ヒルベルト空間における一般化されたフーリエ係数、フーリエ級数
📂ヒルベルト空間ヒルベルト空間における一般化されたフーリエ係数、フーリエ級数
説明
x=f、{uα}={e−inx}とすると、x^(α)はよく知られている複素フーリエ係数になる。
x^(α)=cn=2π1∫−ππf(x)e−inxdx
また、有限次元ヒルベルト空間について以下の定理が成立する。ここで、定理(a)の(2)は有限次元ヒルベルト空間におけるピタゴラスの定理、(4)は有限次元ヒルベルト空間におけるベッセルの不等式だ。
定理(b)で定義される有限和sF(x)をxのフーリエ級数と呼ぶ。
(3)は、sF(x)がMFでxに対する唯一の最良近似であることを示している。
Theorem
x^ is a linear functional of H, i.e., an element of the dual of H.
Let {uα}α∈A be a normal orthogonal set in the Hilbert space H, and let F be a finite subset of A. And let’s say MF=span{uα:α∈F}.
(a) There exists the following y∈MF.
y=α∈F∑y^(α)uα=α∈F∑⟨y,uα⟩uα
Also, the following holds:
∥y∥2=α∈F∑∣y^(α)∣2
(b) If x∈H and sF(x)=α∈F∑x^(α)uα, then the following holds for all s∈MF except for sF.
∥x−sF(x)∥<∥x−s∥
And
α∈F∑∣x^(α)∣2≤∥x∥2
Proof
(a)
(1) is obvious by the definition of MF, and (2) can easily be known by orthogonality.
∥y∥2===== ⟨y,y⟩ ⟨α∈F∑y^(α)uα,α∈F∑y^(α)uα⟩ ⟨y^(α1)uα1+⋯+y^(αk)uαk,y^(α1)uα1+⋯+y^(αk)uαk⟩ ∣y^(α1)∣2⟨uα1,uα1⟩+⋯+∣y^(αk)∣2⟨uαk,uαk⟩ α∈F∑∣y^(α)∣2
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(b)
Firstly, let’s simply denote sF(x) as sF. Then, since {uα} is a normal orthogonal set,
sF^(α)=⟨α∈F∑x^(α)uα,uα⟩=x^(α)∀α∈F
holds. This means that for α∈F, (x−sF)⊥uα happens. Then since s,sF∈MF, (x−sF)⊥(sF−s) holds. Therefore,
∥x−s∥2=∥(x−sF)+(sF−s)∥2=∥x−sF∥2+∥sF−s∥2
holds and from this, (3) holds. Also, substituting s=0 into the above equation,
∥x∥2=∥x−sF∥2+∥sF∥2
gives us
∥sF∥2≤∥x∥2
and thus
α∈F∑∣x^(α)∣2=∥sF∥2≤∥x∥
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