Mathematics · Livro 5 · Bachelor Year 3

Matemática universitária — Graduação 3

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15Operadores compactos e o teorema espectral

A diagonalização é a joia da coroa da álgebra linear em dimensão finita: uma matriz simétrica tem uma base ortonormal de autovetores. Em dimensão infinita isso falha, em geral, para operadores autoadjuntos limitados — a multiplicação por xx em L2([0,1])L^2(\intcc01) não tem autovalor algum (Exercício 15.6) —, mas sobrevive, em forma perfeita, para os operadores que são quase de dimensão finita: os compactos. O teorema espectral para operadores compactos autoadjuntos é o teorema mais usado da análise funcional aplicada: ele diagonaliza equações integrais, move a alternativa de Fredholm e (problema de fim de semana) resolve a corda vibrante, produzindo a base de senos da análise de Fourier a partir de pura teoria de operadores — com o ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6 de Euler caindo de uma fórmula de traço como brinde de despedida. Ao longo de todo o capítulo, HH é um espaço de Hilbert sobre C\C (ou R\R; os enunciados se adaptam), e os operadores são limitados.

15.1 Operadores compactos

Definição 15.1

TL(E,F)T \in \mathcal L(E, F) (com E,FE, F de Banach) é compacto se a imagem T(B)T(B) da bola unitária é relativamente compacta em FF — equivalentemente, se toda sequência limitada (xn)(x_n) tem uma subsequência com (Txnk)(Tx_{n_k}) convergente. Os operadores de posto finito são compactos (conjuntos limitados em dimensão finita); a identidade de um espaço de dimensão infinita nunca é (teorema de Riesz, segundo ano).

Proposição 15.2

Os operadores compactos K(E,F)\mathcal K(E, F) formam um subespaço fechado de L(E,F)\mathcal L(E, F) e um ideal bilateral: SS compacto \Rightarrow ASAS e SBSB compactos, para A,BA, B limitados. Além disso, em um espaço de Hilbert, todo operador compacto é limite em norma de operadores de posto finito.

Demonstração. Subespaço: claro pela caracterização por sequências. Ideal: aplicações limitadas levam sequências convergentes em convergentes e limitadas em limitadas. Fechamento: seja TnTT_n \to T com TnT_n compactos, e (xk)(x_k) limitada por 11; uma extração diagonal torna (Tnxkj)j(T_nx_{k_j})_j convergente para todo nn; então (Txkj)(Tx_{k_j}) é de Cauchy, pois

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

escolhendo primeiro nn e depois os índices. Aproximação em espaços de Hilbert: seja TT compacto, com K=T(B)K = \overline{T(B)} compacto; dado ε\varepsilon, cubra KK por um número finito de bolas B(yi,ε)B(y_i, \varepsilon) e seja PP a projeção ortogonal sobre V=Vect(y1,,ym)V = \operatorname{Vect}(y_1, \dots, y_m) (fechado: tem dimensão finita). Então PTPT tem posto finito e, para x1\norm x \leq 1: tomando yiy_i com Txyi<ε\norm{Tx - y_i} < \varepsilon,

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

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

Exemplo 15.3

(a) Operadores diagonais em 2\ell^2: T(xn)=(λnxn)T(x_n) = (\lambda_nx_n) é compacto se, e somente se, λn0\lambda_n \to 0 (Exercício 15.2). (b) Operadores com núcleo em C([0,1])\mathcal C(\intcc01): compactos por Ascoli (Exercício 7.7). (c) Operadores de Hilbert–Schmidt: para kL2([0,1]2)k \in L^2(\intcc01^2),

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

define um operador compacto em L2([0,1])L^2(\intcc01) com TkkL2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (Exercício 15.4: truncar a expansão de kk na base exibe TkT_k como limite de operadores de posto finito).

15.2 Operadores autoadjuntos

Definição 15.4

TL(H)T \in \mathcal L(H) é autoadjunto se T=TT = T^* (Exercício 13.8), isto é, se Tx,y=x,Ty\langle Tx, y\rangle = \langle x, Ty\rangle para todos x,yx, y. Então x,TxR\langle x, Tx\rangle \in \R para todo xx (por ser igual a seu conjugado).

Proposição 15.5

Para TT autoadjunto:

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

Os autovalores de TT são reais, e autovetores associados a autovalores distintos são ortogonais.

Demonstração. Seja MM o supremo; MTM \leq \vertiii T por Cauchy–Schwarz. Reciprocamente, a identidade do tipo polarização

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

(expanda; os termos cruzados y,Tx+x,Ty=2Rey,Tx\langle y, Tx\rangle + \langle x, Ty\rangle = 2\operatorname{Re}\langle y, Tx\rangle por autoadjunção) dá, junto com a lei do paralelogramo,

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

Para x=1\norm x = 1 com Tx0Tx \neq 0, tome y=Tx/Txy = Tx/\norm{Tx}: 4Tx4M4\norm{Tx} \leq 4M. Logo TM\vertiii T \leq M. Autovalores: Tx=λxTx = \lambda x, x0x \ne 0λx2=x,TxR\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \in \R. Ortogonalidade: 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 com λμ\lambda \neq \mu reais.

15.3 O teorema espectral

Lema 15.6 (Existência de um autovalor extremo)

Seja T0T \neq 0 compacto e autoadjunto. Então T\vertiii T ou T-\vertiii T é autovalor de TT.

Demonstração. Pela Proposição 15.5, tome vetores unitários xnx_n com xn,Txnμ\langle x_n, Tx_n\rangle \to \mu, em que μ=T>0\abs\mu = \vertiii T > 0 (passe a uma subsequência para fixar o sinal). Então

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

Por compacidade, uma subsequência TxnkyTx_{n_k} \to y; então μxnk=Txnk(Txnkμxnk)y\mu x_{n_k} = Tx_{n_k} - (Tx_{n_k} - \mu x_{n_k}) \to y, de modo que xnkx=y/μx_{n_k} \to x = y/\mu, um vetor unitário, e a continuidadeTx=μxTx = \mu x.

Teorema 15.7 (Teorema espectral para operadores compactos autoadjuntos)

Seja TT um operador compacto autoadjunto em um espaço de Hilbert HH.

  1. HH admite um sistema ortonormal (en)nN(e_n)_{n \in N} (NN finito ou enumerável) de autovetores de TT, com autovalores reais não nulos (λn)(\lambda_n), tal que

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

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

  2. Se NN é infinito, λn0\lambda_n \to 0; para cada δ>0\delta > 0, apenas um número finito de nn satisfaz λnδ\abs{\lambda_n} \geq \delta, e cada autoespaço ker(Tλ)\ker(T - \lambda), λ0\lambda \neq 0, tem dimensão finita.
  3. Completando (en)(e_n) com uma base ortonormal de kerT\ker T obtém-se, quando HH é separável, uma base ortonormal de HH formada por autovetores: TT está diagonalizado.

Demonstração. Primeiro (2). Se infinitos autovetores ortonormais xkx_k tivessem λ(k)δ\abs{\lambda_{(k)}} \geq \delta: TxkTxl2=λ(k)2+λ(l)22δ2\norm{Tx_k - Tx_l}^2 = \lambda_{(k)}^2 + \lambda_{(l)}^2 \geq 2\delta^2 (ortogonalidade, Pitágoras): não haveria subsequência convergente de (Txk)(Tx_k), contradizendo a compacidade de TT na sequência limitada (xk)(x_k). Isso limita por um número finito, para cada δ\delta, a multiplicidade total dos autovalores fora de (δ,δ)\intoo{-\delta}\delta; a enumerabilidade e λn0\lambda_n \to 0 decorrem.

(1) Seja H0H_0 o subespaço fechado gerado por todos os autovetores de autovalor não nulo, organizados (por (2) e por Gram–Schmidt dentro de cada autoespaço de dimensão finita, com ortogonalidade entre autoespaços vinda da Proposição 15.5) em um sistema ortonormal (en)(e_n) de autovalores λn0\lambda_n \neq 0. TT leva H0H_0 em H0H_0 e também H0H_0^\perp em H0H_0^\perp: para yH0y \perp H_0 e ee autovetor, e,Ty=Te,y=λe,y=0\langle e, Ty\rangle = \langle Te, y\rangle = \lambda\langle e, y\rangle = 0. A restrição T=TH0T' = T\restriction_{H_0^\perp} é compacta autoadjunta no espaço de Hilbert H0H_0^\perp; se T0T' \neq 0, o Lema 15.6 produziria um autovetor de TT com autovalor não nulo dentro de H0H_0^\perp — impossível, pois tais vetores vivem em H0H_0. Logo T=0T' = 0: H0kerTH_0^\perp \subseteq \ker T. Reciprocamente, kerT\ker T \perp a todo ene_n (en,z=1λnTen,z=1λnen,Tz=0\langle e_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle Te_n, z\rangle = \frac1{\lambda_n}\langle e_n, Tz\rangle = 0): kerTH0\ker T \subseteq H_0^\perp, donde kerT=H0\ker T = H_0^\perp e a decomposição ortogonal. A expansão: para x=z+ncnenx = z + \sum_nc_ne_n (zkerTz \in \ker T, cn=en,xc_n = \langle e_n, x\rangle; Teorema 13.7(1) em H0H_0), a continuidade de TTTx=ncnλnenTx = \sum_nc_n\lambda_ne_n.

