Matemática universitária — Graduação 3 · Bachelor Year 3
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 em 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 de Euler caindo de uma fórmula de traço como brinde de despedida. Ao longo de todo o capítulo, é um espaço de Hilbert sobre (ou ; os enunciados se adaptam), e os operadores são limitados.
15.1 Operadores compactos
Definição 15.1
(com de Banach) é compacto se a imagem da bola unitária é relativamente compacta em — equivalentemente, se toda sequência limitada tem uma subsequência com 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 formam um subespaço fechado de e um ideal bilateral: compacto e compactos, para 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 com compactos, e limitada por ; uma extração diagonal torna convergente para todo ; então é de Cauchy, pois
escolhendo primeiro e depois os índices. Aproximação em espaços de Hilbert: seja compacto, com compacto; dado , cubra por um número finito de bolas e seja a projeção ortogonal sobre (fechado: tem dimensão finita). Então tem posto finito e, para : tomando com ,
(; ): . ∎
Exemplo 15.3
(a) Operadores diagonais em : é compacto se, e somente se, (Exercício 15.2). (b) Operadores com núcleo em : compactos por Ascoli (Exercício 7.7). (c) Operadores de Hilbert–Schmidt: para ,
define um operador compacto em com (Exercício 15.4: truncar a expansão de na base exibe como limite de operadores de posto finito).
15.2 Operadores autoadjuntos
Definição 15.4
é autoadjunto se (Exercício 13.8), isto é, se para todos . Então para todo (por ser igual a seu conjugado).
Proposição 15.5
Para autoadjunto:
Os autovalores de são reais, e autovetores associados a autovalores distintos são ortogonais.
Demonstração. Seja o supremo; por Cauchy–Schwarz. Reciprocamente, a identidade do tipo polarização
(expanda; os termos cruzados por autoadjunção) dá, junto com a lei do paralelogramo,
Para com , tome : . Logo . Autovalores: , dá . Ortogonalidade: com reais. ∎
15.3 O teorema espectral
Lema 15.6 (Existência de um autovalor extremo)
Seja compacto e autoadjunto. Então ou é autovalor de .
Demonstração. Pela Proposição 15.5, tome vetores unitários com , em que (passe a uma subsequência para fixar o sinal). Então
Por compacidade, uma subsequência ; então , de modo que , um vetor unitário, e a continuidade dá . ∎
Teorema 15.7 (Teorema espectral para operadores compactos autoadjuntos)
Seja um operador compacto autoadjunto em um espaço de Hilbert .
admite um sistema ortonormal ( finito ou enumerável) de autovetores de , com autovalores reais não nulos , tal que
e .
- Se é infinito, ; para cada , apenas um número finito de satisfaz , e cada autoespaço , , tem dimensão finita.
- Completando com uma base ortonormal de obtém-se, quando é separável, uma base ortonormal de formada por autovetores: está diagonalizado.
Demonstração. Primeiro (2). Se infinitos autovetores ortonormais tivessem : (ortogonalidade, Pitágoras): não haveria subsequência convergente de , contradizendo a compacidade de na sequência limitada . Isso limita por um número finito, para cada , a multiplicidade total dos autovalores fora de ; a enumerabilidade e decorrem.
(1) Seja 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 de autovalores . leva em e também em : para e autovetor, . A restrição é compacta autoadjunta no espaço de Hilbert ; se , o Lema 15.6 produziria um autovetor de com autovalor não nulo dentro de — impossível, pois tais vetores vivem em . Logo : . Reciprocamente, a todo (): , donde e a decomposição ortogonal. A expansão: para (, ; Teorema 13.7(1) em ), a continuidade de dá .
(3) , subespaço fechado de um espaço separável, é separável: ele tem base ortonormal (Proposição 13.8); a reunião é base ortonormal de pela decomposição de (1). ∎
Teorema 15.8 (Alternativa de Fredholm)
Sejam compacto autoadjunto e .
- Se não é autovalor, então é bijetor com inversa limitada: para toda , a equação tem exatamente uma solução, que depende continuamente de .
