实分析

16.2 周期函数的内积

定义

  1. (16.2.1 内积)如果f,gC(R/Z;C),则我们定义**内积f,g**为:

    f,g:=[0,1]f(x)g(x)dx

    (注:为了计算一个复值函数f(x)=g(x)+ih(x)的积分,我们定义[a,b]f:=[a,b]g+i[a,b]h,也就是说分别对实部和虚部作积分。容易验证实值函数的全体微积分基本法则(分部积分法,微积分基本定理和变量替换法等)对复值函数同样成立;然后对于内积,我们需要说明的是上面的定义总是有效的,因为f,g都是连续且有界的函数。最后内积一般都是一个复数)

  2. (无编号 L2范数)从内积的正性出发,自然地我们可以对任意的函数fC(R/Z;C)定义它的**L2范数**f2为:

    f2:=f,f=([0,1]f(x)f(x)dx)1/2=([0,1]|f(x)|2dx)1/2

    因此对任意的f都有f20。范数f2有时被称为f均方根

    (注:L2范数与L范数之间存在某些联系,我们会在课后习题中揭示这一点)

  3. (无编号 L2度量)对任意的f,gC(R/Z;C),我们定义**L2度量**dL2:C(R/Z;C)×C(R/Z;C)R+有:

    dL2(f,g):=fg2=([0,1]|f(x)g(x)|2dx)1/2

    我们可以验证dL2确实是一个度量,这一部分讨论将放在习题16.2.2中进行。

    (注:事实上,L2度量与欧几里得空间上的l2度量非常相似,应当将它们放在一起作比较;依L2度量收敛不同于一致收敛与逐点收敛,这一点我们会在习题中说明;最后,L2度量的性质并不如L度量好,比如具有L2度量的度量空间C(R/Z;C)并不是完备的,但是使用L度量时是完备的)


命题

  1. (16.2.5 内积的性质?)f,g,hC(R/Z;C),那么有:

    1. (厄米特性质)g,f=f,g
    2. (正性)f,f0,更进一步地f,f=0当且仅当f=0(即对所有的xRf(x)=0)。
    3. (关于第一个变量的线性性质)f+g,h=f,h+g,h,对任意的复数ccf,g=cf,g
    4. (关于第二个变量的反线性性质)f,g+h=f,g+f,h,对任意的复数cf,cg=cf,g
  2. (16.2.7 L2范数的性质?)f,gC(R/Z;C),那么有:

    1. (非退化性)f2=0,当且仅当f=0
    2. (柯西-施瓦茨不等式)|f,g|f2g2
    3. (三角不等式)f+g2f2+g2
    4. (毕达哥拉斯定理)如果f,g=0,那么f+g22=f22+g22
    5. (齐次性)对任意的复数ccf2=|c|f2

    (注:根据毕达哥拉斯定理,我们有时称fg相互正交当且仅当f,g=0


课后习题

16.2.1 证明引理16.2.5(提示:(b)的最后一个部分可能会比较棘手,一个可能的方法是使用反证法,假设f不是零函数,然后证明[0,1]|f(x)|2dx是严格正的。如果使用这个方法,你或许需要利用到“f是连续的,从而|f|也是连续的”这一事实)

我们设f=f1+f2ig=g1+g2ih=h1+h2i,其中f1,f2,g1,g2,h1,h2都是实值函数。然后逐条证明:


  1. g,f=f,g

根据定义我们有:

g,f=[0,1](g1(x)+g2(x)i)(f1(x)f2(x)i)dx=[0,1](g1f1+f2g2)(x)dx+i[0,1](g2f1g1f2)(x)dx=[0,1](g1f1+f2g2)(x)dx+i[0,1](g1f2g2f1)(x)dx=[0,1](g1(x)g2(x)i)(f1(x)+f2(x)i)dx=f,g

于是结论得证。


  1. f,f0,更进一步地f,f=0当且仅当f=0(即对所有的xRf(x)=0)。

根据定义有:

f,f=[0,1]f(x)f(x)dx=[0,1]|f(x)|2dx

由于|f(x)|20对任意的xR都成立,因此根据实值函数积分的运算定律(命题11.4.1(d))我们显然有f,f0。然后对第二个命题,显然当f=0时有f,f=0,于是我们只需要证明f,f=0时有f=0

