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 op 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 als afscheidsgeschenk uit een spoorformule. Overal is een hilbertruimte over (of ; de uitspraken passen zich aan), en zijn de operatoren begrensd.
15.1 Compacte operatoren
Definitie 15.1
( banach) heet compact als het beeld van de eenheidsbal relatief compact is in — gelijkwaardig: als elke begrensde rij een deelrij heeft waarvoor 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 vormen een gesloten deelruimte van en een tweezijdig ideaal: is compact, dan zijn en compact voor begrensde . 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 met compact, en begrensd door ; een diagonaalextractie maakt convergent voor elke ; dan is cauchy, want
waarbij je eerst kiest en dan de indices. Benadering in hilbertruimten: zij compact en compact; overdek bij gegeven met eindig veel ballen en zij de orthogonale projectie op (gesloten: eindigdimensionaal). Dan heeft eindige rang, en voor geldt, met een waarvoor ,
(; ): dus . ∎
Voorbeeld 15.3
(a) Diagonaaloperatoren op : is compact dan en slechts dan als (Oefening 15.2). (b) Kernoperatoren op : compact volgens Ascoli (Oefening 7.7). (c) Hilbert-schmidtoperatoren: voor definieert
een compacte operator op met (Oefening 15.4: de basisontwikkeling van afknotten toont als limiet van operatoren van eindige rang).
15.2 Zelftoegevoegde operatoren
Definitie 15.4
heet zelftoegevoegd als (Oefening 13.8), dat wil zeggen voor alle . Dan is voor elke (gelijk aan haar toegevoegde).
Propositie 15.5
Voor zelftoegevoegde geldt
De eigenwaarden van zijn reëel, en eigenvectoren bij verschillende eigenwaarden staan loodrecht op elkaar.
Bewijs. Zij het supremum; volgens Cauchy–Schwarz. Omgekeerd geeft de identiteit van polarisatietype
(ontwikkel; de kruistermen wegens de zelftoegevoegdheid), samen met de parallellogramwet,
Neem voor met : . Dus . Eigenwaarden: uit met volgt . Orthogonaliteit: met reëel. ∎
15.3 De spectraalstelling
Lemma 15.6 (Bestaan van een extreme eigenwaarde)
Zij compact en zelftoegevoegd. Dan is of een eigenwaarde van .
Bewijs. Kies volgens Propositie 15.5 eenheidsvectoren met , waarbij (ga over op een deelrij om het teken vast te leggen). Dan is
Wegens de compactheid convergeert een deelrij ; dan is , dus , een eenheidsvector, en de continuïteit geeft . ∎
Stelling 15.7 (Spectraalstelling voor compacte zelftoegevoegde operatoren)
Zij een compacte zelftoegevoegde operator op een hilbertruimte .
laat een orthonormaal stelsel ( eindig of aftelbaar) van eigenvectoren van toe, met reële eigenwaarden , zodat
en .
- Is oneindig, dan is ; voor elke hebben slechts eindig veel , en elke eigenruimte met is eindigdimensionaal.
- aanvullen met een orthonormale basis van levert, wanneer separabel is, een orthonormale basis van die uit eigenvectoren bestaat: is gediagonaliseerd.
Bewijs. Eerst (2). Hadden oneindig veel orthonormale eigenvectoren , dan is (orthogonaliteit, Pythagoras): geen enkele convergente deelrij van , in tegenspraak met de compactheid van op de begrensde . Dat begrenst voor elke de totale multipliciteit van de eigenwaarden buiten door een eindig getal; de aftelbaarheid en volgen.
(1) Zij het gesloten opspansel van alle eigenvectoren met eigenwaarde , geordend (met (2) en Gram–Schmidt binnen elke eindigdimensionale eigenruimte, en de orthogonaliteit tussen eigenruimten uit Propositie 15.5) tot een orthonormaal stelsel met eigenwaarden . beeldt in af, en ook in : voor en een eigenvector is . De beperking is compact en zelftoegevoegd op de hilbertruimte ; was , dan zou Lemma 15.6 binnen een eigenvector van met eigenwaarde voortbrengen — onmogelijk, want zulke vectoren wonen in . Dus : . Omgekeerd staat loodrecht op elke (): , waaruit en de orthogonale ontbinding volgen. De ontwikkeling: voor (, ; Stelling 13.7(1) op ) geeft de continuïteit van dat .
