f(x) = \int_x^1f; en VVV \neq V^* (test op f=1f = \mathbf 1). (b) Is Vf=λfVf = \lambda f met λ0\lambda \ne 0, dan is VfVf continu op [0,1]\intcc01 (gedomineerde convergentie in 0xf\int_0^x f), dus heeft f=1λVff = \frac1\lambda Vf een continue vertegenwoordiger; dan is VfVf C1\mathcal C^1 (de hoofdstelling van de integraalrekening voor continue integranden), dus is ff C1\mathcal C^1, met λf=f\lambda f' = f en f(0)=1λVf(0)=0f(0) = \frac1\lambda Vf(0) = 0: dus f=Cex/λf = C\eu^{x/\lambda} met C=f(0)=0C = f(0) = 0. (c) VV is compact zonder enige eigenwaarde behalve mogelijk 00 (Vf=0Vf = 0 dwingt f=0f = 0 b.o. af door de integraal te differentiëren — dus zelfs 00 niet): de spectrale machinerie vereist werkelijk zelftoegevoegdheid, niet enkel compactheid.

Oefening 15.8 ★★★

(Courant–Fischer) Zij TT compact, zelftoegevoegd en positief, met eigenwaarden μ1μ2>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \dots > 0 (herhaald naar multipliciteit, met eigenvectoren e1,e2,e_1, e_2, \dots). Toon aan:

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

(Test V=Vect(e1,,ek)V = \operatorname{Vect}(e_1,\dots,e_k); snijd voor de bovengrens een willekeurige VV met ruimten van het type Vect(ek,ek+1,)\operatorname{Vect}(e_k, e_{k+1}, \dots): het tellen van dimensies dwingt een doorsnede 0\neq 0 af.) Leid af dat de eigenwaarden monotoon van TT afhangen (TSμk(T)μk(S)T \leq S \Rightarrow \mu_k(T) \leq \mu_k(S)).

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.8.

Schrijf x=iciei+zx = \sum_ic_ie_i + z met zkerTz \in \ker T, zodat x,Tx=iμici2\langle x, Tx\rangle = \sum_i\mu_i\abs{c_i}^2. Ondergrens: op de eenheidssfeer van Vk=Vect(e1,,ek)V_k = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_k) is x,Tx=ikμici2μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i\leq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \geq \mu_k: het maximum over VV van het minimum is dus μk\geq \mu_k. Bovengrens: zij dimV=k\dim V = k en Wk=Vect(ek,ek+1,)+kerTW_k = \overline{\operatorname{Vect}}(e_k, e_{k+1}, \dots) + \ker T, van codimensie k1k - 1 (haar orthogonaal complement is Vk1V_{k-1}); dan is VWk{0}V \cap W_k \neq \{0\} (een lineaire afbeelding VH/WkVk1V \to H/W_k \cong V_{k-1} van rang k1\leq k - 1 heeft een kern 0\neq 0), en een eenheidsvector xVWkx \in V\cap W_k heeft x,Tx=ikμici2μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i \geq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \leq \mu_k: het minimum over VV is dus μk\leq \mu_k. Samen: de eerste formule; de tweede wordt symmetrisch bewezen (test W=WkW = W_k; voor willekeurige WW van codimensie k1k-1 geeft WVk0W \cap V_k \neq 0 een eenheidsvector met x,Txμk\langle x, Tx\rangle \geq \mu_k). Monotonie: x,Txx,Sx\langle x, Tx\rangle \leq \langle x, Sx\rangle draagt puntsgewijs door de maxmin\max\min heen.

Oefening 15.9 ★★

Voor welke λR\lambda \in \R heeft de integraalvergelijking

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

met Stelling 15.8 voor Tf(x)=01min(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x,y)f(y)\dd y (Voorbeeld 15.9) een unieke oplossing fL2f \in L^2 voor elke gL2g \in L^2? Wat gebeurt er bij de uitzonderlijke waarden?

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.9.

Herschrijf haar als fλTf=gf - \lambda Tf = g. Voor λ=0\lambda = 0 is f=gf = g, altijd uniek oplosbaar. Voor λ0\lambda \neq 0 luidt ze (T1λ)f=gλ(T - \frac1\lambda)f = -\frac g\lambda, en volgens het alternatief van Fredholm (Stelling 15.8) met de eigenwaarden λn=((n+12)π)2\lambda_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-2} van TT (Voorbeeld 15.9) is ze voor elke gg uniek oplosbaar dan en slechts dan als 1λλn\frac1\lambda \neq \lambda_n voor elke nn, dat wil zeggen

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

Bij een uitzonderlijke λ=(n+12)2π2\lambda = (n+\frac12)^2\pi^2 bestaan er oplossingen dan en slechts dan als gsin((n+12)πx)g \perp \sin\bigl((n{+}\frac12)\pi x\bigr), en dan zijn ze uniek op het optellen van veelvouden van die sinus na.

Oefening 15.10 ★★★

Zij SS de verschuiving op 2\ell^2 (Oefening 8.1). (a) Toon aan dat SS geen eigenwaarden heeft, terwijl elke λ\lambda met λ<1\abs\lambda < 1 een eigenwaarde van SS^* is (zoek de eigenvectoren expliciet: meetkundige rijen). (b) Noch SS noch SS^* is compact: ga dat na door te testen op (en)(e_n) in de trant van Oefening 15.2. (c) Becommentarieer: voor niet-zelftoegevoegde, niet-compacte operatoren kan het eigenwaardenlandschap alles zijn, van leeg tot een volle schijf — het begrip dat overleeft is het spectrum, dat in een latere cursus wordt bestudeerd.

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.10.

(a) Sx=λxSx = \lambda x: coördinaten vergelijken geeft 0=λx10 = \lambda x_1 en xn=λxn+1x_n = \lambda x_{n+1}; is λ0\lambda \ne 0, dan is x1=0x_1 = 0 en inductief x=0x = 0; is λ=0\lambda = 0, dan dwingt Sx=0Sx = 0 x=0x = 0 af (SS is isometrisch). Geen eigenwaarden. Sx=λxS^*x = \lambda x luidt xn+1=λxnx_{n+1} = \lambda x_n: x=x1(1,λ,λ2,)x = x_1(1, \lambda, \lambda^2, \dots), in 2\ell^2 precies wanneer λ<1\abs\lambda < 1: een volle open schijf eigenwaarden. (b) SenSem=en+1em+1=2\norm{Se_n - Se_m} = \norm{e_{n+1} - e_{m+1}} = \sqrt2: het beeld van de begrensde (en)(e_n) heeft geen enkele cauchydeelrij; en evenzo Sen+1=enS^*e_{n+1} = e_n. Geen van beide is compact. (c) Voor compacte zelftoegevoegde operatoren vangen de eigenwaarden alles (Stelling 15.7); laat je een van beide hypothesen vallen, dan kunnen de eigenwaarden volledig verdwijnen (SS, Volterra) of een schijf vullen (SS^*): het robuuste object is het spectrum {λ:TλI niet inverteerbaar}\{\lambda : T - \lambda I \text{ niet inverteerbaar}\}, waarvan de theorie tot een latere cursus behoort.