我们使用反证法,我们假设存在fC(R/Z;C)满足f0f,f=0。于是存在某个x0[0,1]使得f(x0)0。考虑到若有f连续则必有|f|2连续(结合习题13.2.3与命题13.2.3),因此|f|2也是连续的。于是设L=|f(x0)|2>0,由于|f|2连续,因此存在δ>0使得对任意的x[x0δ,x0+δ][0,1]都有||f(x)|2L|L/2,即|f(x)|2L/2>0

然后注意到由于x0[0,1],因此[x0δ,x0+δ][0,1]=[max(x0δ,0),min(x0+δ,1)]不可能是一个长度为0的区间(注意到min(x0δ,0)x0max(x0+δ,1)的两个等于号不可能同时成立),于是我们不妨将它写成[a,b](其中a<b)。然后考虑一个包含[a,b]的划分P,根据黎曼积分的定义我们有:

[0,1]|f(x)|2dxIP(infxIf(x))|I|L2(ba)+IP;I[a,b]0|I|>0

也即f,f>0,这导出了矛盾。于是反证结束,反证假设不成立,若有f,f=0则必然有f=0

综上,于是结论得证。


  1. f+g,h=f,h+g,h,对任意的复数ccf,g=cf,g

c=a+bia,bR),我们先证明两个积分的运算定律再来证明这个命题,记号沿用上面的记号:

结论:设f,gCR满足f1,f2,g1,g2都在[0,1]上黎曼可积且c是复数,则有:

[0,1](f+g)=[0,1]f+[0,1]g[0,1]cf=c[0,1]f

证明:

根据定义有:

[0,1](f+g)=[0,1](f1+g1)+i[0,1](f2+g2)=([0,1]f1+i[0,1]f2)+([0,1]g1+i[0,1]g2)=[0,1]f+[0,1]g[0,1]cf=[0,1](a+ib)(f1+if2)=[0,1](af1bf2)+i[0,1](af2+bf1)=a[0,1]f1b[0,1]f2+i(a[0,1]f2+b[0,1]f1)=(a+bi)([0,1]f1+i[0,1]f2)=c[0,1]f

于是结论得证。

利用上面证明的积分运算定律,我们有:

f+g,h=[0,1](f(x)+g(x))h(x)dx=[0,1]f(x)h(x)+g(x)h(x)dx=[0,1]f(x)h(x)dx+[0,1]g(x)h(x)dx=f,h+g,hcf,h=[0,1]cf(x)h(x)dx=c[0,1]f(x)h(x)dx=cf,h

于是结论得证。


  1. f,g+h=f,g+f,h,对任意的复数cf,cg=cf,g

同样利用证明结论(c)时使用的运算定律,我们有:

f,g+h=[0,1]f(x)(g(x)+h(x))dx=[0,1]f(x)g(x)+f(x)h(x)dx=[0,1]f(x)g(x)dx+[0,1]f(x)h(x)dx=f,g+f,hcf,h=[0,1]f(x)ch(x)dx=[0,1]f(x)ch(x)dx=c[0,1]f(x)h(x)dx=cf,h

于是结论得证。

16.2.2 证明:C(R/Z;C)上的L2度量dL2的确使C(R/Z;C)成为一个度量空间(参见习题12.1.6

于是需要证明:

  • 对任意的fC(R/Z;C),都有dL2(f,f)=0

    显然有:

    dL2(f,f)=ff2=([0,1]|0|2dx)1/2=0

    此条件总是满足的。

  • 对任意不同的f,gC(R/Z;C),都有dL2(f,g)>0

    由于f,g不同,因此至少存在一个x0[0,1]使得f(x0)g(x0)fg0。注意到fgC(R/Z;C)(命题16.1.5(b)),因此根据命题16.2.5(b)我们知道有:

    dL2(f,g)=fg2=fg,fg1/2>0

    此条件总是满足的。

  • 对任意的f,gC(R/Z;C),都有dL2(f,g)=dL2(f,g)

    根据命题16.2.5(c),(d)有:

    fg,fg=(1)gf,fg=(1)(1)gf,gf=gf,gf

    因此根据定义有:

    dL2(f,g)=fg,fg=gf,gf=dL2(f,g)