- Se é autovalor, é solúvel se, e somente se, , e a solução é única a menos desse núcleo (de dimensão finita).
Demonstração. Decomponha e conforme o Teorema 15.7 (). A equação se escreve
(1) : por (2) do teorema espectral, (os autovalores só se acumulam em ). Resolva: , , com : uma única solução, com . (2) para em um conjunto finito : a solubilidade de para exige , isto é, (), ou seja, ; os , , ficam então livres. ∎
Exemplo 15.9
Em , seja : um operador de Hilbert–Schmidt de núcleo real e simétrico, portanto compacto e autoadjunto. Resolvendo : a relação mostra que satisfaz (duas derivações, legítimas para contínua, e é contínua para : convergência dominada), com e . Assim, as autofunções resolvem , , :
e o teorema espectral afirma — sem nenhuma teoria de Fourier — que esses senos formam, após normalização, uma base ortonormal de (o núcleo de é : força, pelas duas derivações, q.t.p.). O problema de fim de semana percorre o mesmo círculo de ideias para a corda vibrante e extrai do traço.
Método 15.10
Dada uma equação integral ou diferencial: (1) reescreva-a como ou com um operador integral; (2) verifique que 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) é um subconjunto limitado do espaço de dimensão finita : relativamente compacto por Heine–Borel (Corolário 6.17, transportado por um homeomorfismo linear com ). (b) 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 compacto tivesse inversa limitada , então seria compacto (Proposição 15.2): impossível em dimensão infinita.
Exercício 15.2 ★
Seja em , com limitada. (a) Mostre que . (b) Mostre que é compacto se, e somente se, . (Para , trunque; para , teste em .) (c) Quando é autoadjunto? Verifique o teorema espectral por inspeção nesse caso.
Solução
Solução de Exercício 15.2.
(a) , com quase igualdade nos que realizam o supremo. (b) () As truncaturas (mantêm , zero além) têm posto finito e : compacto pela Proposição 15.2. () Se ao longo de uma subsequência: : nenhuma subsequência convergente de . (c) diagonal com : autoadjunto se, e somente se, todos os . Então a base canônica é uma base ortonormal de autovetores, de autovalores : o teorema espectral literalmente.
Exercício 15.3 ★★
Dê os detalhes da propriedade de ideal (Proposição 15.2): se é compacto e são limitados, então é compacto. Deduza que, se para algum limitado e , então não é compacto — e reconcilie com o Exercício 15.1(b).
Solução
Solução de Exercício 15.3.
Seja limitada. Então é limitada (); a compacidade de extrai ; a continuidade de dá : é compacto. Se com compacto e : seria compacto, contradizendo o Exercício 15.1(b) — que é o mesmo enunciado visto do outro lado.
Exercício 15.4 ★★
(Hilbert–Schmidt) Sejam e uma base hilbertiana de . (a) Mostre que (Cauchy–Schwarz na variável e, depois, Tonelli). (b) Expanda em 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 em norma de operador: é compacto.
Solução
Solução de Exercício 15.4.
(a) Por Cauchy–Schwarz em : ; integre em (Tonelli): .
(b) A família é ortonormal em (Tonelli separa a integral dupla). Total: se a todos os , então, para cada , a função (em por Cauchy–Schwarz e Tonelli) é ortogonal a toda — e as conjugadas formam uma base hilbertiana sempre que forma (a conjugação é uma bijeção isométrica de que preserva ortogonalidade e totalidade) —, de modo que ela é q.t.p.; então, para q.t.p. , a todo : q.t.p.: (Tonelli). Logo é uma base hilbertiana; expanda . A truncatura (índices ) dá de posto finito (imagem em ) e, por (a),
é um limite em norma de operadores de posto finito: compacto (Proposição 15.2).
Exercício 15.5 ★★
Seja autoadjunto com para todo (operador positivo). (a) Mostre que os autovalores são e que . (b) Demonstre a desigualdade de Cauchy–Schwarz generalizada .
Solução
Solução de Exercício 15.5.