(3) kerT\ker T, subespaço fechado de um espaço separável, é separável: ele tem base ortonormal (Proposição 13.8); a reunião é base ortonormal de HH pela decomposição de (1).

Teorema 15.8 (Alternativa de Fredholm)

Sejam TT compacto autoadjunto e λR{0}\lambda \in \R\setminus \{0\}.

  1. Se λ\lambda não é autovalor, então TλIT - \lambda I é bijetor com inversa limitada: para toda ff, a equação Txλx=fTx - \lambda x = f tem exatamente uma solução, que depende continuamente de ff.
  2. Se λ\lambda é autovalor, Txλx=fTx - \lambda x = f é solúvel se, e somente se, fker(TλI)f \perp \ker(T - \lambda I), e a solução é única a menos desse núcleo (de dimensão finita).

Demonstração. Decomponha x=z+cnenx = z + \sum c_ne_n e f=w+dnenf = w + \sum d_ne_n conforme o Teorema 15.7 (z,wkerTz, w \in \ker T). A equação se escreve

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

(1) λ{λn}{0}\lambda \notin \{\lambda_n\}\cup\{0\}: por (2) do teorema espectral, infnλnλ=δ>0\inf_n\abs{\lambda_n - \lambda} = \delta > 0 (os autovalores só se acumulam em 0λ0 \neq \lambda). Resolva: z=w/λz = -w/\lambda, cn=dn/(λnλ)c_n = d_n/(\lambda_n - \lambda), com cn2δ2dn2\sum\abs{c_n}^2 \leq \delta^{-2}\sum\abs{d_n}^2: uma única solução, com xCf\norm x \leq C\norm f. (2) λ=λn\lambda = \lambda_{n} para nn em um conjunto finito FF: a solubilidade de (λnλ)cn=dn(\lambda_n - \lambda)c_n = d_n para nFn \in F exige dn=0d_n = 0, isto é, fenf \perp e_n (nFn \in F), ou seja, fker(TλI)f \perp \ker(T - \lambda I); os cnc_n, nFn \in F, ficam então livres.

Exemplo 15.9

Em L2([0,1])L^2(\intcc01), seja Tf(x)=01min(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x, y)f(y)\dd y: um operador de Hilbert–Schmidt de núcleo real e simétrico, portanto compacto e autoadjunto. Resolvendo Tf=λfTf = \lambda f: a relação (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 mostra que u=Tfu = Tf satisfaz u=fu'' = -f (duas derivações, legítimas para ff contínua, e TfTf é contínua para fL2f \in L^2: convergência dominada), com u(0)=0u(0) = 0 e u(1)=0u'(1) = 0. Assim, as autofunções resolvem λu=u\lambda u'' = -u, u(0)=0u(0) = 0, u(1)=0u'(1) = 0:

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

e o teorema espectral afirma — sem nenhuma teoria de Fourier — que esses senos formam, após normalização, uma base ortonormal de L2([0,1])L^2(\intcc01) (o núcleo de TT é 00: Tf=0Tf = 0 força, pelas duas derivações, f=0f = 0 q.t.p.). O problema de fim de semana percorre o mesmo círculo de ideias para a corda vibrante e extrai ζ(2)\zeta(2) do traço.

Método 15.10

Dada uma equação integral ou diferencial: (1) reescreva-a como (IλK)u=f(I - \lambda K)u = f ou Ku=λuKu = \lambda u com KK um operador integral; (2) verifique que KK é compacto (núcleo de Hilbert–Schmidt, ou Ascoli) e, se possível, autoadjunto (núcleo real simétrico); (3) diagonalize com o teorema espectral ou invoque a alternativa de Fredholm para a solubilidade; (4) leia existência, unicidade, estabilidade e fórmulas em série para as soluções na base de autovetores. Os operadores diferenciais são ilimitados, mas suas inversas (operadores de Green) são compactas: inverta sempre primeiro.

15.4 Exercícios

Exercício 15.1

(a) Mostre que um operador limitado de imagem de dimensão finita é compacto. (b) Mostre que a identidade de um espaço normado é compacta se, e somente se, a dimensão é finita (Riesz, segundo ano). Deduza que um operador compacto em um espaço de dimensão infinita nunca é inversível com inversa limitada.

Solução

Solução de Exercício 15.1.

(a) T(B)T(B) é um subconjunto limitado do espaço de dimensão finita imT\operatorname{im}T: relativamente compacto por Heine–Borel (Corolário 6.17, transportado por um homeomorfismo linear com Rn\R^n). (b) II compacto significa que a bola unitária fechada é compacta, o que, pelo teorema de Riesz (volume do segundo ano), acontece exatamente em dimensão finita. Se um TT compacto tivesse inversa limitada T1T^{-1}, então I=T1TI = T^{-1}T seria compacto (Proposição 15.2): impossível em dimensão infinita.

Exercício 15.2

Seja T(x1,x2,)=(λ1x1,λ2x2,)T(x_1, x_2, \dots) = (\lambda_1x_1, \lambda_2x_2, \dots) em 2\ell^2, com (λn)(\lambda_n) limitada. (a) Mostre que T=supλn\vertiii T = \sup\abs{\lambda_n}. (b) Mostre que TT é compacto se, e somente se, λn0\lambda_n \to 0. (Para \Leftarrow, trunque; para \Rightarrow, teste em (en)(e_n).) (c) Quando TT é autoadjunto? Verifique o teorema espectral por inspeção nesse caso.

Solução

Solução de Exercício 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, com quase igualdade nos ene_n que realizam o supremo. (b) (\Leftarrow) As truncaturas TNT_N (mantêm nNn \leq N, zero além) têm posto finito e TTN=supn>Nλn0\vertiii{T - T_N} = \sup_{n>N}\abs{\lambda_n} \to 0: compacto pela Proposição 15.2. (\Rightarrow) Se λnkδ>0\abs{\lambda_{n_k}} \geq \delta > 0 ao longo de uma subsequência: 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: nenhuma subsequência convergente de (Tenk)(Te_{n_k}). (c) T=T^* = diagonal com (λˉn)(\bar\lambda_n): autoadjunto se, e somente se, todos os λnR\lambda_n \in \R. Então a base canônica (en)(e_n) é uma base ortonormal de autovetores, de autovalores λn0\lambda_n \to 0: o teorema espectral literalmente.

Exercício 15.3 ★★

Dê os detalhes da propriedade de ideal (Proposição 15.2): se SS é compacto e A,BA, B são limitados, então ASBASB é compacto. Deduza que, se ST=TS=IST = TS = I para algum SS limitado e dimH=\dim H = \infty, então TT não é compacto — e reconcilie com o Exercício 15.1(b).

Solução

Solução de Exercício 15.3.

Seja (xn)(x_n) limitada. Então (Bxn)(Bx_n) é limitada (B<\vertiii B < \infty); a compacidade de SS extrai SBxnkySBx_{n_k} \to y; a continuidade de AAASBxnkAyASBx_{n_k} \to Ay: ASBASB é compacto. Se ST=TS=IST = TS = I com TT compacto e dimH=\dim H = \infty: I=STI = ST seria compacto, contradizendo o Exercício 15.1(b) — que é o mesmo enunciado visto do outro lado.

Exercício 15.4 ★★

(Hilbert–Schmidt) Sejam kL2([0,1]2)k \in L^2(\intcc01^2) e (en)(e_n) uma base hilbertiana de L2([0,1])L^2(\intcc01). (a) Mostre que TkkL2\vertiii{T_k} \leq \norm k_{L^2} (Cauchy–Schwarz na variável yy e, depois, Tonelli). (b) Expanda k(x,y)=m,ncmnem(x)en(y)k(x,y) = \sum_{m,n}c_{mn}e_m(x)\overline{e_n(y)} em L2L^2 do quadrado (justifique que os produtos formam ali uma base hilbertiana) e mostre que truncar a soma dá operadores de posto finito que convergem a TkT_k em norma de operador: TkT_k é compacto.

Solução

Solução de Exercício 15.4.

(a) Por Cauchy–Schwarz em 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; integre em xx (Tonelli): Tkf2kL2()f2\norm{T_kf}_2 \leq \norm k_{L^2(\square)} \norm f_2.