    此条件总是满足的。

  • 对任意的f,g,hC(R/Z;C),都有dL2(f,h)dL2(f,g)+dL2(g,h)

    我们先证明一个子结论:

    结论:设a:RRb:RR都是[0,1]上非负的黎曼可积函数,那么有:

    ([0,1]ab)2[0,1]a2[0,1]b2

    证明:

    aba2b2显然都是在[0,1]上黎曼可积的函数,因此我们只需要讨论其下黎曼积分就等价于讨论黎曼积分。根据定义,对任意[0,1]的划分P,设f,g是分别是从上方控制a,b的关于划分P的分段常数函数(于是它们也都是非负的,我们分别用fI,gI表示f,g在区间I上的常数值)。此时根据柯西-施瓦茨不等式(习题12.1.5)我们有:

    (IPfIgI|I|)2(IPfI2|I|)(IPgI2|I|)

    (考虑替换aI=fI|I|bI=gI|I|

    注意到fg是从上方控制ab的分段常数函数,从而根据上黎曼积分的定义,我们可以将上面的结论引申为:

    ([0,1]ab)2(IPfI2|I|)(IPgI2|I|)

    也即([0,1]ab)2是集合S的一个下界:

    S:={(IPfI2|I|)(IPgI2|I|):f,ga,bP}

    再依据上黎曼积分的定义,我们可以得到如下事实:

    • [0,1]a2[0,1]b2也是S的一个下界。

      因为对于满足要求的分段常数函数f,g分别有:

      [0,1]a2IPfI2|I|[0,1]b2IPgI2|I|

      成立。

    • 对任意的M>[0,1]a2[0,1]b2M都不是S的下界。

      我们考虑取ε>0同时满足:

      ε<[0,1]a2+[0,1]b2ε<M[0,1]a2[0,1]b22([0,1]a2+[0,1]b2)

      然后根据上黎曼积分是下确界的性质,我们知道存在f,g是从上方控制a,b的分段常数函数满足:

      IPfI2|I|[0,1]a2+εIPgI2|I|[0,1]b2+ε

      从而即:

      s=(IPfI2|I|)(IPgI2|I|)([0,1]a2+ε)([0,1]b2+ε)=[0,1]a2[0,1]b2+ε([0,1]a2+[0,1]b2+ε)<[0,1]a2[0,1]b2+M[0,1]a2[0,1]b22([0,1]a2+[0,1]b2)2([0,1]a2+[0,1]b2)=M

      于是存在sS使得s<MM不是S的一个下界。

    综上即[0,1]a2[0,1]b2S的下确界,因此必然有下界([0,1]ab)2[0,1]a2[0,1]b2,把这个结论改写为黎曼积分就得到了我们需要的子结论

    根据定义,于是我们可以将这个不等式转变成积分的形式(左右取平方),即要证明:

    [0,1]|fh|2[0,1]|fg|2+[0,1]|gh|2+2([0,1]|fg|2[0,1]|gh|2)1/2

    我们记上面不等式右端为expr1。注意到绝对值的三角不等式,对任意的xR有:

    |(fh)(x)||(fg)(x)|+|(gh)(x)||(fh)(x)|2|(fg)(x)|2+2|(fg)(gh)(x)|+|(gh)(x)|2

    于是对根据实值函数的积分定律有:

    [0,1]|fh|2[0,1]|fg|2+[0,1]|gh|2+2[0,1]|fg||gh|

    记上面不等式右端为expr2。运用上面的辅助结论有[0,1]|fg||gh|([0,1]|fg|2[0,1]|gh|2)1/2,因此我们可以得到:

    [0,1]|fh|2expr2expr1

    于是题目的三角不等式得证,此条件总是满足的。

综上,于是(C(R/Z;C),dL2)确实是一个度量空间。


题外话:写题的时候没看到L2度量的定义在引理16.2.7后面,三角不等式的证明可以直接用引理16.2.7解决方便快捷,上面的内容仅作参考。

16.2.3 设fC(R/Z;C)是一个非零函数。证明:0<f2f。反过来,设0<AB都是实数,证明:存在一个非零函数fC(R/Z;C)使得f2=Af=B(提示:设gC(R/Z;C)中一个非负实值函数,并且g不是常数函数,然后考察形如f=(c+dg)1/2的函数f,其中c,d>0是实值常数)

