ऑर्थोनॉर्मल आधार

गणित में, विशेष रूप से रैखिक बीजगणित में, परिमित आयाम (रैखिक बीजगणित) के साथ एक आंतरिक उत्पाद स्थान वी के लिए एक ऑर्थोनॉर्मल आधार एक आधार (रैखिक बीजगणित) है $$V$$ जिनके वेक्टर ऑर्थोनॉर्मल हैं, यानी वे सभी इकाई वेक्टर  और एक-दूसरे के लिए ओर्थोगोनालिटी हैं।   उदाहरण के लिए, यूक्लिडियन स्थान के लिए मानक आधार $$\R^n$$ एक ऑर्थोनॉर्मल आधार है, जहां प्रासंगिक आंतरिक उत्पाद वैक्टर का डॉट उत्पाद है। रोटेशन (गणित) या प्रतिबिंब (गणित) (या किसी ऑर्थोगोनल परिवर्तन) के तहत मानक आधार की छवि (गणित) भी ऑर्थोनॉर्मल है, और प्रत्येक ऑर्थोनॉर्मल आधार के लिए $$\R^n$$ इस प्रकार उत्पन्न होता है।

सामान्य आंतरिक उत्पाद स्थान के लिए $$V,$$ सामान्यीकृत ऑर्थोगोनल निर्देशांक को परिभाषित करने के लिए ऑर्थोनॉर्मल आधार का उपयोग किया जा सकता है $$V.$$ इन निर्देशांकों के तहत, आंतरिक उत्पाद वैक्टर का एक बिंदु उत्पाद बन जाता है। इस प्रकार एक ऑर्थोनॉर्मल आधार की उपस्थिति एक आयाम (वेक्टर स्थान) के अध्ययन को कम कर देती है | परिमित-आयामी आंतरिक उत्पाद स्थान के अध्ययन के लिए $$\R^n$$ डॉट उत्पाद के अंतर्गत. प्रत्येक परिमित-आयामी आंतरिक उत्पाद स्थान का एक ऑर्थोनॉर्मल आधार होता है, जिसे ग्राम-श्मिट प्रक्रिया का उपयोग करके एक मनमाना आधार से प्राप्त किया जा सकता है।

कार्यात्मक विश्लेषण में, ऑर्थोनॉर्मल आधार की अवधारणा को मनमाने (अनंत-आयामी) आंतरिक उत्पाद स्थानों के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है। हिल्बर्ट-पूर्व स्थान दिया गया $$H,$$ के लिए एक अलौकिक आधार $$H$$ यह सदिशों का एक ऑर्थोनॉर्मल सेट है, जिसमें प्रत्येक सदिश का गुण होता है $$H$$ आधार में सदिशों के अनंत रैखिक संयोजन के रूप में लिखा जा सकता है। इस मामले में, ऑर्थोनॉर्मल आधार को कभी-कभी हिल्बर्ट आधार कहा जाता है $$H.$$ ध्यान दें कि इस अर्थ में एक ऑर्थोनॉर्मल आधार आम तौर पर हैमेल आधार नहीं होता है, क्योंकि अनंत रैखिक संयोजनों की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, आधार का रैखिक विस्तार Dense सेट होना चाहिए $$H,$$ लेकिन यह संपूर्ण स्थान नहीं हो सकता है.

यदि हम हिल्बर्ट स्थान  पर जाएं, तो ऑर्थोनॉर्मल आधार के समान रैखिक विस्तार वाले वैक्टर का एक गैर-ऑर्थोनॉर्मल सेट बिल्कुल भी आधार नहीं हो सकता है। उदाहरण के लिए, अंतराल पर कोई वर्ग-अभिन्न कार्य $$[-1,1]$$ (लगभग हर जगह) लिजेंड्रे बहुपद (एक ऑर्थोनॉर्मल आधार) के अनंत योग के रूप में व्यक्त किया जा सकता है, लेकिन जरूरी नहीं कि एकपदी के अनंत योग के रूप में $$x^n.$$ छद्म-आंतरिक उत्पाद रिक्त स्थान, परिमित-आयामी वेक्टर रिक्त स्थान के लिए एक अलग सामान्यीकरण है $$M$$ एक गैर-अपक्षयी सममित द्विरेखीय रूप से सुसज्जित जिसे मीट्रिक टेंसर के रूप में जाना जाता है। ऐसे आधार पर मीट्रिक का रूप ले लेता है $$\text{diag}(+1,\cdots,+1,-1,\cdots,-1)$$ साथ $$p$$ सकारात्मक वाले और $$q$$ नकारात्मक वाले.