(b) A família emn(x,y)=em(x)en(y)e_{mn}(x,y) = e_m(x)\overline{e_n(y)} é ortonormal em L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (Tonelli separa a integral dupla). Total: se hh \perp a todos os emne_{mn}, então, para cada mm, a função yh(x,y)em(x) ⁣dxy \mapsto \int h(x,y)\overline{e_m(x)}\dd x (em L2L^2 por Cauchy–Schwarz e Tonelli) é ortogonal a toda en\overline{e_n} — e as conjugadas (en)(\overline{e_n}) formam uma base hilbertiana sempre que (en)(e_n) forma (a conjugação é uma bijeção isométrica de L2L^2 que preserva ortogonalidade e totalidade) —, de modo que ela é 00 q.t.p.; então, para q.t.p. yy, h(,y)h(\cdot, y) \perp a todo eme_m: h(,y)=0h(\cdot, y) = 0 q.t.p.: h=0h = 0 (Tonelli). Logo (emn)(e_{mn}) é uma base hilbertiana; expanda k=cmnemnk = \sum c_{mn}e_{mn}. A truncatura kNk_N (índices N\leq N) dá TkNT_{k_N} de posto finito (imagem em Vect(e1,,eN)\operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_N)) e, por (a),

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

TkT_k é um limite em norma de operadores de posto finito: compacto (Proposição 15.2).

Exercício 15.5 ★★

Seja TT autoadjunto com x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0 para todo xx (operador positivo). (a) Mostre que os autovalores são 0\geq 0 e que T=supx1x,Tx\vertiii T = \sup_{\norm x\leq1}\langle x, Tx\rangle. (b) Demonstre a desigualdade de Cauchy–Schwarz generalizada x,Ty2x,Txy,Ty\abs{\langle x, Ty\rangle}^2 \leq \langle x, Tx\rangle\langle y, Ty\rangle.

Solução

Solução de Exercício 15.5.

(a) λx2=x,Tx0\lambda\norm x^2 = \langle x, Tx\rangle \geq 0 num autovetor. A fórmula é a Proposição 15.5 com todos os valores x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0: o valor absoluto é redundante. (b) (x,y)x,Ty(x, y) \mapsto \langle x, Ty\rangle é uma forma sesquilinear hermitiana positiva (possivelmente degenerada); a demonstração usual de Cauchy–Schwarz (expanda x+teiθy,T(x+teiθy)0\langle x + t\eu^{\iu\theta}y, T(x + t\eu^{\iu\theta}y)\rangle \geq 0 e tome o discriminante) nunca usa a definitude.

Exercício 15.6 ★★

Em L2([0,1])L^2(\intcc01), seja (Mf)(x)=xf(x)(Mf)(x) = x\,f(x). (a) Mostre que MM é limitado e autoadjunto, com M=1\vertiii M = 1, mas não tem autovalor algum. (b) Mostre que MM não é compacto (exiba uma sequência limitada cuja imagem não tem subsequência convergente, por exemplo indicadoras normalizadas de intervalos que encolhem perto de 11 — ou invoque o teorema espectral). (c) Onde a demonstração do Lema 15.6 se quebra para MM?

Solução

Solução de Exercício 15.6.

(a) Mf2f2\norm{Mf}_2 \leq \norm f_2 e, em fn=n1[11/n,1]f_n = \sqrt n\, \mathbf 1_{\intcc{1 - 1/n}1} (vetores unitários), Mfn211n\norm{Mf_n}_2 \geq 1 - \frac1n: M=1\vertiii M = 1; autoadjunto, pois o multiplicador é real. Autovalores: xf(x)=λf(x)xf(x) = \lambda f(x) q.t.p. força f=0f = 0 q.t.p. fora do conjunto nulo {x=λ}\{x = \lambda\}: f=0f = 0 em L2L^2. (b) Com as mesmas fnf_n: Mfnfn21n0\norm{Mf_n - f_n}_2 \leq \frac1n \to 0, ao passo que fn0f_n \rightharpoonup 0 (para gL2g \in L^2 fixo, 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 pelo TCD). Se MfnkhMf_{n_k} \to h em norma, então fnkhf_{n_k} \to h, forçando h=0h = 0 (limite fraco), e ainda assim h=1\norm h = 1: nenhuma subsequência convergente. (c) No Lema 15.6, é precisamente a extração “TxnkyTx_{n_k} \to y” que usa a compacidade; para MM, as sequências maximizantes se concentram perto de x=1x = 1 e suas imagens convergem fracamente para 00, nunca em norma: o autovetor no topo da imagem numérica simplesmente não existe.

Exercício 15.7 ★★

(Volterra) Em L2([0,1])L^2(\intcc01), seja Vf(x)=0xf(y) ⁣dyVf(x) = \int_0^xf(y)\dd y. (a) Mostre que VV é compacto (Hilbert–Schmidt de núcleo 1y<x\mathbf 1_{y < x}) mas não é autoadjunto; calcule VV^*. (b) Mostre que VV não tem autovalor não nulo. (De Vf=λfVf = \lambda f: ff tem um representante contínuo, depois é C1\mathcal C^1 e resolve λf=f\lambda f' = f, f(0)=0f(0) = 0.) (c) Conclua que só a compacidade não fornece autovetores: a autoadjunção no Teorema 15.7 é essencial.

Solução

Solução de Exercício 15.7.

(a) V=TkV = T_k com k(x,y)=1y<xL2([0,1]2)k(x, y) = \mathbf 1_{y < x} \in L^2(\intcc01^2): compacto (Exercício 15.4). Seu adjunto é o operador de núcleo com núcleo k(y,x)=1y>x\overline{k(y, x)} = \mathbf 1_{y > x}: Vf(x)=x1fV^*f(x) = \int_x^1f; VVV \neq V^* (teste em f=1f = \mathbf 1). (b) Se Vf=λfVf = \lambda f, λ0\lambda \ne 0: VfVf é contínua em [0,1]\intcc01 (convergência dominada em 0xf\int_0^x f), de modo que f=1λVff = \frac1\lambda Vf tem um representante contínuo; então VfVf é C1\mathcal C^1 (teorema fundamental do cálculo para integrandos contínuos), de modo que ff é C1\mathcal C^1, e λf=f\lambda f' = f com f(0)=1λVf(0)=0f(0) = \frac1\lambda Vf(0) = 0: f=Cex/λf = C\eu^{x/\lambda} com C=f(0)=0C = f(0) = 0. (c) VV é compacto sem autovalor algum, exceto possivelmente 00 (Vf=0Vf = 0 força f=0f = 0 q.t.p., derivando a integral — de modo que nem mesmo 00): a maquinaria espectral realmente exige a autoadjunção, não apenas a compacidade.

Exercício 15.8 ★★★

(Courant–Fischer) Seja TT compacto, autoadjunto e positivo, com autovalores μ1μ2>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \dots > 0 (repetidos conforme a multiplicidade, com autovetores e1,e2,e_1, e_2, \dots). Mostre que:

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 .

(Teste V=Vect(e1,,ek)V = \operatorname{Vect}(e_1,\dots,e_k); para a cota superior, intersecte um VV qualquer com espaços do tipo Vect(ek,ek+1,)\operatorname{Vect}(e_k, e_{k+1}, \dots): a contagem de dimensões força uma interseção não nula.) Deduza que os autovalores dependem monotonamente de TT (TSμk(T)μk(S)T \leq S \Rightarrow \mu_k(T) \leq \mu_k(S)).

Solução

Solução de Exercício 15.8.

Escreva x=iciei+zx = \sum_ic_ie_i + z, zkerTz \in \ker T, de modo que x,Tx=iμici2\langle x, Tx\rangle = \sum_i\mu_i\abs{c_i}^2. Cota inferior: na esfera unitária de Vk=Vect(e1,,ek)V_k = \operatorname{Vect}(e_1, \dots, e_k), x,Tx=ikμici2μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i\leq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \geq \mu_k: o máximo em VV do mínimo é μk\geq \mu_k. Cota superior: sejam dimV=k\dim V = k e Wk=Vect(ek,ek+1,)+kerTW_k = \overline{\operatorname{Vect}}(e_k, e_{k+1}, \dots) + \ker T, de codimensão k1k - 1 (seu complemento ortogonal é Vk1V_{k-1}); VWk{0}V \cap W_k \neq \{0\} (uma aplicação linear VH/WkVk1V \to H/W_k \cong V_{k-1} de posto k1\leq k - 1 tem núcleo não trivial), e um unitário xVWkx \in V\cap W_k tem x,Tx=ikμici2μk\langle x, Tx\rangle = \sum_{i \geq k}\mu_i\abs{c_i}^2 \leq \mu_k: o mínimo em VV é μk\leq \mu_k. Juntas: a primeira fórmula; a segunda se demonstra simetricamente (teste W=WkW = W_k; para WW arbitrário de codimensão k1k-1, WVk0W \cap V_k \neq 0 dá um vetor unitário com x,Txμk\langle x, Tx\rangle \geq \mu_k). Monotonicidade: x,Txx,Sx\langle x, Tx\rangle \leq \langle x, Sx\rangle pontualmente se transfere por maxmin\max\min.

Exercício 15.9 ★★

Usando o Teorema 15.8 para Tf(x)=01min(x,y)f(y) ⁣dyTf(x) = \int_0^1\min(x,y)f(y)\dd y (Exemplo 15.9): para quais λR\lambda \in \R a equação integral

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

tem solução única fL2f \in L^2 para toda gL2g \in L^2? O que acontece nos valores excepcionais?

Solução

Solução de Exercício 15.9.

