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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=fx=f{uα}={einx}\left\{ u_{\alpha} \right\}=\left\{ e^{-i n x} \right\}とすると、x^(α)\hat{x}(\alpha)はよく知られている複素フーリエ係数になる。

x^(α)=cn=12πππf(x)einxdx \hat{x}(\alpha)=c_{n}=\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)e^{-inx}dx

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)(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)(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)s_{F}(x)xxフーリエ級数と呼ぶ。

(3)(3)は、sF(x)s_{F}(x)MFM_{F}xxに対する唯一の最良近似であることを示している。

Theorem

x^\hat{x} is a linear functional of HH, i.e., an element of the dual of HH.

Let {uα}αA\left\{ u_{\alpha} \right\}_{\alpha \in A} be a normal orthogonal set in the Hilbert space HH, and let FF be a finite subset of AA. And let’s say MF=span{uα:αF}M_{F}=\text{span} \left\{ u_{\alpha} : \alpha \in F \right\}.

(a) There exists the following yMFy\in M_{F}.

y=αFy^(α)uα=αFy,uαuα \begin{equation}\begin{aligned} y&=\sum \limits_{\alpha \in F}\hat{y}(\alpha)u_{\alpha} \\ &=\sum \limits_{\alpha \in F}\left\langle y,u_{\alpha} \right\rangle u_{\alpha} \end{aligned} \end{equation}

Also, the following holds:

y2=αFy^(α)2 \begin{equation} \left\| y \right\|^{2} = \sum \limits_{\alpha \in F} \left| \hat{y}(\alpha) \right|^{2} \end{equation}

(b) If xHx\in H and sF(x)=αFx^(α)uαs_{F}(x)=\sum \limits_{\alpha \in F}\hat{x}(\alpha)u_{\alpha}, then the following holds for all sMFs\in M_{F} except for sFs_{F}.

xsF(x)<xs \begin{equation} \left\| x-s_{F}(x) \right\| < \left\| x-s \right\| \end{equation}

And

αFx^(α)2x2 \begin{equation} \sum \limits_{\alpha \in F} \left| \hat{x}(\alpha) \right|^{2} \le \left\| x \right\|^{2} \end{equation}

Proof

(a)

(1)(1) is obvious by the definition of MFM_{F}, and (2)(2) can easily be known by orthogonality.

y2= y,y= αFy^(α)uα,αFy^(α)uα= y^(α1)uα1++y^(αk)uαk,y^(α1)uα1++y^(αk)uαk= y^(α1)2uα1,uα1++y^(αk)2uαk,uαk= αFy^(α)2 \begin{align*} \left\| y \right\|^{2} =&\ \left\langle y,y \right\rangle \\ =&\ \left\langle \sum \limits_{\alpha \in F}\hat{y}(\alpha) u_{\alpha},\sum \limits_{\alpha \in F}\hat{y}(\alpha) u_{\alpha} \right\rangle \\ =&\ \left\langle \hat{y}(\alpha_{1}) u_{\alpha_{1}}+ \cdots + \hat{y}(\alpha_{k}) u_{\alpha_{k}} , \hat{y}(\alpha_{1}) u_{\alpha_{1}}+ \cdots + \hat{y}(\alpha_{k}) u_{\alpha_{k}} \right\rangle \\ =&\ \left| \hat{y}(\alpha_{1}) \right|^{2}\left\langle u_{\alpha_{1}},u_{\alpha_{1}} \right\rangle + \cdots + \left| \hat{y}(\alpha_{k}) \right|^{2}\left\langle u_{\alpha_{k}},u_{\alpha_{k}} \right\rangle \\ =&\ \sum \limits_{\alpha \in F} \left| \hat{y}(\alpha) \right|^{2} \end{align*}

(b)

Firstly, let’s simply denote sF(x)s_{F}(x) as sFs_{F}. Then, since {uα}\left\{ u_{\alpha} \right\} is a normal orthogonal set,

sF^(α)=αFx^(α)uα,uα=x^(α)αF \hat{s_{F}}(\alpha)=\left\langle \sum \limits_{\alpha \in F}\hat{x}(\alpha)u_{\alpha},u_{\alpha} \right\rangle=\hat{x}(\alpha)\quad \forall \alpha \in F

holds. This means that for αF\alpha\in F, (xsF)uα(x-s_{F})\perp u_{\alpha} happens. Then since s,sFMFs,s_{F}\in M_{F}, (xsF)(sFs)(x-s_{F})\perp (s_{F}-s) holds. Therefore,

xs2=(xsF)+(sFs)2=xsF2+sFs2 \left\| x-s \right\| ^{2} = \left\| (x-s_{F})+(s_{F}-s) \right\| ^{2}=\left\| x-s_{F} \right\| ^{2}+\left\| s_{F}-s \right\| ^{2}

holds and from this, (3)(3) holds. Also, substituting s=0s=0 into the above equation,

x2=xsF2+sF2 \left\| x \right\| ^{2} = \left\| x-s_{F} \right\| ^{2}+\left\| s_{F} \right\| ^{2}

gives us

sF2x2 \left\| s_{F} \right\| ^{2}\le \left\| x \right\| ^{2}

and thus

αFx^(α)2=sF2x \sum \limits_{\alpha \in F} \left| \hat{x}(\alpha) \right|^{2}=\left\| s_{F} \right\|^{2} \le\left\| x \right\|