数学 数学分析

Fourier 分析初步

系统整理傅里叶级数的定义与收敛、局部化原理和费耶尔定理,并讨论贝塞尔不等式与帕塞瓦尔恒等式。

本页目录 4 节
定义

SS 是一个非空集合,我们用 CS\mathbb{C}^S 表示从 SSC\mathbb{C} 的全部映射所成之集,也即定义在 SS 上的全体复值函数所成之集。

对任意的 f,gCSf,g\in\mathbb{C}^S 以及 λC\lambda\in \mathbb{C}, 令

(f+g)(x)=f(x)+g(x),(λf)(x)=λf(x),xS.\begin{aligned} (f+g)(x)=f(x)+g(x), \\ (\lambda f)(x)=\lambda f(x), \end{aligned} \quad\forall x\in S.

则在上述运算下 CS\mathbb{C}^SC\mathbb{C} 上的线性空间, 从而 CS\mathbb{C}^S 有一个基.

Fourier 级数定义 #

定义 复值函数积分

对于复值函数 g(x)=u(x)+iv(x), u(x),v(x)R[x]g(x)=u(x)+\mathrm{i} v(x),\ u(x),v(x)\in \mathbb{R}[x]. 若 u(x),v(x)u(x),v(x) 均在 [a,b][a,b] 上可积, 则定义

abg(x)dx=abu(x)dx+iabv(x)dx.\int_a^b g(x)\text{d} x=\int_a^b u(x)\text{d} x+\mathrm{i}\int_a^b v(x)\text{d} x.

不难验证, 按上述定义的复值函数积分, 也满足实值函数积分的运算法则, 如分部积分以及微积分学基本定理.

定义

l\mathcal{l} 是一个正常数, 记 e(t):=e2πite(t):=e^{2\pi \mathrm{i} t}, 我们称形如

a02+n=1(ancos2πnxl+bnsin2πnxl)\frac{a_0} 2+\sum\limits_{n=1}^\infty\left(a_n\cos\frac{2\pi nx}{\mathcal l}+b_n\sin\frac{2\pi nx}{\mathcal l}\right) nZcne(nxl)\sum\limits_{n\in\mathbb{Z}} c_ne\left(\frac{nx}{\mathcal{l}}\right)

这类关于变量 xx 的函数项级数称为三角级数(trigonometric series), 其中后一种级数的收敛是指极限

limNn=NNcne(nxl)\lim\limits_{N\to\infty}\sum\limits_{n=-N}^N c_ne\left(\frac{nx}{\mathcal l}\right)

存在。以上两个级数的部分和称为三角多项式(trigonometric polynomial)

利用欧拉公式 eiθ=cosθ+isinθe^{\text{i}\theta}=\cos\theta+\text{i}\sin\theta, 我们可以探究上述两种形式之间的关系。

如果记

{c0=a02,cn=anibn2,  cn=an+ibn2,n1.\begin{cases} c_0 = \dfrac{a_0} 2,\\[10pt] c_n = \dfrac{a_n-\text{i} b_n} 2,\ \ c_{-n} = \dfrac{a_n+\text{i} b_n} 2,\quad \forall n\geqslant 1. \end{cases}

那么就可以将第一种形式变为第二种形式。

an,bnRcn=cna_n,b_n\in\mathbb{R}\Leftrightarrow c_n=\overline{c_{-n}}.

我们把在区间 [a,b][a,b] 上黎曼可积, 或者在 [a,b][a,b] 上有有限多个奇点但积分 abf(x)dx\int_a^b |f(x)|\text{d} x 收敛的全体实值函数所成之集记作 R[a,b]\mathscr{R}[a,b].

定义

l\mathcal l 是一个正实数, f(x)f(x) 是定义在 R\mathbb{R} 上的以 l\mathcal l 为周期的函数, 并且 fR[0,l]f\in \mathscr{R}[0,\mathcal l].

