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Desigualdade de Cauchy-Schwarz

Agosto 18, 2008 in Análise, Caderno, Demonstração, Desigualdade, Matemática, Teorema, Teorema / Teoria | Tags: , , | 6 comments

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A desigualdade de Cauchy-Schwarz corresponde ao seguinte

Teorema: Para todo o vector \mathbf{x}=\left( x_{1},...,x_{n}\right) \in\mathbb{R}^{n} e todo o vector \mathbf{y}=\left( y_{1},\ldots ,y_{n}\right) \in\mathbb{R}^{n}, tem-se:

\left\vert \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right\vert \leq \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) ^{1/2}\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) ^{1/2}

ou

\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right) ^2\leq\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^2\right)\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^2\right)   

Demonstração 

Qualquer que seja o real \lambda , tomo o vector \mathbf{x}-\lambda\mathbf{y}, e vou achar

\displaystyle\sum_{k=1}^{n}\left( x_{k}-\lambda y_{k}\right) ^{2}=\displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}-2\lambda \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}+\lambda ^{2}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}.

Seja qual for o \lambda , o trinómio do lado direito, em \lambda , não muda de sinal, é sempre positivo ou igual a zero, porque o número \displaystyle\sum_{k=1}^{n}\left( x_{k}-\lambda y_{k}\right) ^{2} é não negativo:

\displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}-2\lambda \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}+\lambda ^{2}\displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\geq 0,

o que implica que o seu discriminante seja menor ou igual a zero

\Delta =\left( 2\displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right) ^{2}-4\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) \leq 0,

significando que

\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}y_{k}\right) ^{2}\leq \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) .

Daqui pode ainda concluir-se que

\left\vert \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{x}y_{k}\right\vert \leq \left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}x_{k}^{2}\right) ^{1/2}\left( \displaystyle\sum_{k=1}^{n}y_{k}^{2}\right) ^{1/2}.

 

Se algum dos vectores \mathbf{x,y} for nulo, esta relação é evidentemente verificada.

\square

O significado geométrico em \mathbb{R}^{3} desta desigualdade é o de que o produto interno de dois vectores é menor ou igual ao produto dos módulos (das normas) desses vectores.

[Actualização de 30-9-2008: acrescentado pdf]

ADENDA de 27-11-2008: esta desigualdade é uma consequência directa da identidade de Lagrange demonstrada nesta entrada

Correcção de 1-12-2008: na segunda desigualdade do Teorema

Séries de Fourier 1 – Sistemas de Funções Ortogonais

Junho 6, 2008 in Análise, Análise de Fourier, Caderno, Cálculo, Demonstração, Desigualdade, Matemática, Séries, Teorema / Teoria | Tags: , , | Leave a comment

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Começo por considerar sistemas de funções ortogonais para desenvolver a questão da representação de uma função em série do tipo

f(x)=\displaystyle\sum_{n} c_{n}\phi_{n}(x)

em que \phi_{n}(x) são precisamente funções ortogonais em \lbrack a ,b\rbrack .

Chamam-se funções ortogonais às funções [complexas de variável real] que satisfazem as seguintes condições:

\displaystyle\left ( \phi _{n}\cdot \overline{\phi }_{m}\right)=\displaystyle\int_{a}^{b}\phi_{n}\left( x\right) \,\overline{\phi }_{m}\left( x\right) \;dx=0\qquad \text{para }n\neq m

\displaystyle\left ( \phi _{n}\cdot \overline{\phi }_{m}\right)=\displaystyle\int_{a}^{b}\phi_{n}\left( x\right) \,\overline{\phi }_{m}\left( x\right) \;dx>0\qquad \text{para }n=m

Revestem-se de grande interesse nas aplicações as funções do tipo \cos nx e \sin nx.

Chama-se norma de um sistema de funções ortogonais a

\left\vert \left\vert \phi _{n}\right\vert \right\vert =\sqrt{\left( \phi_{n}\cdot \overline{\phi }_{n}\right) }=\displaystyle\sqrt{\displaystyle\int_{a}^{b}\phi _{n}\left( x\right) \,\overline{\phi }_{n}\left( x\right) \;dx}.

Um sistema ortogonal diz-se ortonormado se a sua norma for igual à unidade: \left\vert \left\vert \phi _{n}\right\vert \right\vert =1. 

Exemplo 1: \phi_{n}\left( x\right) =e^{inx} definida em \lbrack -\pi ,\pi\rbrack .

\displaystyle\left ( \phi _{n}\cdot \overline{\phi }_{m}\right)=\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\phi_{n}\left( x\right) \,\overline{\phi }_{m}\left( x\right) \;dx

=\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}e^{inx}\, e^{-imx}\;dx=\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}e^{i\left( n-m\right)x} \;dx =\dfrac{1}{i\left( n-m\right)}\times \left[ e^{i\left( n-m\right) x}\right] _{-\pi }^{\pi }

=0\qquad \text{para }n\neq m

=\displaystyle\int_{-\pi}^{\pi}\;dx=2\pi\qquad \text{para }n=m

\left\vert \left\vert e^{inx}\right\vert \right\vert =\sqrt{2\pi}. \blacktriangleleft

Consideremos uma função de variável real f(x)

f(x)=\displaystyle\sum_{n}c_{n}\phi_{n}(x)\qquad a\le x\le b

 

e as seguintes hipóteses:

  1. a série converge;
  2. converge para f(x)

Multiplicando a série por \overline{\phi }_{n}(x) vem

f(x)\overline{\phi }_{n}(x)=\displaystyle\sum_{m} c_{m}\phi_{m}(x)\overline{\phi }_{n}(x)

e

\displaystyle\int_{a}^{b}f(x)\overline{\phi }_{m}(x)\; dx=\displaystyle\sum_{m} c_{m}\int_{a}^{b}\phi_{m}(x)\overline{\phi }_{n}(x)\; dx

 porque pode trocar-se a ordem de \displaystyle\int e \displaystyle\sum, se admitirmos a convergência uniforme da série no intervalo \lbrack a ,b\rbrack . Assim,

\displaystyle\left ( f\cdot \overline{\phi }_{n}\right)=c_{n}\left\vert \left\vert \phi _{n}\right\vert \right\vert ^{2},

ou seja,

c_n=\dfrac{\left ( f\cdot \overline{\phi }_{n}\right)}{\left\vert \left\vert \phi _{n}\right\vert \right\vert ^{2}}

Aos coeficientes c_n chamam-se os coeficientes de Fourier. À série chama-se série de Fourier relativa ao conjunto de funções ortogonais \phi_n(x).

NOTA: esta dedução não é rigorosa! leia o resto »

Américo Tavares

1951, eng. electrotécnico, IST, 1974, reformado;
membro da Ordem dos Engenheiros e sócio da Sociedade Portuguesa de Matemática.

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