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。
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定义
设 S 是一个非空集合,我们用 CS 表示从 S 到 C 的全部映射所成之集,也即定义在 S 上的全体复值函数所成之集。
对任意的 f,g∈CS 以及 λ∈C, 令
(f+g)(x)=f(x)+g(x),(λf)(x)=λf(x),∀x∈S.
则在上述运算下 CS 是 C 上的线性空间, 从而 CS 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]. 若 u(x),v(x) 均在 [a,b] 上可积, 则定义
∫abg(x)dx=∫abu(x)dx+i∫abv(x)dx.
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
设 l 是一个正常数, 记 e(t):=e2πit, 我们称形如
2a0+n=1∑∞(ancosl2πnx+bnsinl2πnx)
n∈Z∑cne(lnx)
这类关于变量 x 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
N→∞limn=−N∑Ncne(lnx)
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+isinθ, 我们可以探究上述两种形式之间的关系。
如果记
⎩⎨⎧c0=2a0,cn=2an−ibn, c−n=2an+ibn,∀n⩾1.
那么就可以将第一种形式变为第二种形式。
注
an,bn∈R⇔cn=c−n.
我们把在区间 [a,b] 上黎曼可积, 或者在 [a,b] 上有有限多个奇点但积分 ∫ab∣f(x)∣dx 收敛的全体实值函数所成之集记作 R[a,b].
定义
设 l 是一个正实数, f(x) 是定义在 R 上的以 l 为周期的函数, 并且 f∈R[0,l].
我们记
an=l2∫0lf(x)cosl2πnxdx,∀n⩾0.
bn=l2∫0lf(x)sinl2πnxdx,∀n⩾0.
cn=l1∫0lf(x)e(−lnx)dx,∀n∈Z.
由上三式定义的三角级数称作 f(x) 的 Fourier 级数 (Fourier series) 或 Fourier 展开式 (Fourier expansion), 记作
f(x)∼2a0+n=1∑∞(ancosl2πnx+bnsinl2πnx)
f(x)∼n∈Z∑cne(lnx)
称 an,bn,cn 为 f(x) 的 Fourier 系数. 通常将 cn 记作 f^(n).
注
上述定义中采用 ∼ 的记号是因为目前我们并不知道 f(x) 的 Fourier 级数是否收敛于 f(x).
定义
设 f 是定义在 (0,l) 上的函数, 如果以 2l 为周期的函数 g 满足
g(x)={f(x),x∈(0,l)f(−x),x∈(−l,0).
则称 g 为 f 的偶性延拓, 此时 g 是 (−l,l)\{0} 上的偶函数.
如果以 2l 为周期的函数 h 满足
h(x)={f(x),x∈(0,l)−f(−x),x∈(−l,0).
则称 h 为 f 的奇性延拓,此时 h 是 (−l,l)\{0} 上的奇函数.
为了方便, 我们将 f 作偶性延拓/奇性延拓得到的函数仍记作 f.
定义
如果对 f 做偶性延拓, 那么它的 Fourier 级数中只含有余弦项, 称为 f(x) 的余弦级数, 记作
f(x)∼2a0+n=1∑∞ancoslπnx,
其中
an=l1∫−llf(x)coslπnxdx=l2∫0lf(x)coslπnxdx.
如果对 f 做奇性延拓, 那么它的 Fourier 级数中只含有正弦项, 称为 f(x) 的正弦级数, 记作
f(x)∼n=1∑∞bnsinlπnx,
其中
bn=l1∫−llf(x)sinlπnxdx=l2∫0lf(x)sinlπnxdx.
局部化原理 #
引理 黎曼-勒贝格引理
设 f∈R[a,b](这里 a 可以是 −∞,b 可以是 +∞), 那么
λ→∞lim∫abf(x)e(λx)dx=0.
特别地, ∣n∣→∞limf^(n)=0.
注
由黎曼–勒贝格引理以及
cosθ=2eiθ+e−iθ,sinθ=2ieiθ−e−iθ.
我们可以推出
λ→∞lim∫abf(x)cosλxdx=0,λ→∞lim∫abf(x)sinλxdx=0.