我们记

an=2l0lf(x)cos2πnxldx,n0.a_n=\frac 2{\mathcal{l}} \int_0^{\mathcal l} f(x)\cos\frac{2\pi n x}{\mathcal l}\text{d} x,\quad \forall n\geqslant 0. bn=2l0lf(x)sin2πnxldx,n0.b_n=\frac 2{\mathcal{l}} \int_0^{\mathcal l} f(x)\sin\frac{2\pi n x}{\mathcal l}\text{d} x,\quad \forall n\geqslant 0. cn=1l0lf(x)e(nxl)dx,nZ.c_n=\frac 1{\mathcal{l}} \int_0^{\mathcal l} f(x)e\left(-\frac{nx}{\mathcal l}\right)\text{d} x,\quad \forall n\in\mathbb{Z}.

由上三式定义的三角级数称作 f(x)f(x)Fourier 级数 (Fourier series)Fourier 展开式 (Fourier expansion), 记作

f(x)a02+n=1(ancos2πnxl+bnsin2πnxl)f(x)\sim\frac{a_0} 2+\sum\limits_{n=1}^\infty\left(a_n\cos\frac{2\pi nx}{\mathcal l}+b_n\sin\frac{2\pi nx}{\mathcal l}\right) f(x)nZcne(nxl)f(x)\sim\sum\limits_{n\in\mathbb{Z}} c_ne\left(\frac{nx}{\mathcal{l}}\right)

an,bn,cna_n,b_n,c_nf(x)f(x)Fourier 系数. 通常将 cnc_n 记作 f^(n)\hat{f}(n).

上述定义中采用 \sim 的记号是因为目前我们并不知道 f(x)f(x) 的 Fourier 级数是否收敛于 f(x)f(x).

定义

ff 是定义在 (0,l)(0,\mathcal l) 上的函数, 如果以 2l2\mathcal l 为周期的函数 gg 满足

g(x)={f(x),x(0,l)f(x),x(l,0).g(x) = \begin{cases} f(x),\quad x\in(0,\mathcal l) \\ f(-x),\quad x\in (-\mathcal l,0). \end{cases}

则称 ggff偶性延拓, 此时 gg(l,l)\{0}(-\mathcal l,\mathcal l)\backslash\{0\} 上的偶函数.

如果以 2l2\mathcal l 为周期的函数 hh 满足

h(x)={f(x),x(0,l)f(x),x(l,0).h(x) = \begin{cases} f(x),\quad x\in(0,\mathcal l) \\ -f(-x),\quad x\in (-\mathcal l,0). \end{cases}

则称 hhff奇性延拓,此时 hh(l,l)\{0}(-\mathcal l,\mathcal l)\backslash\{0\} 上的奇函数.

为了方便, 我们将 ff 作偶性延拓/奇性延拓得到的函数仍记作 ff.

定义

如果对 ff 做偶性延拓, 那么它的 Fourier 级数中只含有余弦项, 称为 f(x)f(x)余弦级数, 记作

f(x)a02+n=1ancosπnxl,f(x)\sim \frac{a_0} 2+\sum\limits_{n=1}^{\infty} a_n\cos\frac{\pi n x}{\mathcal l},

其中

an=1lllf(x)cosπnxldx=2l0lf(x)cosπnxldx.a_n=\frac 1 {\mathcal l}\int_{-\mathcal l}^{\mathcal l} f(x)\cos\frac{\pi n x}{\mathcal l}\text{d} x=\frac 2 {\mathcal l}\int_0^{\mathcal l} f(x)\cos\frac{\pi n x}{\mathcal l}\text{d} x.

如果对 ff 做奇性延拓, 那么它的 Fourier 级数中只含有正弦项, 称为 f(x)f(x)正弦级数, 记作

f(x)n=1bnsinπnxl,f(x)\sim \sum\limits_{n=1}^{\infty} b_n\sin\frac{\pi n x}{\mathcal l},

其中

bn=1lllf(x)sinπnxldx=2l0lf(x)sinπnxldx.b_n=\frac 1 {\mathcal l}\int_{-\mathcal l}^{\mathcal l} f(x)\sin\frac{\pi n x}{\mathcal l}\text{d} x=\frac 2 {\mathcal l}\int_0^{\mathcal l} f(x)\sin\frac{\pi n x}{\mathcal l}\text{d} x.

