实分析

16.5 傅里叶定理和Plancherel定理

命题

  1. (16.5.1 傅里叶定理)对于任意的fC(R/Z;C),级数n=f^(n)en都依L2度量收敛于f。换言之有:

    limNfn=NNf^(n)en2=0

    (注:证明见原书,主要是内积运算与魏尔斯特拉斯第二逼近定理的运用;需要注意的是,这个结论并不能直接简单地推广给逐点收敛和一致收敛,原书中给出了一个简单的结论:额外假定f可微可以将结论推广到逐点收敛;额外假定f二次连续可微可以将结论推广到一致收敛(证明自然是没有的,可能可以找本三角分析的书看看啥的))

  2. (16.5.3 一致收敛的加强?)fC(R/Z;C),如果级数n=|f^(n)|是绝对收敛的,那么级数n=f^(n)en就一致收敛于f。换言之,我们有:

    limNfn=NNf^(n)en=0

    (注:给出了一个增强傅里叶定理的条件,毕竟一般一致收敛总是比依L2度量收敛更好的)

  3. (16.5.4 Plancherel定理)fC(R/Z;C),级数n=|f^(n)|2是绝对收敛的,并且:

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

    (注:也称为帕塞瓦尔定理,感觉比起Plancherel定理也没好记到哪去)


课后习题

16.5.1 设fC(R/Z;C)中的函数,并且把三角傅里叶系数anbn(其中n=0,1,2,3,...)定义为
an:=2[0,1]f(x)cos(2πnx)dxbn:=2[0,1]f(x)sin(2πnx)dx
(a) 证明:级数
12a0+n=1(ancos(2πnx)+bnsin(2πnx))
L2度量收敛于f(提示:利用傅里叶定理,并把指数函数分解为正弦和余弦函数,把正的n项和负的n项合起来)

根据傅里叶定理,我们知道对任意的ε>0存在N00使得对任意的NN0有:

fn=NNf^(n)en2<ε

注意到en=e2πinx=cos(2πnx)+isin(2πnx)en=e2πinx=cos(2πnx)isin(2πnx),因此我们合并n的绝对值相等的项,可以将这个级数变换有:

n=NNf^(n)en=f^(0)e0+n=1N[f^(n)en+f^(n)en]=f^(0)+n=1N[(f^(n)+f^(n))cos(2πnx)+i(f^(n)f^(n))sin(2πnx)]=f,1+n=1N[2f,en+en2cos(2πnx)+2f,enen2isin(2πnx)]

(用到了傅里叶系数的定义与内积的运算法则,详情见定义16.3.7与命题16.2.5)

再结合三角函数的定义cos(2πnx)=e2πnix+e2πnix2=en+en2sin(2πnx)=e2πnixe2πnix2i=enen2i与内积的定义,可以继续化简有:

n=NNf^(n)en=12(2[0,1]f(y)dy)+n=1N[(2[0,1]f(y)cos(2πny)dy)cos(2πnx)+(2[0,1]f(y)sin(2πny)dy)sin(2πnx)]=12a0+n=1(ancos(2πnx)+bnsin(2πnx))

从而傅里叶定理事实上等价于题目结论,因此结论成立。

(b) 证明:如果n=1ann=1bn都是绝对收敛的,那么上述级数不仅依L2度量收敛于f,还一致收敛于f(提示:利用定理16.5.3)

由于n=1ann=1bn都是绝对收敛的,因此级数n=1|an|+|bn|也是绝对收敛的。然后注意到在(a)的证明中事实上我们已经得到了f^(n)=anibnf^(n)=an+ibnn1),因此对任意的N1,我们有:

n=NN|f^(n)|=n=N1|f^(n)|+|f^(0)|+n=1N|f^(n)|=|f^(0)|+n=1N|f^(n)|+|f^(n)||f^(0)|+2n=1N|an|+|bn|

(注意复数的绝对值总是小于虚部与实部绝对值之和)

从而根据比较判别法,我们可以得到n=|f^(n)|也是绝对收敛的,从而利用定理16.5.3我们可以得到傅里叶级数n=f^(n)en一致收敛于f;而在(a)的证明里我们阐述了傅里叶级数事实上与题目给出的级数是等价的,因此可以引申为题目的级数是一致收敛于f的。

16.5.2 当x[0,1)时,函数f(x)被定义为f(x)=(12x)2,并且f(x)按照Z周期延拓到整个实直线上
(a) 利用习题16.5.1证明:级数
13+n=14π2n2cos(2πnx)
一致收敛于f

根据习题16.5.1,我们尝试计算f对应的每个anbnn1):

a0=2[0,1]f(x)dx=[x2x2+43x3]|01=23an=2[0,1]f(x)cos(2πnx)dx=4π2n2bn=2[0,1]f(x)sin(2πnx)dx=0

