正交系

更新时间:2022-08-25 14:25

正交系是互相正交的函数系的简称,用于微分方程、积分方程、计算方法等数学领域。

定义

设 是内积空间H的一些非零元素构成的子集,若M中任何两个不同元素都正交,则称M为H中的一个正交系,进一步,若在正交系M中每个元素的范数均为1,则称M为H的一个标准正交系。

例1 在 中,

是一个标准正交系。

例2 在空间 中,命

由于

因此 是一个标准正交基

相关定理

已知在线性代数中,对于一组线性无关向量可用格雷姆一休密特(Gram—Schmidt)正交化程序构造出标准正交向量组,在内积空间中则有下述的定理。

定理1

(格雷姆一休密特正交化程序)设H是内积空间, 是H中的线性无关子集,则存在标准正交系 ,使得对每一个自然数n,有:。

定理2

内积空间H中的有限维子空间M是闭子空间。

定理3

设 是希尔伯特空间H中的一个标准正交系,令,如果P是H到M上的正交投影算子,则对于任意的,有

定理4

设 是希尔伯特空间H的标准正交系, 是实(或复)数点列,那么级数 在H中收敛,当且仅当 。进而还有

定理5

[贝塞尔(Bessel)不等式]设 是希尔伯特空间H中的标准正交系,则对于任意的x∈H和n∈N,有

进一步

而且 在H中收敛

定理6

设 是内积空间H中的一个标准正交系,则 是完备的,当仅当张成的子空间L在H中稠密。

定理7

设H是希尔伯特空间, 是H中的标准正交系,则 是完备的,当且仅当 是完全的。

在一般的希尔伯特空间中,标准正交甚有下述等价刻画。

定理8

设 为希尔们特空间H中的标准正交系,则下述一些条件等价:

(1)S是H的完全标准正交系;

(2) (此条件满足时称S为完备的);

(3)

(4)对于任意的,

(5)对于任意的 ,巴塞伐尔等式成立,即

(6)对于任意

定理9

设H是希尔伯特空问,则下述两条等价:

(1)H是可分的;

(2)H有一个至多可数的完全标准正交系。

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