- 正交基和切比雪夫多项式是线性代数和数值分析中非常重要的概念。接下来,我将解释如何构造一组正交基,以及如何使用切比雪夫多项式来构造正交基。
切比雪夫多项式有两类:第一类和第二类。以下为第一类切比雪夫多项式 Tn(x)T_n(x)Tn(x)的推导。
一、正交基的定义与构造
在向量空间 VVV 中,如果一组向量 {v1,v2,...,vn}\{v_1, v_2, ..., v_n\}{v1,v2,...,vn} 彼此正交且非零,那么它们就构成 VVV 的一组正交基。若它们的范数均为 1,则称为标准正交基(即正交归一基)。
1. 通过格拉姆-施密特(Gram-Schmidt)正交化过程构造正交基
假设我们有一组线性无关的向量 {u1,u2,...,un}\{u_1, u_2, ..., u_n\}{u1,u2,...,un},可以使用格拉姆-施密特方法将其变换为一组正交基{v1,v2,...,vn}\{v_1, v_2, ..., v_n\}{v1,v2,...,vn}。
步骤:
- 定义 v1=u1v_1 = u_1v1=u1。
- 对于 i>1i > 1i>1,计算:
vi=ui−∑j=1i−1⟨ui,vj⟩⟨vj,vj⟩vj v_i = u_i - \sum_{j=1}^{i-1} \frac{\langle u_i, v_j \rangle}{\langle v_j, v_j \rangle} v_j vi=ui−j=1∑i−1⟨vj,vj⟩⟨ui,vj⟩vj - 归一化向量viv_ivi 以得到单位向量:
ei=vi∥vi∥ e_i = \frac{v_i}{\|v_i\|} ei=∥vi∥vi
这将生成一组正交基 {e1,e2,...,en}\{e_1, e_2, ..., e_n\}{e1,e2,...,en}。
二、格拉姆-施密特正交化得到切比雪夫多项式
- 可通过格拉姆-施密特正交化构造前两个(1,xxx)的正交基函数:
g0(x)=12,g1(x)=32x. g_0(x) = \frac{1}{\sqrt{2}}, \quad g_1(x) = \sqrt{\frac{3}{2}} x. g0(x)=21,g1(x)=23x.
-
现在,我们将继续推导出第三个正交基函数 g2(x)g_2(x)g2(x),从而构造出正交基的第三项。
-
我们希望从初始函数集 {1,x,x2}\{1, x, x^2\}{1,x,x2} 中构造出正交的第三个函数 g2(x)g_2(x)g2(x),使得:
⟨g2,g0⟩=0,⟨g2,g1⟩=0. \langle g_2, g_0 \rangle = 0, \quad \langle g_2, g_1 \rangle = 0. ⟨g2,g0⟩=0,⟨g2,g1⟩=0. -
我们需要将 f2(x)=x2f_2(x) = x^2f2(x)=x2 正交化,以得到 g2(x)g_2(x)g2(x)。
1. 从f2(x)f_2(x)f2(x)中减去其在 g0(x)g_0(x)g0(x) 和 g1(x)g_1(x)g1(x)上的投影
我们需要从f2(x)f_2(x)f2(x) 中减去它在前两个正交基 g0(x)g_0(x)g0(x) 和 g1(x)g_1(x)g1(x) 上的投影:
g2(x)=f2(x)−Projg0(f2)−Projg1(f2).
g_2(x) = f_2(x) - \text{Proj}_{g_0}(f_2) - \text{Proj}_{g_1}(f_2).
g2(x)=f2(x)−Projg0(f2)−Projg1(f2).
首先,我们计算投影部分。
2. 计算投影到 g0(x)g_0(x)g0(x) 上的分量
Projg0(f2)=⟨f2,g0⟩g0. \text{Proj}_{g_0}(f_2) = \langle f_2, g_0 \rangle g_0. Projg0(f2)=⟨f2,g0⟩g0.
内积 ⟨f2,g0⟩\langle f_2, g_0 \rangle⟨f2,g0⟩ 计算如下:
⟨f2,g0⟩=∫−11x2⋅12 dx=12∫−11x2 dx.
\langle f_2, g_0 \rangle = \int_{-1}^{1} x^2 \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} \, dx = \frac{1}{\sqrt{2}} \int_{-1}^{1} x^2 \, dx.
⟨f2,g0⟩=∫−11x2⋅21dx=21∫−11x2dx.
计算积分:
∫−11x2 dx=[x33]−11=23.
\int_{-1}^{1} x^2 \, dx = \left[\frac{x^3}{3}\right]_{-1}^{1} = \frac{2}{3}.