Oefening 15.11 ★★

(Vierkantswortels) Zij TT compact, zelftoegevoegd en positief (x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0) op een hilbertruimte HH, met spectrale ontbinding Tx=nμnen,xenTx = \sum_n\mu_n\langle e_n, x\rangle e_n (μn>0\mu_n > 0). (a) Definieer Sx=nμnen,xenSx = \sum_n\sqrt{\mu_n}\,\langle e_n, x\rangle e_n; toon aan dat SS compact, zelftoegevoegd en positief is met S2=TS^2 = T. (b) Bewijs de uniciteit: elke compacte positieve zelftoegevoegde RR met R2=TR^2 = T behoudt de eigenruimten van TT (RT=R3=TRRT = R^3 = TR: RR commuteert met TT, dus R(ker(Tμ))ker(Tμ)R(\ker(T - \mu)) \subseteq \ker(T - \mu)), en op ker(Tμ)\ker(T - \mu) is RR een positieve operator die op een eindigdimensionale ruimte kwadrateert tot μid\mu\,\mathrm{id}: diagonaliseer haar daar en besluit dat R=μidR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} op elke eigenruimte, dus R=SR = S. (c) Bereken G\sqrt G voor de snaaroperator GG van Probleem 15.1: welke kern heeft op de sinusbasis de eigenwaarden 1nπ\frac1{n\pi}? (Druk G\sqrt G uit als L2L^2-limiet van kernen; een gesloten vorm is niet vereist.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.11.

(a) SS is de diagonaaloperator met coëfficiënten μn0\sqrt{\mu_n} \to 0: compact (Oefening 15.2(b), overgezet naar de basis (en)(e_n) aangevuld met kerT\ker T, waar S=0S = 0), zelftoegevoegd (reële diagonaal), positief (x,Sx=μnen,x2\langle x, Sx\rangle = \sum\sqrt{\mu_n}\abs{\langle e_n, x\rangle}^2), en S2=TS^2 = T term voor term.

(b) RR commuteert met T=R2T = R^2; voor een eigenvector xx van TT bij eigenwaarde μ\mu is T(Rx)=RTx=μRxT(Rx) = RTx = \mu Rx, dus is de eindigdimensionale eigenruimte Eμ=ker(Tμ)E_\mu = \ker(T - \mu) RR-stabiel. Op EμE_\mu is RR symmetrisch en positief met R2=μidR^2 = \mu\,\mathrm{id}: haar eigenwaarden ρ\rho voldoen aan ρ2=μ\rho^2 = \mu met ρ0\rho \geq 0, dus zijn ze alle gelijk aan μ\sqrt\mu, en een diagonaliseerbare operator met één enkele eigenwaarde is scalair: R=μidR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} op EμE_\mu. Op kerT\ker T: Rx2=x,R2x=x,Tx=0\norm {Rx}^2 = \langle x, R^2x\rangle = \langle x, Tx\rangle = 0. Dus valt RR samen met SS op kerT\ker T en op elke eigenruimte, waarvan het gesloten opspansel HH is (spectraalstelling): R=SR = S.

(c) G\sqrt G werkt als 1nπ\frac1{n\pi} op en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x): het is de kernoperator met

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

waarbij de reeks convergeert in L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (de coëfficiënten 1nπ\frac1{n\pi} liggen in 2\ell^2; de kernen van de partiële sommen geven de benaderingen van eindige rang). Een elementaire gesloten vorm is niet nodig: de spectrale kant is de operator.

Oefening 15.12 ★★★

(Singulierewaardenontbinding) Zij TL(H)T \in \mathcal L(H) compact, niet noodzakelijk zelftoegevoegd. (a) Toon aan dat TTT^*T compact, zelftoegevoegd en positief is; zij (en)(e_n) een orthonormale familie eigenvectoren met TTen=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n en sn>0s_n > 0 (de singuliere waarden), aangevuld met ker(TT)=kerT\ker(T^*T) = \ker T (bewijs die gelijkheid). (b) Stel fn=Tensnf_n = \frac{Te_n}{s_n}; toon aan dat (fn)(f_n) orthonormaal is, en vestig de singulierewaardenontbinding

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

met convergentie in HH. (c) Leid af: T=maxnsn\vertiii T = \max_ns_n; TT is een limiet in norm van operatoren van eindige rang (wat de omkering in Propositie 15.2 voor hilbertruimten opnieuw bewijst); en leg voor de volterra-operator VV van Oefening 15.7, die geen eigenwaarden heeft, uit waarom de ontbinding niettemin bestaat en wat haar ingrediënten zijn (identificeer VVV^*V als een kernoperator van het snaartype — haar eigenwaarden expliciet berekenen is het terrein van Oefening 15.9).

Oplossing

Oplossing van Oefening 15.12.

(a) TTT^*T is compact (product van een begrensde en een compacte operator, Oefening 15.3), zelftoegevoegd ((TT)=TT(T^*T)^* = T^*T) en positief (x,TTx=Tx2\langle x, T^*Tx\rangle = \norm{Tx}^2). Kern: TTx=0Tx2=x,TTx=0Tx=0T^*Tx = 0 \Rightarrow \norm{Tx}^2 = \langle x, T^*Tx\rangle = 0 \Rightarrow Tx = 0, en omgekeerd: dus kerTT=kerT\ker T^*T = \ker T. De spectraalstelling levert de orthonormale (en)(e_n) met TTen=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n en sn>0s_n > 0, die (kerT)(\ker T)^\perp opspannen.

(b) fm,fn=Tem,Tensmsn=em,TTensmsn=sn2smsnδmn=δmn\langle f_m, f_n\rangle = \frac{\langle Te_m, Te_n\rangle}{s_ms_n} = \frac{\langle e_m, T^*Te_n\rangle}{s_ms_n} = \frac{s_n^2}{s_ms_n}\delta_{mn} = \delta_{mn}. Ontwikkel x=x0+nen,xenx = x_0 + \sum_n\langle e_n, x\rangle e_n met x0kerTx_0 \in \ker T (Parseval op het gesloten opspansel plus de kern); de continue TT toepassen geeft

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

waarbij de reeks convergeert omdat haar partiële sommen cauchy zijn (N<nMsnen,xfn2=sn2en,x2\norm{\sum_{N<n\leq M}s_n\langle e_n, x\rangle f_n}^2 = \sum s_n^2\abs{\langle e_n, x\rangle}^2, gedomineerd door supn>Nsn2x2\sup_{n>N}s_n^2\cdot\norm x^2, en sn0s_n \to 0).

