16.2 周期函数的内积
定义
(16.2.1 内积)如果
,则我们定义**内积 **为: (注:为了计算一个复值函数
的积分,我们定义 ,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 都是连续且有界的函数。最后内积一般都是一个复数) (无编号
范数)从内积的正性出发,自然地我们可以对任意的函数 定义它的** 范数** 为: 因此对任意的
都有 。范数 有时被称为 的均方根。 (注:
范数与 范数之间存在某些联系,我们会在课后习题中揭示这一点) (无编号
度量)对任意的 ,我们定义** 度量** 有: 我们可以验证
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,
度量与欧几里得空间上的 度量非常相似,应当将它们放在一起作比较;依 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, 度量的性质并不如 度量好,比如具有 度量的度量空间 并不是完备的,但是使用 度量时是完备的)
命题
(16.2.5 内积的性质?)设
,那么有: - (厄米特性质)
。 - (正性)
,更进一步地 当且仅当 (即对所有的 有 )。 - (关于第一个变量的线性性质)
,对任意的复数 有 。 - (关于第二个变量的反线性性质)
,对任意的复数 有 。
- (厄米特性质)
(16.2.7
范数的性质?)设 ,那么有: - (非退化性)
,当且仅当 。 - (柯西-施瓦茨不等式)
。 - (三角不等式)
。 - (毕达哥拉斯定理)如果
,那么 。 - (齐次性)对任意的复数
有 。
(注:根据毕达哥拉斯定理,我们有时称
与 相互正交当且仅当 ) - (非退化性)
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 不是零函数,然后证明 是严格正的。如果使用这个方法,你或许需要利用到“ 是连续的,从而 也是连续的”这一事实)
我们设
, 和 ,其中 都是实值函数。然后逐条证明:
。 根据定义我们有:
于是结论得证。
,更进一步地 当且仅当 (即对所有的 有 )。 根据定义有:
由于
对任意的 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 。然后对第二个命题,显然当 时有 ,于是我们只需要证明 时有 。 我们使用反证法,我们假设存在
满足 且 。于是存在某个 使得 。考虑到若有 连续则必有 连续(结合习题13.2.3与命题13.2.3),因此 也是连续的。于是设 ,由于 连续,因此存在 使得对任意的 都有 ,即 。 然后注意到由于
,因此 不可能是一个长度为 的区间(注意到 的两个等于号不可能同时成立),于是我们不妨将它写成 (其中 )。然后考虑一个包含 的划分 ,根据黎曼积分的定义我们有: 也即
,这导出了矛盾。于是反证结束,反证假设不成立,若有 则必然有 。 综上,于是结论得证。
,对任意的复数 有 。 设
( ),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
满足 都在 上黎曼可积且 是复数,则有: 证明:
根据定义有:
于是结论得证。
利用上面证明的积分运算定律,我们有:
于是结论得证。
,对任意的复数 有 。 同样利用证明结论(c)时使用的运算定律,我们有:
于是结论得证。
16.2.2 证明: 上的 度量 的确使 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
,都有 。 显然有:
此条件总是满足的。
对任意不同的
,都有 。 由于
不同,因此至少存在一个 使得 。注意到 (命题16.1.5(b)),因此根据命题16.2.5(b)我们知道有: 此条件总是满足的。
对任意的
,都有 。 根据命题16.2.5(c),(d)有:
因此根据定义有:
此条件总是满足的。
对任意的
,都有 。 我们先证明一个子结论:
结论:设
与 都是 上非负的黎曼可积函数,那么有: 证明:
, , 显然都是在 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 的划分 ,设 是分别是从上方控制 的关于划分 的分段常数函数(于是它们也都是非负的,我们分别用 表示 在区间 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: (考虑替换
与 ) 注意到
是从上方控制 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: 也即
是集合 的一个下界: 再依据上黎曼积分的定义,我们可以得到如下事实:
也是 的一个下界。 因为对于满足要求的分段常数函数
分别有: 成立。
