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习题 3.22

设 为 Hilbert 空间, 为 的标准正交序列, 且 . 求证 当且仅当存在 , 使得 .

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

证明:

设 为 Hilbert 空间, 为标准正交序列,记 为其有限线性组合全体。需证:对任意 ,


必要性():假设 。令 此为 在子空间 上的正交投影。由正交投影的性质,对任意 有

因为 在 中稠密,故对任意 ,存在 使得 。设 用到的基向量下标的最大值为 ,则 。于是对任意 ,,从而 这表明 ,即 取 即得所需表示。


充分性():若 ,令部分和 显然 。由级数收敛的定义, 于 。因此 是 中序列的极限,故 。


综上,命题得证。