(c) Tx2=nsn2en,x2(maxsn)2x2\norm{Tx}^2 = \sum_ns_n^2\abs{\langle e_n, x\rangle}^2 \leq (\max s_n)^2\norm x^2, bereikt op de maximaliserende ene_n: dus T=maxsn\vertiii T = \max s_n. De ontbinding op rang NN afknotten laat een operator van norm supn>Nsn0\sup_{n>N}s_n \to 0 over: benadering door eindige rang. De volterra-operator heeft helemaal geen eigenwaarden (Oefening 15.7), maar VVV^*V wel: VVf(x)=x10tf(s) ⁣ds ⁣dtV^*Vf(x) = \int_x^1\int_0^tf(s)\,\dd s\,\dd t is een symmetrische positieve kernoperator (kern 1max(x,y)1 - \max(x,y), een greenkern van het snaartype), waarvan de eigenparen — berekend met het randwaardeprobleem u=λ1u-u'' = \lambda^{-1}u, u(0)=u(1)=0u'(0) = u(1) = 0, dat wil zeggen de familie van Oefening 15.9 — de singuliere waarden sn=((n+12)π)1s_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-1} geven. De ontbinding leeft op twee orthonormale families juist omdat VV haar eigenmeetkunde wegdraait: geen eigenvectoren, en toch een volmaakte diagonaalstructuur tussen twee verschillende bases.

15.5 Probleem: de trillende snaar en ζ(2)\zeta(2)

Probleem 15.1

Weekendopgave — de operator van Green, de sinusbasis en een spoorformule

We lossen het eigenwaardeprobleem van de trillende snaar met vaste uiteinden — u=νu-u'' = \nu u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 — met operatortheorie op, verkrijgen de orthonormale sinusbasis zonder enige fourierberekening, en bepalen ζ(2)\zeta(2) door twee uitdrukkingen voor het spoor van de greenoperator te vergelijken. Definieer op L2([0,1])L^2(\intcc01)

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

Deel I — De greenoperator.

  1. Toon aan dat gg continu en symmetrisch is met 0g140 \leq g \leq \frac14, en dat GG compact en zelftoegevoegd is (Voorbeeld 15.3(c)).
  2. Toon voor continue ff aan dat u=Gfu = Gf C2\mathcal C^2 is met

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

    (schrijf u(x)=(1x)0xyf(y) ⁣dy+xx1(1y)f(y) ⁣dyu(x) = (1-x)\int_0^xyf(y)\dd y + x\int_x^1(1-y)f(y)\dd y en differentieer tweemaal). Omgekeerd is, als uC2u \in \mathcal C^2 met u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, G(u)=uG(-u'') = u: GG inverteert de snaaroperator.

  3. Toon aan dat kerG={0}\ker G = \{0\} (is Gf=0Gf = 0 met fL2f \in L^2: test tegen continue φ\varphi, breng GG met de symmetrie en Fubini over op φ\varphi, en gebruik het hoofdlemma Gevolg 12.11 — of strijk glad), en dat GG een positieve operator is: f,Gf0\langle f, Gf\rangle \geq 0. (Voor continue ff: f,Gf=01(u)2\langle f, Gf\rangle = \int_0^1 (u')^2 met u=Gfu = Gf, met partiële integratie; besluit met dichtheid.)

Deel II — Diagonaliseren: de sinusbasis.

  1. Toon aan dat de eigenfuncties van GG bij eigenwaarde λ0\lambda \ne 0 op scalairen na de oplossingen zijn van λu=u-\lambda u'' = u met u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 (een eigenfunctie heeft een continue vertegenwoordiger — GfGf is continu voor fL2f \in L^2, waarom? — en is dus C2\mathcal C^2 door vraag 2 als hefboom te gebruiken).
  2. Los het randwaardeprobleem op: de eigenwaarden van GG zijn λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} (n1n \geq 1), met genormeerde eigenfuncties en(x)=2sin(nπx)e_n(x) = \sqrt2\,\sin(n\pi x); ga de orthonormaliteit als controle met een rechtstreekse integratie na.
  3. Besluit uit Stelling 15.7 en vraag 3 dat (2sin(nπx))n1\bigl(\sqrt2\sin(n\pi x)\bigr)_{n\geq1} een orthonormale basis van L2([0,1])L^2(\intcc01) is — geen Stone–Weierstrass, geen fourierreeksen nodig. Ontwikkel f(x)=x(1x)f(x) = x(1-x) in deze basis en schrijf Parseval ervoor uit.

Deel III — De spoorformule en ζ(2)\zeta(2).

  1. Bewijs de twee identiteiten

    en,Gen=λnenn1λn=01g(x,x) ⁣dx.\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n \quad\text{en}\quad \sum_{n\geq1}\lambda_n = \int_0^1 g(x,x)\,\dd x .

    Voor de tweede (de spoorformule): ontwikkel voor vaste xx de functie g(x,)g(x, \cdot) in de basis (en)(e_n) — toon aan dat de coëfficiënten λnen(x)\lambda_ne_n(x) zijn, zodat g(x,)=nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n in L2L^2. Hier zijn de sinussen expliciet: ga rechtstreeks na dat nλnen(x)en(y)\sum_n\lambda_ne_n(x)e_n(y) uniform convergeert op het vierkant (vergelijk met 2n2π2\sum \frac2{n^2\pi^2}), zodat haar som continu is en, met voor elke xx dezelfde L2L^2-ontwikkeling in yy, overal gelijk is aan g(x,y)g(x,y). Stel y=xy = x en integreer term voor term.

  2. Bereken 01g(x,x) ⁣dx=01x(1x) ⁣dx=16\int_0^1g(x,x)\dd x = \int_0^1x(1-x)\dd x = \frac16, en besluit

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

    de som van Euler uit een operatorspoor.

  3. Leid ζ(2)\zeta(2) op een derde manier af: pas Parseval in de sinusbasis toe op de constante functie 1\mathbf 1, bereken n oneven1n2\sum_{n \text{ oneven}}\frac1{n^2} en besluit. Vergelijk daarna de mechanismen: in welke zin is het spoorargument van de vragen 7 en 8 “Parseval, toegepast op de hele kern in één keer”?