进而可以得到
n→∞liman=n→∞limbn=0.
下面研究 f(x)∈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)∼n∈Z∑f^(n)e(nx),
其中
f^(n)=∫01f(t)e(−nt)dt.
用
SN(x)=n=−N∑Nf^(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=−N∑Ne(nx)∫01f(t)e(−nt)dt=∫01f(t)n=−N∑Ne(n(x−t))dt=∫01f(t)DN(x−t)dt.
定义 狄利克雷核
上式中 DN(y):=n=−N∑Ne(ny) 称为狄利克雷核 (Dirichlet kernel).
首先, DN(y) 是以 1 为周期的偶函数.
y=0 时, 有 DN(0)=2N+1.
y∈(0,1) 时, 有
DN(y)=e(y)−1e(−Ny)(e((2N+1)y)−1)=e(2y)−e(−2y)e(22N+1y)−e(−22N+1y)=sin(πy)sin((2N+1)πy).
那么在上述部分和表达式中作变量替换 t↦x−t 可得
SN(x)=∫x−1xf(x−t)DN(t)dt.
又被积函数的周期是 1. 所以
SN(x)=∫021(f(x+t)+f(x−t))DN(t)dt.
此外, DN(t) 是偶函数.
∫021DN(t)dt=21∫−2121DN(t)dt=21n=−N∑N∫−2121e(nt)dt=21.
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 f 是以 1 为周期的函数并且 f∈R[0,1], 那么对给定的 x, f 的 Fourier 级数在点 x 处收敛于 s 当且仅当存在 δ>0 使得
N→∞lim∫0δ(f(x+t)+f(x−t)−2s)tsin((2N+1)πt)dt=0.
定理 迪尼判别法
设 f 是以 1 为周期的函数并且 f∈R[0,1], 如果对给定的 x 及 s, 存在 δ∈(0,1) 使得 tf(x+t)+f(x−t)−2s 是关于变量 t 的属于 R[0,δ] 的函数 (单独定义该函数在 0 处的值), 那么 f 的 Fourier 级数在 x 处收敛于 s.
定义
设 f(x) 在 x0 的邻域 (x0−δ,x0+δ) (事实上, 只要求去心邻域内) 内有定义, 若存在常数 L>0 及 α>0 使得对任意的 x∈(x0−δ,x0) 有
∣f(x)−f(x0−0)∣⩽L∣x−x0∣α,
且对任意的 x∈(x0,x0+δ) 有
∣f(x)−f(x0+0)∣⩽L∣x−x0∣α.
则称 f(x) 在 x0 附近满足**α 阶利普希茨条件**
注
上述定理中 f(x0−0) 和 f(x0+0) 分别表示 f(x) 在 x0 处的左/右极限.
注
一般而言, 我们不会去研究 α>1 时的情况, 因为当 α>1 时, 考虑
x−x0f(x)−f(x0)⩽L∣x−x0∣α−1,
当 x→x0 时, 右侧为 0 即 f′(x0)=0。由于 x0 任意,f 是常值函数。
推论
设 f 以 1 为周期且 f∈R[0,1],α∈(0,1]. 如果 f 在 x 的附近满足 α 阶利普希茨条件, 那么 f 的 Fourier 级数在 x 处收敛于 2f(x+0)+f(x−0). 特别地, 若 x 是 f 的连续点, 则 f 的 Fourier 级数在 x 处收敛于 f(x).
证明
考虑证明 s=2f(x+0)+f(x−0) 满足迪尼判别法的条件。
定义
设 f 是定义在 [a,b] 上的一个函数, 若存在 [a,b] 的一个分划
a=x0<x1<⋯<xn=b,
使得在每个子区间 [xj−1,xj] 上定义的函数
gj(x)=⎩⎨⎧f(xj−1+0),f(x),f(xj−0),x=xj−1,x∈(xj−1,xj)x=xj
均在 [xj−1,xj] 上可微, 则称 f 是 [a,b] 上的分段可微函数.