Reescreva fλTf=gf - \lambda Tf = g. Para λ=0\lambda = 0: f=gf = g, sempre unicamente solúvel. Para λ0\lambda \neq 0: isso é (T1λ)f=gλ(T - \frac1\lambda)f = -\frac g\lambda e, pela alternativa de Fredholm (Teorema 15.8) com os autovalores λn=((n+12)π)2\lambda_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-2} de TT (Exemplo 15.9): solubilidade única para todo gg se, e somente se, 1λλn\frac1\lambda \neq \lambda_n para todo nn, isto é,

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

Num λ=(n+12)2π2\lambda = (n+\frac12)^2\pi^2 excepcional: existem soluções se, e somente se, gsin((n+12)πx)g \perp \sin\bigl((n{+}\frac12)\pi x\bigr), e elas são então únicas a menos de somar múltiplos desse seno.

Exercício 15.10 ★★★

Seja SS o deslocamento em 2\ell^2 (Exercício 8.1). (a) Mostre que SS não tem autovalores, ao passo que todo λ\lambda com λ<1\abs\lambda < 1 é autovalor de SS^* (encontre explicitamente os autovetores, sequências geométricas). (b) Nem SS nem SS^* é compacto: verifique testando em (en)(e_n) ao estilo do Exercício 15.2. (c) Comente: para operadores não autoadjuntos e não compactos, a paisagem de autovalores pode ser qualquer coisa, do vazio a um disco inteiro — a noção que sobrevive é o espectro, estudado em um curso posterior.

Solução

Solução de Exercício 15.10.

(a) Sx=λxSx = \lambda x: comparando coordenadas, 0=λx10 = \lambda x_1 e xn=λxn+1x_n = \lambda x_{n+1}; se λ0\lambda \ne 0, então x1=0x_1 = 0 e, indutivamente, x=0x = 0; se λ=0\lambda = 0, Sx=0Sx = 0 força x=0x = 0 (SS isométrico). Nenhum autovalor. Sx=λxS^*x = \lambda x se lê xn+1=λxnx_{n+1} = \lambda x_n: x=x1(1,λ,λ2,)x = x_1(1, \lambda, \lambda^2, \dots), em 2\ell^2 exatamente quando λ<1\abs\lambda < 1: um disco aberto inteiro de autovalores. (b) SenSem=en+1em+1=2\norm{Se_n - Se_m} = \norm{e_{n+1} - e_{m+1}} = \sqrt2: a imagem da limitada (en)(e_n) não tem subsequência de Cauchy; do mesmo modo, Sen+1=enS^*e_{n+1} = e_n. Nenhum dos dois é compacto. (c) Para operadores compactos autoadjuntos, os autovalores capturam tudo (Teorema 15.7); abandonando qualquer das hipóteses, os autovalores podem sumir por completo (SS, Volterra) ou preencher um disco (SS^*): o objeto robusto é o espectro {λ:TλI na˜o inversıˊvel}\{\lambda : T - \lambda I \text{ não inversível}\}, cuja teoria pertence a um curso posterior.

Exercício 15.11 ★★

(Raízes quadradas) Seja TT compacto, autoadjunto e positivo (x,Tx0\langle x, Tx\rangle \geq 0) em um espaço de Hilbert HH, com decomposição espectral Tx=nμnen,xenTx = \sum_n\mu_n\langle e_n, x\rangle e_n (μn>0\mu_n > 0). (a) Defina Sx=nμnen,xenSx = \sum_n\sqrt{\mu_n}\,\langle e_n, x\rangle e_n; mostre que SS é compacto, autoadjunto e positivo, com S2=TS^2 = T. (b) Demonstre a unicidade: todo RR compacto positivo autoadjunto com R2=TR^2 = T preserva os autoespaços de TT (RT=R3=TRRT = R^3 = TR: RR comuta com TT, logo R(ker(Tμ))ker(Tμ)R(\ker(T - \mu)) \subseteq \ker(T - \mu)) e, em ker(Tμ)\ker(T - \mu), RR é um operador positivo cujo quadrado é μid\mu\,\mathrm{id} em um espaço de dimensão finita: diagonalize-o ali e conclua R=μidR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} em cada autoespaço, logo R=SR = S. (c) Calcule G\sqrt G para o operador da corda GG do Problema 15.1: que núcleo tem autovalores 1nπ\frac1{n\pi} na base de senos? (Exprima G\sqrt G como limite em L2L^2 de núcleos; não se exige forma fechada.)

Solução

Solução de Exercício 15.11.

(a) SS é o operador diagonal de coeficientes μn0\sqrt{\mu_n} \to 0: compacto (Exercício 15.2(b), transportado para a base (en)(e_n) completada por kerT\ker T, em que S=0S = 0), autoadjunto (diagonal real), positivo (x,Sx=μnen,x2\langle x, Sx\rangle = \sum\sqrt{\mu_n}\abs{\langle e_n, x\rangle}^2) e S2=TS^2 = T termo a termo.

(b) RR comuta com T=R2T = R^2; para um autovetor xx de TT de autovalor μ\mu: T(Rx)=RTx=μRxT(Rx) = RTx = \mu Rx, de modo que o autoespaço de dimensão finita Eμ=ker(Tμ)E_\mu = \ker(T - \mu) é RR-estável. Em EμE_\mu, RR é simétrico positivo com R2=μidR^2 = \mu\,\mathrm{id}: seus autovalores ρ\rho satisfazem ρ2=μ\rho^2 = \mu, ρ0\rho \geq 0: todos iguais a μ\sqrt\mu, e um operador diagonalizável com um único autovalor é escalar: R=μidR = \sqrt\mu\,\mathrm{id} em EμE_\mu. Em kerT\ker T: Rx2=x,R2x=x,Tx=0\norm {Rx}^2 = \langle x, R^2x\rangle = \langle x, Tx\rangle = 0. Logo RR coincide com SS em kerT\ker T e em todo autoespaço, cujo espaço gerado fechado é HH (teorema espectral): R=SR = S.

(c) G\sqrt G age como 1nπ\frac1{n\pi} em en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x): é o operador de núcleo com

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},

convergindo a série em L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (coeficientes 1nπ2\frac1{n\pi} \in \ell^2; os núcleos das somas parciais dão as aproximações de posto finito). Nenhuma forma fechada elementar é necessária: o lado espectral é o operador.

Exercício 15.12 ★★★

(Decomposição em valores singulares) Seja TL(H)T \in \mathcal L(H) compacto, não necessariamente autoadjunto. (a) Mostre que TTT^*T é compacto, autoadjunto e positivo; seja (en)(e_n) uma família ortonormal de autovetores com TTen=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n, sn>0s_n > 0 (os valores singulares), completada por ker(TT)=kerT\ker(T^*T) = \ker T (demonstre essa igualdade). (b) Ponha fn=Tensnf_n = \frac{Te_n}{s_n}; mostre que (fn)(f_n) é ortonormal e estabeleça a decomposição em valores singulares:

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

com convergência em HH. (c) Deduza: T=maxnsn\vertiii T = \max_ns_n; TT é limite em norma de operadores de posto finito (redemonstrando a recíproca da Proposição 15.2 para espaços de Hilbert); e, para o operador de Volterra VV do Exercício 15.7, que não tem autovalores, explique por que a decomposição em valores singulares ainda assim existe e quais são seus ingredientes (identifique VVV^*V como um operador de núcleo do tipo corda — calcular seus autovalores explicitamente é o território do Exercício 15.9).

Solução

Solução de Exercício 15.12.

(a) TTT^*T é compacto (produto de um operador limitado por um compacto, Exercício 15.3), autoadjunto ((TT)=TT(T^*T)^* = T^*T), positivo (x,TTx=Tx2\langle x, T^*Tx\rangle = \norm{Tx}^2). Núcleo: TTx=0Tx2=x,TTx=0Tx=0T^*Tx = 0 \Rightarrow \norm{Tx}^2 = \langle x, T^*Tx\rangle = 0 \Rightarrow Tx = 0 e, reciprocamente, kerTT=kerT\ker T^*T = \ker T. O teorema espectral fornece os (en)(e_n) ortonormais com TTen=sn2enT^*Te_n = s_n^2e_n, sn>0s_n > 0, que geram (kerT)(\ker T)^\perp.