(3) , 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 . ∎
Stelling 15.8 (Alternatief van Fredholm)
Zij compact en zelftoegevoegd en .
Bewijs. Ontbind en langs Stelling 15.7 (). De vergelijking luidt
(1) : volgens (2) van de spectraalstelling is (de eigenwaarden hopen zich enkel op in ). Los op: en , met : één unieke oplossing met . (2) voor in een eindige verzameling : de oplosbaarheid van voor vereist , dat wil zeggen (), oftewel ; de met zijn dan vrij. ∎
Voorbeeld 15.9
Stel op : een hilbert-schmidtoperator met reële symmetrische kern, dus compact en zelftoegevoegd. Het oplossen van : de betrekking toont dat voldoet aan (twee keer differentiëren, geoorloofd voor continue , en is continu voor : gedomineerde convergentie), met en . Eigenfuncties lossen dus op met en :
en de spectraalstelling beweert — zonder enige fouriertheorie — dat deze sinussen na normering een orthonormale basis van vormen (de kern van is : dwingt via de twee differentiaties b.o. af). De weekendopgave doorloopt dezelfde ideeënkring voor de trillende snaar en haalt uit het spoor.
Methode 15.10
Bij een integraal- of differentiaalvergelijking: (1) herschrijf haar als of met een integraaloperator; (2) ga na dat 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) is een begrensde deelverzameling van de eindigdimensionale : relatief compact volgens Heine–Borel (Gevolg 6.17, overgezet met een lineair homeomorfisme met ). (b) 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 een begrensde inverse , dan zou compact zijn (Propositie 15.2): onmogelijk in oneindige dimensie.
Oefening 15.2 ★
Zij op , met begrensd. (a) Toon aan dat . (b) Toon aan dat compact is dan en slechts dan als . (Voor afknotten; voor testen op .) (c) Wanneer is zelftoegevoegd? Ga in dat geval de spectraalstelling met het blote oog na.
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.2.
(a) , met bijna gelijkheid op de die het supremum verwezenlijken. (b) () De afknottingen (behoud , daarbuiten nul) hebben eindige rang met : compact volgens Propositie 15.2. () Is langs een deelrij, dan is : geen enkele convergente deelrij van . (c) is de diagonaaloperator met : zelftoegevoegd dan en slechts dan als alle . Dan is de standaardbasis een orthonormale basis van eigenvectoren, met eigenwaarden : de spectraalstelling woordelijk.
Oefening 15.3 ★★
Geef de details van de ideaaleigenschap (Propositie 15.2): is compact en zijn begrensd, dan is compact. Leid af dat als voor een begrensde en , niet compact is — en verzoen dat met Oefening 15.1(b).
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.3.
Zij begrensd. Dan is begrensd (); de compactheid van haalt er uit, en de continuïteit van geeft : dus is compact. Is met compact en , dan zou compact zijn, in tegenspraak met Oefening 15.1(b) — dezelfde uitspraak, van de andere kant bekeken.
Oefening 15.4 ★★
(Hilbert–Schmidt) Zij en een hilbertbasis van . (a) Toon aan dat (Cauchy–Schwarz in de veranderlijke , daarna Tonelli). (b) Ontwikkel in 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 convergeren: dus is compact.
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.4.
(a) Met Cauchy–Schwarz in : ; integreer naar (Tonelli): .
(b) De familie is orthonormaal in (Tonelli splitst de dubbele integraal). Totaal: staat loodrecht op alle , dan staat voor elke de functie (in volgens Cauchy–Schwarz en Tonelli) loodrecht op elke — en de toegevoegden vormen een hilbertbasis zodra dat doet (toevoeging is een isometrische bijectie van die orthogonaliteit en totaliteit behoudt) — dus is ze b.o.; dan staat voor b.o. loodrecht op elke : dus b.o., en (Tonelli). Bijgevolg is een hilbertbasis; ontwikkel . De afknotting (indices ) geeft een van eindige rang (beeld in ), en volgens (a) is
is een limiet in norm van operatoren van eindige rang, dus compact (Propositie 15.2).