उदाहरण

 * के लिए $$\mathbb{R}^3$$, वैक्टर का सेट $$\left\{e_1 = (1,0,0), e_2 = (0,1,0), e_3 = (0,0,1)\right\},$$ इसे मानक आधार कहा जाता है और यह एक लंबात्मक आधार बनाता है $$\mathbb{R}^3$$ मानक डॉट उत्पाद के संबंध में। ध्यान दें कि मानक आधार और मानक डॉट उत्पाद दोनों देखने पर निर्भर करते हैं $$\mathbb{R}^3$$ कार्टेशियन उत्पाद के रूप में $$\mathbb{R}\times\mathbb{R}\times\mathbb{R}$$
 * प्रमाण: एक सीधी गणना से पता चलता है कि इन वैक्टरों का आंतरिक उत्पाद शून्य के बराबर है, $$\left\langle e_1, e_2 \right\rangle = \left\langle e_1, e_3 \right\rangle = \left\langle e_2, e_3 \right\rangle = 0$$ और उनका प्रत्येक परिमाण एक के बराबर है, $$\left\|e_1\right\| = \left\|e_2\right\| = \left\|e_3\right\| = 1.$$ इस का मतलब है कि $$\left\{e_1, e_2, e_3\right\}$$ एक ऑर्थोनॉर्मल सेट है. सभी वैक्टर $$(x, y, z) \in \R^3$$ स्केल किए गए आधार वैक्टर के योग के रूप में व्यक्त किया जा सकता है $$ (x,y,z) = x e_1 + y e_2 + z e_3,$$ इसलिए $$\left\{e_1, e_2, e_3\right\}$$ तक फैला $$\R^3$$ और इसलिए एक आधार होना चाहिए। यह भी दिखाया जा सकता है कि मानक आधार मूल के माध्यम से एक अक्ष के चारों ओर घूमता है या मूल के माध्यम से एक विमान में परिलक्षित होता है, यह भी एक ऑर्थोनॉर्मल आधार बनाता है $$\R^3$$.
 * के लिए $$\mathbb{R}^n$$, मानक आधार और आंतरिक उत्पाद को समान रूप से परिभाषित किया गया है। कोई भी अन्य ऑर्थोनॉर्मल आधार समूह O(n) में ऑर्थोगोनल परिवर्तन द्वारा मानक आधार से संबंधित है।
 * छद्म-यूक्लिडियन स्थान के लिए $$\mathbb{R}^{p,q},$$, एक ऑर्थोगोनल आधार $$\{e_\mu\}$$ मीट्रिक के साथ $$\eta$$ बल्कि संतुष्ट करता है $$\eta(e_\mu,e_\nu) = 0$$ अगर $$\mu\neq \nu$$, $$\eta(e_\mu,e_\mu) = +1$$ अगर $$1\leq\mu\leq p$$, और $$\eta(e_\mu,e_\mu) =-1$$ अगर $$p+1\leq\mu\leq p+q$$. कोई भी दो ऑर्थोनॉर्मल आधार छद्म-ऑर्थोगोनल परिवर्तन से संबंधित होते हैं। यदि $$(p,q) = (1,3)$$, ये लोरेंत्ज़ परिवर्तन हैं।
 * सेट $$\left\{f_n : n \in \Z\right\}$$ साथ $$f_n(x) = \exp(2 \pi inx),$$ कहाँ $$\exp$$ घातांकीय फ़ंक्शन को दर्शाता है, परिमित लेबेस्ग इंटीग्रल्स के साथ फ़ंक्शन के स्थान का एक ऑर्थोनॉर्मल आधार बनाता है, $$L^2([0,1]),$$ 2-मानदंड के संबंध में। यह फूरियर श्रृंखला के अध्ययन के लिए मौलिक है।
 * सेट $$\left\{e_b : b \in B\right\}$$ साथ $$e_b(c) = 1$$ अगर $$b = c$$ और $$e_b(c) = 0$$ अन्यथा का एक लंबात्मक आधार बनता है $$\ell^2(B).$$
 * स्टर्म-लिउविले ईजेनप्रॉब्लम के ईजेनफंक्शन।
 * ऑर्थोगोनल मैट्रिक्स के स्तंभ सदिश एक ऑर्थोनॉर्मल सेट बनाते हैं।

मूल सूत्र
अगर $$B$$ का एक ऑर्थोगोनल आधार है $$H,$$ फिर हर तत्व $$x \in H$$ के रूप में लिखा जा सकता है $$x = \sum_{b\in B} \frac{\langle b,x\rangle}{\lVert b\rVert^2} b.$$ कब $$B$$ ऑर्थोनॉर्मल है, इससे यह सरल हो जाता है $$x = \sum_{b\in B}\langle b,x\rangle b$$ और नॉर्म (गणित) का वर्ग $$x$$ द्वारा दिया जा सकता है $$\|x\|^2 = \sum_{b\in B}|\langle x,b\rangle |^2.$$ भले ही $$B$$ बेशुमार सेट है, इस योग में केवल गणनीय रूप से कई पद गैर-शून्य होंगे, और इसलिए अभिव्यक्ति अच्छी तरह से परिभाषित है। इस राशि को सामान्यीकृत फूरियर श्रृंखला भी कहा जाता है $$x,$$ और सूत्र को आमतौर पर पारसेवल की पहचान के रूप में जाना जाता है।