Deel IV — De snaar trilt.

  1. (Scheiden van veranderlijken, gesynthetiseerd) Definieer voor fL2f \in L^2

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

    Toon aan dat de reeks voor elke tt in L2([0,1])L^2(\intcc01) convergeert, dat tu(t,)t\mapsto u(t, \cdot) continu is met waarden in L2L^2, en dat ze voor ff in het opspansel van eindig veel ene_n de golfvergelijking t2u=x2u\partial_t^2u = \partial_x^2u oplost met u(0)=fu(0) = f, tu(0)=0\partial_tu(0) = 0 en vaste uiteinden. De eigenwaarden n2π2n^2\pi^2 zijn de gekwadrateerde frequenties: de harmonischen van de snaar — leg de muzikale interpretatie van Stelling 15.7 uit in één alinea.

Deel V — Variationele dividenden: de machtsmethode, de stabiliteit van Weyl en een strikte grens voor π\pi. Zij AA een compacte zelftoegevoegde positieve operator met eigenwaarden μ1μ2>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \cdots > 0 en orthonormale eigenvectoren (un)(u_n); R(x)=x,Axx2R(x) = \frac{\langle x, Ax\rangle}{\norm x^2}. De min-maxformules zijn Oefening 15.8; hier besteden we ze.

  1. (Machtsmethode) Schrijf voor x0x \neq 0 mp=nμnpun,x2m_p = \sum_n\mu_n^p\abs{\langle u_n, x\rangle}^2. Toon aan dat mpmp+2mp+12m_pm_{p+2} \geq m_{p+1}^2 (Cauchy–Schwarz), leid de keten

    R(x)    Ax,Axx,Ax    R(Ax)    μ1R(x) \;\leq\; \frac{\langle Ax, Ax\rangle}{\langle x, Ax\rangle} \;\leq\; R(Ax) \;\leq\; \mu_1

    af, en bewijs dat R(Akx)μ1R(A^kx) \to \mu_1 als u1,x0\langle u_1, x\rangle \neq 0: de operator op een willekeurige generieke vector itereren berekent de grootste eigenwaarde — de machtsmethode van de numerieke analyse, gecertificeerd.

  2. (Stabiliteit van Weyl) Leid voor compacte zelftoegevoegde positieve A,BA, B uit Oefening 15.8 af dat

    μn(A)μn(B)    ABvoor elke n:\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \;\leq\; \vertiii{A - B} \qquad\text{voor elke } n :

    het hele spectrum is 11-lipschitz in de operatornorm — de eigenwaarden van grote symmetrische stelsels kunnen uit benaderingen worden berekend met een gegarandeerde fout.

  3. Pas de grens van Rayleigh toe op GG met de testfunctie u(x)=x(1x)u(x) = x(1-x): los w=u-w'' = u met w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0 op om Gu=w=x(1x)(1+xx2)12Gu = w = \frac{x(1-x)(1 + x - x^2)}{12} te krijgen, bereken

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

    en besluit tot de strikte grens 1π2=λ117168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, dat wil zeggen π168/17<3.1437\pi \leq \sqrt{168/17} < 3.1437.

  4. Eén stap van de keten uit vraag 11, op dezelfde testfunctie: bereken met 01(xx2)4 ⁣dx=1630\int_0^1(x - x^2)^4\dd x = \frac1{630}

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

    en besluit π306/31<3.1419\pi \leq \sqrt{306/31} < 3.1419: twee integralen, vier juiste cijfers. (Elke verdere iteratie kwadrateert de nauwkeurigheid ruwweg: de kloof λ1/λ2=4\lambda_1/\lambda_2 = 4 tussen de eigenvectoren drijft een meetkundige convergentie aan.)

Deel VI — Het spoor van G2G^2, en ζ(4)\zeta(4).

  1. Toon aan dat 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 (ontwikkel gg op de productbasis (em(x)en(y))m,n(e_m(x)e_n(y))_{m,n} van L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) — een hilbertbasis, vgl. Oefening 15.5 — en pas Parseval op het vierkant toe; vraag 7 identificeert de coëfficiënten).
  2. Bereken de dubbele integraal:

    g2=201(1x)2(0xy2 ⁣dy) ⁣dx=2301x3(1x)2 ⁣dx=190.\iint g^2 = 2\int_0^1(1-x)^2\Bigl(\int_0^x y^2\,\dd y\Bigr)\dd x = \frac23\int_0^1x^3(1-x)^2\,\dd x = \frac1{90} .
  3. Besluit ζ(4)=π490\zeta(4) = \dfrac{\pi^4}{90}; leg zonder berekening uit hoe de sporen van hogere machten GkG^k voor elke k1k \geq 1 ζ(2k)π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\,\Q voortbrengen, en waarom de oneven waarden ζ(3),ζ(5),\zeta(3), \zeta(5), \dots structureel buiten het bereik van deze machine liggen.
  4. (π\pi van onderen) Leid uit λ12nλn2=190\lambda_1^2 \leq \sum_n\lambda_n^2 = \frac1{90} af dat π901/4>3.080\pi \geq 90^{1/4} > 3.080, en stel met vraag 14 het tweezijdige vonnis

    3.080  <  π  <  3.14193.080 \;<\; \pi \;<\; 3.1419

    samen, volledig verkregen uit de rekenkunde van de trillende snaar. Welke kant convergeert sneller als je hogere sporen (trG2k)1/4k(\operatorname{tr}G^{2k})^{-1/4k} gebruikt, en waarom?

Deel VII — Aandrijving en resonantie. Leg νR\nu \in \R vast en beschouw de aangedreven snaar uνu=f-u'' - \nu u = f met u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, waarbij fL2f \in L^2 en cn=en,fc_n = \langle e_n, f\rangle.

  1. Stel dat ν{n2π2:n1}\nu \notin \{n^2\pi^2 : n \geq 1\}. Toon aan dat

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

    convergeert in L2L^2 en uniform op [0,1]\intcc01 (Cauchy–Schwarz tussen (cn)(c_n) en de staarten van n4\sum n^{-4}, met en=2\norm{e_n}_\infty = \sqrt2), en dat ze voldoet aan u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu — de vorm in expliciete coördinaten van het alternatief van Fredholm (Stelling 15.8), met uniciteit.

