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¿Contextos para la desigualdad de Bessel?

La desigualdad de Bessel parece tratarse de secuencias ortonormales.

Pero (en el contexto de los espacios del producto interior), he pensado que esta desigualdad es una demostración de que la hipotenusa de los triángulos es siempre al menos tan larga como su proyección del coseno (y sólo es igual cuando el ángulo es cero y el coseno es 1).

¿Están relacionados ambos usos? ¿Son versiones diferentes de la misma cosa o dos cosas totalmente diferentes? ¿Y hay un "tercer" contexto que se me haya escapado?

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Grzenio Puntos 16802

Voy a ir en círculos mientras trato de responder a la pregunta:

En primer lugar, dada una ortonormal base $\{e_n\}_{n\in \mathbb{N}}$ de un espacio de Hilbert (separable de dimensión infinita), La identidad de Parseval -el caso de la igualdad de La desigualdad de Bessel -implica que $x = \sum_{n \in \mathbb{N}} \langle x, e_n\rangle e_n$ donde la suma converge en norma.

La igualdad $$\sum_{n\in\mathbb{N}} |\langle x, e_n\rangle|^{2} = \|x\|^2$$ puede verse como un teorema pitagórico de dimensión infinita.

Ahora bien, si $\{f_n\}_{n \in \mathbb{N}}$ es un sistema ortonormal, el vector $Px = \sum_{n\in\mathbb{N}} \langle x,f_n\rangle f_n$ se encuentra en el tramo lineal cerrado de $\{f_n\}_{n}$ y su longitud al cuadrado es $\|Px\|^2 = \sum_{n\in\mathbb{N}} |\langle x,f_n\rangle|^2$ por Parseval. Ahora la desigualdad de Bessel nos dice que $\|Px\| \leq \|x\|$ y por lo tanto el mapa $x \mapsto Px$ es continua de norma  $1$ desde $P$ es obviamente lineal. Se satisface $P^2 = P$ y es fácil comprobar que $P^{\ast} = P$ Así que vemos que $P$ es una proyección ortogonal y, por definición, su rango es el tramo cerrado de $\{f_n\}$ . Obviamente, $x = Px + (1-P)x$ y $P^{\ast} = P$ nos da que $$\langle Px, (1-P)x \rangle = \langle x, (P-P^2)x \rangle = 0,$$ así que $Px \perp (1-P)x$ . Ahora, en el subespacio (a lo sumo) bidimensional abarcado por $Px$ y $(1-P)x$ tenemos un triángulo rectángulo con ángulos $0,Px,x$ . Expandiendo el producto escalar, vemos

$$\|x\|^2 = \langle Px + (1-P)x, Px + (1-P)x \rangle = \|Px\|^2 + \|(1-P)x\|^2$$ que por supuesto no es otra cosa que Pitágoras.

Ahora bien, esta igualdad junto con $\|Px\|^2 = \sum_{n\in\mathbb{N}} |\langle x,f_n\rangle|^2$ nos devuelve la desigualdad de Bessel

$$\sum_{n\in\mathbb{N}} |\langle x,f_n\rangle|^2 \leq \|x\|^2$$

y vemos que el defecto se mide por $(1-P)x$ La parte de $x$ ortogonal a la extensión de la $\{f_n\}$ .

Por último, el ángulo $\phi$ entre $x$ y $Px$ es definido por $$\cos{\phi} = \frac{\langle x, Px \rangle}{\|x\|\,\|Px\|},$$ donde la fracción está en $[-1,1]$ por Cauchy-Schwarz, y eso nos da la interpretación de $Px$ como la "proyección del coseno" de la hipotenusa $x$ de nuestro triángulo con esquinas $0,Px,x$ .

No me consta que haya una tercera cosa que se te haya escapado (excepto si estás dispuesto a contar a Parseval). Espero que esto responda a tu pregunta, yo por mi parte encontré estas consideraciones esclarecedoras cuando las hice por primera vez.

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William Hilsum Puntos 2537

La desigualdad de Bessel gobierna los espacios de producto interior, mostrando que la hipotenusa de los triángulos es siempre al menos tan larga como su proyección del coseno (y sólo es igual cuando el ángulo es cero y el coseno es 1) en tales espacios.

Muchos espacios de producto interno se definen sobre secuencias ortonormales. Así que los dos usos están conectados.

La identidad de Parseval es un caso "especial" (de igualdad) de la desigualdad de Bessel que se cumple cuando la secuencia ortonormal en cuestión tiene una base.

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