如果我们考虑定义常数函数g:RRg(x):=supy[0,1]f(y)=f,于是对任意的x[0,1]我们总是有|f(x)|2|g(x)|2,从而根据积分的运算定律我们有:

[0,1]|f|2[0,1]|g|2f2f2|[0,1]|=f

然后由于f不是零函数因此根据命题12.2.5我们有f2>0,综合即第一个结论得证。

然后证明第二个结论。考虑函数gC(R/Z;C),然后考虑令有常数c,d>0,并令f=(c+dg)1/2(显然f属于C(R/Z;C))。我们希望有:

{f=Bf2=A{supx[0,1](c+dg(x))1/2=B(1)[0,1]c+dg=A2(2)

对条件(1),根据最大值原理我们知道g必然在某个xmax[0,1]处达到最大值,由于c,d>0因此f也是在xmax处达到最大值(c+dg(xmax))1/2;对于条件(2),我们可以直接计算得到[0,1]c+dg=c+d[0,1]g。从而上面的条件可以变为:

{c+dg(xmax)=B2c+([0,1]g)d=A2{d=B2A2g(xmax)[0,1]gc=g(xmax)A2B2[0,1]gg(xmax)[0,1]g

B2A2g(xmax)[0,1]g是显然的,于是只要g满足g(xmax)A2B2[0,1]g>0,那么我们就可以通过上面的推论过程得到对应的c,d>0与对应满足f=Bf2=A的函数f

于是考虑定义g[0,1]上有:

g(x):={xB2A2ifx[0,0.5)(1x)B2A2ifx[0.5,1]

显然gC(R/Z;C),且g0.5处有最大值。于是有:

g(xmax)[0,1]g=(B2A2+1)0.5B2A220.5B2A2+1=B2A2+1>B2A2

正是我们所需要的函数,可以计算对应的题目所需要的函数f为:

f(x):=(A4B2+B4A4B22B2A2g(x))1/2x[0,1]

可以验证这个f是满足题目要求的函数。

16.2.4 证明引理16.2.7(提示:反复利用引理16.2.5。对于柯西-施瓦茨不等式,从正性f,f0入手,你或许需要考虑函数fg22f,gg,然后利用引理16.2.5进行化简。对g2=0的情况你或许需要单独考察,利用柯西-施瓦茨不等式去证明三角不等式)

逐条证明:


  1. f2=0,当且仅当f=0

根据引理16.2.5我们有f,f=0当且仅当f=0,从而f2=f,f=0当且仅当f=0


  1. |f,g|f2g2

对任意的f,gC(R/Z,C),考虑定义函数h=fg22f,ggC(R/Z,C)。由于内积的正性有h,h0,也即有:

fg22f,gg,fg22f,gg=fg22,fg22f,ggf,gg,fg22f,gg=fg22,fg22fg22,f,ggf,gg,fg22+f,gg,f,gg=g24f22g22g,ff,gf,gg22g,f+f,gg,fg22=g24f22g22|f,g|20

注意到L2范数的正性,g非零(也即g20,结论(a))的情况下可以约去g22,即:

g22f22|f,g|20g22f22|f,g|2

而对g=0的情况,可以直接验证柯西施瓦茨不等式左右两端都是0,此时显然成立。


  1. f+g2f2+g2

注意到有:

f+g22=f+g,f+g=f,f+g,f+f,g+g,g=f22+g22+f,g+f,g=f22+g22+2R(f,g)f22+g22+2|f,g|

然后根据结论(b),上面的内容可以进一步引申为:

f+g22f22+g22+2|f,g|f22+g22+2f2g2=(f2+g2)2

由于范数都是正数,因此上面的不等式等价于f+g2f2+g2


  1. 如果f,g=0,那么f+g22=f22+g22

同结论(c)的证明,不过在中间由f,g=0有:

f+g22=f,f+g,f+f,g+g,g=f22+g22
  1. 对任意的复数ccf2=|c|f2

根据L2范数定义与引理16.2.5(c),(d)可以直接计算有:

f22=cf,cf=ccf,f=|c|2f,f=|c|f,f=|c|f2

综上,于是结论得证。

16.2.5 找出一个连续周期函数的序列,使得该序列依L2度量收敛于一个不连续的周期函数(提示:试试收敛于方波函数)