  2. Stel dat ν=m2π2\nu = m^2\pi^2. Toon aan dat u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu een oplossing heeft dan en slechts dan als cm=0c_m = 0, uniek op het optellen van veelvouden van eme_m na. Fysische lezing: een schommel precies op haar eigen frequentie aanduwen.
  3. Toon voor ν<π2\nu < \pi^2 aan dat de oplossingsoperator Rν ⁣:fuR_\nu\colon f \mapsto u begrensd is op L2L^2 met norm 1π2ν\frac1{\pi^2 - \nu}, en compact, zelftoegevoegd en positief: de hele spectraalanalyse begint opnieuw, verschoven over ν\nu.
  4. (Synthese) Stel het woordenboek van deze opgave samen: eigenwaarde \leftrightarrow gekwadrateerde frequentie (harmonischen); spoor \leftrightarrow ζ(2)\zeta(2); hilbert-schmidtnorm \leftrightarrow ζ(4)\zeta(4); alternatief van Fredholm \leftrightarrow resonantie; min-max \leftrightarrow variationele grenzen (π<3.1437\pi < 3.1437 uit één veelterm). Eén integraaloperator, vijf hoofdstukken analyse verzilverd.

Deel VIII — Drie laatste echo’s.

  1. (ζ(6)\zeta(6), gratis) De identiteit van Parseval uit vraag 6 gaf n onevenn6=π6960\sum_{n\text{ oneven}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}. Splits ζ(6)\zeta(6) in oneven en even nn en besluit

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

    zonder één nieuwe integraal: de machine van vraag 17 (sporen van G3G^3) zou dezelfde waarde hebben opgeleverd, tegen de prijs van een geïtereerde kern — Parseval op één goed gekozen functie is hier de goedkopere weg.

  2. (De grondtoestand is positief) Zij AA een compacte zelftoegevoegde positieve operator op L2([0,1])L^2(\intcc01), gegeven door een continue symmetrische kern k>0k > 0 op (0,1)2\intoo01^2, met grootste eigenwaarde μ1\mu_1. Toon aan: (a) elke maximalisator van het quotiënt van Rayleigh is een eigenfunctie bij μ1\mu_1; (b) is uu er een, dan is u,Auu,Au\langle\abs u, A\abs u\rangle \geq \langle u, Au\rangle, met strikte ongelijkheid als uu beide tekens aanneemt op verzamelingen van positieve maat — dus heeft uu b.o. een constant teken, en verdwijnt u=μ11Auu = \mu_1^{-1}Au nergens op (0,1)\intoo01; (c) μ1\mu_1 is een enkelvoudige eigenwaarde. Ga elke bewering na op GG: e1=2sin(πx)>0e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) > 0, en elke ene_n met n2n \geq 2 moet, loodrecht staand op e1e_1, van teken wisselen (en dat doet ze: n1n - 1 inwendige nulpunten).
  3. (Afstand tot het spectrum, en de prijs van resonantie) Toon voor ν{n2π2}\nu \notin \{n^2\pi^2\} aan dat de oplossingsoperator RνR_\nu van vraag 19 begrensd, zelftoegevoegd en compact is, met

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

    waarbij de norm op de dichtstbijzijnde modus wordt bereikt. Kwantificeer dan de schommel van vraag 20: aandrijven met f=e1f = e_1 bij ν=(1ε)π2\nu = (1 - \varepsilon)\pi^2 levert u=1επ2e1u = \frac{1}{\varepsilon\pi^2}\,e_1 op, een versterking met 1ε\frac1\varepsilon van het statische antwoord Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1 — één procent onder de grondtoon (ε=102\varepsilon = 10^{-2}) antwoordt de snaar honderd keer luider.

Oplossing

Oplossing van Probleem 15.1.

1. Continuïteit: min\min en max\max zijn continu; symmetrie: xx en yy verwisselen verandert noch min(x,y)\min(x,y) noch 1max(x,y)1 - \max(x,y). Grenzen: 0g0 \leq g, en afschattingen van het type max(1max)\max\cdot(1-\max) geven g14g \leq \frac14 (met u=maxu = \max: minu\min \leq u, dus gu(1u)14g \leq u(1-u) \leq \frac14). Verder is gL2()g \in L^2(\square): hilbert-schmidt, dus GG compact (Oefening 15.4); en de kern is reëel symmetrisch: GG is zelftoegevoegd.

2. Splitsen bij y=xy = x:

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

Differentieer voor continue ff (productregel en de hoofdstelling):

u(x)=0xyf+x1(1y)f(de randtermen vallen weg),u'(x) = -\int_0^xyf + \int_x^1(1-y)f \qquad\text{(de randtermen vallen weg)},

en u(x)=xf(x)(1x)f(x)=f(x)u''(x) = -xf(x) - (1 - x)f(x) = -f(x); duidelijk is u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0. Omgekeerd voldoet, als uC2u \in \mathcal C^2 in beide uiteinden verdwijnt, w=uG(u)w = u - G(-u'') aan w=0w'' = 0 en w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0: ww is affien en verdwijnt tweemaal, dus w=0w = 0.

3. Zij Gf=0Gf = 0 met fL2f \in L^2. Voor ψCc((0,1))\psi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo01) is ψ=G(ψ)\psi = G(-\psi'') volgens vraag 2, dus

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

(GG is zelftoegevoegd): volgens het hoofdlemma (Gevolg 12.11) is f=0f = 0 b.o. Positiviteit: voor continue ff is, met u=Gfu = Gf,

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

voor fL2f \in L^2 benader je in L2L^2 door continue fnf_n: beide leden gaan naar de limiet (GG is begrensd).

4. Is Gu=λuGu = \lambda u met λ0\lambda \neq 0, dan is GuGu continu (Gu(x)Gu(x)g(x,)g(x,)2u2\abs{Gu(x) - Gu(x')} \leq \norm{g(x,\cdot) - g(x',\cdot)}_2\norm u_2, en de kern is uniform continu), dus heeft uu een continue vertegenwoordiger; de formules van vraag 2 tonen dan dat GuC2Gu \in \mathcal C^2, dus u=1λGuC2u = \frac1\lambda Gu \in \mathcal C^2 met λu=(Gu)=u-\lambda u'' = -(Gu)'' = u en u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0.

5. λu=u-\lambda u'' = u met u(0)=0u(0) = 0 geeft u=Asin(x/λ)u = A\sin(x/\sqrt \lambda) (λ\lambda positief: volgens vraag 3 is λ=u,Gu/u2>0\lambda = \langle u, Gu\rangle/\norm u^2 > 0 op eigenvectoren). u(1)=0u(1) = 0 dwingt 1λ=nπ\frac1{\sqrt\lambda} = n\pi af: λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}, met eigenfuncties sin(nπx)\sin(n\pi x), genormeerd en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x) (want 012sin2(nπx) ⁣dx=1\int_0^12\sin^2(n\pi x)\dd x = 1). Controle van de orthogonaliteit: 2sin(mπx)sin(nπx)=cos((mn)πx)cos((m+n)πx)2\sin(m\pi x)\sin(n\pi x) = \cos((m-n)\pi x) - \cos((m+n)\pi x) integreert voor mnm \neq n tot 00.