(b) fm,fn=Tem,Tensmsn=em,TTensmsn=sn2smsnδmn=δmn\langle f_m, f_n\rangle = \frac{\langle Te_m, Te_n\rangle}{s_ms_n} = \frac{\langle e_m, T^*Te_n\rangle}{s_ms_n} = \frac{s_n^2}{s_ms_n}\delta_{mn} = \delta_{mn}. Expanda x=x0+nen,xenx = x_0 + \sum_n\langle e_n, x\rangle e_n com x0kerTx_0 \in \ker T (Parseval no espaço gerado fechado mais o núcleo); aplicando o contínuo TT:

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

convergindo a série porque suas somas parciais são de Cauchy (N<nMsnen,xfn2=sn2en,x2\norm{\sum_{N<n\leq M}s_n\langle e_n, x\rangle f_n}^2 = \sum s_n^2\abs{\langle e_n, x\rangle}^2, dominado por supn>Nsn2x2\sup_{n>N}s_n^2\cdot\norm x^2, e 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, atingido no ene_n maximizante: T=maxsn\vertiii T = \max s_n. Truncar a DVS no posto NN deixa um operador de norma supn>Nsn0\sup_{n>N}s_n \to 0: aproximação de posto finito. O operador de Volterra não tem autovalores (Exercício 15.7), mas VVV^*V tem: VVf(x)=x10tf(s) ⁣ds ⁣dtV^*Vf(x) = \int_x^1\int_0^tf(s)\,\dd s\,\dd t é um operador de núcleo simétrico positivo (núcleo 1max(x,y)1 - \max(x,y), um núcleo de Green do tipo corda), cujos pares próprios — calculados via o problema de valores de contorno u=λ1u-u'' = \lambda^{-1}u, u(0)=u(1)=0u'(0) = u(1) = 0, isto é, a família do Exercício 15.9 — dão valores singulares sn=((n+12)π)1s_n = \bigl((n + \frac12)\pi\bigr)^{-1}. A DVS vive sobre duas famílias ortonormais precisamente porque VV gira sua geometria própria para longe: sem autovetores e, ainda assim, com estrutura diagonal perfeita entre duas bases diferentes.

15.5 Problema: a corda vibrante e ζ(2)\zeta(2)

Problema 15.1

Problema de fim de semana — o operador de Green, a base de senos e uma fórmula de traço

Resolvemos o problema de autovalores da corda vibrante de extremidades fixas — u=νu-u'' = \nu u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 — por teoria de operadores, obtemos a base ortonormal de senos sem nenhum cálculo de Fourier e avaliamos ζ(2)\zeta(2) comparando duas expressões para o traço do operador de Green. Defina, em L2([0,1])L^2(\intcc01),

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

Parte I — O operador de Green.

  1. Mostre que gg é contínuo e simétrico, com 0g140 \leq g \leq \frac14, e que GG é compacto e autoadjunto (Exemplo 15.3(c)).
  2. Para ff contínua, mostre que u=Gfu = Gf é C2\mathcal C^2 com

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

    (escreva 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 e derive duas vezes). Reciprocamente, se uC2u \in \mathcal C^2 com u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, então G(u)=uG(-u'') = u: GG inverte o operador da corda.

  3. Mostre que kerG={0}\ker G = \{0\} (se Gf=0Gf = 0 com fL2f \in L^2: teste contra φ\varphi contínua, transfira GG por simetria/Fubini para φ\varphi e use o lema fundamental Corolário 12.11 — ou regularize), e que GG é um operador positivo: f,Gf0\langle f, Gf\rangle \geq 0. (Para ff contínua: f,Gf=01(u)2\langle f, Gf\rangle = \int_0^1 (u')^2 com u=Gfu = Gf, por partes; conclua por densidade.)

Parte II — Diagonalização: a base de senos.

  1. Mostre que as autofunções de GG com autovalor λ0\lambda \ne 0 são, a menos de escalares, as soluções de λu=u-\lambda u'' = u, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0 (uma autofunção tem representante contínuoGfGf é contínua para fL2f \in L^2, por quê? —, logo é C2\mathcal C^2 por bootstrapping da questão 2).
  2. Resolva o problema de valores de contorno: os autovalores de GG são λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} (n1n \geq 1), com autofunções normalizadas en(x)=2sin(nπx)e_n(x) = \sqrt2\,\sin(n\pi x); verifique a ortonormalidade por integração direta, como teste de sanidade.
  3. Conclua do Teorema 15.7 e da questão 3 que (2sin(nπx))n1\bigl(\sqrt2\sin(n\pi x)\bigr)_{n\geq1} é uma base ortonormal de L2([0,1])L^2(\intcc01) — sem Stone–Weierstrass e sem séries de Fourier. Expanda f(x)=x(1x)f(x) = x(1-x) nessa base e escreva Parseval para ela.

Parte III — A fórmula de traço e ζ(2)\zeta(2).

  1. Demonstre as duas identidades

    en,Gen=λnen1λn=01g(x,x) ⁣dx.\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n \quad\text{e}\quad \sum_{n\geq1}\lambda_n = \int_0^1 g(x,x)\,\dd x .

    Para a segunda (a fórmula de traço): expanda g(x,)g(x, \cdot), para xx fixado, na base (en)(e_n) — mostre que os coeficientes são λnen(x)\lambda_ne_n(x), de modo que g(x,)=nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n em L2L^2. Aqui os senos são explícitos: verifique diretamente que nλnen(x)en(y)\sum_n\lambda_ne_n(x)e_n(y) converge uniformemente no quadrado (compare com 2n2π2\sum \frac2{n^2\pi^2}), de modo que sua soma é contínua e, tendo as mesmas expansões L2L^2 em yy para cada xx, é igual a g(x,y)g(x,y) em toda parte. Ponha y=xy = x e integre termo a termo.

  2. Calcule 01g(x,x) ⁣dx=01x(1x) ⁣dx=16\int_0^1g(x,x)\dd x = \int_0^1x(1-x)\dd x = \frac16 e conclua

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

    a soma de Euler a partir de um traço de operador.

  3. Redemonstre ζ(2)\zeta(2) de uma terceira maneira: aplique Parseval na base de senos à função constante 1\mathbf 1, calcule n ıˊmpar1n2\sum_{n \text{ ímpar}}\frac1{n^2} e conclua. Compare então os mecanismos: em que sentido o argumento de traço das questões 7–8 é “Parseval aplicado ao núcleo inteiro de uma só vez”?

Parte IV — A corda vibra.

  1. (Separação de variáveis, sintetizada) Para fL2f \in L^2, defina

    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 .

    Mostre que a série converge em L2([0,1])L^2(\intcc01) para cada tt, que tu(t,)t\mapsto u(t, \cdot) é contínua com valores em L2L^2, e que, para ff no subespaço gerado por um número finito de ene_n, ela resolve a equação da onda t2u=x2u\partial_t^2u = \partial_x^2u com u(0)=fu(0) = f, tu(0)=0\partial_tu(0) = 0, de extremidades fixas. Os autovalores n2π2n^2\pi^2 são as frequências ao quadrado: os harmônicos da corda — explique em um parágrafo a interpretação musical do Teorema 15.7.

Parte V — Dividendos variacionais: o método da potência, a estabilidade de Weyl e uma cota rigorosa para π\pi. Seja AA um operador compacto autoadjunto positivo de autovalores μ1μ2>0\mu_1 \geq \mu_2 \geq \cdots > 0 e autovetores ortonormais (un)(u_n); R(x)=x,Axx2R(x) = \frac{\langle x, Ax\rangle}{\norm x^2}. As fórmulas de mín–máx são o Exercício 15.8; aqui as gastamos.

  1. (Método da potência) Para x0x \neq 0, escreva mp=nμnpun,x2m_p = \sum_n\mu_n^p\abs{\langle u_n, x\rangle}^2. Mostre que mpmp+2mp+12m_pm_{p+2} \geq m_{p+1}^2 (Cauchy–Schwarz), deduza a cadeia

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

    e demonstre que, se u1,x0\langle u_1, x\rangle \neq 0, então R(Akx)μ1R(A^kx) \to \mu_1: iterar o operador em um vetor genérico qualquer calcula o autovalor máximo — o método da potência da análise numérica, certificado.

  2. (Estabilidade de Weyl) Para A,BA, B compactos autoadjuntos positivos, deduza do Exercício 15.8 que

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

    o espectro inteiro é 11-lipschitziano na norma de operador — os autovalores de grandes sistemas simétricos podem ser calculados a partir de aproximações com erro garantido.

  3. Aplique a cota de Rayleigh a GG com a função de teste u(x)=x(1x)u(x) = x(1-x): resolva w=u-w'' = u, w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0 para obter Gu=w=x(1x)(1+xx2)12Gu = w = \frac{x(1-x)(1 + x - x^2)}{12}, calcule

    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},

    e conclua a cota rigorosa 1π2=λ117168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, isto é, π168/17<3.1437\pi \leq \sqrt{168/17} < 3.1437.

  4. Um passo da cadeia da questão 11, na mesma função de teste: usando 01(xx2)4 ⁣dx=1630\int_0^1(x - x^2)^4\dd x = \frac1{630}, calcule

    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},

    e conclua π306/31<3.1419\pi \leq \sqrt{306/31} < 3.1419: duas integrais, quatro algarismos corretos. (Cada iteração adicional aproximadamente eleva a precisão ao quadrado: a lacuna entre autovetores λ1/λ2=4\lambda_1/\lambda_2 = 4 comanda a convergência geométrica.)

Parte VI — O traço de G2G^2 e ζ(4)\zeta(4).