Oefening 15.5 ★★
Zij zelftoegevoegd met voor alle (een positieve operator). (a) Toon aan dat de eigenwaarden zijn en dat . (b) Bewijs de veralgemeende ongelijkheid van Cauchy–Schwarz .
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.5.
(a) Op een eigenvector is . De formule is Propositie 15.5 met alle waarden : de absolute waarde is overbodig. (b) is een hermitische positieve (mogelijk ontaarde) sesquilineaire vorm; het gebruikelijke bewijs van Cauchy–Schwarz (ontwikkel en neem de discriminant) gebruikt de definietheid nergens.
Oefening 15.6 ★★
Stel op . (a) Toon aan dat begrensd en zelftoegevoegd is met , maar geen eigenwaarden heeft. (b) Toon aan dat niet compact is (geef een begrensde rij waarvan het beeld geen convergente deelrij heeft, bijvoorbeeld genormeerde indicatoren van krimpende intervallen nabij — of roep de spectraalstelling in). (c) Waar breekt het bewijs van Lemma 15.6 voor ?
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.6.
(a) , en op (eenheidsvectoren) is : dus ; zelftoegevoegd omdat de vermenigvuldiger reëel is. Eigenwaarden: b.o. dwingt b.o. af buiten de nulverzameling : dus in . (b) Met dezelfde : , terwijl (voor vaste is volgens de gedomineerde convergentie). Zou in norm, dan is , wat afdwingt (zwakke limiet) terwijl : dus geen enkele convergente deelrij. (c) In Lemma 15.6 gebruikt precies de extractie “” de compactheid; voor concentreren de maximaliserende rijen zich nabij en convergeren hun beelden zwak naar , nooit in norm: de eigenvector aan de top van het numerieke bereik bestaat eenvoudigweg niet.
Oefening 15.7 ★★
(Volterra) Stel op . (a) Toon aan dat compact is (hilbert-schmidtoperator met kern ) maar niet zelftoegevoegd; bereken . (b) Toon aan dat geen eigenwaarde heeft. (Uit : heeft een continue vertegenwoordiger, is dan , en lost met op.) (c) Besluit dat compactheid alleen geen eigenvectoren oplevert: de zelftoegevoegdheid in Stelling 15.7 is essentieel.
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.7.
(a) met : compact (Oefening 15.4). Haar toegevoegde is de kernoperator met kern : ; en (test op ). (b) Is met , dan is continu op (gedomineerde convergentie in ), dus heeft een continue vertegenwoordiger; dan is (de hoofdstelling van de integraalrekening voor continue integranden), dus is , met en : dus met . (c) is compact zonder enige eigenwaarde behalve mogelijk ( dwingt b.o. af door de integraal te differentiëren — dus zelfs niet): de spectrale machinerie vereist werkelijk zelftoegevoegdheid, niet enkel compactheid.
Oefening 15.8 ★★★
(Courant–Fischer) Zij compact, zelftoegevoegd en positief, met eigenwaarden (herhaald naar multipliciteit, met eigenvectoren ). Toon aan:
(Test ; snijd voor de bovengrens een willekeurige met ruimten van het type : het tellen van dimensies dwingt een doorsnede af.) Leid af dat de eigenwaarden monotoon van afhangen ().
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.8.
Schrijf met , zodat . Ondergrens: op de eenheidssfeer van is : het maximum over van het minimum is dus . Bovengrens: zij en , van codimensie (haar orthogonaal complement is ); dan is (een lineaire afbeelding van rang heeft een kern ), en een eenheidsvector heeft : het minimum over is dus . Samen: de eerste formule; de tweede wordt symmetrisch bewezen (test ; voor willekeurige van codimensie geeft een eenheidsvector met ). Monotonie: draagt puntsgewijs door de heen.