6. kerG={0}\ker G = \{0\} (vraag 3), dus geeft Stelling 15.7(1) dat H=Vect(en)H = \overline{\operatorname{Vect}}(e_n): de sinussen vormen een hilbertbasis van L2([0,1])L^2(\intcc01). Voor f(x)=x(1x)f(x) = x(1 - x):

cn=201x(1x)sin(nπx) ⁣dx=2  2(1(1)n)n3π3={42n3π3n oneven,0n even,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{ oneven},\\ 0 & n \text{ even},\end{cases}

(twee partiële integraties). Parseval: 01x2(1x)2 ⁣dx=130=n oneven32n6π6\int_0^1x^2(1-x)^2\dd x = \frac1{30} = \sum_{n \text{ oneven}}\frac{32}{n^6\pi^6}, dat wil zeggen n onevenn6=π6960\sum_{n\text{ oneven}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}.

7. en,Gen=λnen2=λn\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n\norm{e_n}^2 = \lambda_n. Voor vaste xx zijn de coëfficiënten van 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), dus g(x,)=nλnen(x)eng(x,\cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n in L2L^2. De expliciete reeks 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} convergeert normaal op het vierkant (term2n2π2\abs{\text{term}} \leq \frac2{n^2\pi^2}): haar som is continu, en ze heeft voor elke xx dezelfde coëfficiënten in L2( ⁣dy)L^2(\dd y) als g(x,)g(x, \cdot): de twee continue functies vallen dus in elk punt (x,y)(x, y) samen. Stel y=xy = x en integreer (de normale convergentie laat term voor term integreren toe):

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

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

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

9. Voor f=1f = \mathbf 1 is cn=201sin(nπx) ⁣dx=21(1)nnπc_n = \sqrt2\int_0^1\sin(n\pi x)\dd x = \sqrt2\,\frac{1 - (-1)^n}{n\pi}: dus cn=22nπc_n = \frac{2\sqrt2}{n\pi} voor oneven nn en 00 voor even nn. Parseval: 1=n oneven8n2π21 = \sum_{n\text{ oneven}}\frac{8}{n^2\pi^2}, dus n onevenn2=π28\sum_{n\text{ oneven}}n^{-2} = \frac{\pi^2}8, en ζ(2)=π281114=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}8\cdot\frac{1}{1 - \frac14} = \frac{\pi^2}6 (de even termen zijn 14ζ(2)\frac14\zeta(2)). Vergelijking: Parseval voor één ff sommeert en,f2\abs{\langle e_n, f\rangle}^2; de spoorformule integreert de diagonaal van de kern, wat neerkomt op Parseval sommeren over een hele orthonormale familie tegelijk — nen,Gen\sum_n\langle e_n, Ge_n\rangle — en is daarom blind voor elke bijzondere keuze van testfunctie.

10. cncos(nπt)cn\abs{c_n\cos(n\pi t)} \leq \abs{c_n} met cn2<\sum\abs{c_n}^2 < \infty: voor elke tt convergeert de reeks in L2L^2 (orthonormale ontwikkeling, Stelling 13.7(3)); de staartafschatting u(t)uN(t)22n>Ncn2\norm{u(t) - u_N(t)}_2^2 \leq \sum_{n>N}\abs{c_n}^2 is uniform in tt, en elke partiële som is continu in tt (eindig veel cosinussen): dus is tu(t,)t \mapsto u(t,\cdot) continu met waarden in L2L^2. Voor f=nNcnenf = \sum_{n\leq N}c_ne_n: elke modus cos(nπt)sin(nπx)\cos(n\pi t)\sin(n\pi x) voldoet aan t2=n2π2=x2\partial_t^2 = -n^2\pi^2 = \partial_x^2 erop toegepast, verdwijnt in x=0,1x = 0, 1, heeft in t=0t = 0 waarde sin(nπx)\sin(n\pi x) en tijdsafgeleide 00: de eindige som lost alles op. Muzikaal: de beweging van de snaar is een superpositie van staande golven ene_n, waarvan de frequenties nπn\pi de grondtoon en haar boventonen zijn; de spectraalstelling zegt dat elke beginvorm uniek in deze zuivere tonen uiteenvalt, met de coëfficiënten cnc_n als klankkleur. Een snaar horen is een orthonormale ontwikkeling berekenen.

11. Met an=un,x2a_n = \abs{\langle u_n, x\rangle}^2 is mp+1=nμnp+1an=n(μnp/2an)(μnp/2+1an)mpmp+2m_{p+1} = \sum_n\mu_n^{p+1}a_n = \sum_n\bigl(\mu_n^{p/2} \sqrt{a_n}\bigr)\bigl(\mu_n^{p/2+1}\sqrt{a_n}\bigr) \leq \sqrt{m_p\,m_{p+2}} (Cauchy–Schwarz in 2\ell^2). Bijgevolg zijn de verhoudingen mp+1/mpm_{p+1}/m_p niet-dalend in pp; omdat R(x)=m1m0R(x) = \frac{m_1}{m_0}, Ax,Axx,Ax=m2m1\frac{\langle Ax, Ax\rangle} {\langle x, Ax\rangle} = \frac{m_2}{m_1} en R(Ax)=m3m2R(Ax) = \frac{m_3}{m_2}, volgt de keten, met elke term μ1\leq \mu_1 omdat mp+1μ1mpm_{p+1} \leq \mu_1m_p term voor term. Convergentie: is a1>0a_1 > 0 (waarbij a1a_1 het totale gewicht van de grootste eigenwaarde is), dan is

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

volgens de gedomineerde convergentie van de sommen (verhoudingen <1< 1): de machtsmethode convergeert voor elke startvector die niet loodrecht op de bovenste eigenruimte staat.

12. Puntsgewijs is x,(AB)xABx2\abs{\langle x, (A - B)x\rangle} \leq \vertiii{A - B}\,\norm x^2, dus RA(x)RB(x)+ABR_A(x) \leq R_B(x) + \vertiii{A - B} voor elke xx. Dat invoeren in de max-minformule van Oefening 15.8 geeft μn(A)μn(B)+AB\mu_n(A) \leq \mu_n(B) + \vertiii{A - B}, en symmetrisch in AA en BB: μn(A)μn(B)AB\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \leq \vertiii{A - B} voor alle nn tegelijk.