(用两次分部积分可以计算,有点长就不写了)

从而即有级数:

1223+n=14π2n2cos(2πnx)=13+n=14π2n2cos(2πnx)

L2度量收敛于f,再注意到n=1an=4π2n=11n2n=1bn=0都是绝对收敛的,因此根据习题16.5.1的结论我们知道这个级数也是一致收敛于f的,因此结论得证。

(b) 推导出n=11n2=π26(提示:计算(a)中级数在x=0处的取值)

根据(a)的结论,我们知道:

f(0)=13+n=14π2n2=1n=11n2=π26

于是结论得证。

(c) 推导出n=11n4=π490(提示:用指数函数来表述余弦函数,并利用Plancherel定理)

在习题16.5.1中我们已经阐述了傅里叶级数与三角函数级数之间的等价关系,因此我们不妨将f改写为傅里叶级数的形式:

f(x)=13+n=14π2n2cos(2πnx)=13e0+n=14π2n2en+en2=n=12π2n2en+13+n=12π2n2en

从而根据Plancherel定理,我们有:

n=14π4n4+19+n=14π4n4=[0,1]|12x|4dx=152n=14π4n4=445n=11n4=π490

于是结论得证。

16.5.3 设fC(R/Z;C)中的函数,并设P是一个三角多项式。证明:对所有的整数n,有
fP^(n)=f^(n)P^(n)
更一般地,如果f,gC(R/Z;C),那么证明:对于所有的整数n,有
fg^(n)=f^(n)g^(n)
(表述此事的一种奇特方式是,傅里叶变换把卷积和乘积缠绕在一起(见过将这个称为傅里叶变换的卷积定理的))

P=m=MMcmem(其中N0)。先证明第一个结论,我们有:

fP^(n)=[0,1]e2πnixfP(x)dx=[0,1]e2πnix(m=NNcm[0,1]f(y)e2πmi(xy)dy)dx=[0,1]e2πnix(m=NNcme2πmixf^(m))dx=m=NNcmf^(m)[0,1]e2π(mn)ixdx={cnf^(n)if|n|N0if|n|>N

而我们知道当|n|N的时候P^(n)=cn,当|n|>N的时候P^(n)=0,因此第一个结论得证。

然后我们来证明第二个结论。由于f有界(命题16.1.5(a))因此不妨设fM为上界。对任意的ε>0,根据魏尔斯特拉斯第二逼近定理(命题16.4.1)我们知道存在一个三角多项式Q满足gQε,然后我们注意到:

|fg^(n)fQ^(n)|=|fg,enfQ,en|=|f(gQ),en|=|[0,1]f(x)(g(x)Q(x))e2πnixdx|[0,1]Mε=Mε

另一方面,我们有:

|f^(n)g^(n)f^(n)Q^(n)|=|f^(n)||g^(n)Q^(n)|=|f^(n)||gQ,en|=|f^(n)||[0,1](g(x)Q(x))e2πnixdx||f^(n)|[0,1]ε=|f^(n)|ε

结合本题第一个结论的fQ^(n)=f^(n)Q^(n),从而利用三角不等式我们有:

|fg^(n)f^(n)g^(n)||fg^(n)fQ^(n)|+|f^(n)g^(n)f^(n)Q^(n)|(M+|f^(n)|)ε

由于ε是任意的,因此只能有|fg^(n)f^(n)g^(n)|=0,换言之即fg^(n)=f^(n)g^(n)

16.5.4 设fC(R/Z;C)是一个可微函数,并且它的导函数f是连续的。证明:f也属于C(R/Z;C),并且对所有的整数nf^(n)=2πnif^(n)(见过称这个为微分定理的,不过有一点不一样)

f连续已经在题设中给出,因此只要证明fZ周期的那么f就属于C(R/Z;C)

注意到对任意的x0R,我们有:

f(x0+1)=limxx0;xR\{x0}f(x+1)f(x0+1)(x+1)(x0+1)=limxx0;xR\{x0}f(x)f(x0)xx0=f(x0)

因此fZ周期的,第一个结论得证。

然后我们证明第二个结论,根据分部积分公式(命题11.10.1),考虑F=fG=en的情景,于是有:

f^(n)=f,en=[0,1]f(x)e2πnixdx=(f(1)e2πnif(0)e0)(2πni[0,1]f(x)e2πnixdx)=2πnif,en=2πnif^(n)

于是结论得证。

16.5.5 设f,gC(R/Z;C)。证明:帕塞瓦尔恒等式
R01f(x)g(x)dx=RnZf^(n)g^(n)
(提示:对f+gfg使用Plancherel定理,然后把两者相减)进而推导出上面的实数部分可以去掉,于是有
01f(x)g(x)dx=nZf^(n)g^(n)
(提示:利用第一个恒等式,其中的f替换成if

