Suites orthonormées totales

Bonjour, j'ai beaucoup de mal avec une question d'examen de théorie en analyse. La voici

Définir l'espace $L^2([0, 1])$. Qu'appelle-t-on base orthonormée dans cet espace ?

Voici ma réponse,

L'espace $L^2([0, 1])$ désigne l'ensemble des fonctions de carré intégrables sur $[0, 1]$. De plus, l'espace $L^2([0, 1])$ est de Hilbert, c'est-à-dire que les suites de Cauchy y convergent pour la norme $$||f||_2 = \sqrt{\int_0^1 |f(x)|^2 dx}, \quad f \in L^2([0, 1])$$

Quant à la définition d'une base dans cet espace, je ne comprends pas très bien ce que je dois mettre. Mon idée première est de considérer la suite orthonormée totale $$e_m = \frac{1}{\sqrt{b - a}} e^{\frac{2i \pi m x}{b - a}} = e^{2i \pi m x}, \quad b = 1, a = 0$$

Je sais que je peux décomposer une fonction $f$ \in $L^2([0, 1])$ de façon unique comme suit, $$f = \sum_{m=-\infty}^{+\infty}<f, e_m>e_m$$

Avec $<f, e_m>$, les coefficients de Fourier (complexes) et on appelle base orthonormée de $L^2([0, 1])$, les $e_m$, $m \in \mathbb{Z}$

Suis-je sur la bonne voie ?
Pour la seconde question, qu'appelle-t-on base dans cet espace ? Je peux donner n'importe quelle suite et dire que c'est une base de $L^2([0, 1])$ pour peu que ma suite soit orthonormée totale, c'est cela ?

Réponses

  • Plusieurs choses :

    $L^2([0;1])$ est l'ensemble des fonctions $f:[0;1]\to \mathbf C$ qui sont mesurables et de carré intégrable. Pas besoin de parler d'espace de Hilbert ou autre, ce n'est pas ce qu'on te demande. Tu risques de raconter des bêtises et de donner une mauvaise impression au correcteur. D'ailleurs quand on définit un espace de Hilbert on donne plutôt le produit scalaire que la norme.

    Pour la deuxième question on te demande la définition d'une base orthonormée, toi tu donne un exemple de base orthonormée et quelques unes de ses propriétés, encore une fois ce n'est pas ce qu'on te demande. Il "suffit" de recopier la définition de base orthonormée qu'on t'a donné dans ton cours.
  • D'accord, je vois.

    En ce qui concerne la deuxième question, je n'ai pas de définition dans ma prise de notes. Mais je pourrais éventuellement définir une base dans l'espace $L^2([0, 1])$ comme étant une famille d'éléments de cet espace qui sont linéairement indépendants et orthonormés (i.e.: de norme égale à 1 et orthogonaux 2 à 2).

    La décomposition de $f$ que j'ai proposée s'avère être la décomposition d'une fonction en série trigonométrique de Fourier. Je me pose une question sur cette décomposition: Puis-je choisir n'importe quelle suite $e_m$ pour autant qu'elle soit orthonormée et totale afin de décomposer $f$ en série trigonométrique de Fourier ?
  • Si une famille est orthonormée alors elle est linéairement indépendante, par contre ce n'est pas suffisant pour faire une base orthonormée. Par exemple en reprenant tes notations la famille $(e_{2n})_{n\in \mathbf n}$ est orthonormée mais pas totale. Pour en faire une base orthonormée il manque les termes impairs.

    Bref une famille orthonormée $(f_i)_{i\in \mathbf N}$ est une base orthonormée si et seulement si elle est totale, c'est à dire si $\langle g , f_i \rangle = 0\; \; \forall i \implies g =0 $. Il existe d'autres caractérisations.
    Puis-je choisir n'importe quelle suite em pour autant qu'elle soit orthonormée et totale afin de décomposer f en série trigonométrique de Fourier ?
    Oui.
  • Je comprends beaucoup mieux, à présent. Merci beaucoup !
  • Mojojojo a écrit:
    Citation : Puis-je choisir n'importe quelle suite em pour autant qu'elle soit orthonormée et totale afin de décomposer f en série trigonométrique de Fourier ?

    Oui.
    Objection (partielle) : on peut décomposer un vecteur dans n'importe quelle base orthonormée totale mais si ce n'est pas la suite $(e_m)$ (ou les versions réelles $x\mapsto\cos\frac{2\pi mx}{T}$ et $x\mapsto\sin\frac{2\pi mx}{T}$), alors on ne parle pas de « série (trigonométique) de Fourier ».
  • Math coss : Effectivement le mot trigonométrique est de trop, par contre on peut continuer d’appeler ça série et coefficients de Fourier.
  • Une autre objection, l'espace dont tu parles est plutôt noté $\mathcal L^2$ habituellement, $L^2$ est réservé pour désigner les classes de fonctions éléments de $\mathcal L^2$, modulo la relation d'équivalence d'égalité presque partout.
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