Oefening 15.9 ★★
Voor welke heeft de integraalvergelijking
met Stelling 15.8 voor (Voorbeeld 15.9) een unieke oplossing voor elke ? Wat gebeurt er bij de uitzonderlijke waarden?
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.9.
Herschrijf haar als . Voor is , altijd uniek oplosbaar. Voor luidt ze , en volgens het alternatief van Fredholm (Stelling 15.8) met de eigenwaarden van (Voorbeeld 15.9) is ze voor elke uniek oplosbaar dan en slechts dan als voor elke , dat wil zeggen
Bij een uitzonderlijke bestaan er oplossingen dan en slechts dan als , en dan zijn ze uniek op het optellen van veelvouden van die sinus na.
Oefening 15.10 ★★★
Zij de verschuiving op (Oefening 8.1). (a) Toon aan dat geen eigenwaarden heeft, terwijl elke met een eigenwaarde van is (zoek de eigenvectoren expliciet: meetkundige rijen). (b) Noch noch is compact: ga dat na door te testen op 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) : coördinaten vergelijken geeft en ; is , dan is en inductief ; is , dan dwingt af ( is isometrisch). Geen eigenwaarden. luidt : , in precies wanneer : een volle open schijf eigenwaarden. (b) : het beeld van de begrensde heeft geen enkele cauchydeelrij; en evenzo . 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 (, Volterra) of een schijf vullen (): het robuuste object is het spectrum , waarvan de theorie tot een latere cursus behoort.
Oefening 15.11 ★★
(Vierkantswortels) Zij compact, zelftoegevoegd en positief () op een hilbertruimte , met spectrale ontbinding (). (a) Definieer ; toon aan dat compact, zelftoegevoegd en positief is met . (b) Bewijs de uniciteit: elke compacte positieve zelftoegevoegde met behoudt de eigenruimten van (: commuteert met , dus ), en op is een positieve operator die op een eindigdimensionale ruimte kwadrateert tot : diagonaliseer haar daar en besluit dat op elke eigenruimte, dus . (c) Bereken voor de snaaroperator van Probleem 15.1: welke kern heeft op de sinusbasis de eigenwaarden ? (Druk uit als -limiet van kernen; een gesloten vorm is niet vereist.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.11.
(a) is de diagonaaloperator met coëfficiënten : compact (Oefening 15.2(b), overgezet naar de basis aangevuld met , waar ), zelftoegevoegd (reële diagonaal), positief (), en term voor term.
(b) commuteert met ; voor een eigenvector van bij eigenwaarde is , dus is de eindigdimensionale eigenruimte -stabiel. Op is symmetrisch en positief met : haar eigenwaarden voldoen aan met , dus zijn ze alle gelijk aan , en een diagonaliseerbare operator met één enkele eigenwaarde is scalair: op . Op : . Dus valt samen met op en op elke eigenruimte, waarvan het gesloten opspansel is (spectraalstelling): .
(c) werkt als op : het is de kernoperator met
waarbij de reeks convergeert in (de coëfficiënten liggen in ; 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 compact, niet noodzakelijk zelftoegevoegd. (a) Toon aan dat compact, zelftoegevoegd en positief is; zij een orthonormale familie eigenvectoren met en (de singuliere waarden), aangevuld met (bewijs die gelijkheid). (b) Stel ; toon aan dat orthonormaal is, en vestig de singulierewaardenontbinding
met convergentie in . (c) Leid af: ; 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 van Oefening 15.7, die geen eigenwaarden heeft, uit waarom de ontbinding niettemin bestaat en wat haar ingrediënten zijn (identificeer als een kernoperator van het snaartype — haar eigenwaarden expliciet berekenen is het terrein van Oefening 15.9).
Oplossing
Oplossing van Oefening 15.12.
(a) is compact (product van een begrensde en een compacte operator, Oefening 15.3), zelftoegevoegd () en positief (). Kern: , en omgekeerd: dus . De spectraalstelling levert de orthonormale met en , die opspannen.
(b) . Ontwikkel met (Parseval op het gesloten opspansel plus de kern); de continue toepassen geeft
waarbij de reeks convergeert omdat haar partiële sommen cauchy zijn (, gedomineerd door , en ).