∫−11x2dx=[3x3]−11=32.
因此,
⟨f2,g0⟩=12⋅23=23.
\langle f_2, g_0 \rangle = \frac{1}{\sqrt{2}} \cdot \frac{2}{3} = \frac{\sqrt{2}}{3}.
⟨f2,g0⟩=21⋅32=32.
于是,
Projg0(f2)=23⋅12=13.
\text{Proj}_{g_0}(f_2) = \frac{\sqrt{2}}{3} \cdot \frac{1}{\sqrt{2}} = \frac{1}{3}.
Projg0(f2)=32⋅21=31.
3. 计算投影到 g1(x)g_1(x)g1(x) 上的分量
Projg1(f2)=⟨f2,g1⟩g1. \text{Proj}_{g_1}(f_2) = \langle f_2, g_1 \rangle g_1. Projg1(f2)=⟨f2,g1⟩g1.
内积 ⟨f2,g1⟩\langle f_2, g_1 \rangle⟨f2,g1⟩ 计算如下:
⟨f2,g1⟩=∫−11x2⋅32x dx=32∫−11x3 dx.
\langle f_2, g_1 \rangle = \int_{-1}^{1} x^2 \cdot \sqrt{\frac{3}{2}} x \, dx = \sqrt{\frac{3}{2}} \int_{-1}^{1} x^3 \, dx.
⟨f2,g1⟩=∫−11x2⋅23xdx=23∫−11x3dx.
计算积分:
∫−11x3 dx=[x44]−11=0.
\int_{-1}^{1} x^3 \, dx = \left[\frac{x^4}{4}\right]_{-1}^{1} = 0.
∫−11x3dx=[4x4]−11=0.
因此,
⟨f2,g1⟩=32⋅0=0,
\langle f_2, g_1 \rangle = \sqrt{\frac{3}{2}} \cdot 0 = 0,
⟨f2,g1⟩=23⋅0=0,
即
Projg1(f2)=0.
\text{Proj}_{g_1}(f_2) = 0.
Projg1(f2)=0.
4. 得到第三个正交基函数
将上面的结果代入,我们得到:
g2(x)=f2(x)−Projg0(f2)−Projg1(f2)=x2−13.
g_2(x) = f_2(x) - \text{Proj}_{g_0}(f_2) - \text{Proj}_{g_1}(f_2) = x^2 - \frac{1}{3}.
g2(x)=f2(x)−Projg0(f2)−Projg1(f2)=x2−31.
5. 标准化 g2(x)g_2(x)g2(x)
为了得到标准化的正交基,我们计算 g2(x)g_2(x)g2(x) 的范数:
∥g2(x)∥=∫−11(x2−13)2 dx.
\|g_2(x)\| = \sqrt{\int_{-1}^{1} \left(x^2 - \frac{1}{3}\right)^2 \, dx}.
∥g2(x)∥=∫−11(x2−31)2dx.
展开并计算积分:
(x2−13)2=x4−23x2+19,
\left(x^2 - \frac{1}{3}\right)^2 = x^4 - \frac{2}{3}x^2 + \frac{1}{9},
(x2−31)2=x4−32x2+91,
因此,
∥g2(x)∥2=∫−11(x4−23x2+19) dx.
\|g_2(x)\|^2 = \int_{-1}^{1} \left(x^4 - \frac{2}{3}x^2 + \frac{1}{9}\right) \, dx.
∥g2(x)∥2=∫−11(x4−32x2+91)dx.
逐项计算积分:
∫−11x4 dx=25,∫−11x2 dx=23,∫−1119 dx=29.
\int_{-1}^{1} x^4 \, dx = \frac{2}{5}, \quad \int_{-1}^{1} x^2 \, dx = \frac{2}{3}, \quad \int_{-1}^{1} \frac{1}{9} \, dx = \frac{2}{9}.
∫−11x4dx=52,∫−11x2dx=32,∫−1191dx=92.
因此,
∥g2(x)∥2=25−49+29=845,
\|g_2(x)\|^2 = \frac{2}{5} - \frac{4}{9} + \frac{2}{9} = \frac{8}{45},
∥g2(x)∥2=52−94+92=458,
∥g2(x)∥=845=21015.
\|g_2(x)\| = \sqrt{\frac{8}{45}} = \frac{2\sqrt{10}}{15}.
∥g2(x)∥=458=15210.
最终得到标准化的 g2(x)g_2(x)g2(x):
g2(x)=x2−1321015=15210(x2−13)=3104(x2−13).
g_2(x) = \frac{x^2 - \frac{1}{3}}{\frac{2\sqrt{10}}{15}} = \frac{15}{2\sqrt{10}} \left(x^2 - \frac{1}{3}\right) = \frac{3\sqrt{10}}{4} \left(x^2 - \frac{1}{3}\right).
g2(x)=15210x2−31=21015(x2−31)=4310(x2−31).
