Lexikon der Mathematik: Konvergenz im p -ten Mittel Konvergenz einer Folge ( X n) n ∈ℕ von auf einem Wahrscheinlichkeitsraum (Ω, 𝔄, P) definierten reellen Zufallsvariablen bezüglich der Halbnorm des Raumes ℒ p (Ω) der meßbaren, p -fach integrierbaren Abbildungen von Ω nach ℝ, 1 ≤ p <∞. Die Folge ( X n) n ∈ℕ der p -fach integrierbaren Zufallsvariablen Xn konvergiert also genau dann im p -ten Mittel gegen eine ebenfalls auf (Ω, 𝔄, P) definierte p -fach integrierbare reelle Zufallsvariable X, wenn \begin{eqnarray}\mathop{\mathrm{lim}}\limits_{n\to \infty}{\left(\displaystyle \mathop{\int}\limits_{\Omega}|{X}_{n}-X{|}^{p}dP|\right)}^{1/p}=0\end{eqnarray} gilt. Eine analoge Definition gilt für Funktionenfolgen. Im Falle p = 1 spricht man kurz von Konvergenz im Mittel und im Falle p = 2 von Konvergenz im quadratischen Mittel. Copyright Springer Verlag GmbH Deutschland 2017
Wäre 〈 f, g 〉 ein echtes (positiv definites) Skalarprodukt, so würde die Eigenschaft (c) wieder für alle Vektoren gelten. Dies ist aber nicht der Fall, und deswegen erhalten wir nur eine Seminorm. Die Vektoren mit der 2-Seminorm 0 bilden einen Unterraum W von V. Wir können sie miteinander identifizieren und im Quotientenraum V/W arbeiten. Dadurch würde unser Skalarprodukt echt werden. Für unsere Absichten erscheint dieser technische Schritt aber verzichtbar. Die 2-Seminorm induziert den folgenden Konvergenzbegriff: Definition ( Konvergenz im quadratischen Mittel) Seien (f n) n ∈ ℕ eine Folge in V und f ∈ V. Dann konvergiert (f n) n ∈ ℕ im quadratischen Mittel gegen f, in Zeichen lim n f n = f (in 2-Seminorm), falls lim n ∥f − f n ∥ 2 = 0. Wir formulieren diesen Konvergenzbegriff nochmal explizit mit Hilfe von Integralen. Da lim n x n = 0 für reelle x n ≥ 0 genau dann gilt, wenn (x n) n ∈ ℕ eine Nullfolge ist, können wir die in der Seminorm verwendete Wurzel weglassen. Gleiches gilt für den Normierungsfaktor 1/(2π) der Definition des Skalarprodukts.
Reelle Fourierreihe - Konvergenzbegriffe bei Funktionenfolgen Es sind drei Konvergenzbegriffe wichtig: punktweise Konvergenz, gleichmäßige Konvergenz und Konvergenz im quadratischen Mittel, wobei man bei der ersten noch zwischen Konvergenz in einem bestimmten Punkt und punktweiser Konvergenz schlechthin unterscheiden kann. Denken wir uns ein festes reelles τ > 0 vorgegeben und betrachten wir alle 2 -periodischen Funktion von ℝ nach ℝ. Sei f eine solche Funktion und 1, 2, 3 … eine Folge solcher Funktionen. Zur punktweisen Konvergenz. Punktweise Konvergenz: Sei t ∈ beliebig, aber fest. Wir sagen, N konvergiert im Punkt für → ∞ gegen f, falls ( t) konvergiert (im üblichen Sinne für Zahlenfolgen - eine solche ist ja 1 t), …). Konvergiert in allen Punkten f, so sagen wir kurz, sei punktweise konvergent (schlechthin) gegen f. Mit Konvergenz ist hier und auch in Zukunft Konvergenz für gemeint; diese Sprachvereinfachung ist möglich, da wir den Folgenindex immer mit bezeichnen und stets den Grenzprozess betrachten.