(a) num autovetor. A fórmula é a Proposição 15.5 com todos os valores : o valor absoluto é redundante. (b) é uma forma sesquilinear hermitiana positiva (possivelmente degenerada); a demonstração usual de Cauchy–Schwarz (expanda e tome o discriminante) nunca usa a definitude.
Exercício 15.6 ★★
Em , seja . (a) Mostre que é limitado e autoadjunto, com , mas não tem autovalor algum. (b) Mostre que não é compacto (exiba uma sequência limitada cuja imagem não tem subsequência convergente, por exemplo indicadoras normalizadas de intervalos que encolhem perto de — ou invoque o teorema espectral). (c) Onde a demonstração do Lema 15.6 se quebra para ?
Solução
Solução de Exercício 15.6.
(a) e, em (vetores unitários), : ; autoadjunto, pois o multiplicador é real. Autovalores: q.t.p. força q.t.p. fora do conjunto nulo : em . (b) Com as mesmas : , ao passo que (para fixo, pelo TCD). Se em norma, então , forçando (limite fraco), e ainda assim : nenhuma subsequência convergente. (c) No Lema 15.6, é precisamente a extração “” que usa a compacidade; para , as sequências maximizantes se concentram perto de e suas imagens convergem fracamente para , nunca em norma: o autovetor no topo da imagem numérica simplesmente não existe.
Exercício 15.7 ★★
(Volterra) Em , seja . (a) Mostre que é compacto (Hilbert–Schmidt de núcleo ) mas não é autoadjunto; calcule . (b) Mostre que não tem autovalor não nulo. (De : tem um representante contínuo, depois é e resolve , .) (c) Conclua que só a compacidade não fornece autovetores: a autoadjunção no Teorema 15.7 é essencial.
Solução
Solução de Exercício 15.7.
(a) com : compacto (Exercício 15.4). Seu adjunto é o operador de núcleo com núcleo : ; (teste em ). (b) Se , : é contínua em (convergência dominada em ), de modo que tem um representante contínuo; então é (teorema fundamental do cálculo para integrandos contínuos), de modo que é , e com : com . (c) é compacto sem autovalor algum, exceto possivelmente ( força q.t.p., derivando a integral — de modo que nem mesmo ): a maquinaria espectral realmente exige a autoadjunção, não apenas a compacidade.
Exercício 15.8 ★★★
(Courant–Fischer) Seja compacto, autoadjunto e positivo, com autovalores (repetidos conforme a multiplicidade, com autovetores ). Mostre que:
(Teste ; para a cota superior, intersecte um qualquer com espaços do tipo : a contagem de dimensões força uma interseção não nula.) Deduza que os autovalores dependem monotonamente de ().
Solução
Solução de Exercício 15.8.
Escreva , , de modo que . Cota inferior: na esfera unitária de , : o máximo em do mínimo é . Cota superior: sejam e , de codimensão (seu complemento ortogonal é ); (uma aplicação linear de posto tem núcleo não trivial), e um unitário tem : o mínimo em é . Juntas: a primeira fórmula; a segunda se demonstra simetricamente (teste ; para arbitrário de codimensão , dá um vetor unitário com ). Monotonicidade: pontualmente se transfere por .
Exercício 15.9 ★★
Usando o Teorema 15.8 para (Exemplo 15.9): para quais a equação integral
tem solução única para toda ? O que acontece nos valores excepcionais?
Solução
Solução de Exercício 15.9.
Reescreva . Para : , sempre unicamente solúvel. Para : isso é e, pela alternativa de Fredholm (Teorema 15.8) com os autovalores de (Exemplo 15.9): solubilidade única para todo se, e somente se, para todo , isto é,
Num excepcional: existem soluções se, e somente se, , e elas são então únicas a menos de somar múltiplos desse seno.