局部化原理 #

引理 黎曼-勒贝格引理

fR[a,b]f\in\mathscr R[a,b](这里 aa 可以是 -\inftybb 可以是 ++\infty), 那么

limλabf(x)e(λx)dx=0.\lim\limits_{\lambda\to\infty}\int_a^b f(x)e(\lambda x)\text{d} x=0.

特别地, limnf^(n)=0\lim\limits_{|n|\to\infty}\hat f(n)=0.

由黎曼–勒贝格引理以及

cosθ=eiθ+eiθ2,sinθ=eiθeiθ2i.\cos\theta = \frac{e^{\mathrm{i}\theta}+e^{-\mathrm{i}\theta}}{2},\qquad \sin\theta=\frac{e^{\mathrm{i}\theta}-e^{-\mathrm{i}\theta}}{2\mathrm{i}}.

我们可以推出

limλabf(x)cosλxdx=0,limλabf(x)sinλxdx=0.\begin{aligned} \lim\limits_{\lambda\to\infty}\int_a^b f(x)\cos\lambda x\text{d} x=0,\\[10pt] \lim\limits_{\lambda\to\infty}\int_a^b f(x)\sin\lambda x\text{d} x=0. \end{aligned}

进而可以得到

limnan=limnbn=0.\lim\limits_{n\to\infty}a_n=\lim\limits_{n\to\infty}b_n=0.

下面研究 f(x)R[0,1]f(x)\in\mathscr R[0,1] 的 Fourier 级数的收敛性问题. 而对于周期是一般的正实数的情形, 可以通过伸缩变换或者类似的讨论研究.

此时 Fourier 级数为

f(x)nZf^(n)e(nx),f(x)\sim\sum\limits_{n\in\mathbb{Z}}\hat f(n)e(nx),

其中

f^(n)=01f(t)e(nt)dt.\hat f (n)=\int_0^1 f(t)e(-nt)\text{d} t.

SN(x)=n=NNf^(n)e(nx)S_N(x)=\sum\limits_{n=-N}^N \hat f(n)e(nx)

表示该 Fourier 级数的部分和,将 Fourier 系数的表达式代入可得

SN(x)=n=NNe(nx)01f(t)e(nt)dt=01f(t)n=NNe(n(xt))dt=01f(t)DN(xt)dt. \begin{aligned} S_N(x)&=\sum\limits_{n=-N}^N e(nx)\int_0^1 f(t)e(-nt)\text{d} t\\[6pt] &=\int_0^1 f(t)\sum\limits_{n=-N}^N e(n(x-t))\text{d} t\\[6pt] &=\int_0^1 f(t)D_N(x-t)\text{d} t. \end{aligned}
定义 狄利克雷核

上式中 DN(y):=n=NNe(ny)D_N(y):=\sum\limits_{n=-N}^Ne(ny) 称为狄利克雷核 (Dirichlet kernel).

首先, DN(y)D_N(y) 是以 11 为周期的偶函数.

y=0y=0 时, 有 DN(0)=2N+1D_N(0)=2N+1.

y(0,1)y\in(0,1) 时, 有

DN(y)=e(Ny)(e((2N+1)y)1)e(y)1=e(2N+12y)e(2N+12y)e(y2)e(y2)=sin((2N+1)πy)sin(πy). \begin{aligned} D_N(y) &= \dfrac{e(-Ny)(e((2N+1)y)-1)}{e(y)-1}=\dfrac{e\left(\dfrac{2N+1}{2}y\right)-e\left(-\dfrac{2N+1}{2}y\right)}{e\left(\dfrac{y}2\right)-e\left(-\dfrac y 2\right)} \\[10pt] &=\dfrac{\sin((2N+1)\pi y)}{\sin(\pi y)}. \end{aligned}

那么在上述部分和表达式中作变量替换 txtt\mapsto x-t 可得

SN(x)=x1xf(xt)DN(t)dt.S_N(x)=\int_{x-1}^x f(x-t)D_N(t)\text{d} t.