  1. Mostre que nλn2=[0,1]2g(x,y)2 ⁣dx ⁣dy\sum_n\lambda_n^2 = \iint_{\intcc01^2}g(x,y)^2\,\dd x\,\dd y (expanda gg na base produto (em(x)en(y))m,n(e_m(x)e_n(y))_{m,n} de L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) — uma base hilbertiana, cf. Exercício 15.5 — e aplique Parseval no quadrado; a questão 7 identifica os coeficientes).
  2. Calcule a integral dupla:

    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. Conclua ζ(4)=π490\zeta(4) = \dfrac{\pi^4}{90}; explique, sem cálculo, como os traços de potências superiores GkG^k produzem ζ(2k)π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\,\Q para todo k1k \geq 1, e por que os valores ímpares ζ(3),ζ(5),\zeta(3), \zeta(5), \dots estão estruturalmente fora do alcance dessa máquina.
  4. (π\pi por baixo) De λ12nλn2=190\lambda_1^2 \leq \sum_n\lambda_n^2 = \frac1{90} deduza π901/4>3.080\pi \geq 90^{1/4} > 3.080, e reúna com a questão 14 o veredito bilateral

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

    obtido inteiramente da aritmética da corda vibrante. Qual lado converge mais rápido se usarmos traços superiores (trG2k)1/4k(\operatorname{tr}G^{2k})^{-1/4k}, e por quê?

Parte VII — Forçamento e ressonância. Fixe νR\nu \in \R e considere a corda forçada uνu=f-u'' - \nu u = f, u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0, com fL2f \in L^2 e cn=en,fc_n = \langle e_n, f\rangle.

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

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

    converge em L2L^2 e uniformemente em [0,1]\intcc01 (Cauchy–Schwarz entre (cn)(c_n) e as caudas de n4\sum n^{-4}, com en=2\norm{e_n}_\infty = \sqrt2), e que ela satisfaz u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu — a forma em coordenadas explícitas da alternativa de Fredholm (Teorema 15.8), com unicidade.

  2. Suponha ν=m2π2\nu = m^2\pi^2. Mostre que u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu tem solução se, e somente se, cm=0c_m = 0, única a menos de somar múltiplos de eme_m. Leitura física: empurrar um balanço exatamente em sua própria frequência.
  3. Para ν<π2\nu < \pi^2, mostre que o operador solução Rν ⁣:fuR_\nu\colon f \mapsto u é limitado em L2L^2 com norma 1π2ν\frac1{\pi^2 - \nu}, compacto, autoadjunto e positivo: toda a análise espectral recomeça, deslocada de ν\nu.
  4. (Síntese) Compile o dicionário deste problema: autovalor \leftrightarrow frequência ao quadrado (harmônicos); traço \leftrightarrow ζ(2)\zeta(2); norma de Hilbert–Schmidt \leftrightarrow ζ(4)\zeta(4); alternativa de Fredholm \leftrightarrow ressonância; mín–máx \leftrightarrow cotas variacionais (π<3.1437\pi < 3.1437 a partir de um único polinômio). Um operador integral, cinco capítulos de análise convertidos em dinheiro.

Parte VIII — Três últimos ecos.

  1. (ζ(6)\zeta(6), de graça) A identidade de Parseval da questão 6 deu n ıˊmparn6=π6960\sum_{n\text{ ímpar}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}. Separe ζ(6)\zeta(6) em nn ímpares e pares e conclua

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

    sem nenhuma integral nova: a máquina da questão 17 (traços de G3G^3) teria produzido o mesmo valor ao custo de um núcleo iterado — Parseval em uma única função bem escolhida é aqui a rota mais barata.

  2. (O estado fundamental é positivo) Seja AA um operador compacto autoadjunto positivo em L2([0,1])L^2(\intcc01) dado por um núcleo contínuo simétrico k>0k > 0 em (0,1)2\intoo01^2, com maior autovalor μ1\mu_1. Mostre: (a) todo maximizador do quociente de Rayleigh é uma autofunção de μ1\mu_1; (b) se uu é uma delas, então u,Auu,Au\langle\abs u, A\abs u\rangle \geq \langle u, Au\rangle, com desigualdade estrita se uu assume os dois sinais em conjuntos de medida positiva — de modo que uu tem sinal constante q.t.p., e u=μ11Auu = \mu_1^{-1}Au nunca se anula em (0,1)\intoo01; (c) μ1\mu_1 é um autovalor simples. Verifique cada afirmação em GG: e1=2sin(πx)>0e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) > 0, e cada ene_n, n2n \geq 2, sendo ortogonal a e1e_1, tem de mudar de sinal (e muda: n1n - 1 zeros interiores).
  3. (Distância ao espectro e o preço da ressonância) Para ν{n2π2}\nu \notin \{n^2\pi^2\}, mostre que o operador solução RνR_\nu da questão 19 é limitado, autoadjunto e compacto, com

    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)},

    sendo a norma atingida no modo mais próximo. Quantifique então o balanço da questão 20: forçar com f=e1f = e_1 em ν=(1ε)π2\nu = (1 - \varepsilon)\pi^2 produz u=1επ2e1u = \frac{1}{\varepsilon\pi^2}\,e_1, uma amplificação por 1ε\frac1\varepsilon da resposta estática Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1 — a um por cento abaixo da fundamental (ε=102\varepsilon = 10^{-2}), a corda responde cem vezes mais alto.

Solução

Solução de Problema 15.1.

1. Continuidade: min\min e max\max são contínuos; simetria: trocar x,yx, y não troca nem min(x,y)\min(x,y) nem 1max(x,y)1 - \max(x,y). Cotas: 0g0 \leq g, e cotas do tipo g(x,y)max(1max)g(x,y) \leq \max\cdot(1-\max) dão g14g \leq \frac14 (para u=maxu = \max: minu\min \leq u, de modo que gu(1u)14g \leq u(1-u) \leq \frac14). gL2()g \in L^2(\square): de Hilbert–Schmidt, logo GG compacto (Exercício 15.4); o núcleo é real simétrico: GG autoadjunto.

2. Separando em y=xy = x:

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

Para ff contínua, derive (produto e teorema fundamental):

u(x)=0xyf+x1(1y)f(os termos de bordo se cancelam),u'(x) = -\int_0^xyf + \int_x^1(1-y)f \qquad\text{(os termos de bordo se cancelam)},

e u(x)=xf(x)(1x)f(x)=f(x)u''(x) = -xf(x) - (1 - x)f(x) = -f(x); claramente u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0. Reciprocamente, se uC2u \in \mathcal C^2 se anula nos dois extremos, w=uG(u)w = u - G(-u'') satisfaz w=0w'' = 0, w(0)=w(1)=0w(0) = w(1) = 0: ww é afim e se anula duas vezes, de modo que w=0w = 0.

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

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

(GG autoadjunto): pelo lema fundamental (Corolário 12.11), f=0f = 0 q.t.p. Positividade: para ff contínua, com 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 ;

para fL2f \in L^2, aproxime em L2L^2 por fnf_n contínuas: ambos os membros passam ao limite (GG limitado).

4. Se Gu=λuGu = \lambda u, λ0\lambda \neq 0: GuGu é contínua (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, e o núcleo é uniformemente contínuo), de modo que uu tem um representante contínuo; então as fórmulas da questão 2 mostram que GuC2Gu \in \mathcal C^2, de modo que u=1λGuC2u = \frac1\lambda Gu \in \mathcal C^2 com λu=(Gu)=u-\lambda u'' = -(Gu)'' = u e u(0)=u(1)=0u(0) = u(1) = 0.

5. λu=u-\lambda u'' = u, u(0)=0u(0) = 0: u=Asin(x/λ)u = A\sin(x/\sqrt \lambda) (positivo λ\lambda: pela questão 3, λ=u,Gu/u2>0\lambda = \langle u, Gu\rangle/\norm u^2 > 0 nos autovetores). u(1)=0u(1) = 0 força 1λ=nπ\frac1{\sqrt\lambda} = n\pi: λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}, autofunções sin(nπx)\sin(n\pi x), normalizadas en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x) (012sin2(nπx) ⁣dx=1\int_0^12\sin^2(n\pi x)\dd x = 1). Verificação de ortogonalidade: 2sin(mπx)sin(nπx)=cos((mn)πx)cos((m+n)πx)2\sin(m\pi x)\sin(n\pi x) = \cos((m-n)\pi x) - \cos((m+n)\pi x) integra a 00 para mnm \neq n.

6. kerG={0}\ker G = \{0\} (questão 3), de modo que o Teorema 15.7(1) dá H=Vect(en)H = \overline{\operatorname{Vect}}(e_n): os senos são uma base hilbertiana de L2([0,1])L^2(\intcc01). Para f(x)=x(1x)f(x) = x(1 - x):

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

(duas integrações por partes). Parseval: 01x2(1x)2 ⁣dx=130=n ıˊmpar32n6π6\int_0^1x^2(1-x)^2\dd x = \frac1{30} = \sum_{n \text{ ímpar}}\frac{32}{n^6\pi^6}, isto é, n ıˊmparn6=π6960\sum_{n\text{ ímpar}}n^{-6} = \frac{\pi^6}{960}.