(c) , bereikt op de maximaliserende : dus . De ontbinding op rang afknotten laat een operator van norm over: benadering door eindige rang. De volterra-operator heeft helemaal geen eigenwaarden (Oefening 15.7), maar wel: is een symmetrische positieve kernoperator (kern , een greenkern van het snaartype), waarvan de eigenparen — berekend met het randwaardeprobleem , , dat wil zeggen de familie van Oefening 15.9 — de singuliere waarden geven. De ontbinding leeft op twee orthonormale families juist omdat haar eigenmeetkunde wegdraait: geen eigenvectoren, en toch een volmaakte diagonaalstructuur tussen twee verschillende bases.
15.5 Probleem: de trillende snaar en
Probleem 15.1
Weekendopgave — de operator van Green, de sinusbasis en een spoorformule
We lossen het eigenwaardeprobleem van de trillende snaar met vaste uiteinden — , — met operatortheorie op, verkrijgen de orthonormale sinusbasis zonder enige fourierberekening, en bepalen door twee uitdrukkingen voor het spoor van de greenoperator te vergelijken. Definieer op
Deel I — De greenoperator.
- Toon aan dat continu en symmetrisch is met , en dat compact en zelftoegevoegd is (Voorbeeld 15.3(c)).
Toon voor continue aan dat is met
(schrijf en differentieer tweemaal). Omgekeerd is, als met , : inverteert de snaaroperator.
- Toon aan dat (is met : test tegen continue , breng met de symmetrie en Fubini over op , en gebruik het hoofdlemma Gevolg 12.11 — of strijk glad), en dat een positieve operator is: . (Voor continue : met , met partiële integratie; besluit met dichtheid.)
Deel II — Diagonaliseren: de sinusbasis.
- Toon aan dat de eigenfuncties van bij eigenwaarde op scalairen na de oplossingen zijn van met (een eigenfunctie heeft een continue vertegenwoordiger — is continu voor , waarom? — en is dus door vraag 2 als hefboom te gebruiken).
- Los het randwaardeprobleem op: de eigenwaarden van zijn (), met genormeerde eigenfuncties ; ga de orthonormaliteit als controle met een rechtstreekse integratie na.
- Besluit uit Stelling 15.7 en vraag 3 dat een orthonormale basis van is — geen Stone–Weierstrass, geen fourierreeksen nodig. Ontwikkel in deze basis en schrijf Parseval ervoor uit.
Deel III — De spoorformule en .
Bewijs de twee identiteiten
Voor de tweede (de spoorformule): ontwikkel voor vaste de functie in de basis — toon aan dat de coëfficiënten zijn, zodat in . Hier zijn de sinussen expliciet: ga rechtstreeks na dat uniform convergeert op het vierkant (vergelijk met ), zodat haar som continu is en, met voor elke dezelfde -ontwikkeling in , overal gelijk is aan . Stel en integreer term voor term.
Bereken , en besluit
de som van Euler uit een operatorspoor.
- Leid op een derde manier af: pas Parseval in de sinusbasis toe op de constante functie , bereken 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.
(Scheiden van veranderlijken, gesynthetiseerd) Definieer voor
Toon aan dat de reeks voor elke in convergeert, dat continu is met waarden in , en dat ze voor in het opspansel van eindig veel de golfvergelijking oplost met , en vaste uiteinden. De eigenwaarden 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 . Zij een compacte zelftoegevoegde positieve operator met eigenwaarden en orthonormale eigenvectoren ; . De min-maxformules zijn Oefening 15.8; hier besteden we ze.
(Machtsmethode) Schrijf voor . Toon aan dat (Cauchy–Schwarz), leid de keten
af, en bewijs dat als : de operator op een willekeurige generieke vector itereren berekent de grootste eigenwaarde — de machtsmethode van de numerieke analyse, gecertificeerd.
(Stabiliteit van Weyl) Leid voor compacte zelftoegevoegde positieve uit Oefening 15.8 af dat
het hele spectrum is -lipschitz in de operatornorm — de eigenwaarden van grote symmetrische stelsels kunnen uit benaderingen worden berekend met een gegarandeerde fout.