又被积函数的周期是 11. 所以

SN(x)=012(f(x+t)+f(xt))DN(t)dt.S_N(x) = \int_0^{\frac 1 2}(f(x+t)+f(x-t))D_N(t)\text{d} t.

此外, DN(t)D_N(t) 是偶函数.

012DN(t)dt=121212DN(t)dt=12n=NN1212e(nt)dt=12.\int_0^{\frac 1 2}D_N(t)\text{d} t=\frac 1 2\int_{-\frac 1 2}^{\frac 1 2}D_N(t)\text{d} t=\frac 1 2\sum\limits_{n=-N}^N\int_{-\frac 1 2}^{\frac 1 2}e(nt)\text{d} t=\frac 1 2.

上述求和考虑交换积分求和号后用等比数列求和公式.

定理 黎曼局部化原理

假设 ff 是以 11 为周期的函数并且 fR[0,1]f\in\mathscr R[0,1], 那么对给定的 xx, ff 的 Fourier 级数在点 xx 处收敛于 ss 当且仅当存在 δ>0\delta>0 使得

limN0δ(f(x+t)+f(xt)2s)sin((2N+1)πt)tdt=0.\lim\limits_{N\to\infty}\int_0^{\delta}(f(x+t)+f(x-t)-2s)\frac{\sin((2N+1)\pi t)}{t}\text{d} t=0.
定理 迪尼判别法

ff 是以 11 为周期的函数并且 fR[0,1]f\in\mathscr R[0,1], 如果对给定的 xxss, 存在 δ(0,1)\delta\in(0,1) 使得 f(x+t)+f(xt)2st\dfrac{f(x+t)+f(x-t)-2s}{t} 是关于变量 tt 的属于 R[0,δ]\mathscr{R}[0,\delta] 的函数 (单独定义该函数在 00 处的值), 那么 ff 的 Fourier 级数在 xx 处收敛于 ss.

定义

f(x)f(x)x0x_0 的邻域 (x0δ,x0+δ)(x_0-\delta,x_0+\delta) (事实上, 只要求去心邻域内) 内有定义, 若存在常数 L>0L>0α>0\alpha>0 使得对任意的 x(x0δ,x0)x\in(x_0-\delta,x_0)

f(x)f(x00)Lxx0α,|f(x)-f(x_0-0)|\leqslant L|x-x_0|^\alpha,

且对任意的 x(x0,x0+δ)x\in(x_0,x_0+\delta)

f(x)f(x0+0)Lxx0α.|f(x)-f(x_0+0)|\leqslant L|x-x_0|^\alpha.

则称 f(x)f(x)x0x_0 附近满足**α\alpha 阶利普希茨条件**

上述定理中 f(x00)f(x_0-0)f(x0+0)f(x_0+0) 分别表示 f(x)f(x)x0x_0 处的左/右极限.

一般而言, 我们不会去研究 α>1\alpha>1 时的情况, 因为当 α>1\alpha>1 时, 考虑

f(x)f(x0)xx0Lxx0α1,\left|\dfrac{f(x)-f(x_0)}{x-x_0}\right|\leqslant L|x-x_0|^{\alpha-1},

xx0x\to x_0 时, 右侧为 00f(x0)=0f'(x_0)=0。由于 x0x_0 任意,ff 是常值函数。

推论

ff11 为周期且 fR[0,1],α(0,1]f\in\mathscr R[0,1],\alpha\in(0,1]. 如果 ffxx 的附近满足 α\alpha 阶利普希茨条件, 那么 ff 的 Fourier 级数在 xx 处收敛于 f(x+0)+f(x0)2\dfrac{f(x+0)+f(x-0)}{2}. 特别地, 若 xxff 的连续点, 则 ff 的 Fourier 级数在 xx 处收敛于 f(x)f(x).