由于f+gfg也属于C(R/Z;C),因此我们分别对它们应用Plancherel定理,有:

f+g22=nZ|f+g^(n)|2=nZ|f^(n)+g^(n)|2=nZf^(n)f^(n)+g^(n)g^(n)+f^(n)g^(n)+g^(n)f^(n)fg22=nZ|fg^(n)|2=nZ|f^(n)g^(n)|2=nZf^(n)f^(n)+g^(n)g^(n)f^(n)g^(n)g^(n)f^(n)

因此我们有:

f+g22fg22=2nZf^(n)g^(n)+g^(n)f^(n)

另一方面,直接根据L2范数的定义又有:

f+g22fg22=f+g,f+gfg,fg=[0,1]|f(x)+g(x)|2|f(x)g(x)|2dx=2[0,1]f(x)g(x)+g(x)f(x)dx

注意到R(ab)=R(ba)对任意的复数a,b成立成立,因此上面的结论可以总结得到:

nZf^(n)g^(n)+g^(n)f^(n)=[0,1]f(x)g(x)+g(x)f(x)dxnZR[f^(n)g^(n)+g^(n)f^(n)]=[0,1]R[f(x)g(x)+g(x)f(x)]dxnZR[f^(n)g^(n)]=[0,1]R[f(x)g(x)]dx

也即R01f(x)g(x)dx=RnZf^(n)g^(n),结论得证。

然后我们证明第二个结论,注意到if^(n)=if^(n),因此我们考虑对ifg应用帕塞瓦尔恒等式,可以得到:

R01if(x)g(x)dx=RnZif^(n)g^(n)

注意到R(ia)=R(iR(a)I(a))=I(a)对所有的复数都成立,因此这表明有恒等式:

I01f(x)g(x)dx=InZf^(n)g^(n)

从而结合一下帕塞瓦尔恒等式即有:

01f(x)g(x)dx=nZf^(n)g^(n)

于是结论得证。

16.5.6 本题中我们对具有任意固定周期L的函数建立傅里叶级数理论。设L>0,并设f:RC是一个连续的L周期复值函数。对于每一个整数n,定义cn为:
cn:=1L[0,L]f(x)e2πimx/Ldx

由于f是一个L周期函数,因此对任意的xR都有f(L(x+1))=f(Lx),也即函数g(x):=f(Lx)是一个Z周期函数,这点对下面的讨论很有帮助。

(a) 证明:级数
n=cne2πimx/L
L2度量收敛于f。换言之即证明:
limN[0,L]|f(x)n=NNcne2πimx/L|2dx=0
(提示:对函数f(Lx)使用傅里叶定理)

根据傅里叶定理,因此有级数:

nZg^(n)en

L2度量收敛于g,然后注意到对任意的nZ有:

g^(n)=[0,1]f(Lx)e2πnixdx=1L[0,L]f(y)e2πniy/Ldy=cn

从而有:

[0,1]|g(x)n=NNg^(n)en|2dx=[0,1]|f(Lx)n=NNcnen|2dx=1L[0,L]|f(y)n=NNcne2πniy/L|2dy

因此由傅里叶定理给出了limN[0,1]|g(x)n=NNg^(n)en|2dx=0可以推知limN[0,L]|f(y)n=NNcne2πniy/L|2dy=0,也即级数n=cne2πimx/LL2度量收敛于f,结论得证。

(b) 设级数n=cn是绝对收敛的,证明:
n=cne2πimx/L
一致收敛于f

在(a)中我们已经论证了cn=g^(n),因此即级数n=g^(n)绝对收敛,从而依据命题16.5.3有级数n=g^(n)en一致收敛于g。换言之,对任意的ε>0,存在N0使得对任意的nN与所有的xR有:

|n=NNcne2πnixf(Lx)|<ε

然后我们做替换y=x/L,因此上面的结论变为:对任意的ε>0,存在N0使得对任意的nN与所有的xR有:

|n=NNcne2πniy/Lf(y)|<ε

也即级数n=cne2πniy/L一致收敛于f,于是结论得证。

(c) 证明:
1L[0,L]|f(x)|2dx=n=|cn|2
(提示:对函数f(Lx)使用Plancherel定理;上面三个小题刚好是本节三个命题扩展到L周期函数的形式)

g使用Plancherel定理,我们有:

g22=n=|g^(n)|2

注意到:

g22=[0,1]|f(Lx)|2dx=1L[0,L]|f(y)|2dy

结合(a)中已有的cn=g^(n),于是即:

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

结论得证。


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