13. w=xx2-w'' = x - x^2 integreert tot w=x36+x412+cxw = -\frac{x^3}6 + \frac{x^4}{12} + cx (met w(0)=0w(0) = 0), en w(1)=0w(1) = 0 geeft c=112c = \frac1{12}:

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

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

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

Dus 1π2=λ117168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, dat wil zeggen π216817=9.8824\pi^2 \leq \frac{168}{17} = 9.8824: π3.14364<3.1437\pi \leq 3.14364 < 3.1437 (de ware waarde is π2=9.8696\pi^2 = 9.8696). Eén veelterm, één integraal, één cijfer.

14. Schrijf u=xx2u = x - x^2, zodat Gu=u(1+u)12Gu = \frac{u(1 + u)}{12}, en gebruik u2=130\int u^2 = \frac1{30}, u3=1140\int u^3 = \frac1{140} en u4=B(5,5)=4!4!9!=1630\int u^4 = B(5,5) = \frac{4!\,4!}{9!} = \frac1{630}:

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

Bijgevolg is Gu,Guu,Gu=31/9072017/5040=31306\frac{\langle Gu, Gu\rangle}{\langle u, Gu\rangle} = \frac{31/90720}{17/5040} = \frac{31}{306}, en volgens vraag 11 is dat nog steeds μ1=1π2\leq \mu_1 = \frac1{\pi^2}: dus π230631=9.87097\pi^2 \leq \frac{306}{31} = 9.87097, oftewel π3.14181<3.1419\pi \leq 3.14181 < 3.1419 — vier cijfers (en de volgende iteratie zou er ongeveer acht geven, want de fout krimpt per stap met (λ2/λ1)2=116(\lambda_2/\lambda_1)^2 = \frac1{16}).

15. De familie (emen)(x,y)=em(x)en(y)(e_m \otimes e_n)(x,y) = e_m(x)e_n(y) is een hilbertbasis van L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (orthonormaal volgens Tonelli; totaal als in Oefening 15.5). Volgens vraag 7 is voor vaste xx g(x,)=nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)e_n, dus is de coëfficiënt van gg op emene_m\otimes e_n

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

Parseval op het vierkant:

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

16. Wegens de symmetrie van gg is

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

17. Samen: n1n4π4=190\sum_n\frac1{n^4\pi^4} = \frac1{90}, dat wil zeggen ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}. In het algemeen is tr(Gk)=λnk=ζ(2k)π2k\operatorname{tr}(G^k) = \sum\lambda_n^k = \frac{\zeta(2k)}{\pi^{2k}} gelijk aan een geïtereerde integraal van producten van de rationale veeltermkern gg over de kk-kubus: een rationaal getal. Dus is ζ(2k)π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\Q voor elke kk. De machine bereikt enkel even argumenten omdat de eigenwaarden erin komen via hun machtenλnk\sum\lambda_n^k — en λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}: geen enkele combinatie van sporen brengt n3\sum n^{-3} voort; de rekenkundige aard van ζ(3)\zeta(3) (irrationaal volgens Apéry, transcendentie open) ligt voorbij de spectrale boekhouding.

18. De grootste term van een som van positieve termen is hoogstens die som: λ12λn2=190\lambda_1^2 \leq \sum\lambda_n^2 = \frac1{90}, dus 1π2190\frac1{\pi^2} \leq \frac1{\sqrt{90}} en π901/4=3.0801\pi \geq 90^{1/4} = 3.0801\ldots Met vraag 14: 3.080<π<3.14193.080 < \pi < 3.1419, en dat uitsluitend met de rekenkunde van de snaar. Hogere sporen verscherpen de ondergrens meetkundig: λ1(trG2k)1/2k=λ1(1+n2(λn/λ1)2k)1/2k\lambda_1 \leq (\operatorname{tr}G^{2k})^{1/2k} = \lambda_1\bigl(1 + \sum_{n\geq2}(\lambda_n/\lambda_1)^{2k} \bigr)^{1/2k}, en de parasitaire factor sterft zo snel als (14)2k12k\bigl(\tfrac14\bigr)^{2k}\cdot\frac1{2k} — hetzelfde mechanisme van de spectrale kloof als bij de convergentie van de machtsmethode (vraag 11), nu van de spoorkant bekeken.

19. n2π2νδ>0\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \delta > 0 voor alle nn (de rij n2π2n^2\pi^2 \to \infty mijdt ν\nu met een marge), en n2π2νn2π22\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \frac{n^2\pi^2}2 voor grote nn. Convergentie in L2L^2: de coëfficiënten cnn2π2ν\frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu} zijn kwadratisch sommeerbaar (gedomineerd door cnδ\frac{\abs{c_n}}\delta). Uniforme convergentie: de supremumnormen van de staarten zijn begrensd door 2n>Ncnn2π2ν22π2(cn2)1/2(n>Nn4)1/20\sqrt2\sum_{n>N} \frac{\abs{c_n}}{\abs{n^2\pi^2 - \nu}} \leq \frac{2\sqrt2}{\pi^2}\bigl(\sum\abs{c_n}^2\bigr)^{1/2} \bigl(\sum_{n>N}n^{-4}\bigr)^{1/2} \to 0 (Cauchy–Schwarz). Verificatie: Gf+νGuGf + \nu Gu heeft als ene_n-coëfficiënt

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

precies de coëfficiënten van uu, dus u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu; en de uniciteit omdat een verschil vv van oplossingen voldoet aan v=νGvv = \nu Gv, dat wil zeggen en,v(n2π2ν)=0\langle e_n, v\rangle(n^2\pi^2 - \nu) = 0 voor alle nn: dus v=0v = 0.

20. Als in vraag 19 is de vergelijking u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu gelijkwaardig met de familie coëfficiëntvergelijkingen (n2π2ν)en,u=cn(n^2\pi^2 - \nu)\,\langle e_n, u\rangle = c_n, n1n \geq 1. Voor n=mn = m is het linkerlid 00: de oplosbaarheid dwingt cm=0c_m = 0 af, en dan is em,u\langle e_m, u\rangle vrij terwijl alle andere coëfficiënten vastliggen: de oplossingen vormen de rechte u0+Remu_0 + \R e_m. Resonantie: een aandrijving met een component op de eigenmodus pompt er onbegrensd energie in — de schommel, aangeduwd op haar eigen frequentie.