对任意的
, 都不是 的下界。 我们考虑取
同时满足: 然后根据上黎曼积分是下确界的性质,我们知道存在
是从上方控制 的分段常数函数满足: 从而即:
于是存在
使得 , 不是 的一个下界。 综上即
是 的下确界,因此必然有下界 ,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:
我们记上面不等式右端为
。注意到绝对值的三角不等式,对任意的 有: 于是对根据实值函数的积分定律有:
记上面不等式右端为
。运用上面的辅助结论有 ,因此我们可以得到: 于是题目的三角不等式得证,此条件总是满足的。
综上,于是
确实是一个度量空间。 题外话:写题的时候没看到
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 是一个非零函数。证明: 。反过来,设 都是实数,证明:存在一个非零函数 使得 且 (提示:设 是 中一个非负实值函数,并且 不是常数函数,然后考察形如 的函数 ,其中 是实值常数)
如果我们考虑定义常数函数
有 ,于是对任意的 我们总是有 ,从而根据积分的运算定律我们有: 然后由于
不是零函数因此根据命题12.2.5我们有 ,综合即第一个结论得证。 然后证明第二个结论。考虑函数
,然后考虑令有常数 ,并令 (显然 属于 )。我们希望有: 对条件
,根据最大值原理我们知道 必然在某个 处达到最大值,由于 因此 也是在 处达到最大值 ;对于条件 ,我们可以直接计算得到 。从而上面的条件可以变为:
与 是显然的,于是只要 满足 ,那么我们就可以通过上面的推论过程得到对应的 与对应满足 与 的函数 。 于是考虑定义
在 上有: 显然
,且 在 处有最大值。于是有: 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
为: 可以验证这个
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 入手,你或许需要考虑函数 ,然后利用引理16.2.5进行化简。对 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:
,当且仅当 。 根据引理16.2.5我们有
当且仅当 ,从而 当且仅当 。
。 对任意的
,考虑定义函数 。由于内积的正性有 ,也即有: 注意到
范数的正性, 非零(也即 ,结论(a))的情况下可以约去 ,即: 而对
的情况,可以直接验证柯西施瓦茨不等式左右两端都是 ,此时显然成立。
。 注意到有:
然后根据结论(b),上面的内容可以进一步引申为:
由于范数都是正数,因此上面的不等式等价于
。
- 如果
,那么 。 同结论(c)的证明,不过在中间由
有:
- 对任意的复数
有 。 根据
范数定义与引理16.2.5(c),(d)可以直接计算有: 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 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
,定义 在 上有: 然后考虑
周期函数 在 上有: 对任意的
,运用变量替换法可以计算有: 从而对任意的
,根据阿基米德性质可知存在 使得 ,从而对任意的 都有 ,于是 依 度量收敛于 ,但是 显然是一个不连续的 周期函数。 话说不在
内的函数按定义不应该有 度量,有点怪。
16.2.6 设 ,并设 是 中的函数序列:
(a) 证明:如果 一致收敛于 ,那么 也依 度量收敛于
若
一致收敛于 ,则对任意的 ,存在 使得对任意的 与全体 都有 。考虑到 都是 周期函数,因此我们只需要用到 上的结论。此时根据 度量的定义我们有: 从而上面的结论即:对任意的
,存在 使得对任意的 与都有 ,也即 也依 度量收敛于 。
(b) 举例:存在序列 依 度量收敛于 ,但不一致收敛于 (提示:取 ,并试着让函数列 有较大的上确界范数)
取
,对任意的 ,考虑 有: 于是显然有:
因此显然有
依 度量收敛于 ,但是又有:对 ,对任意的 都存在 有 。于是直接依据一致收敛的定义我们知道 不是一致收敛于 的。
(c) 举例:存在序列 依 度量收敛于 ,但不逐点收敛于 (提示:取 ,并试着让函数列 在某一点处较大)
同样用题(b)中的例子,注意到对
有 ,从而即 也不是逐点收敛于 的。
(d) 举例:存在序列 逐点收敛于 ,但不依 度量收敛于 (提示:取 ,并试着让函数列 有较大的 范数)
取
,对任意的 ,考虑 在 上有: 显然,对任意的
,我们总是能找到 使得 (也即 )对任意的 都成立。从而有: 在
处同样也可以验证 ,于是这个结论在整个 上都成立。将利用 都是周期函数,我们将 上的结论推广到整个 上即有 逐点收敛于 。但是另一方面,我们可以计算有: 从而
不可能依 度量收敛于 ,于是结论得证。