实分析

16.3 三角多项式

摘录

  1. (傅里叶反演公式)由推论16.3.6可知,只要f=n=NNcnen是一个三角多项式,那么就有:

    f=n=NNf,enen=n=f,enen

    从而我们可以得到傅里叶反演公式

    f=n=f^(n)en=n=f^(n)e2πinx

    上式右端即为本章前言中提到的f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

    f22=n=NN|f^(n)|2

    需要注意上面的结论都只是在f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f^(n)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L2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C(R/Z;C)中的一般函数上)


定义

  1. (16.3.1 特征)对于每一个整数n,令enC(R/Z;C)表示函数:

    en(x):=e2πinx

    该函数有时也被称为频率为n的特征

  2. (16.3.2 三角多项式)fC(R/Z;C)中的函数。如果存在一个整数N0和一个复数序列(cn)n=NN使得f=n=NNcnen,则我们称函数f是一个三角多项式(注:一些常见的例子:对任意的整数n,函数cos(2πnx)=12en+12ensin(2πnx)=12ien+12ien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)

  3. (16.3.7 傅里叶变换)对于任意的函数fC(R/Z;C)和任意的整数nZ,我们定义fn个傅里叶系数f^(n)为:

    f^(n):=f,en=[0,1]f(x)e2πinxdx

    函数f^:ZC被称为f傅里叶变换


命题

  1. (16.3.5 全体特征构成一个标准正交系)对于任意的整数nm,当n=m时,en,em=1;当nm时,en,em=0。同时还有en2=1

    推论:

    1. (16.3.6 三角多项式的系数?)f=n=NNcnen是一个三角多项式,那么对于所有的整数NnN,有如下公式:cn=f,en另外,只要n>N或者n<N,我们就有0=f,en。最后,我们还有恒等式:f22=n=NN|cn|2

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f=n=NNaneng=m=MMbmem是三角多项式(于是N,MZ是非负整数,(an)n=NN(bn)n=MM都是有限的复数序列)。不失一般性地,我们假设NM。此时有:


f+g=n=NNanen+n=MM(an+bn)en+n=MNanen

如果我们考虑定义复数序列(cn)n=NN有:

cn:={anifM<|n|Nan+bnif0|n|M

则可以直接合并有:

f+g=n=NNcnen

f+g也是一个三角多项式。


fg=(n=NNanen)(m=MMbnen)=n=NN(anenm=MMbmem)=n=NNm=MManbmenem=(n,m)Sanbmenem(S:=[N,N]×[M,M]Z2)

注意到有下面的事实:

enem=e2πinxe2πimx=e2πi(n+m)x=en+mS={(n,m)Z2:|n|N|m|N}=NMiN+M{(n,m)S:n+m=i}

据此我们合并这个有限级数中的部分项(n+m值相同的项),可以得到:

(n,m)Sanbmenem=(n,m)Sanbmen+m=i=NMN+M((n,m)S;n+m=ianbmen+m)=i=NMN+M((n,m)S;n+m=ianbm)ei

此时我们令有ci:=(n,m)S;n+m=ianbm,则上面的式子即fg=i=NMN+Mciei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n,m,根据内积定义有:

en,em=[0,1]e2πinxe2πimxdx=[0,1]e2πi(nm)xdx=[0,1]cos(2π(nm)x)dx+i[0,1]sin(2π(nm)x)dx

n=m的时候,上面的积分变为简单的常数函数积分(cos(2π(nm)x)1sin(2π(nm)x)0),可以直接计算得到en,em=1;当nm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:

en,em=sin(2π(nm))sin(0)2π(nm)+icos(2π(nm))+cos(0)2π(nm)=0+i0=0

特别地,我们有en2=en,em=1。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f=n=NNcnen并展开所有的表达式)

我们对N做归纳来证明这个推论。

考虑N=0的情况,此时f=c0是某个常数函数,唯一满足0m0的整数是0。于是显然可以验证有f,e0=c0f22=|c0|2,并且对任意的m>0m<0,根据引理16.3.5我们都有:

f,em=c0e0,em=c0e0,em=0

然后我们归纳地假设当N=a时结论成立,对N=a+1时的情况讨论,此时有:

f=n=a1a+1cnen=ca1ea1+n=aacnen+ca+1ea+1

令有g:=n=aacnen,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:

f,em=ca1ea1,em+g,em+ca+1ea+1,em={ca1ifm=a1cmifamaca+1ifm=a+10elsef22=f,f=(ca1ea1+g+ca+1ea+1),(ca1ea1+g+ca+1ea+1)=ca1ea1,ca1ea1+ca1ea1,g+ca1ea1,ca+1ea+1+g,ca1ea1+g,g+g,ca+1ea+1+ca+1ea+1,ca1ea1+ca+1ea+1,g+ca+1ea1,ca+1ea+1=|ca1|2+n=aa|cn|2+|ca+1|2=n=a1a+1|cn|2(n=NN|cn|2)

从而归纳得证,对任意的自然数N我们证明了推论16.3.6。


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