Pas de grens van Rayleigh toe op met de testfunctie : los met op om te krijgen, bereken
en besluit tot de strikte grens , dat wil zeggen .
Eén stap van de keten uit vraag 11, op dezelfde testfunctie: bereken met
en besluit : twee integralen, vier juiste cijfers. (Elke verdere iteratie kwadrateert de nauwkeurigheid ruwweg: de kloof tussen de eigenvectoren drijft een meetkundige convergentie aan.)
Deel VI — Het spoor van , en .
- Toon aan dat (ontwikkel op de productbasis van — een hilbertbasis, vgl. Oefening 15.5 — en pas Parseval op het vierkant toe; vraag 7 identificeert de coëfficiënten).
Bereken de dubbele integraal:
- Besluit ; leg zonder berekening uit hoe de sporen van hogere machten voor elke voortbrengen, en waarom de oneven waarden structureel buiten het bereik van deze machine liggen.
( van onderen) Leid uit af dat , en stel met vraag 14 het tweezijdige vonnis
samen, volledig verkregen uit de rekenkunde van de trillende snaar. Welke kant convergeert sneller als je hogere sporen gebruikt, en waarom?
Deel VII — Aandrijving en resonantie. Leg vast en beschouw de aangedreven snaar met , waarbij en .
Stel dat . Toon aan dat
convergeert in en uniform op (Cauchy–Schwarz tussen en de staarten van , met ), en dat ze voldoet aan — de vorm in expliciete coördinaten van het alternatief van Fredholm (Stelling 15.8), met uniciteit.
- Stel dat . Toon aan dat een oplossing heeft dan en slechts dan als , uniek op het optellen van veelvouden van na. Fysische lezing: een schommel precies op haar eigen frequentie aanduwen.
- Toon voor aan dat de oplossingsoperator begrensd is op met norm , en compact, zelftoegevoegd en positief: de hele spectraalanalyse begint opnieuw, verschoven over .
- (Synthese) Stel het woordenboek van deze opgave samen: eigenwaarde gekwadrateerde frequentie (harmonischen); spoor ; hilbert-schmidtnorm ; alternatief van Fredholm resonantie; min-max variationele grenzen ( uit één veelterm). Eén integraaloperator, vijf hoofdstukken analyse verzilverd.
Deel VIII — Drie laatste echo’s.
(, gratis) De identiteit van Parseval uit vraag 6 gaf . Splits in oneven en even en besluit
zonder één nieuwe integraal: de machine van vraag 17 (sporen van ) zou dezelfde waarde hebben opgeleverd, tegen de prijs van een geïtereerde kern — Parseval op één goed gekozen functie is hier de goedkopere weg.
- (De grondtoestand is positief) Zij een compacte zelftoegevoegde positieve operator op , gegeven door een continue symmetrische kern op , met grootste eigenwaarde . Toon aan: (a) elke maximalisator van het quotiënt van Rayleigh is een eigenfunctie bij ; (b) is er een, dan is , met strikte ongelijkheid als beide tekens aanneemt op verzamelingen van positieve maat — dus heeft b.o. een constant teken, en verdwijnt nergens op ; (c) is een enkelvoudige eigenwaarde. Ga elke bewering na op : , en elke met moet, loodrecht staand op , van teken wisselen (en dat doet ze: inwendige nulpunten).
(Afstand tot het spectrum, en de prijs van resonantie) Toon voor aan dat de oplossingsoperator van vraag 19 begrensd, zelftoegevoegd en compact is, met
waarbij de norm op de dichtstbijzijnde modus wordt bereikt. Kwantificeer dan de schommel van vraag 20: aandrijven met bij levert op, een versterking met van het statische antwoord — één procent onder de grondtoon () antwoordt de snaar honderd keer luider.
Oplossing
Oplossing van Probleem 15.1.
1. Continuïteit: en zijn continu; symmetrie: en verwisselen verandert noch noch . Grenzen: , en afschattingen van het type geven (met : , dus ). Verder is : hilbert-schmidt, dus compact (Oefening 15.4); en de kern is reëel symmetrisch: is zelftoegevoegd.
