Share to: share facebook share twitter share wa share telegram print page

Ortogonální funkce

V matematice o dvou funkcích nějakého vektorového prostoru s definovaným skalárním součinem ve formě integrálu řekneme, že jsou na intervalu v rámci jejich definičního oboru ortogonální, pokud je jejich vzájemný skalární součin nulový, tj.:

.

Ortogonální funkce mohou tvořit nekonečnou bázi prostoru funkcí s podobnými vlastnostmi jako má báze vektorů v konečněrozměrném prostoru. Výše uvedený integrál je konceptuálně ekvivalentem skalárního součinu vektorů; dva vektory jsou vzájemně kolmé (ortogonální), pokud je jejich skalární součin nulový.

Předpokládejme, že je posloupnost ortogonálních funkcí s nenulovými L2-normami . Pak posloupnost tvořená funkcemi s L2-normou jedna tvoří ortonormální posloupnost. Aby bylo možné definovat L2-normu, musí být integrál omezený, což vyžaduje, aby funkce byly integrovatelné na čtverci.

Systém ortogonálních funkcí s vahou

Systém funkcí je v intervalu ortogonální s váhou , kde , pokud pro každou dvojici platí

.

Funkci f nazýváme normovanou s váhou , jestliže platí

Systém funkcí ortogonální s váhou , kde každá funkce je normovaná s váhou , nazýváme ortonormální (ortonormovaný) s váhou .

Systém ortogonálních funkcí v L2

Systémy ortogonálních funkcí v prostoru našly praktické uplatnění především v kvantové mechanice.

Funkce označujeme jako ortogonální v prostoru (na intervalu ), pokud platí

,

přičemž skalární součin v předchozím vztahu vyjadřujeme jako

Funkci f nazýváme normovanou v prostoru , je-li její norma rovna jedné, tzn.

Máme-li konečný nebo spočetný systém funkcí , pak říkáme, že tento systém je ortogonální v , pokud pro každou dvojici funkcí platí

.

Je-li navíc každá funkce normovaná, pak říkáme, že systém funkcí je ortonormovaný (ortonormální). V takovém případě platí

,

kde je Kroneckerovo delta.

Máme-li ortogonální systém funkcí a pro všechny funkce platí, , pak lze vytvořit ortonormální systém zavedením .

Trigonometrické funkce

Podrobnější informace naleznete v článcích Fourierova řada a Harmonická analýza.

Několik sad ortogonálních funkcí se používá jako báze pro aproximaci funkcí. Například sinové funkce a jsou ortogonální na intervalu pokud a a jsou kladná celá čísla. Pak

a integrál součinu dvou funkcí sinus bude mít nulovou hodnotu.[1] Složením těchto ortogonálních funkcí s kosinovými funkcemi vzniknou trigonometrické polynomy, které lze použít pro aproximaci libovolné funkce na daném intervalu pomocí Fourierovy řady.

Polynomy

Podrobnější informace naleznete v článku Ortogonální polynomy.

Pokud vyjdeme od posloupnosti monomů na intervalu a použijeme Gramovu–Schmidtovu ortogonalizaci, dostaneme posloupnost Legendrových polynomů. Jiným systémem ortogonálních polynomů jsou přidružené Legendrovy polynomy.

Při studiu ortogonálních polynomů hrají důležitou roli váhové funkce které se vyskytují v bilineární formě:

Pro Laguerrovy polynomy na je váhová funkce .

Fyzikové i teoretici v teorii pravděpodobnosti používají Hermitovy polynomy na intervalu s váhovou funkcí nebo .

Čebyševovy polynomy jsou definovány na intervalu a používají váhové funkce nebo .

Zernikeovy polynomy jsou definovány na jednotkovém kruhu a mají ortogonální jak radiální tak angulární složky.

Diskrétní funkce

Walshovy funkce a Haarovy vlnky jsou příkladem ortogonálních funkcí s diskrétním oborem hodnot.

Racionální funkce

Graf Čebyševových racionálních funkcí řádu n=0,1,2,3 a 4 mezi x=0.01 a 100.

Legendrovy a Čebyševovy polynomy jsou posloupnosti ortogonálních funkcí na intervalu Někdy jsou potřeba posloupnosti ortogonálních funkcí na intervalu . V tomto případě je pohodlné transformovat argument do intervalu použitím Cayleyovy transformace. Tento postup vede k rodině racionálních ortogonálních funkcí, které se nazývají Legendrovy racionální funkce a Čebyševovy racionální funkce.

V diferenciálních rovnicích

Řešení lineární diferenciální rovnice s okrajovými podmínkami lze často zapsat jako vážený součet ortogonálních funkcí, které jsou řešením této rovnice (nazývaných také vlastní funkce), což vede k zobecněným Fourierovým řadám.

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Orthogonal functions na anglické Wikipedii.

  1. Zygmund 1935, s. 6.

Literatura

  • ARFKEN, George B.; WEBER, Hans J., 2005. Mathematical Methods for Physicists. 6. vyd. [s.l.]: Academic Press. Kapitola 10: Sturm-Liouville Theory — Orthogonal Functions. 
  • PRICE, Justin J., 1975. Topics in orthogonal functions. American Mathematical Monthly. Roč. 82, s. 594–609. Dostupné v archivu pořízeném dne 2021-01-15. doi:10.2307/2319690. 
  • SANSONE, Giovanni, 1959. Orthogonal Functions. [s.l.]: Interscience Publishers. 
  • ZYGMUND, Antoni, 1935. Trigonometrical series. [s.l.]: University of Warsaw. 

Související články

Externí odkazy

Prefix: a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Portal di Ensiklopedia Dunia

Kembali kehalaman sebelumnya