三、结果
-
通过格拉姆-施密特正交化,我们得到了第三个正交基函数:
g2(x)=3104(x2−13). g_2(x) = \frac{3\sqrt{10}}{4} \left(x^2 - \frac{1}{3}\right). g2(x)=4310(x2−31). -
至此,我们构造了一组在区间 [−1,1][-1, 1][−1,1] 上的正交基:
g0(x)=12,g1(x)=32x,g2(x)=3104(x2−13). g_0(x) = \frac{1}{\sqrt{2}}, \quad g_1(x) = \sqrt{\frac{3}{2}} x, \quad g_2(x) = \frac{3\sqrt{10}}{4} \left(x^2 - \frac{1}{3}\right). g0(x)=21,g1(x)=23x,g2(x)=4310(x2−31).
四、切比雪夫多项式性质
切比雪夫多项式是定义在区间 ([-1, 1]) 上的一组正交多项式。它们在数值分析、逼近理论和求解微分方程中有广泛应用。
1. 递推性
递归定义:
T0(x)=1,T1(x)=xT_0(x) = 1, \quad T_1(x) = x
T0(x)=1,T1(x)=x
Tn+1(x)=2xTn(x)−Tn−1(x)for n≥1
T_{n+1}(x) = 2x T_n(x) - T_{n-1}(x) \quad \text{for } n \geq 1
Tn+1(x)=2xTn(x)−Tn−1(x)for n≥1
-
利用递归关系来推导前几个切比雪夫多项式:
- T0(x)=1T_0(x) = 1T0(x)=1
- T1(x)=xT_1(x) = xT1(x)=x
- T2(x)=2x2−1T_2(x) = 2x^2 - 1T2(x)=2x2−1
T2(x)=2xT1(x)−T0(x)=2x2−1 T_2(x) = 2x T_1(x) - T_0(x) = 2x^2 - 1 T2(x)=2xT1(x)−T0(x)=2x2−1 - T3(x)=4x3−3xT_3(x) = 4x^3 - 3xT3(x)=4x3−3x
T3(x)=2xT2(x)−T1(x)=4x3−3x T_3(x) = 2x T_2(x) - T_1(x) = 4x^3 - 3x T3(x)=2xT2(x)−T1(x)=4x3−3x - T4(x)=8x4−8x2+1T_4(x) = 8x^4 - 8x^2 + 1T4(x)=8x4−8x2+1
T4(x)=2xT3(x)−T2(x)=8x4−8x2+1 T_4(x) = 2x T_3(x) - T_2(x) = 8x^4 - 8x^2 + 1 T4(x)=2xT3(x)−T2(x)=8x4−8x2+1
显式公式:
Tn(ω)=cos(narccos(ω))=cos(ncos−1(ω))
T_n(\omega) = \cos(n \arccos(\omega))= \cos(n \cos^{-1}(\omega))
Tn(ω)=cos(narccos(ω))=cos(ncos−1(ω))
- 令x=cos−1ωx=cos^{-1}\omegax=cos−1ω,则Tn(ω)=cos(nx)T_n(\omega)=cos(nx)Tn(ω)=cos(nx)
- 通过三角恒等式展开cos(nx)cos(nx)cos(nx),可以发现其与Tn(ω)T_n(\omega)Tn(ω)为恒等关系
- 例如:
- cos(0∗x)=1cos(0*x)= 1cos(0∗x)=1
- cos(x)=cos(cos−1ω)=ωcos(x)= cos(cos^{-1}\omega) = \omegacos(x)=cos(cos−1ω)=ω
- cos(2x)=2cosx−1=2ω2−1cos(2x)= 2cos^x-1 = 2\omega^2-1cos(2x)=2cosx−1=2ω2−1
2. 正交性
切比雪夫多项式在区间 ([-1, 1]) 上关于权函数 w(x)=11−x2w(x) = \frac{1}{\sqrt{1 - x^2}}w(x)=1−x21 是正交的,即:
∫−11Tm(x)Tn(x)w(x) dx={0,m≠nπ2,m=n≠0π,n=0
\int_{-1}^{1} T_m(x) T_n(x) w(x) \, dx =
\begin{cases}
0, & m \neq n \\
\frac{\pi}{2}, & m = n \neq 0 \\
\pi, & n = 0
\end{cases}
∫−11Tm(x)Tn(x)w(x)dx=⎩⎨⎧0,2π,π,m=nm=n=0n=0
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