Exercício 15.10 ★★★
Seja o deslocamento em (Exercício 8.1). (a) Mostre que não tem autovalores, ao passo que todo com é autovalor de (encontre explicitamente os autovetores, sequências geométricas). (b) Nem nem é compacto: verifique testando em 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) : comparando coordenadas, e ; se , então e, indutivamente, ; se , força ( isométrico). Nenhum autovalor. se lê : , em exatamente quando : um disco aberto inteiro de autovalores. (b) : a imagem da limitada não tem subsequência de Cauchy; do mesmo modo, . 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 (, Volterra) ou preencher um disco (): o objeto robusto é o espectro , cuja teoria pertence a um curso posterior.
Exercício 15.11 ★★
(Raízes quadradas) Seja compacto, autoadjunto e positivo () em um espaço de Hilbert , com decomposição espectral (). (a) Defina ; mostre que é compacto, autoadjunto e positivo, com . (b) Demonstre a unicidade: todo compacto positivo autoadjunto com preserva os autoespaços de (: comuta com , logo ) e, em , é um operador positivo cujo quadrado é em um espaço de dimensão finita: diagonalize-o ali e conclua em cada autoespaço, logo . (c) Calcule para o operador da corda do Problema 15.1: que núcleo tem autovalores na base de senos? (Exprima como limite em de núcleos; não se exige forma fechada.)
Solução
Solução de Exercício 15.11.
(a) é o operador diagonal de coeficientes : compacto (Exercício 15.2(b), transportado para a base completada por , em que ), autoadjunto (diagonal real), positivo () e termo a termo.
(b) comuta com ; para um autovetor de de autovalor : , de modo que o autoespaço de dimensão finita é -estável. Em , é simétrico positivo com : seus autovalores satisfazem , : todos iguais a , e um operador diagonalizável com um único autovalor é escalar: em . Em : . Logo coincide com em e em todo autoespaço, cujo espaço gerado fechado é (teorema espectral): .
(c) age como em : é o operador de núcleo com
convergindo a série em (coeficientes ; 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 compacto, não necessariamente autoadjunto. (a) Mostre que é compacto, autoadjunto e positivo; seja uma família ortonormal de autovetores com , (os valores singulares), completada por (demonstre essa igualdade). (b) Ponha ; mostre que é ortonormal e estabeleça a decomposição em valores singulares:
com convergência em . (c) Deduza: ; 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 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 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) é compacto (produto de um operador limitado por um compacto, Exercício 15.3), autoadjunto (), positivo (). Núcleo: e, reciprocamente, . O teorema espectral fornece os ortonormais com , , que geram .
(b) . Expanda com (Parseval no espaço gerado fechado mais o núcleo); aplicando o contínuo :
convergindo a série porque suas somas parciais são de Cauchy (, dominado por , e ).
(c) , atingido no maximizante: . Truncar a DVS no posto deixa um operador de norma : aproximação de posto finito. O operador de Volterra não tem autovalores (Exercício 15.7), mas tem: é um operador de núcleo simétrico positivo (núcleo , um núcleo de Green do tipo corda), cujos pares próprios — calculados via o problema de valores de contorno , , isto é, a família do Exercício 15.9 — dão valores singulares . A DVS vive sobre duas famílias ortonormais precisamente porque 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
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 — , — por teoria de operadores, obtemos a base ortonormal de senos sem nenhum cálculo de Fourier e avaliamos comparando duas expressões para o traço do operador de Green. Defina, em ,
Parte I — O operador de Green.
- Mostre que é contínuo e simétrico, com , e que é compacto e autoadjunto (Exemplo 15.3(c)).
Para contínua, mostre que é com
(escreva e derive duas vezes). Reciprocamente, se com , então : inverte o operador da corda.
- Mostre que (se com : teste contra contínua, transfira por simetria/Fubini para e use o lema fundamental Corolário 12.11 — ou regularize), e que é um operador positivo: . (Para contínua: com , por partes; conclua por densidade.)
Parte II — Diagonalização: a base de senos.
- Mostre que as autofunções de com autovalor são, a menos de escalares, as soluções de , (uma autofunção tem representante contínuo — é contínua para , por quê? —, logo é por bootstrapping da questão 2).