7. en,Gen=λnen2=λn\langle e_n, Ge_n\rangle = \lambda_n\norm{e_n}^2 = \lambda_n. Para xx fixo, os coeficientes de g(x,)g(x, \cdot): en,g(x,)=(Gen)(x)=λnen(x)\langle e_n, g(x,\cdot)\rangle = (Ge_n)(x) = \lambda_ne_n(x), de modo que g(x,)=nλnen(x)eng(x,\cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)\,e_n em L2L^2. A série explícita nλnen(x)en(y)=n2sin(nπx)sin(nπy)n2π2\sum_n\lambda_ne_n(x)e_n(y) = \sum_n\frac{2\sin(n\pi x)\sin(n\pi y)}{n^2\pi^2} converge normalmente no quadrado (termo2n2π2\abs{\text{termo}} \leq \frac2{n^2\pi^2}): sua soma é contínua e, para cada xx, ela tem os mesmos coeficientes em L2( ⁣dy)L^2(\dd y) que g(x,)g(x, \cdot): as duas funções contínuas coincidem para todo (x,y)(x, y). Pondo y=xy = x e integrando (a convergência normal permite a integração termo a termo):

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, de modo que n11n2π2=16\sum_{n\geq1}\frac1{n^2\pi^2} = \frac16:

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

9. Para f=1f = \mathbf 1: cn=201sin(nπx) ⁣dx=21(1)nnπc_n = \sqrt2\int_0^1\sin(n\pi x)\dd x = \sqrt2\,\frac{1 - (-1)^n}{n\pi}: cn=22nπc_n = \frac{2\sqrt2}{n\pi} para nn ímpar, 00 para par. Parseval: 1=n ıˊmpar8n2π21 = \sum_{n\text{ ímpar}}\frac{8}{n^2\pi^2}, de modo que n ıˊmparn2=π28\sum_{n\text{ ímpar}}n^{-2} = \frac{\pi^2}8, e ζ(2)=π281114=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}8\cdot\frac{1}{1 - \frac14} = \frac{\pi^2}6 (os termos pares são 14ζ(2)\frac14\zeta(2)). Comparação: Parseval para uma única ff soma en,f2\abs{\langle e_n, f\rangle}^2; a fórmula do traço integra a diagonal do núcleo, o que equivale a somar Parseval sobre uma família ortonormal inteira de uma só vez — nen,Gen\sum_n\langle e_n, Ge_n\rangle — e é, portanto, cega a qualquer escolha particular de função de teste.

10. cncos(nπt)cn\abs{c_n\cos(n\pi t)} \leq \abs{c_n} com cn2<\sum\abs{c_n}^2 < \infty: para cada tt a série converge em L2L^2 (expansão ortonormal, Teorema 13.7(3)); a cota das caudas u(t)uN(t)22n>Ncn2\norm{u(t) - u_N(t)}_2^2 \leq \sum_{n>N}\abs{c_n}^2 é uniforme em tt, e cada soma parcial é contínua em tt (finitos cossenos): tu(t,)t \mapsto u(t,\cdot) é contínua com valores em L2L^2. Para f=nNcnenf = \sum_{n\leq N}c_ne_n: cada modo cos(nπt)sin(nπx)\cos(n\pi t)\sin(n\pi x) satisfaz t2=n2π2=x2\partial_t^2 = -n^2\pi^2 = \partial_x^2 aplicado a ele, anula-se em x=0,1x = 0, 1, tem valor sin(nπx)\sin(n\pi x) e derivada temporal 00 em t=0t = 0: a soma finita resolve tudo. Musicalmente: o movimento da corda é uma superposição de ondas estacionárias ene_n, cujas frequências nπn\pi são a fundamental e seus harmônicos; o teorema espectral diz que toda forma inicial se decompõe unicamente nesses tons puros, sendo os coeficientes cnc_n o timbre. Ouvir uma corda é calcular uma expansão ortonormal.

11. Com an=un,x2a_n = \abs{\langle u_n, x\rangle}^2: mp+1=nμnp+1an=n(μnp/2an)(μnp/2+1an)mpmp+2m_{p+1} = \sum_n\mu_n^{p+1}a_n = \sum_n\bigl(\mu_n^{p/2} \sqrt{a_n}\bigr)\bigl(\mu_n^{p/2+1}\sqrt{a_n}\bigr) \leq \sqrt{m_p\,m_{p+2}} (Cauchy–Schwarz em 2\ell^2). Logo as razões mp+1/mpm_{p+1}/m_p são não decrescentes em pp; como R(x)=m1m0R(x) = \frac{m_1}{m_0}, Ax,Axx,Ax=m2m1\frac{\langle Ax, Ax\rangle} {\langle x, Ax\rangle} = \frac{m_2}{m_1} e R(Ax)=m3m2R(Ax) = \frac{m_3}{m_2}, segue a cadeia, cada termo μ1\leq \mu_1 porque mp+1μ1mpm_{p+1} \leq \mu_1m_p termo a termo. Convergência: se a1>0a_1 > 0 (escrevendo o peso total do maior autovalor como a1a_1), então

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

por convergência dominada das somas (razões <1< 1): o método da potência converge para todo vetor inicial não ortogonal ao autoespaço dominante.

12. Pontualmente, x,(AB)xABx2\abs{\langle x, (A - B)x\rangle} \leq \vertiii{A - B}\,\norm x^2, de modo que RA(x)RB(x)+ABR_A(x) \leq R_B(x) + \vertiii{A - B} para todo xx. Alimentando com isso a fórmula max–min do Exercício 15.8: μn(A)μn(B)+AB\mu_n(A) \leq \mu_n(B) + \vertiii{A - B} e, simetricamente em A,BA, B: μn(A)μn(B)AB\abs{\mu_n(A) - \mu_n(B)} \leq \vertiii{A - B} para todos os nn de uma vez.

13. w=xx2-w'' = x - x^2 integra a w=x36+x412+cxw = -\frac{x^3}6 + \frac{x^4}{12} + cx (com w(0)=0w(0) = 0), e w(1)=0w(1) = 0c=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 .

Então u22=01x2(1x)2=130\norm u_2^2 = \int_0^1x^2(1-x)^2 = \frac1{30} e, com 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} .

Logo 1π2=λ117168\frac1{\pi^2} = \lambda_1 \geq \frac{17}{168}, isto é, π216817=9.8824\pi^2 \leq \frac{168}{17} = 9.8824: π3.14364<3.1437\pi \leq 3.14364 < 3.1437 (valor verdadeiro π2=9.8696\pi^2 = 9.8696). Um polinômio, uma integral, um dígito.

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

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

Logo Gu,Guu,Gu=31/9072017/5040=31306\frac{\langle Gu, Gu\rangle}{\langle u, Gu\rangle} = \frac{31/90720}{17/5040} = \frac{31}{306} e, pela questão 11, isso ainda é μ1=1π2\leq \mu_1 = \frac1{\pi^2}: π230631=9.87097\pi^2 \leq \frac{306}{31} = 9.87097, isto é, π3.14181<3.1419\pi \leq 3.14181 < 3.1419 — quatro dígitos (e o próximo iterado daria cerca de oito, contraindo-se o erro por (λ2/λ1)2=116(\lambda_2/\lambda_1)^2 = \frac1{16} a cada passo).

15. A família (emen)(x,y)=em(x)en(y)(e_m \otimes e_n)(x,y) = e_m(x)e_n(y) é uma base hilbertiana de L2([0,1]2)L^2(\intcc01^2) (ortonormalidade por Tonelli; totalidade como no Exercício 15.5). Pela questão 7, para xx fixo: g(x,)=nλnen(x)eng(x, \cdot) = \sum_n\lambda_ne_n(x)e_n, de modo que o coeficiente de gg em emene_m\otimes e_n é

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 no quadrado:

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. Pela simetria de gg,

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

17. Combinando: n1n4π4=190\sum_n\frac1{n^4\pi^4} = \frac1{90}, isto é, ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}. Em geral, tr(Gk)=λnk=ζ(2k)π2k\operatorname{tr}(G^k) = \sum\lambda_n^k = \frac{\zeta(2k)}{\pi^{2k}} é igual a uma integral iterada de produtos do núcleo racional-polinomial gg sobre o cubo de dimensão kk: um número racional. Logo ζ(2k)π2kQ\zeta(2k) \in \pi^{2k}\Q para todo kk. A máquina só alcança argumentos pares porque os autovalores entram através de suas potênciasλnk\sum\lambda_n^k — e λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2}: nenhuma combinação de traços produz n3\sum n^{-3}; a natureza aritmética de ζ(3)\zeta(3) (irracional por Apéry, transcendência em aberto) fica além do inventário espectral.

18. O maior termo de uma soma de termos positivos é no máximo a soma: λ12λn2=190\lambda_1^2 \leq \sum\lambda_n^2 = \frac1{90}, de modo que 1π2190\frac1{\pi^2} \leq \frac1{\sqrt{90}} e π901/4=3.0801\pi \geq 90^{1/4} = 3.0801\ldots Com a questão 14: 3.080<π<3.14193.080 < \pi < 3.1419, por pura aritmética de corda. Traços mais altos afiam a cota inferior geometricamente: 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}, e o fator parasita morre tão rápido quanto (14)2k12k\bigl(\tfrac14\bigr)^{2k}\cdot\frac1{2k} — o mesmo mecanismo de lacuna espectral da convergência do método da potência (questão 11), visto do lado dos traços.