推论
设 f 是以 1 为周期且在 [0,1] 上分段可微的函数, 则 f 的 Fourier 级数在每个点 x 处均收敛于 2f(x+0)+f(x−0). 特别地, 若 f 满足以上条件且 x 是 f 的连续点, 则 f 的 Fourier 级数在 x 处收敛于 f(x).
例
n=1∑∞n2cos2πnx=π2(x2−x+61).
当 x=0 则有
ζ(2)=n=1∑∞n21=6π2.
n=1∑∞nsinn=2π−1.
费耶尔定理 #
定义
设 n=1∑∞un 是一个级数, 用 Sn 表示其部分和, 即 Sn=k=1∑nuk. 再记
σn=nS1+S2+⋯+Sn,
并称之为 n=1∑∞un 的第 n 个切萨罗和. 如果 {σn} 收敛, 则称 n=1∑∞un 是切萨罗可和的, 此时称 {σn} 的极限为 n=1∑∞un 的切萨罗和.
定理 费耶尔
设 f 是定义在 R 上的以 1 为周期的函数且 f 在 [0,1] 上黎曼可积, 又设 f 至多有第一类间断点, 则 f 的 Fourier 级数是切萨罗可和的, 且在 x 处的切萨罗和为
2f(x+0)+f(x−0).
特别地, 若 x 是连续点, 则 x 处的切萨罗和为 f(x).
注
定理 三角多项式一致逼近
设 f 是 [0,1] 上的连续函数且 f(0)=f(1), 则对任意的 ε>0, 存在三角多项式 P(x)=n=−N∑Ncne(nx) 使得
x∈[0,1]max∣f(x)−P(x)∣<ε
命题 Fourier 级数的唯一性
设 f,g 均是以 1 为周期的连续函数, 如果对任意的 n 有 f^(n)=g^(n), 那么 f=g.
均值定理 #
定义
设 f 是以 1 为周期的实值函数, 并且 f 在 [0,1] 上可积或者 f 在 [0,1] 上有有限多个奇点但反常积分 ∫01f(x)2dx 收敛, 我们把满足上述条件的 f 所成的集合记作 R2[0,1]. 值得一提的, R2[0,1]⊆R[0,1].
定理 Fourier 部分和的最佳平方逼近
设 f∈R2[0,1]。
- (1) 对任意的正整数 N 及复数 αn (−N⩽n⩽N) 有
∫01f(x)−n=−N∑Nαne(nx)2dx⩾∫01f(x)−n=−N∑Nf^(n)e(nx)2dx.
∫01f(x)−n=−N∑Nf^(n)e(nx)2dx=∫01f(x)2dx−n=−N∑N∣f^(n)∣2
注
注意辨别上述过程中每一项是实数还是复数,上式中 ∣x∣ 均表示复数的模长。
并利用 ∫01f(x)e(nx)dx=∫01f(x)e(−nx)dx=f^(n)。
2ℜαnf^(n)=αnf^(n)+αnf^(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
设 f∈R2[0,1],则对任意的非负整数 N 有
n=−N∑N∣f^(n)∣2⩽∫01f(x)2dx.
定理 Fourier 级数在积分均值意义下的收敛性
设 f∈R2[0,1],则有
N→∞lim∫01f(x)−n=−N∑Nf^(n)e(nx)2dx=0.
定理 帕塞瓦尔 (Parseval) 恒等式
设 f∈R2[0,1],则
n∈Z∑∣f^(n)∣2=∫01f(x)2dx.
如果用 an,bn 表示也即
∫01f(x)2dx=4a02+21n=1∑∞(an2+bn2).
例
利用前述例子及上述定理可得
∫−2121x4dx=1441+21n=1∑∞π4n41,
整理可得
ζ(4)=n=1∑∞n41=90π4.
注
类似的, 设 k∈Z⩾1. 通过考察以 1 为周期的函数
f(x)=xk,∀x∈[−21,21)
可以归纳的证明
ζ(2k)=2(2k)!(−1)k+1B2k(2π)2k
其中 Bn 是伯努利数.
定理 广义帕塞瓦尔恒等式
设 f,g 均是以 1 为周期的函数, 且 f,g∈R2[0,1], 则
n∈Z∑f^(n)g^(n)=∫01f(x)g(x)dx.
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