- Resolva o problema de valores de contorno: os autovalores de são (), com autofunções normalizadas ; verifique a ortonormalidade por integração direta, como teste de sanidade.
- Conclua do Teorema 15.7 e da questão 3 que é uma base ortonormal de — sem Stone–Weierstrass e sem séries de Fourier. Expanda nessa base e escreva Parseval para ela.
Parte III — A fórmula de traço e .
Demonstre as duas identidades
Para a segunda (a fórmula de traço): expanda , para fixado, na base — mostre que os coeficientes são , de modo que em . Aqui os senos são explícitos: verifique diretamente que converge uniformemente no quadrado (compare com ), de modo que sua soma é contínua e, tendo as mesmas expansões em para cada , é igual a em toda parte. Ponha e integre termo a termo.
Calcule e conclua
a soma de Euler a partir de um traço de operador.
- Redemonstre de uma terceira maneira: aplique Parseval na base de senos à função constante , calcule 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.
(Separação de variáveis, sintetizada) Para , defina
Mostre que a série converge em para cada , que é contínua com valores em , e que, para no subespaço gerado por um número finito de , ela resolve a equação da onda com , , de extremidades fixas. Os autovalores 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 . Seja um operador compacto autoadjunto positivo de autovalores e autovetores ortonormais ; . As fórmulas de mín–máx são o Exercício 15.8; aqui as gastamos.
(Método da potência) Para , escreva . Mostre que (Cauchy–Schwarz), deduza a cadeia
e demonstre que, se , então : iterar o operador em um vetor genérico qualquer calcula o autovalor máximo — o método da potência da análise numérica, certificado.
(Estabilidade de Weyl) Para compactos autoadjuntos positivos, deduza do Exercício 15.8 que
o espectro inteiro é -lipschitziano na norma de operador — os autovalores de grandes sistemas simétricos podem ser calculados a partir de aproximações com erro garantido.
Aplique a cota de Rayleigh a com a função de teste : resolva , para obter , calcule
e conclua a cota rigorosa , isto é, .
Um passo da cadeia da questão 11, na mesma função de teste: usando , calcule
e conclua : duas integrais, quatro algarismos corretos. (Cada iteração adicional aproximadamente eleva a precisão ao quadrado: a lacuna entre autovetores comanda a convergência geométrica.)
Parte VI — O traço de e .
- Mostre que (expanda na base produto de — uma base hilbertiana, cf. Exercício 15.5 — e aplique Parseval no quadrado; a questão 7 identifica os coeficientes).
Calcule a integral dupla:
- Conclua ; explique, sem cálculo, como os traços de potências superiores produzem para todo , e por que os valores ímpares estão estruturalmente fora do alcance dessa máquina.
( por baixo) De deduza , e reúna com a questão 14 o veredito bilateral
obtido inteiramente da aritmética da corda vibrante. Qual lado converge mais rápido se usarmos traços superiores , e por quê?
Parte VII — Forçamento e ressonância. Fixe e considere a corda forçada , , com e .
Suponha . Mostre que
converge em e uniformemente em (Cauchy–Schwarz entre e as caudas de , com ), e que ela satisfaz — a forma em coordenadas explícitas da alternativa de Fredholm (Teorema 15.8), com unicidade.
- Suponha . Mostre que tem solução se, e somente se, , única a menos de somar múltiplos de . Leitura física: empurrar um balanço exatamente em sua própria frequência.
- Para , mostre que o operador solução é limitado em com norma , compacto, autoadjunto e positivo: toda a análise espectral recomeça, deslocada de .
- (Síntese) Compile o dicionário deste problema: autovalor frequência ao quadrado (harmônicos); traço ; norma de Hilbert–Schmidt ; alternativa de Fredholm ressonância; mín–máx cotas variacionais ( a partir de um único polinômio). Um operador integral, cinco capítulos de análise convertidos em dinheiro.
Parte VIII — Três últimos ecos.
(, de graça) A identidade de Parseval da questão 6 deu . Separe em ímpares e pares e conclua
sem nenhuma integral nova: a máquina da questão 17 (traços de ) teria produzido o mesmo valor ao custo de um núcleo iterado — Parseval em uma única função bem escolhida é aqui a rota mais barata.
