Ortogonální funkce

V matematice o dvou funkcích a řekneme, že jsou ortogonální, pokud jsou splněny tyto podmínky

  • a patří do nějakého prostoru funkcí, což je vektorový prostor s bilineární formou
  • definičním oborem prostoru funkcí je nějaký interval
  • existuje bilineání forma definovaná jako integrál součinu funkcí na tomto intervalu:

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 nezávislé (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.

Trigonometrické funkce

editovat
Podrobnější informace naleznete v článcích Fourierova řada a Harmonická analýza.

Několik sad ortogonálních funkcí se používá jako báze pro aproximaci funkcí. Například sinové funkce sin nx a sin mx jsou ortogonální na intervalu   pokud   a n a m 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

editovat
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.

Binární-hodnocený funkce

editovat

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

Racionální funkce

editovat
 
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

editovat

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.

Reference

editovat

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

  1. Zygmund 1935, s. 6.

Literatura

editovat
  • 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 online. 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

editovat

Externí odkazy

editovat