¿Cómo se prueba si un conjunto particular de funciones forma una base para todas las funciones de un dominio?

A2A: Supones que tienes una función arbitraria en el dominio. Luego demuestra que puede representarse mediante una combinación lineal de las funciones en el conjunto de bases propuesto.

Lo anterior es lo que supongo que ya conoce.

Como ejemplo, consideremos el dominio de las funciones cuadráticas y la base propuesta: [matemática] 1 [/ matemática], [matemática] x [/ matemática] y [matemática] x ^ 2 [/ matemática]. Ahora está suficientemente claro que cualquier función cuadrática es una combinación lineal de esas 3 funciones.

La mayoría de las veces, un dominio de funciones se especifica en términos de sus funciones básicas. Por otro lado, a menudo es interesante preguntar, dada una base, si hay alguna otra forma de caracterizar las funciones que abarca esa base. Eso a menudo se vuelve bastante complicado, especialmente cuando la base es una secuencia infinita de funciones, y depende mucho de la base particular. Terminas viendo cosas como la limitación de frecuencia de Nyquist para series de Fourier o analiticidad para series de potencia. Puede buscarlos por su cuenta, ya que están bien cubiertos.

Esa es una pregunta difícil, pero tratemos de abordarla.

Para que un conjunto de funciones [math] {f_ {n} (x)} [/ math] forme una base, debe cumplir las dos condiciones siguientes:

  1. Cualquier función [math] g (x) [/ math] puede escribirse como [math] g (x) = \ sum a_ {n} f_ {n} (x) [/ math] donde [math] a_ {n} [/ math] son ​​los coeficientes
  2. Las funciones [matemáticas] f_ {n} (x) [/ matemáticas] son ​​linealmente independientes

La segunda condición es más fácil de verificar que la primera, así que me concentraré en la primera condición:

Encuentre un conjunto de funciones [matemáticas] {f ^ {*} _ {n} (x)} [/ matemáticas] (el asterisco NO representa aquí el conjugado complejo) que satisfacen

[matemáticas] \ int f ^ {*} _ {n} (x) f_ {m} (x) dx = \ delta_ {m, n} [/ matemáticas]

donde [math] \ delta_ {m, n} [/ math] es la función delta de Kroenecker. La primera condición se cumple si por cada [matemática] g (x) \ neq0 [/ matemática] hay al menos una [matemática] m [/ matemática] para la cual

[matemáticas] \ int g (x) f ^ {*} _ {m} (x) dx \ neq0 [/ matemáticas]

La pregunta es tan general que no es fácil ser útil. Todo lo que puedo hacer es señalar la definición. Una base debe ser linealmente independiente y abarcar todo el espacio. Además, la dimensión de un espacio de funciones en un rango continuo suele ser infinita. Analizaré una base de Hamel que solo usa sumas finitas de miembros básicos (lo que significa que no tenemos que preocuparnos por la convergencia de series infinitas).

Tome la segunda condición primero. ¿Se pueden escribir todas las funciones en el dominio como una suma finita: [math] a_1 f_1 + a_2 f_2 +… + a_k f_k [/ math] donde [math] f_1 [/ math] a [math] f_k [/ math] pertenecen a su base (si es una base)?

Para la independencia lineal, debe demostrar que una suma de esta forma solo puede ser cero si todas las constantes [matemáticas] a_1 [/ matemáticas] a [matemáticas] a_k [/ matemáticas] son ​​cero.