- (O estado fundamental é positivo) Seja um operador compacto autoadjunto positivo em dado por um núcleo contínuo simétrico em , com maior autovalor . Mostre: (a) todo maximizador do quociente de Rayleigh é uma autofunção de ; (b) se é uma delas, então , com desigualdade estrita se assume os dois sinais em conjuntos de medida positiva — de modo que tem sinal constante q.t.p., e nunca se anula em ; (c) é um autovalor simples. Verifique cada afirmação em : , e cada , , sendo ortogonal a , tem de mudar de sinal (e muda: zeros interiores).
(Distância ao espectro e o preço da ressonância) Para , mostre que o operador solução da questão 19 é limitado, autoadjunto e compacto, com
sendo a norma atingida no modo mais próximo. Quantifique então o balanço da questão 20: forçar com em produz , uma amplificação por da resposta estática — a um por cento abaixo da fundamental (), a corda responde cem vezes mais alto.
Solução
Solução de Problema 15.1.
1. Continuidade: e são contínuos; simetria: trocar não troca nem nem . Cotas: , e cotas do tipo dão (para : , de modo que ). : de Hilbert–Schmidt, logo compacto (Exercício 15.4); o núcleo é real simétrico: autoadjunto.
2. Separando em :
Para contínua, derive (produto e teorema fundamental):
e ; claramente . Reciprocamente, se se anula nos dois extremos, satisfaz , : é afim e se anula duas vezes, de modo que .
3. Seja , . Para : pela questão 2, de modo que
( autoadjunto): pelo lema fundamental (Corolário 12.11), q.t.p. Positividade: para contínua, com ,
para , aproxime em por contínuas: ambos os membros passam ao limite ( limitado).
4. Se , : é contínua (, e o núcleo é uniformemente contínuo), de modo que tem um representante contínuo; então as fórmulas da questão 2 mostram que , de modo que com e .
5. , : (positivo : pela questão 3, nos autovetores). força : , autofunções , normalizadas (). Verificação de ortogonalidade: integra a para .
6. (questão 3), de modo que o Teorema 15.7(1) dá : os senos são uma base hilbertiana de . Para :
(duas integrações por partes). Parseval: , isto é, .
7. . Para fixo, os coeficientes de : , de modo que em . A série explícita converge normalmente no quadrado (): sua soma é contínua e, para cada , ela tem os mesmos coeficientes em que : as duas funções contínuas coincidem para todo . Pondo e integrando (a convergência normal permite a integração termo a termo):
8. , de modo que :
9. Para : : para ímpar, para par. Parseval: , de modo que , e (os termos pares são ). Comparação: Parseval para uma única soma ; a fórmula do traço integra a diagonal do núcleo, o que equivale a somar Parseval sobre uma família ortonormal inteira de uma só vez — — e é, portanto, cega a qualquer escolha particular de função de teste.
10. com : para cada a série converge em (expansão ortonormal, Teorema 13.7(3)); a cota das caudas é uniforme em , e cada soma parcial é contínua em (finitos cossenos): é contínua com valores em . Para : cada modo satisfaz aplicado a ele, anula-se em , tem valor e derivada temporal em : a soma finita resolve tudo. Musicalmente: o movimento da corda é uma superposição de ondas estacionárias , cujas frequências são a fundamental e seus harmônicos; o teorema espectral diz que toda forma inicial se decompõe unicamente nesses tons puros, sendo os coeficientes o timbre. Ouvir uma corda é calcular uma expansão ortonormal.
11. Com : (Cauchy–Schwarz em ). Logo as razões são não decrescentes em ; como , e , segue a cadeia, cada termo porque termo a termo. Convergência: se (escrevendo o peso total do maior autovalor como ), então
por convergência dominada das somas (razões ): o método da potência converge para todo vetor inicial não ortogonal ao autoespaço dominante.
