史特姆-劉維理論與特徵函數展開
權重函數(weight function)
當你衡量一個函數有多大,或兩個函數重疊多少時,可以選擇讓區間上某些部分比其他部分更重要。權重函數 w(x) 就是你賦予每一點 x 的局部重要性——像一把中間較重、邊緣較輕(或相反)的秤。
在史特姆-劉維問題 -(p u')' + q u = lambda w u 中,權重 w(x) > 0 是擺在 lambda 前面的乘子。它由方程與幾何決定,不能任意選取。權重定義了整個理論所用的內積:(f, g) = f(x) g(x) w(x) 從 a 到 b 的積分。正交性、特徵函數的長度、以及展開係數公式,全都是用這個 w 衡量的,而非用裸積分。若忘了 w,正交關係就直接失效。
權重從何而來?每當在非笛卡兒座標系中做分離變數時,座標變換的雅可比行列式就成了權重。在圓盤上,w(r) = r(極座標的面積元 r dr d-theta)——這正是貝索函數帶因子 r 才正交的原因。在球面上,勒壤得權重來自 sin(theta)。所以權重並非任意的麻煩:它是幾何的體積元的偽裝,也正是讓正交性吻合曲面區域上真正「重疊」概念的東西。
區間 [-1, 1] 上的車比雪夫多項式 T_n(x) 以權重 w(x) = 1 / sqrt(1 - x^2) 正交:當 m 不等於 n 時,T_m(x) T_n(x) / sqrt(1 - x^2) 從 -1 到 1 的積分為零。若用樸素權重 w = 1,它們並不正交——這個奇異權重是不可或缺的。
正交性永遠是「對某個特定權重正交」——拿掉權重,正交性就消失。
權重在內部必須嚴格為正(w > 0),理論才能給出真正的內積;變號會讓非零函數擁有零或負的「長度」。在奇異問題中 w 可能在端點為零或發散,這正是它們之所以奇異的部分原因。
又稱
另見