21. Uit de formule van vraag 19 volgt Rνf22=cn2(n2π2ν)2f2(π2ν)2\norm{R_\nu f}_2^2 = \sum\frac{\abs{c_n}^2}{(n^2\pi^2 - \nu)^2} \leq \frac{\norm f^2}{(\pi^2 - \nu)^2} (voor ν<π2\nu < \pi^2 is π2\pi^2 de dichtstbijzijnde eigenwaarde), waarbij de gelijkheid op f=e1f = e_1 wordt benaderd: operatornorm 1π2ν\frac1{\pi^2 - \nu}. Compactheid: RνR_\nu is de limiet in norm van haar afknottingen van eindige rang (de staartcoëfficiënten 1n2π2ν0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} \to 0); de zelftoegevoegdheid en de positiviteit lees je van de diagonaalvorm af (alle coëfficiënten 1n2π2ν>0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} > 0). RνR_\nu heeft de eigenwaarden 1n2π2ν\frac1{n^2\pi^2 - \nu}: de analyse van de Delen I tot en met VI begint woordelijk opnieuw.

22. Het woordenboek: eigenwaarde λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} \leftrightarrow de gekwadrateerde frequentie n2π2n^2\pi^2 van de nn-de harmonische; spoor λn=16\sum \lambda_n = \frac16 \leftrightarrow ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6; hilbert-schmidtnorm g2=190\iint g^2 = \frac1{90} \leftrightarrow ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}; alternatief van Fredholm \leftrightarrow de resonantie van de aangedreven snaar; min-max \leftrightarrow variationele schattingen, tot π<3.1437\pi < 3.1437 uit één veelterm. Achter elk paar hetzelfde object: één compacte zelftoegevoegde operator, één keer gediagonaliseerd, vijf keer uitgebuit.

23. Splitsen naar pariteit en n=2mn = 2m substitueren in het even deel geeft

ζ(6)=n oneven1n6+m11(2m)6=π6960+ζ(6)64,\zeta(6) = \sum_{n\text{ oneven}}\frac1{n^6} + \sum_{m\geq1}\frac1{(2m)^6} = \frac{\pi^6}{960} + \frac{\zeta(6)}{64},

dus 6364ζ(6)=π6960\frac{63}{64}\zeta(6) = \frac{\pi^6}{960} en ζ(6)=64π663960=π6945\zeta(6) = \frac{64\,\pi^6}{63\cdot960} = \frac{\pi^6}{945}. De weg via het spoor zou trG3=λn3=ζ(6)/π6\operatorname{tr}G^3 = \sum\lambda_n^3 = \zeta(6)/\pi^6 berekenen als gg2\iint g\,g_2 met de geïtereerde kern g2(x,y)=01g(x,z)g(z,y) ⁣dzg_2(x,y) = \int_0^1g(x,z)g(z,y)\dd z — drie integraties van stuksgewijze veeltermen; Parseval op x(1x)x(1-x) had er maar één nodig.

24. (a) Diagonaliseer: v=nanunv = \sum_na_nu_n (plus een mogelijke component in de kern, waarop v,Av\langle v, Av\rangle niets wint terwijl v2\norm v^2 groeit, zodat een maximalisator er geen heeft). Dan is v,Av=μnan2μ1an2\langle v, Av\rangle = \sum\mu_na_n^2 \leq \mu_1\sum a_n^2, met gelijkheid dan en slechts dan als an=0a_n = 0 zodra μn<μ1\mu_n < \mu_1: een maximalisator ligt dus in de eigenruimte bij μ1\mu_1. (b) Voor elke uu is

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

want de integrand is puntsgewijs niet-negatief. Hebben P={u>0}P = \{u > 0\} en N={u<0}N = \{u < 0\} allebei positieve maat, dan is de integrand op P×NP\times N gelijk aan 2ku(x)u(y)>02k\abs{u(x)}\abs{u(y)} > 0 op een verzameling van positieve maat: strikte ongelijkheid. Een eigenfunctie uu bij μ1\mu_1 maximaliseert het quotiënt van Rayleigh, en u\abs u heeft dezelfde norm, dus zou de striktheid R(u)>μ1R(\abs u) > \mu_1 opleveren — onmogelijk; bijgevolg heeft uu b.o. een constant teken, zeg u0u \geq 0. Dan is u(x)=μ11(Au)(x)=μ11k(x,y)u(y) ⁣dy>0u(x) = \mu_1^{-1}(Au)(x) = \mu_1^{-1}\int k(x,y)u(y)\dd y > 0 voor elke x(0,1)x \in \intoo01 (want k(x,)>0k(x,\cdot) > 0 en u0u \neq 0). (c) Had de eigenruimte dimensie 2\geq 2, dan zou ze twee orthogonale eigenfuncties u,vu, v bevatten, elk met een constant teken en volgens (b) inwendig nergens nul; maar dan is u,v=uv>0\abs{\langle u, v\rangle} = \int\abs u\,\abs v > 0 — tegenspraak. Op de snaar: k=g>0k = g > 0 op het open vierkant, μ1=λ1=1π2\mu_1 = \lambda_1 = \frac1{\pi^2} is inderdaad enkelvoudig, en e1=2sin(πx)e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) is positief op (0,1)\intoo01; en elke ene_n met n2n \geq 2 moet, loodrecht op de positieve e1e_1, tegen haar in tot nul integreren en dus van teken wisselen — zoals haar n1n - 1 inwendige nulpunten kn\frac kn bevestigen.

25. Omdat n2π2n^2\pi^2 \to \infty, wordt het minimum d=minnn2π2νd = \min_n\abs{n^2\pi^2 - \nu} bereikt, in een modus mm, en d>0d > 0 omdat ν\nu het spectrum mijdt. De diagonaalformule van vraag 19 geeft

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

met gelijkheid voor f=emf = e_m: Rν=1d\vertiii{R_\nu} = \frac1d, het omgekeerde van de afstand van ν\nu tot het spectrum — het algemene resolventebeginsel, hier in expliciete coördinaten. De zelftoegevoegdheid lees je van de reële diagonaalcoëfficiënten af; de compactheid volgt als in vraag 21 (de coëfficiënten gaan naar 00, dus convergeren de afknottingen van eindige rang in norm). De prijs van de resonantie: voor f=e1f = e_1 en ν=(1ε)π2\nu = (1-\varepsilon)\pi^2 geeft de formule u=c1π2νe1=1επ2e1u = \frac{c_1}{\pi^2 - \nu}e_1 = \frac1{\varepsilon\pi^2}e_1, tegenover het statische antwoord Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1: een versterking met 1ε\frac1\varepsilon. Bij ε=102\varepsilon = 10^{-2} is het antwoord 100100 maal het statische — en het divergeert als ε0\varepsilon \to 0, wat het alternatief van vraag 20 is, gezien van de begrensde kant: hoe dichter de aandrijffrequentie bij een eigenfrequentie ligt, hoe minder begrensd de inverse.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst