Teorema di Riesz-Fischer

In matematica, in particolare in analisi reale, il teorema di Riesz–Fischer stabilisce che in uno spazio completo ogni successione a quadrato sommabile definisce una funzione quadrato sommabile. In particolare, il teorema determina le condizioni per cui gli elementi di una successione in $l^{2}$ sono i coefficienti di Fourier di un qualche vettore di $L^{2}$. Dal teorema segue inoltre che una funzione è a quadrato integrabile se e solo se la serie dei coefficienti di Fourier converge nello spazio $l^{2}$.

A causa dell'importanza del fatto che $L^{2}$ sia un insieme completo, a volte con "teorema di Riesz–Fischer" si denota il teorema che ne stabilisce la completezza stessa.

Il teorema è stato formulato indipendentemente dal matematico ungherese Frigyes Riesz e dal matematico austriaco Ernst Fischer nel 1907, ed è una forma più forte della disuguaglianza di Bessel. Si può adoperare per dimostrare l'identità di Parseval per le serie di Fourier.

Il teorema

Siano: $\{u_{\alpha }:\alpha \in A\}$ una base ortonormale e completa di vettori in uno spazio di Hilbert $H$ (completo e con $(,)$ prodotto interno) e sia $\phi _{\alpha }\in l^{2}(A)$ una successione.

La sommatoria di numeri ${\textstyle \sum |\phi _{\alpha }|^{2}}$ converge se e solo se la sommatoria (serie di Fourier) di vettori ${\textstyle \sum \phi _{\alpha }u_{\alpha }}$ converge ad un (unico) vettore $f\in H$ nella topologia indotta dal prodotto scalare, quadratico, dello spazio. Gli elementi della successione siano i coefficienti di Fourier di $f$ : è ${\textstyle \phi _{\alpha }=(f,u_{\alpha })}$.

In modo equivalente si traspone tutto il discorso nello spazio delle funzioni quadrato sommabili. Data la base completa $\{u_{\alpha }\}\in L^{2}([a,b])$, l'appartenenza di $\phi _{\alpha }$ all'insieme delle successioni a quadrato sommabili comporta l'esistenza di una funzione $f$ tale che ${\textstyle \int _{a}^{b}f(x)u_{\alpha }(x)\mathrm {d} x=\phi _{\alpha }}$ per ogni $\alpha$.

Conseguenze

Il teorema implica che se l'N-esima somma parziale della serie di Fourier corrispondente a una funzione $f$ è data da:

$S_{N}f(x)=\sum _{n=-N}^{N}F_{n}\,e^{inx}$

dove $F_{n}$ è l'n-esimo coefficiente di Fourier:

$F_{n}={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\,e^{-inx}\,dx$

allora:

$\lim _{n\to \infty }\left\Vert S_{n}f-f\right\|=0$

dove:

$\left\Vert g\right\|=\int _{-2\pi }^{2\pi }g^{2}\,dx$

è la norma-$L^{2}$

Viceversa, se $\{a_{n}\}$ è una successione bilatera di numeri complessi, ossia il suo indice spazia da $-\infty$ a $+\infty$, tale che:

$\sum _{n=-\infty }^{\infty }\left|a_{n}\right\vert ^{2}<\infty$

allora esiste una funzione $f$ a quadrato integrabile tale che i valori $a_{n}$ sono i coefficienti di Fourier di $f$.

Completezza di L^p

La dimostrazione che lo spazio $L^{p}$ è completo si basa sui teoremi che caratterizzano la convergenza delle serie di funzioni integrabili secondo Lebesgue. Quando $1\leq p\leq \infty$ la disuguaglianza di Minkowski implica che $L^{p}$ è uno spazio normato. Per provare che $L^{p}$ è completo, cioè che è uno spazio di Banach, è sufficiente provare che ogni serie di funzioni $\sum u_{n}$ in $L^{p}(\mu )$, con $\mu$ che può essere la misura di Lebesgue, tale che:

$\sum \|u_{n}\|_{p}<\infty$

converge nella norma di $L^{p}$ a qualche funzione $f\in L^{p}(\mu )$. Per $p\leq \infty$, la disuguaglianza di Minkowski e il teorema della convergenza monotona implicano che:

$\int {\Bigl (}\sum _{n=0}^{\infty }|u_{n}|{\Bigr )}^{p}\,\mathrm {d} \mu \leq {\Bigl (}\sum _{n=0}^{\infty }\|u_{n}\|_{p}{\Bigr )}^{p}<\infty$

e quindi:

$f=\sum _{n=0}^{\infty }u_{n}$

è definita quasi ovunque rispetto a $\mu$ e appartiene a $L^{p}(\mu )$. Il teorema della convergenza dominata è allora sfruttato per mostrare che la somma parziale della serie converge a $f$ nella norma di $L^{p}$:

$\int \left|f-\sum _{k=0}^{n}u_{k}\right|^{p}\,\mathrm {d} \mu \leq \int \left(\sum _{\ell >n}|u_{\ell }|\right)^{p}\,\mathrm {d} \mu \rightarrow 0{\text{ per }}n\rightarrow \infty$

Il caso $0\leq p\leq 1$ richiede alcune modifiche a causa del fatto che la p-norma non è più subadditiva. Si comincia con l'assunzione che:

$\sum \|u_{n}\|_{p}^{p}<\infty$

e si usa ripetutamente il fatto che:

$\left|\sum _{k=0}^{n}u_{k}\right|^{p}\leq \sum _{k=0}^{n}|u_{k}|^{p}{\text{ per }}p<1$

Il caso $p=\infty$ si riduce a una semplice questione riguardante la convergenza uniforme al di fuori di un insieme di misura nulla rispetto alla misura $\mu$.

Bibliografia

• (EN) Walter Rudin, Real and Complex Analysis, Mladinska Knjiga, McGraw-Hill, 1970, ISBN 0-07-054234-1.
• (EN) Michael Reed, Barry Simon, Methods of Modern Mathematical Physics, Vol. 1: Functional Analysis, 2ª ed., San Diego, California, Academic press inc., 1980, ISBN 0-12-585050-6.
• (EN) Beals, Richard (2004). Analysis: An Introduction. New York: Cambridge University Press. ISBN 0-521-60047-2.
• (EN) John Horváth. On the Riesz-Fischer theorem (PDF).

Voci correlate

• Disuguaglianza di Bessel
• Funzione quadrato sommabile
• Serie di Fourier
• Spazio metrico completo
• Spazio l2
• Successione (matematica)

Collegamenti esterni

• Riesz-Fischer, teorema di, in Enciclopedia della Matematica, Istituto dell'Enciclopedia Italiana, 2013.
• (EN) Riesz-Fischer theorem, su Enciclopedia Britannica, Encyclopædia Britannica, Inc.
• (EN) Eric W. Weisstein, Teorema di Riesz-Fischer, su MathWorld, Wolfram Research.
• (EN) B.I. Golubov, Riesz-Fischer theorem, in Encyclopaedia of Mathematics, Springer e European Mathematical Society, 2002.