12. Pontualmente, , de modo que para todo . Alimentando com isso a fórmula max–min do Exercício 15.8: e, simetricamente em : para todos os de uma vez.
13. integra a (com ), e dá :
Então e, com :
Logo , isto é, : (valor verdadeiro ). Um polinômio, uma integral, um dígito.
14. Escreva , de modo que e, usando , , :
Logo e, pela questão 11, isso ainda é : , isto é, — quatro dígitos (e o próximo iterado daria cerca de oito, contraindo-se o erro por a cada passo).
15. A família é uma base hilbertiana de (ortonormalidade por Tonelli; totalidade como no Exercício 15.5). Pela questão 7, para fixo: , de modo que o coeficiente de em é
Parseval no quadrado:
16. Pela simetria de ,
17. Combinando: , isto é, . Em geral, é igual a uma integral iterada de produtos do núcleo racional-polinomial sobre o cubo de dimensão : um número racional. Logo para todo . A máquina só alcança argumentos pares porque os autovalores entram através de suas potências — — e : nenhuma combinação de traços produz ; a natureza aritmética de (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: , de modo que e Com a questão 14: , por pura aritmética de corda. Traços mais altos afiam a cota inferior geometricamente: , e o fator parasita morre tão rápido quanto — o mesmo mecanismo de lacuna espectral da convergência do método da potência (questão 11), visto do lado dos traços.
19. para todo (a sequência evita com folga), e para grande. Convergência : os coeficientes são somáveis ao quadrado (dominados por ). Convergência uniforme: as normas do sup das caudas são limitadas por (Cauchy–Schwarz). Verificação: tem coeficiente em
exatamente os coeficientes de , de modo que ; unicidade porque uma diferença de soluções satisfaz , isto é, para todo : .
20. Como na questão 19, a equação é equivalente à família de equações nos coeficientes , . Para o membro esquerdo é : a solubilidade força , e então fica livre, ao passo que todos os demais coeficientes ficam determinados: as soluções formam a reta . 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, (para o autovalor mais próximo é ), com igualdade aproximada em : norma do operador . Compacidade: é o limite em norma de suas truncaturas de posto finito (os coeficientes das caudas ); a autoadjunção e a positividade se leem na forma diagonal (todos os coeficientes ). tem autovalores : a análise das Partes I–VI recomeça literalmente.
22. O dicionário: autovalor frequência ao quadrado do -ésimo harmônico; traço ; norma de Hilbert–Schmidt ; alternativa de Fredholm ressonância da corda forçada; min–max estimativas variacionais, até 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 na parte par,
de modo que e . O caminho do traço calcularia como com o núcleo iterado — três integrações de polinômios definidos por partes; Parseval em precisou de apenas uma.
24. (a) Diagonalize: (mais uma possível componente no núcleo, com a qual nada ganha e cresce, de modo que um maximizante não a tem). Então , com igualdade se, e somente se, sempre que : um maximizante está no autoespaço de . (b) Para qualquer ,
sendo o integrando pontualmente não negativo. Se e têm ambos medida positiva, então, em , o integrando vale num conjunto de medida positiva: desigualdade estrita. Uma autofunção de maximiza o quociente de Rayleigh, e tem a mesma norma, de modo que a estritude exibiria — impossível; logo tem sinal constante q.t.p., digamos . Então para todo ( e ). (c) Se o autoespaço tivesse dimensão , ele conteria duas autofunções ortogonais , cada uma de sinal constante e sem zeros no interior por (b); mas então — contradição. Na corda: no quadrado aberto, é de fato simples, é positiva em ; e cada , , ortogonal à positiva , deve integrar a zero contra ela, e portanto muda de sinal — como seus zeros interiores confirmam.
25. Como , o mínimo é atingido, em algum modo , e porque evita o espectro. A fórmula diagonal da questão 19 dá
com igualdade para : , o recíproco da distância de 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 , de modo que as truncaturas de posto finito convergem em norma). Preço da ressonância: para e , a fórmula dá , contra a resposta estática : amplificação . Em a resposta é vezes a estática — e ela diverge quando , 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.