Ортогональная система функций

Определение "Ортогональная система функций" в Большой Советской Энциклопедии

Ортогональная система функций, система функций {(j_n (x)}, n = 1, 2,..., ортогональных с весом r (х) на отрезке [а, b], т. е. таких, что

Примеры. Тригонометрическая система 1, cos nx, sin nx; n = 1, 2,..., - Ортогональная система функций с весом 1 на отрезке [-p, p]. Бесселя функции , где n = 1, 2,...,  - положительные нули J_n(x), образуют для каждого n > - ¹/₂ Ортогональная система функций с весом х на отрезке [0, l ].

Если каждая функция j (х) из Ортогональная система функций такова, что  (условие нормированности), то такая система функций называется нормированной. Любую Ортогональная система функций можно нормировать, умножив j (х) на число  - нормирующий множитель.

Систематическое изучение Ортогональная система функций было начато в связи с методом Фурье решения краевых задач уравнений математической физики. Этот метод приводит, например, к разысканию решений Штурма - Лиувилля задачи для уравнения [r(х) у" ]" + q (x) y = lу, удовлетворяющих граничным условиям у (а) + hy"(a) = 0, y (b) + Hy" (b) = 0, где h и Н - постоянные. Эти решения - т. н. собственные функции задачи - образуют Ортогональная система функций с весом r (х) на отрезке [a, b ].

Чрезвычайно важный класс Ортогональная система функций - ортогональные многочлены - был открыт П. Л. Чебышевым в его исследованиях по интерполированию способом наименьших квадратов и проблеме моментов. В 20 в. исследования по Ортогональная система функций проводятся в основном на базе теории интеграла и меры Лебега. Это способствовало выделению этих исследований в самостоятельный раздел математики. Одна из основных задач теории Ортогональная система функций- задача о разложении функции f (x) в ряд вида , где {j_п (х)} - Ортогональная система функций Если положить формально , где {j_п (х)} - нормированная Ортогональная система функций, и допустить возможность почленного интегрирования, то, умножая этот ряд на j_п (х) r(х) и интегрируя от а до b, получим:
 (*)

Коэффициенты С_п , называемые коэффициентами Фурье функции относительно системы {j_n (x)}, обладают следующим экстремальным свойством: линейная форма  наилучшим образом приближает в среднем эту функцию. Иными словами, средняя квадратичная ошибка с весом r(х):
 (*)

имеет наименьшее значение по сравнению с ошибками, даваемыми при том же n другими линейными выражениями вида . Отсюда, в частности, получается т. н. неравенство Бесселя

Ряд  с коэффициентами С_п , вычисленными по формуле (*), называется рядом Фурье функции f (x) по нормированной Ортогональная система функций {j_n (x)}. Для приложений первостепенную важность имеет вопрос, определяется ли однозначно функция f (x) своими коэффициентами Фурье. Ортогональная система функций, для которых это имеет место, называется полными, или замкнутыми. Условия замкнутости Ортогональная система функций могут быть даны в нескольких эквивалентных формах. 1) Любая непрерывная функция f (x) может быть с любой степенью точности приближена в среднем линейными комбинациями функций j_k (x), то есть  в этом случае говорят, что ряд  сходится в среднем к функции f (x)]. 2) Для всякой функции f (x), квадрат которой интегрируем относительно веса r(х), выполняется условие замкнутости Ляпунова - Стеклова:

3) Не существует отличной от нуля функции с интегрируемым на отрезке [a, b ] квадратом, ортогональной ко всем функциям j_n (x), n = 1, 2,....

Если рассматривать функции с интегрируемым квадратом как элементы гильбертова пространства, то нормированные Ортогональная система функций будут системами координатных ортов этого пространства, а разложение в ряд по нормированным Ортогональная система функций - разложением вектора по ортам. При этом подходе многие понятия теории нормированных Ортогональная система функций приобретают наглядный геометрический смысл. Например, формула (*) означает, что проекция вектора на орт равна скалярному произведению вектора и орта; равенство Ляпунова - Стеклова может быть истолковано как теорема Пифагора для бесконечномерного пространства: квадрат длины вектора равен сумме квадратов его проекций на оси координат; замкнутость Ортогональная система функций означает, что наименьшее замкнутое подпространство, содержащее все векторы этой системы, совпадает со всем пространством и т.д.

Лит.: Толстов Г. П., Ряды Фурье, 2 изд., М., 1960; Натансон И. П., Конструктивная теория функций, М. - Л., 1949; его же, Теория функций вещественной переменной, 2 изд., М., 1957; Джексон Д., Ряды Фурье и ортогональные полиномы, пер. с англ., М., 1948; Качмаж С., Штейнгауз Г., Теория ортогональных рядов, пер. с нем., М., 1958.