16.3 三角多项式
摘录
(傅里叶反演公式)由推论16.3.6可知,只要是一个三角多项式,那么就有:
从而我们可以得到傅里叶反演公式:
上式右端即为本章前言中提到的的傅里叶级数。另外,结合推论16.3.6的第二个恒等式,我们有Plancherel公式:
需要注意上面的结论都只是在是一个三角多项式的情况下得到的。事实上,这里的绝大多数傅里叶系数都是零,这里的无限和实际上也是一个有限和,因此不存在收敛的讨论(有限级数总是一致收敛的,也即逐点收敛和依度量收敛的)。
(注:在后面的章节中,如同在幂级数章节所做的那样,我们希望用三角多项式去一致逼近连续的周期函数,并将傅里叶反演公式和Plancherel公式推广到中的一般函数上)
定义
(16.3.1 特征)对于每一个整数,令表示函数:
该函数有时也被称为频率为的特征。
(16.3.2 三角多项式)设是中的函数。如果存在一个整数和一个复数序列使得,则我们称函数是一个三角多项式。 (注:一些常见的例子:对任意的整数,函数和都是三角多项式。事实上,正弦余弦函数的任意线性组合都是三角多项式;傅里叶级数与三角多项式的关系同幂级数与多项式的关系类似,可以进行类比)
(16.3.7 傅里叶变换)对于任意的函数和任意的整数,我们定义的第个傅里叶系数为:
函数被称为的傅里叶变换。
命题
(16.3.5 全体特征构成一个标准正交系)对于任意的整数和,当时,;当时,。同时还有。
推论:
- (16.3.6 三角多项式的系数?)设是一个三角多项式,那么对于所有的整数,有如下公式:另外,只要或者,我们就有。最后,我们还有恒等式:
课后习题
16.3.1 证明:任意两个三角多项式的和以及乘积也都是三角多项式
我们设与是三角多项式(于是是非负整数,与都是有限的复数序列)。不失一般性地,我们假设。此时有:
如果我们考虑定义复数序列有:
则可以直接合并有:
即也是一个三角多项式。
注意到有下面的事实:
据此我们合并这个有限级数中的部分项(值相同的项),可以得到:
此时我们令有,则上面的式子即是一个三角多项式,于是结论得知。
16.3.2 证明引理16.3.5
对任意的整数,根据内积定义有:
当的时候,上面的积分变为简单的常数函数积分(和),可以直接计算得到;当的时候,使用微积分第二基本定理(命题11.9.4)我们可以得到:
特别地,我们有。综上,于是结论得证。
16.3.3 证明推论16.3.6(提示:利用引理16.3.5。对于第二个恒等式,既可以利用毕达哥拉斯定理(引理16.2.7(d))和归纳法,也可以代入并展开所有的表达式)
我们对做归纳来证明这个推论。
考虑的情况,此时是某个常数函数,唯一满足的整数是。于是显然可以验证有与,并且对任意的或,根据引理16.3.5我们都有:
然后我们归纳地假设当时结论成立,对时的情况讨论,此时有:
令有,于是根据内积的运算定律(命题16.2.5),结合归纳假设我们有:
从而归纳得证,对任意的自然数我们证明了推论16.3.6。
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实分析 16.2 周期函数的内积