2.4内积空间的标准正交基.ppt

2.4 内积空间的标准正交基 2.4.1 标准正交集 定义2.4.1（标准正交集） 设X为一 内积空间，M含于X，若M中的所有元素 之间是两两正交的，就称M为一正交集； 再若M中每个元素的范数都是 1 ，称M为 标准正交集。 标准正交集的性质： （1）任何标准正交集都是线性无关的。 （2）若（e1, e2, ……, en）是标准正交序列，则每一个x ∈ Span{e1, e2, ……, en}都可以唯一的表示为 (3)对于任何线性无关的序列（xi），可以 应用格拉姆-施密特标准正交化方法得到 一个标准正交序列（ei），使得对每一个n 属于N都有 Span{e1, e2, ……, en} = Span{x1, x2, ……, xn} 2.4.2内积空间的标准正交系 定义2.4.3（傅里叶级数） 设（en）是内积空间X中的一个标准正交系，任给 x ∈X，则称级数 为矢量 x 关于正交系（en）的傅里叶级数， x , en 称为 x 关于en的傅里叶系数。 定理2.4.4 设{en}是X中的标准正交集，M 是由{en}中 m 个矢量张成的线性子空间， 即M= Span{e1, e2, ……, em}，对任意的 x∈X，级数 是 x 在M上的正交投影。 而且有： 定理2.4.5 若（en）是内积空间X（无穷维 的）的标准正交系， x ∈ X，则有下列贝 塞尔不等式成立： 定理2.4.6 若（en）是内积空间X的标准 正交系，M = Span {e1, e2, … , en }， x ∈ X，对任意的 m 维数组（ α1, α2 , … , αn）有 2.4.3 内积空间的标准正交基 定义2.4.7（内积空间的完全标准正交系或标准正交基） 在内积空间 X 中的标准正交系（en）被称作是完全的，是指 X 中不存在与所有en正交的非零元素。 定理2.4.8 设（en）是希尔伯特空间X中的标准正交系， x∈X，则等式 成立的充要条件是：（en）是完全的。 上式也称为帕塞法耳等式。 定理2.4.9 如果（en）是希尔伯特空间 X 中的标准正交基，则任意的 x ∈ X 都可以 表示为 定义（完备的） 设（en）是内积空间X 中的标准正交系，如果对于每一个x∈X， 帕塞法耳等式 恒成立，则称（en）是完备的。 定理 设（en）是希尔伯特空间 X 中的一个规范（标准）正交系，则下列性质等价： （1）（en）是完备的； （2）（en）是完全的； （3）对于X中任一元素 x，级数 在 X 中收敛于 x ； （4）对 X 中任意两个元素 x，y 有 2.4.4 常用标准正交基举例 1、勒让德多项式 通项： 另外，拉普拉斯方程在求坐标系下分离变量 得到勒让德方程 为勒让德多项式的级数表示． 注意到 , 故可方便地得出前几个勒让德多项式: 勒让德多项式的图形可通过计算机绘图(如MATLAB)得到 当 时满足 3、拉盖尔多项式 氢原子的定态薛定谔方程 分离变量，得到