अगर $$B$$ का एक अलंकारिक आधार है $$H,$$ तब $$H$$ के लिए समरूपी है $$\ell^2(B)$$ निम्नलिखित अर्थ में: एक विशेषण रैखिक ऑपरेटर मानचित्र मौजूद है $$\Phi : H \to \ell^2(B)$$ऐसा है कि $$\langle\Phi(x),\Phi(y)\rangle=\langle x,y\rangle \quad \text{ for all } x, y \in H.$$

अपूर्ण ओर्थोगोनल सेट
हिल्बर्ट स्थान दिया गया $$H$$ और एक सेट $$S$$ परस्पर ओर्थोगोनल वैक्टर में $$H,$$ हम सबसे छोटा बंद रैखिक उपस्थान ले सकते हैं $$V$$ का $$H$$ युक्त $$S.$$ तब $$S$$ का एक ऑर्थोगोनल आधार होगा $$V;$$ जो निश्चित रूप से इससे छोटा हो सकता है $$H$$ स्वयं, एक अपूर्ण ऑर्थोगोनल सेट होना, या होना $$H,$$ जब यह एक पूर्ण ऑर्थोगोनल सेट हो।

अस्तित्व
ज़ोर्न्स लेम्मा|ज़ोर्न्स लेम्मा और ग्राम-श्मिट प्रक्रिया (या अधिक सरल रूप से सुव्यवस्थित और ट्रांसफिनिट रिकर्सन) का उपयोग करके, कोई यह दिखा सकता है कि प्रत्येक हिल्बर्ट स्थान एक ऑर्थोनॉर्मल आधार को स्वीकार करता है; इसके अलावा, एक ही स्थान के किन्हीं दो ऑर्थोनॉर्मल आधारों में एक ही कार्डिनल संख्या होती है (इसे वेक्टर रिक्त स्थान के लिए सामान्य आयाम प्रमेय के प्रमाण के समान तरीके से सिद्ध किया जा सकता है, अलग-अलग मामलों में यह इस पर निर्भर करता है कि बड़ा आधार उम्मीदवार गणनीय है या नहीं) या नहीं)। एक हिल्बर्ट स्पेस वियोज्य मीट्रिक स्पेस है यदि और केवल यदि यह एक गणनीय ऑर्थोनॉर्मल आधार को स्वीकार करता है। (पसंद के सिद्धांत का उपयोग किए बिना कोई इस अंतिम कथन को सिद्ध कर सकता है।)

समरूपता के विकल्प के रूप में आधार का चुनाव
ठोसता के लिए हम वास्तविक के लिए लंबात्मक आधारों पर चर्चा करते हैं, $$n$$ आयामी वेक्टर स्थान $$V$$ एक सकारात्मक निश्चित सममित द्विरेखीय रूप के साथ $$\phi=\langle\cdot,\cdot\rangle$$.

लम्बवत आधार को संबंध में देखने का एक तरीका $$\phi$$ वैक्टर के एक सेट के रूप में है $$\mathcal{B} = \{e_i\}$$, जो हमें लिखने की अनुमति देता है $$v = v^ie_i$$ के लिए $$v\in V$$, और $$v^i\in \mathbb{R}$$ या $$(v^i) \in \mathbb{R}^n$$. इस आधार के संबंध में, के घटक $$\phi$$ विशेष रूप से सरल हैं: $$\phi(e_i,e_j) = \delta_{ij}.$$ अब हम आधार को मानचित्र के रूप में देख सकते हैं $$\psi_\mathcal{B}:V\rightarrow \mathbb{R}^n$$ जो आंतरिक उत्पाद स्थानों की एक समरूपता है: इसे और अधिक स्पष्ट करने के लिए हम लिख सकते हैं
 * $$\psi_\mathcal{B}:(V,\phi)\rightarrow (\mathbb{R}^n,\delta_{ij}).$$

स्पष्ट रूप से हम लिख सकते हैं $$(\psi_\mathcal{B}(v))^i = e^i(v) = \phi(e_i,v)$$ कहाँ $$e^i$$ का दोहरा आधार तत्व है $$e_i$$.