2. Splitsen bij :
Differentieer voor continue (productregel en de hoofdstelling):
en ; duidelijk is . Omgekeerd voldoet, als in beide uiteinden verdwijnt, aan en : is affien en verdwijnt tweemaal, dus .
3. Zij met . Voor is volgens vraag 2, dus
( is zelftoegevoegd): volgens het hoofdlemma (Gevolg 12.11) is b.o. Positiviteit: voor continue is, met ,
voor benader je in door continue : beide leden gaan naar de limiet ( is begrensd).
4. Is met , dan is continu (, en de kern is uniform continu), dus heeft een continue vertegenwoordiger; de formules van vraag 2 tonen dan dat , dus met en .
5. met geeft ( positief: volgens vraag 3 is op eigenvectoren). dwingt af: , met eigenfuncties , genormeerd (want ). Controle van de orthogonaliteit: integreert voor tot .
6. (vraag 3), dus geeft Stelling 15.7(1) dat : de sinussen vormen een hilbertbasis van . Voor :
(twee partiële integraties). Parseval: , dat wil zeggen .
7. . Voor vaste zijn de coëfficiënten van : , dus in . De expliciete reeks convergeert normaal op het vierkant (): haar som is continu, en ze heeft voor elke dezelfde coëfficiënten in als : de twee continue functies vallen dus in elk punt samen. Stel en integreer (de normale convergentie laat term voor term integreren toe):
8. , dus :
9. Voor is : dus voor oneven en voor even . Parseval: , dus , en (de even termen zijn ). Vergelijking: Parseval voor één sommeert ; de spoorformule integreert de diagonaal van de kern, wat neerkomt op Parseval sommeren over een hele orthonormale familie tegelijk — — en is daarom blind voor elke bijzondere keuze van testfunctie.
10. met : voor elke convergeert de reeks in (orthonormale ontwikkeling, Stelling 13.7(3)); de staartafschatting is uniform in , en elke partiële som is continu in (eindig veel cosinussen): dus is continu met waarden in . Voor : elke modus voldoet aan erop toegepast, verdwijnt in , heeft in waarde en tijdsafgeleide : de eindige som lost alles op. Muzikaal: de beweging van de snaar is een superpositie van staande golven , waarvan de frequenties de grondtoon en haar boventonen zijn; de spectraalstelling zegt dat elke beginvorm uniek in deze zuivere tonen uiteenvalt, met de coëfficiënten als klankkleur. Een snaar horen is een orthonormale ontwikkeling berekenen.
11. Met is (Cauchy–Schwarz in ). Bijgevolg zijn de verhoudingen niet-dalend in ; omdat , en , volgt de keten, met elke term omdat term voor term. Convergentie: is (waarbij het totale gewicht van de grootste eigenwaarde is), dan is
volgens de gedomineerde convergentie van de sommen (verhoudingen ): de machtsmethode convergeert voor elke startvector die niet loodrecht op de bovenste eigenruimte staat.
12. Puntsgewijs is , dus voor elke . Dat invoeren in de max-minformule van Oefening 15.8 geeft , en symmetrisch in en : voor alle tegelijk.
13. integreert tot (met ), en geeft :
Verder is , en met :
Dus , dat wil zeggen : (de ware waarde is ). Eén veelterm, één integraal, één cijfer.
14. Schrijf , zodat , en gebruik , en :
Bijgevolg is , en volgens vraag 11 is dat nog steeds : dus , oftewel — vier cijfers (en de volgende iteratie zou er ongeveer acht geven, want de fout krimpt per stap met ).
15. De familie is een hilbertbasis van (orthonormaal volgens Tonelli; totaal als in Oefening 15.5). Volgens vraag 7 is voor vaste , dus is de coëfficiënt van op
Parseval op het vierkant:
16. Wegens de symmetrie van is
17. Samen: , dat wil zeggen . In het algemeen is gelijk aan een geïtereerde integraal van producten van de rationale veeltermkern over de -kubus: een rationaal getal. Dus is voor elke . De machine bereikt enkel even argumenten omdat de eigenwaarden erin komen via hun machten — — en : geen enkele combinatie van sporen brengt voort; de rekenkundige aard van (irrationaal volgens Apéry, transcendentie open) ligt voorbij de spectrale boekhouding.