对任意的n1,定义fnC(R/Z;C)[0,1)上有:

fn(x):={0.5+0.5(4x)1/nifx[0,0.25)0.5+0.5(24x)1/nifx[0.25,0.5)0.50.5(4x2)1/nifx[0.5,0.75)0.50.5(44x)1/nifx[0.75,1)

然后考虑Z周期函数f:RC[0,1)上有:

fn(x):={0.5ifx=0,0.51ifx(0,0.5)0ifx(0.5,1)

对任意的n1,运用变量替换法可以计算有:

dL2(fn,f)=([0,1]|ffn|2)1/2=22(00.25(1(4x)1/n)2dx+0.250.5(1(24x)1/n)2dx+0.50.75(1(4x2)1/n)2dx+0.751(1(44x)1/n)2dx)1/2=(01(1y1/n)2dx)1/2=(22+3n+n2)1/22n

从而对任意的ε>0,根据阿基米德性质可知存在N1使得2N<ε,从而对任意的nN都有dL2(fn,f)<ε,于是(fn)n=1L2度量收敛于f,但是f显然是一个不连续的Z周期函数。


话说不在C(R/Z;C)内的函数按定义不应该有dL2度量,有点怪。

16.2.6 设fC(R/Z;C),并设(fn)n=1C(R/Z;C)中的函数序列:
(a) 证明:如果fn一致收敛于f,那么fn也依L2度量收敛于f

fn一致收敛于f,则对任意的ε>0,存在N1使得对任意的nN与全体xR都有|fn(x)f(x)|ε。考虑到f,fn都是Z周期函数,因此我们只需要用到x[0,1]上的结论。此时根据L2度量的定义我们有:

dL2(fn,f)=ffn2=([0,1]|fnf|2)1/2([0,1]ε2)1/2=ε

从而上面的结论即:对任意的ε>0,存在N1使得对任意的nN与都有dL2(fn,f)ε,也即fn也依L2度量收敛于f

(b) 举例:存在序列fnL2度量收敛于f,但不一致收敛于f(提示:取f=0,并试着让函数列fn有较大的上确界范数)

f=0,对任意的n0,考虑fn有:

fn(x):={(2x)nifx[0,0.5)(22x)nifx[0.5,1)

于是显然有:

dL2(fn,f)=([0,1]|fnf|2)1/2=12n+1

因此显然有fnL2度量收敛于f,但是又有:对ε=0.5>0,对任意的n1都存在0.5R|fn(0.5)f(0.5)|=1>0.5。于是直接依据一致收敛的定义我们知道fn不是一致收敛于f的。

(c) 举例:存在序列fnL2度量收敛于f,但不逐点收敛于f(提示:取f=0,并试着让函数列fn在某一点处较大)

同样用题(b)中的例子,注意到对0.5limnfn(0.5)=10(f(0.5)),从而即fn也不是逐点收敛于f的。

(d) 举例:存在序列fn逐点收敛于f,但不依L2度量收敛于f(提示:取f=0,并试着让函数列fn有较大的L2范数)

f=0,对任意的n0,考虑fn[0,1)上有:

fn(x):={2n+2(x2n1)ifx[2n1,2n1+2n2)2n+2(2nx)ifx[2n1+2n2,2n)0else

显然,对任意的x(0,1),我们总是能找到N1使得2n<x(也即x[2n1,2n))对任意的nN都成立。从而有:

limnfn(x)=limn0=f(x)

x=0处同样也可以验证limnfn(x)=limn0=f(x),于是这个结论在整个[0,1)上都成立。将利用fn,f都是周期函数,我们将[0,1)上的结论推广到整个R上即有fn逐点收敛于f。但是另一方面,我们可以计算有:

dL2(fn,f)=([0,1]|fnf|2)1/2=1

从而fn不可能依L2度量收敛于f,于是结论得证。


本节相关跳转

实分析 12.1 定义和例子