19. n2π2νδ>0\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \delta > 0 para todo nn (a sequência n2π2n^2\pi^2 \to \infty evita ν\nu com folga), e n2π2νn2π22\abs{n^2\pi^2 - \nu} \geq \frac{n^2\pi^2}2 para nn grande. Convergência L2L^2: os coeficientes cnn2π2ν\frac{c_n}{n^2\pi^2 - \nu} são somáveis ao quadrado (dominados por cnδ\frac{\abs{c_n}}\delta). Convergência uniforme: as normas do sup das caudas são limitadas por 2n>Ncnn2π2ν22π2(cn2)1/2(n>Nn4)1/20\sqrt2\sum_{n>N} \frac{\abs{c_n}}{\abs{n^2\pi^2 - \nu}} \leq \frac{2\sqrt2}{\pi^2}\bigl(\sum\abs{c_n}^2\bigr)^{1/2} \bigl(\sum_{n>N}n^{-4}\bigr)^{1/2} \to 0 (Cauchy–Schwarz). Verificação: Gf+νGuGf + \nu Gu tem coeficiente em ene_n

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} :

exatamente os coeficientes de uu, de modo que u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu; unicidade porque uma diferença vv de soluções satisfaz v=νGvv = \nu Gv, isto é, en,v(n2π2ν)=0\langle e_n, v\rangle(n^2\pi^2 - \nu) = 0 para todo nn: v=0v = 0.

20. Como na questão 19, a equação u=Gf+νGuu = Gf + \nu Gu é equivalente à família de equações nos coeficientes (n2π2ν)en,u=cn(n^2\pi^2 - \nu)\,\langle e_n, u\rangle = c_n, n1n \geq 1. Para n=mn = m o membro esquerdo é 00: a solubilidade força cm=0c_m = 0, e então em,u\langle e_m, u\rangle fica livre, ao passo que todos os demais coeficientes ficam determinados: as soluções formam a reta u0+Remu_0 + \R e_m. Ressonância: uma forçante com componente no modo próprio bombeia energia nele sem limite — o balanço empurrado em sua própria frequência.

21. Pela fórmula da questão 19, Rνf22=cn2(n2π2ν)2f2(π2ν)2\norm{R_\nu f}_2^2 = \sum\frac{\abs{c_n}^2}{(n^2\pi^2 - \nu)^2} \leq \frac{\norm f^2}{(\pi^2 - \nu)^2} (para ν<π2\nu < \pi^2 o autovalor mais próximo é π2\pi^2), com igualdade aproximada em f=e1f = e_1: norma do operador 1π2ν\frac1{\pi^2 - \nu}. Compacidade: RνR_\nu é o limite em norma de suas truncaturas de posto finito (os coeficientes das caudas 1n2π2ν0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} \to 0); a autoadjunção e a positividade se leem na forma diagonal (todos os coeficientes 1n2π2ν>0\frac1{n^2\pi^2 - \nu} > 0). RνR_\nu tem autovalores 1n2π2ν\frac1{n^2\pi^2 - \nu}: a análise das Partes I–VI recomeça literalmente.

22. O dicionário: autovalor λn=1n2π2\lambda_n = \frac1{n^2\pi^2} \leftrightarrow frequência ao quadrado n2π2n^2\pi^2 do nn-ésimo harmônico; traço λn=16\sum \lambda_n = \frac16 \leftrightarrow ζ(2)=π26\zeta(2) = \frac{\pi^2}6; norma de Hilbert–Schmidt g2=190\iint g^2 = \frac1{90} \leftrightarrow ζ(4)=π490\zeta(4) = \frac{\pi^4}{90}; alternativa de Fredholm \leftrightarrow ressonância da corda forçada; min–max \leftrightarrow estimativas variacionais, até π<3.1437\pi < 3.1437 a partir de um único polinômio. Por trás de cada emparelhamento, o mesmo objeto: um operador compacto autoadjunto, diagonalizado uma vez e explorado de cinco maneiras.

23. Separando por paridade e substituindo n=2mn = 2m na parte par,

ζ(6)=n ıˊmpar1n6+m11(2m)6=π6960+ζ(6)64,\zeta(6) = \sum_{n\text{ ímpar}}\frac1{n^6} + \sum_{m\geq1}\frac1{(2m)^6} = \frac{\pi^6}{960} + \frac{\zeta(6)}{64},

de modo que 6364ζ(6)=π6960\frac{63}{64}\zeta(6) = \frac{\pi^6}{960} e ζ(6)=64π663960=π6945\zeta(6) = \frac{64\,\pi^6}{63\cdot960} = \frac{\pi^6}{945}. O caminho do traço calcularia trG3=λn3=ζ(6)/π6\operatorname{tr}G^3 = \sum\lambda_n^3 = \zeta(6)/\pi^6 como gg2\iint g\,g_2 com o núcleo iterado g2(x,y)=01g(x,z)g(z,y) ⁣dzg_2(x,y) = \int_0^1g(x,z)g(z,y)\dd z — três integrações de polinômios definidos por partes; Parseval em x(1x)x(1-x) precisou de apenas uma.

24. (a) Diagonalize: v=nanunv = \sum_na_nu_n (mais uma possível componente no núcleo, com a qual v,Av\langle v, Av\rangle nada ganha e v2\norm v^2 cresce, de modo que um maximizante não a tem). Então v,Av=μnan2μ1an2\langle v, Av\rangle = \sum\mu_na_n^2 \leq \mu_1\sum a_n^2, com igualdade se, e somente se, an=0a_n = 0 sempre que μn<μ1\mu_n < \mu_1: um maximizante está no autoespaço de μ1\mu_1. (b) Para qualquer uu,

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

sendo o integrando pontualmente não negativo. Se P={u>0}P = \{u > 0\} e N={u<0}N = \{u < 0\} têm ambos medida positiva, então, em P×NP\times N, o integrando vale 2ku(x)u(y)>02k\abs{u(x)}\abs{u(y)} > 0 num conjunto de medida positiva: desigualdade estrita. Uma autofunção uu de μ1\mu_1 maximiza o quociente de Rayleigh, e u\abs u tem a mesma norma, de modo que a estritude exibiria R(u)>μ1R(\abs u) > \mu_1 — impossível; logo uu tem sinal constante q.t.p., digamos u0u \geq 0. Então u(x)=μ11(Au)(x)=μ11k(x,y)u(y) ⁣dy>0u(x) = \mu_1^{-1}(Au)(x) = \mu_1^{-1}\int k(x,y)u(y)\dd y > 0 para todo x(0,1)x \in \intoo01 (k(x,)>0k(x,\cdot) > 0 e u0u \neq 0). (c) Se o autoespaço tivesse dimensão 2\geq 2, ele conteria duas autofunções ortogonais u,vu, v, cada uma de sinal constante e sem zeros no interior por (b); mas então u,v=uv>0\abs{\langle u, v\rangle} = \int\abs u\,\abs v > 0 — contradição. Na corda: k=g>0k = g > 0 no quadrado aberto, μ1=λ1=1π2\mu_1 = \lambda_1 = \frac1{\pi^2} é de fato simples, e1=2sin(πx)e_1 = \sqrt2\sin(\pi x) é positiva em (0,1)\intoo01; e cada en=2sin(nπx)e_n = \sqrt2\sin(n\pi x), n2n \geq 2, ortogonal à positiva e1e_1, deve integrar a zero contra ela, e portanto muda de sinal — como seus n1n - 1 zeros interiores kn\frac kn confirmam.

25. Como n2π2n^2\pi^2 \to \infty, o mínimo d=minnn2π2νd = \min_n\abs{n^2\pi^2 - \nu} é atingido, em algum modo mm, e d>0d > 0 porque ν\nu evita o espectro. A fórmula diagonal da questão 19 dá

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,

com igualdade para f=emf = e_m: Rν=1d\vertiii{R_\nu} = \frac1d, o recíproco da distância de ν\nu ao espectro — o princípio geral do resolvente, aqui em coordenadas explícitas. A autoadjunção se lê nos coeficientes diagonais reais; a compacidade segue como na questão 21 (os coeficientes tendem a 00, de modo que as truncaturas de posto finito convergem em norma). Preço da ressonância: para f=e1f = e_1 e ν=(1ε)π2\nu = (1-\varepsilon)\pi^2, a fórmula dá u=c1π2νe1=1επ2e1u = \frac{c_1}{\pi^2 - \nu}e_1 = \frac1{\varepsilon\pi^2}e_1, contra a resposta estática Ge1=1π2e1Ge_1 = \frac1{\pi^2}e_1: amplificação 1ε\frac1\varepsilon. Em ε=102\varepsilon = 10^{-2} a resposta é 100100 vezes a estática — e ela diverge quando ε0\varepsilon \to 0, o que é a alternativa da questão 20 vista do lado limitado: quanto mais próxima a frequência da forçante de uma frequência natural, menos limitada a inversa.