证明

考虑证明 s=f(x+0)+f(x0)2s=\dfrac{f(x+0)+f(x-0)}{2} 满足迪尼判别法的条件。

定义

ff 是定义在 [a,b][a,b] 上的一个函数, 若存在 [a,b][a,b] 的一个分划

a=x0<x1<<xn=b,a=x_0<x_1<\cdots<x_n=b,

使得在每个子区间 [xj1,xj][x_{j-1},x_j] 上定义的函数

gj(x)={f(xj1+0),x=xj1,f(x),x(xj1,xj)f(xj0),x=xjg_j(x)=\begin{cases} f(x_{j-1}+0), &x=x_{j-1},\\ f(x),&x\in(x_{j-1},x_j) \\ f(x_j-0), & x=x_j \end{cases}

均在 [xj1,xj][x_{j-1},x_j] 上可微, 则称 ff[a,b][a,b] 上的分段可微函数.

推论

ff 是以 11 为周期且在 [0,1][0,1] 上分段可微的函数, 则 ff 的 Fourier 级数在每个点 xx 处均收敛于 f(x+0)+f(x0)2\dfrac{f(x+0)+f(x-0)} 2. 特别地, 若 ff 满足以上条件且 xxff 的连续点, 则 ff 的 Fourier 级数在 xx 处收敛于 f(x)f(x).

n=1cos2πnxn2=π2(x2x+16).\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\cos 2\pi n x}{n^2}=\pi^2\left(x^2-x+\frac 1 6\right).

x=0x=0 则有

ζ(2)=n=11n2=π26.\zeta(2)=\sum\limits_{n=1}^\infty \frac 1{n^2}=\frac {\pi^2} 6. n=1sinnn=π12.\sum\limits_{n=1}^\infty \frac{\sin n} n=\frac{\pi-1}2.

费耶尔定理 #

定义

n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 是一个级数, 用 SnS_n 表示其部分和, 即 Sn=k=1nukS_n=\sum\limits_{k=1}^n u_k. 再记

σn=S1+S2++Snn,\sigma_n=\frac{S_1+S_2+\cdots+S_n}n,

并称之为 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n 的第 nn切萨罗和. 如果 {σn}\{\sigma_n\} 收敛, 则称 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n切萨罗可和的, 此时称 {σn}\{\sigma_n\} 的极限为 n=1un\sum\limits_{n=1}^\infty u_n切萨罗和.

定理 费耶尔

ff 是定义在 R\mathbb{R} 上的以 11 为周期的函数且 ff[0,1][0,1]黎曼可积, 又设 ff 至多有第一类间断点, 则 ff 的 Fourier 级数是切萨罗可和的, 且在 xx 处的切萨罗和为

f(x+0)+f(x0)2.\frac{f(x+0)+f(x-0)}2.

特别地, 若 xx 是连续点, 则 xx 处的切萨罗和为 f(x)f(x).

教材页码:P234

定理 三角多项式一致逼近

ff[0,1][0,1] 上的连续函数且 f(0)=f(1)f(0)=f(1), 则对任意的 ε>0\varepsilon>0, 存在三角多项式 P(x)=n=NNcne(nx)P(x)=\sum\limits_{n=-N}^N c_ne(nx) 使得

maxx[0,1]f(x)P(x)<ε\max\limits_{x\in[0,1]}|f(x)-P(x)|<\varepsilon
命题 Fourier 级数的唯一性

f,gf,g 均是以 11 为周期的连续函数, 如果对任意的 nnf^(n)=g^(n)\hat f(n)=\hat g(n), 那么 f=gf=g.

均值定理 #

定义

ff 是以 11 为周期的实值函数, 并且 ff[0,1][0,1] 上可积或者 ff[0,1][0,1] 上有有限多个奇点但反常积分 01f(x)2dx\int_0^1 f(x)^2\text{d} x 收敛, 我们把满足上述条件的 ff 所成的集合记作 R2[0,1]\mathscr{R}^2[0,1]. 值得一提的, R2[0,1]R[0,1]\mathscr{R}^2[0,1]\subseteq\mathscr{R}[0,1].