Zur gleichmäßigen Konvergenz. Diesem Begriff nähern wir uns am besten, indem wir uns vor Augen führen, was genau punktweise Konvergenz schlechthin von bedeutet, nämlich: für jedes gibt es zu jedem reellen ε ein t, ε) ℕ, so dass | - < für alle ≥ ε). Wie schon durch die Notation angedeutet, hängt i. Allg. sowohl von als auch von ab. Gibt es für jedes ein für alle gemeinsames ε), liegt gleichmäßige Konvergenz vor; präziser lautet die Definition: Gleichmäßige Konvergenz heißt gleichmäßig konvergent gegen f, wenn es zu jedem reellen ℕ gibt, so dass und alle ℝ. Anschaulich liegt der Unterschied zur (nur) punktweisen Konvergenz darin, dass im Fall gleichmäßiger Konvergenz "überall (d. h. für alle ℝ) gleich schnell" gegen strebt (dem mit der Materie weniger vertrauten Leser wird empfohlen, sich den Unterschied noch weiter klarzumachen). Zur Konvergenz im quadratischen Mittel. Dazu setzen wir voraus, dass und alle Funktionen über das Intervall von bis + integrierbar sind. Konvergenz im quadratischen Mittel Wir sagen, konvergiert im quadratischen Mittel gegen f, wenn ∫ d (für ∞) gegen 0 geht.
Im oberen Bild gilt 〈 f, g 〉 = 0, da der signierte Flächeninhalt aus Symmetriegründen gleich 0 ist. Im unteren Bild überwiegen die negativen Flächen, sodass hier 〈 f, g 〉 < 0. Lesen wir das Integral als unendlich feine Summe, so besitzt das Skalarprodukt die vertraute Form "Summe von Produkten" der kanonischen Skalarprodukte im ℝ n bzw. ℂ n. In der Tat gelten bis auf eine Ausnahme alle aus der Linearen Algebra bekannten Eigenschaften eines Skalarprodukts für ℂ -Vektorräume: Satz (Eigenschaften des Skalarprodukts auf V) Für alle f, g, h ∈ V und alle α ∈ ℂ gilt: (a) 〈 f + g, h 〉 = 〈 f, h 〉 + 〈 g, h 〉, 〈 f, g + h 〉 = 〈 f, g 〉 + 〈 f, h 〉, (b) 〈 α f, g 〉 = α 〈 f, g 〉, 〈 f, α g 〉 = α 〈 f, g 〉, (c) 〈 f, g 〉 = 〈 g, f 〉, (d) 〈 f, f 〉 ∈ ℝ und 〈 f, f 〉 ≥ 0, (e) Ist f stetig und f ≠ 0, so ist 〈 f, f 〉 > 0. Zu einem waschechten Skalarprodukt fehlt nur die Gültigkeit der letzten Eigenschaft für alle Elemente aus V. Trotzdem ist es üblich, 〈 f, g 〉 als Skalarprodukt zu bezeichnen. In der Sprache der Linearen Algebra liegt lediglich eine positiv semidefinite Hermitesche Form auf V vor.
Aus den Eigenschaften (a) − (e) des Skalarprodukts folgt, wie in der Linearen Algebra gezeigt wird: Satz (Cauchy-Schwarz-Ungleichung) Für alle f, g ∈ V gilt: | 〈 f, g 〉 | 2 ≤ 〈 f, f 〉 〈 g, g 〉. (Ungleichung von Cauchy-Schwarz) Mit Hilfe des Skalarprodukts definieren wir: Definition (2-Seminorm für periodische Funktionen) Für alle f ∈ V setzen wir ∥f∥ 2 = 〈 f, f 〉. Die reelle Zahl ∥f∥ 2 heißt die 2-Seminorm von f. Die 2-Seminorm einer Funktion f ist groß, wenn 2π ∥ f ∥ 2 2 = ∫ 2π 0 f (x) f (x) dx = ∫ 2π 0 |f (x)| 2 dx groß ist. Durch das Auftauchen des Quadrats im Integranden zählen Flächen unterhalb der x-Achse wie Flächen oberhalb der x-Achse. Die 2-Seminorm hat in der Tat die Eigenschaften einer Seminorm: Satz (Eigenschaften der 2-Seminorm) Für alle f, g ∈ V und alle α ∈ ℂ gilt: (a) ∥ α f ∥ 2 = |α| ∥f∥ 2, (b) ∥ f + g ∥ 2 ≤ ∥f∥ 2 + ∥ g ∥ 2, (Dreiecksungleichung) (c) Ist f stetig und ∥f∥ 2 = 0, so ist f = 0. Zum Beweis der Dreiecksungleichung wird die Ungleichung von Cauchy-Schwarz benutzt.
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