18. De grootste term van een som van positieve termen is hoogstens die som: , dus en Met vraag 14: , en dat uitsluitend met de rekenkunde van de snaar. Hogere sporen verscherpen de ondergrens meetkundig: , en de parasitaire factor sterft zo snel als — hetzelfde mechanisme van de spectrale kloof als bij de convergentie van de machtsmethode (vraag 11), nu van de spoorkant bekeken.
19. voor alle (de rij mijdt met een marge), en voor grote . Convergentie in : de coëfficiënten zijn kwadratisch sommeerbaar (gedomineerd door ). Uniforme convergentie: de supremumnormen van de staarten zijn begrensd door (Cauchy–Schwarz). Verificatie: heeft als -coëfficiënt
precies de coëfficiënten van , dus ; en de uniciteit omdat een verschil van oplossingen voldoet aan , dat wil zeggen voor alle : dus .
20. Als in vraag 19 is de vergelijking gelijkwaardig met de familie coëfficiëntvergelijkingen , . Voor is het linkerlid : de oplosbaarheid dwingt af, en dan is vrij terwijl alle andere coëfficiënten vastliggen: de oplossingen vormen de rechte . 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 (voor is de dichtstbijzijnde eigenwaarde), waarbij de gelijkheid op wordt benaderd: operatornorm . Compactheid: is de limiet in norm van haar afknottingen van eindige rang (de staartcoëfficiënten ); de zelftoegevoegdheid en de positiviteit lees je van de diagonaalvorm af (alle coëfficiënten ). heeft de eigenwaarden : de analyse van de Delen I tot en met VI begint woordelijk opnieuw.
22. Het woordenboek: eigenwaarde de gekwadrateerde frequentie van de -de harmonische; spoor ; hilbert-schmidtnorm ; alternatief van Fredholm de resonantie van de aangedreven snaar; min-max variationele schattingen, tot uit één veelterm. Achter elk paar hetzelfde object: één compacte zelftoegevoegde operator, één keer gediagonaliseerd, vijf keer uitgebuit.
23. Splitsen naar pariteit en substitueren in het even deel geeft
dus en . De weg via het spoor zou berekenen als met de geïtereerde kern — drie integraties van stuksgewijze veeltermen; Parseval op had er maar één nodig.
24. (a) Diagonaliseer: (plus een mogelijke component in de kern, waarop niets wint terwijl groeit, zodat een maximalisator er geen heeft). Dan is , met gelijkheid dan en slechts dan als zodra : een maximalisator ligt dus in de eigenruimte bij . (b) Voor elke is
want de integrand is puntsgewijs niet-negatief. Hebben en allebei positieve maat, dan is de integrand op gelijk aan op een verzameling van positieve maat: strikte ongelijkheid. Een eigenfunctie bij maximaliseert het quotiënt van Rayleigh, en heeft dezelfde norm, dus zou de striktheid opleveren — onmogelijk; bijgevolg heeft b.o. een constant teken, zeg . Dan is voor elke (want en ). (c) Had de eigenruimte dimensie , dan zou ze twee orthogonale eigenfuncties bevatten, elk met een constant teken en volgens (b) inwendig nergens nul; maar dan is — tegenspraak. Op de snaar: op het open vierkant, is inderdaad enkelvoudig, en is positief op ; en elke met moet, loodrecht op de positieve , tegen haar in tot nul integreren en dus van teken wisselen — zoals haar inwendige nulpunten bevestigen.
25. Omdat , wordt het minimum bereikt, in een modus , en omdat het spectrum mijdt. De diagonaalformule van vraag 19 geeft
met gelijkheid voor : , het omgekeerde van de afstand van 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 , dus convergeren de afknottingen van eindige rang in norm). De prijs van de resonantie: voor en geeft de formule , tegenover het statische antwoord : een versterking met . Bij is het antwoord maal het statische — en het divergeert als , 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.