高々可算無限次元Hilbert空間の完全正規直交系と同値な条件
Hilbert空間$ \mathbf Hの正規直交系$ \psi:\N\to Hについて、以下の4条件は全て同値である
1. $ \psiは完全正規直交系である
2. $ \forall\phi\in H:\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
3. $ \forall\phi,\chi\in H:\Braket{\phi|\chi}=\sum_{n\in\N}\Braket{\phi|\psi_n}\Braket{\psi_n|\chi}
4. (Parsevalの等式)$ \forall\phi\in H:\lVert\phi\rVert=\sum_{n\in\N}|\Braket{\psi_n|\phi}|^2
証明
$ 1\implies2
$ \forall\phi\in H:(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}=0)\implies\phi=0
$ \implies\forall\phi\in H:\left(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi-\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i}=0\right)\implies\phi-\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i=0
$ \becauseBesselの不等式と補題1.12より$ \sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i\in H
$ \iff\forall\phi\in H:\left(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}-\Braket{\psi_n|\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i}=0\right)\implies\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \iff\forall\phi\in H:\left(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}-\sum_{i\in\N}\Braket{\psi_n|\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i}=0\right)\implies\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \because内積の連続性
$ \iff\forall\phi\in H:\left(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}^*\Braket{\psi_n|\psi_i}\right)\implies\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \iff\forall\phi\in H:\left(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}=\sum_{i\in\N}\Braket{\psi_n|\psi_i}\Braket{\psi_i|\phi}\right)\implies\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \iff\forall\phi\in H:\left(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}=\Braket{\psi_n|\phi}\right)\implies\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \because\psi_\bulletは正規直交系だから$ \Braket{\psi_i|\psi_j}=\llbracket i=j\rrbracket
$ \iff\forall\phi\in H:\top\implies\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \underline{\iff\forall\phi\in H:\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i\quad}_\blacksquare
$ 2\implies 3
$ \forall\phi\in H:\phi=\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i
$ \implies\forall\phi,\chi\in H:\Braket{\phi|\chi}=\Braket{\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i|\chi}
$ =\sum_{i\in\N}\Braket{\Braket{\phi|\psi_i}\psi_i|\chi}
$ \because内積の連続性
$ =\sum_{i\in\N}\Braket{\phi|\psi_n}\Braket{\psi_n|\chi}
$ 3\implies4
$ \forall\phi,\chi\in H:\Braket{\phi|\chi}=\sum_{n\in\N}\Braket{\phi|\psi_n}\Braket{\psi_n|\chi}
$ \implies\forall\phi\in H:\Braket{\phi|\phi}=\sum_{n\in\N}\Braket{\phi|\psi_n}\Braket{\psi_n|\phi}
$ =\sum_{n\in\N}\Braket{\phi|\psi_i}\Braket{\phi|\psi_i}^*
$ =\sum_{n\in\N}|\Braket{\phi|\psi_i}|^2
$ \iff\forall\phi\in H:\lVert\phi\rVert^2=\sum_{n\in\N}|\Braket{\phi|\psi_i}|^2
$ 4\implies1
$ \forall\phi\in H:\lVert\phi\rVert^2=\sum_{n\in\N}|\Braket{\phi|\psi_i}|^2
$ \implies\forall\phi\in H:
$ \forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}=0
$ \implies \lVert\phi\rVert^2=\sum_{n\in\N}|\Braket{\phi|\psi_i}|^2
$ =\sum_{n\in\N}0^2
$ =0
$ \implies\phi=0
$ \becausenormの正定値性
$ \implies\forall\phi\in H:(\forall n\in\N:\Braket{\psi_n|\phi}=0)\implies\phi=0
補題1.21 任意の$ \mathbf K-Hilbert空間$ \mathbf Hの正規直交系$ \psi_\bullet:\N\to Hにて
$ \forall a_\bullet\in l^2(K):\left\lVert\sum_{n\in\N}a_n\psi_n\right\rVert^2=\sum_{n\in\N}|a_n|^2
証明
$ \forall a_\bullet:
$ a_\bullet\in l^2(K)
$ \implies\forall\varepsilon>0\exist N\in\N\forall n>N\forall m>n:\left|\sum_{1\le i\le m}|a_i|^2-\sum_{1\le i\le n}|a_i|^2\right|<\varepsilon
$ \becauseℓp空間の定義
$ \implies\forall\varepsilon>0\exist N\in\N\forall n>N\forall m>n:\sum_{n<i\le m}|a_i|^2<\varepsilon^2
$ \implies\forall\varepsilon>0\exist N\in\N\forall n>N\forall m>n:
$ \left\lVert\sum_{1\le i\le m}a_i\psi_i-\sum_{1\le i\le n}a_i\psi_i\right\rVert=\left\lVert\sum_{n< i\le m}a_i\psi_i\right\rVert
$ =\sqrt{\sum_{n<i\le m}|a_i|^2}
$ <\varepsilon
$ \implies n\mapsto\sum_{1\le i\le n}a_i\psi_iは基本列
$ \implies\sum_{n\in\N}a_n\psi_n\in H
$ \because\mathbf Hの完備性
$ \implies\left\lVert\sum_{1\le n\le N}a_n\psi_n\right\rVert^2\to\left\lVert\sum_{n\in\N}a_n\psi_n\right\rVert^2\pod{N\to\infty}
$ \becausenormの連続性
$ \iff\sum_{1\le n\le N}|a_n|^2\to\left\lVert\sum_{n\in\N}a_n\psi_n\right\rVert^2\pod{N\to\infty}
$ \iff\left\lVert\sum_{n\in\N}a_n\psi_n\right\rVert^2=\sum_{n\in\N}|a_n|^2
$ \underline{\implies\forall a_\bullet\in l^2(K):\left\lVert\sum_{n\in\N}a_n\psi_n\right\rVert^2=\sum_{n\in\N}|a_n|^2\quad}_\blacksquare
$ \Lambda\subseteq\Nな$ \psi_\bullet:\Lambda\to Hでも示したい
可算無限個のときと有限個のときとをまとめて示す
References
『ヒルベルト空間と量子力学 改訂増補版 (共立講座 21世紀の数学 16)』 p. 38-39
同値な条件の一つとして3.を上げていた
2.とやっていることがほぼ同じなので、わざわざ取り上げる必要はなさそうtakker.icon
『関数解析からのフーリエ級数とフーリエ変換』 p. 40 -42
#2025-07-29 17:11:23
#2025-07-28 22:35:00
#2025-07-17 16:46:05