定理 Fourier 部分和的最佳平方逼近

fR2[0,1]f\in\mathscr{R}^2[0,1]

  • (1) 对任意的正整数 NN 及复数 αn (NnN)\alpha_n\ (-N\leqslant n\leqslant N)
01f(x)n=NNαne(nx)2dx01f(x)n=NNf^(n)e(nx)2dx.\int_0^1\left|f(x)-\sum\limits_{n=-N}^N \alpha_n e(nx)\right|^2\text{d} x\geqslant\int_0^1\left|f(x)-\sum\limits_{n=-N}^N\hat f(n)e(nx)\right|^2\text{d} x.
  • (2) 我们有
01f(x)n=NNf^(n)e(nx)2dx=01f(x)2dxn=NNf^(n)2\int_0^1\left|f(x)-\sum\limits_{n=-N}^N\hat f(n)e(nx)\right|^2\text{d} x=\int_0^1 f(x)^2\text{d} x-\sum\limits_{n=-N}^N|\hat f(n)|^2

注意辨别上述过程中每一项是实数还是复数,上式中 x|x| 均表示复数的模长。

并利用 01f(x)e(nx)dx=01f(x)e(nx)dx=f^(n)\int_0^1 f(x)e(nx)\text{d} x=\overline{\int_0^1 f(x)e(-nx)\text{d} x}=\overline{\hat f(n)}

2αnf^(n)=αnf^(n)+αnf^(n)2\Re \alpha_n\overline{\hat f(n)}=\overline{\alpha_n}\hat f(n)+\alpha_n\overline{\hat f(n)},即两倍实部等于自身与其共轭之和。

定理 贝塞尔 (Bessel) 不等式

fR2[0,1]f\in\mathscr{R}^2[0,1],则对任意的非负整数 NN

n=NNf^(n)201f(x)2dx.\sum\limits_{n=-N}^N|\hat f(n)|^2\leqslant\int_0^1 f(x)^2\text{d} x.
定理 Fourier 级数在积分均值意义下的收敛性

fR2[0,1]f\in\mathscr{R}^2[0,1],则有

limN01f(x)n=NNf^(n)e(nx)2dx=0.\lim\limits_{N\to\infty}\int_0^1\left|f(x)-\sum\limits_{n=-N}^N \hat f(n)e(nx)\right|^2\text{d} x = 0.
定理 帕塞瓦尔 (Parseval) 恒等式

fR2[0,1]f\in\mathscr{R}^2[0,1],则

nZf^(n)2=01f(x)2dx.\sum\limits_{n\in\mathbb{Z}}|\hat f(n)|^2=\int_0^1f(x)^2\text{d} x.

如果用 an,bna_n,b_n 表示也即

01f(x)2dx=a024+12n=1(an2+bn2).\int_0^1 f(x)^2\text{d} x=\frac{a_0^2} 4+\frac 1 2\sum\limits_{n=1}^{\infty}(a_n^2+b_n^2).

利用前述例子及上述定理可得

1212x4dx=1144+12n=11π4n4,\int_{-\frac 12}^{\frac 12} x^4\text{d} x=\frac 1 {144}+\frac 1 2\sum\limits_{n=1}^\infty \frac1{\pi^4n^4},

整理可得

ζ(4)=n=11n4=π490.\zeta(4)=\sum\limits_{n=1}^\infty\frac1 {n^4}=\frac{\pi^4}{90}.

类似的, 设 kZ1k\in\mathbb{Z}_{\geqslant1}. 通过考察以 11 为周期的函数

f(x)=xk,x[12,12)f(x)=x^k,\quad\forall x\in[-\frac{1}{2},\frac 1 2)

可以归纳的证明

ζ(2k)=(1)k+1B2k(2π)2k2(2k)!\zeta(2k)=\frac{(-1)^{k+1}B_{2k}(2\pi)^{2k}}{2(2k)!}

其中 BnB_n伯努利数.

定理 广义帕塞瓦尔恒等式

f,gf,g 均是以 11 为周期的函数, 且 f,gR2[0,1]f,g\in\mathscr{R}^2[0,1], 则

nZf^(n)g^(n)=01f(x)g(x)dx.\sum\limits_{n\in\mathbb{Z}}\hat f(n)\overline{\hat g(n)}=\int_0^1 f(x)g(x)\text{d} x.

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