व्युत्क्रम एक घटक मानचित्र है
 * $$C_\mathcal{B}:\mathbb{R}^n\rightarrow V, (v^i)\mapsto \sum_{i=1}^n v^ie_i.$$

ये परिभाषाएँ यह प्रकट करती हैं कि आपत्ति है
 * $$\{\text{Space of orthogonal bases } \mathcal{B}\}\leftrightarrow \{\text{Space of isomorphisms }V\leftrightarrow \mathbb{R}^n\}.$$

समरूपता का स्थान दोनों में से किसी एक पर ऑर्थोगोनल समूहों की क्रियाओं को स्वीकार करता है $$V$$ पक्ष या $$\mathbb{R}^n$$ ओर। ठोसता के लिए हम दिशा को इंगित करने के लिए समरूपता को ठीक करते हैं $$\mathbb{R}^n\rightarrow V$$, और ऐसे मानचित्रों के स्थान पर विचार करें, $$\text{Iso}(\mathbb{R}^n\rightarrow V)$$.

यह स्थान आइसोमेट्रीज़ के समूह द्वारा बाईं ओर की कार्रवाई को स्वीकार करता है $$V$$, वह है, $$R\in \text{GL}(V)$$ ऐसा है कि $$\phi(\cdot,\cdot) = \phi(R\cdot,R\cdot)$$, रचना द्वारा दी गई क्रिया के साथ: $$R*C=R\circ C.$$ यह स्थान आइसोमेट्रीज़ के समूह द्वारा एक सही कार्रवाई को भी स्वीकार करता है $$\mathbb{R}^n$$, वह है, $$R_{ij} \in \text{O}(n)\subset \text{Mat}_{n\times n}(\mathbb{R})$$, रचना द्वारा फिर से दी गई क्रिया के साथ: $$C*R_{ij} = C\circ R_{ij}$$.

एक प्रमुख सजातीय स्थान के रूप में
के लिए लम्बवत् आधारों का समुच्चय $$\mathbb{R}^n$$ मानक आंतरिक उत्पाद के साथ ऑर्थोगोनल समूह के लिए एक प्रमुख सजातीय स्थान या जी-टॉर्सर है $$G = \text{O}(n),$$ और इसे स्टिफ़ेल मैनिफ़ोल्ड कहा जाता है $$V_n(\R^n)$$ ऑर्थोनॉर्मल क्यू-फ़्रेम का$$n$$-फ्रेम। दूसरे शब्दों में, ऑर्थोनॉर्मल आधारों का स्थान ऑर्थोगोनल समूह की तरह है, लेकिन आधार बिंदु के विकल्प के बिना: ऑर्थोनॉर्मल आधारों के स्थान को देखते हुए, ऑर्थोनॉर्मल आधारों का कोई प्राकृतिक विकल्प नहीं है, लेकिन एक बार एक दिया जाता है, तो एक होता है -आधारों और ऑर्थोगोनल समूह के बीच एक-से-एक पत्राचार। सीधे तौर पर, एक रेखीय मानचित्र इस बात से निर्धारित होता है कि वह किसी दिए गए आधार को कहां भेजता है: जिस तरह एक उलटा नक्शा किसी भी आधार को किसी अन्य आधार पर ले जा सकता है, एक ऑर्थोगोनल नक्शा किसी भी ऑर्थोगोनल आधार को किसी अन्य ऑर्थोगोनल आधार पर ले जा सकता है।

अन्य स्टिफ़ेल मैनिफोल्ड्स $$V_k(\R^n)$$ के लिए $$k < n$$ अपूर्ण ऑर्थोनॉर्मल आधार का (ऑर्थोनॉर्मल)। $$k$$-फ़्रेम) ऑर्थोगोनल समूह के लिए अभी भी सजातीय स्थान हैं, लेकिन प्रमुख सजातीय स्थान नहीं: कोई भी $$k$$-फ्रेम को किसी अन्य पर ले जाया जा सकता है $$k$$-एक ऑर्थोगोनल मानचित्र द्वारा फ़्रेम, लेकिन यह मानचित्र विशिष्ट रूप से निर्धारित नहीं है।


 * के लिए ऑर्थोनॉर्मल आधारों का सेट $$\mathbb{R}^{p,q}$$ के लिए एक जी-टॉर्सर है $$G = \text{O}(p,q)$$.
 * के लिए ऑर्थोनॉर्मल आधारों का सेट $$\mathbb{C}^n$$ के लिए एक जी-टॉर्सर है $$G = \text{U}(n)$$.
 * के लिए ऑर्थोनॉर्मल आधारों का सेट $$\mathbb{C}^{p,q}$$ के लिए एक जी-टॉर्सर है $$G = \text{U}(p,q)$$.
 * दाएं हाथ के ऑर्थोनॉर्मल आधारों का सेट $$\mathbb{R}^n$$ के लिए एक जी-टॉर्सर है $$G = \text{SO}(n)$$

संदर्भ

 * (page 218, ch.9)

बाहरी संबंध

 * This Stack Exchange Post discusses why the set of Dirac Delta functions is not a basis of L2([0,1]).