16.5 傅里叶定理和Plancherel定理
命题
(16.5.1 傅里叶定理)对于任意的
,级数 都依 度量收敛于 。换言之有: (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
可微可以将结论推广到逐点收敛;额外假定 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)) (16.5.3 一致收敛的加强?)设
,如果级数 是绝对收敛的,那么级数 就一致收敛于 。换言之,我们有: (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
度量收敛更好的) (16.5.4 Plancherel定理)对
,级数 是绝对收敛的,并且: (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 是 中的函数,并且把三角傅里叶系数 、 (其中 )定义为
(a) 证明:级数
依 度量收敛于 (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 项和负的 项合起来)
根据傅里叶定理,我们知道对任意的
存在 使得对任意的 有: 注意到
与 ,因此我们合并 的绝对值相等的项,可以将这个级数变换有: (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
与 与内积的定义,可以继续化简有: 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 和 都是绝对收敛的,那么上述级数不仅依 度量收敛于 ,还一致收敛于 (提示:利用定理16.5.3)
由于
和 都是绝对收敛的,因此级数 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 与 ( ),因此对任意的 ,我们有: (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
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 一致收敛于 ;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 的。
16.5.2 当 时,函数 被定义为 ,并且 按照 周期延拓到整个实直线上
(a) 利用习题16.5.1证明:级数
一致收敛于
根据习题16.5.1,我们尝试计算
对应的每个 与 ( ): (用两次分部积分可以计算,有点长就不写了)
从而即有级数:
依
度量收敛于 ,再注意到 与 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 的,因此结论得证。
(b) 推导出 (提示:计算(a)中级数在 处的取值)
根据(a)的结论,我们知道:
于是结论得证。
(c) 推导出 (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
改写为傅里叶级数的形式: 从而根据Plancherel定理,我们有:
于是结论得证。
16.5.3 设 是 中的函数,并设 是一个三角多项式。证明:对所有的整数 ,有
更一般地,如果 ,那么证明:对于所有的整数 ,有
(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))
设
(其中 )。先证明第一个结论,我们有: 而我们知道当
的时候 ,当 的时候 ,因此第一个结论得证。 然后我们来证明第二个结论。由于
有界(命题16.1.5(a))因此不妨设 以 为上界。对任意的 ,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 满足 ,然后我们注意到: 另一方面,我们有:
结合本题第一个结论的
,从而利用三角不等式我们有: 由于
是任意的,因此只能有 ,换言之即 。
16.5.4 设 是一个可微函数,并且它的导函数 是连续的。证明: 也属于 ,并且对所有的整数 有 (见过称这个为微分定理的,不过有一点不一样)
连续已经在题设中给出,因此只要证明 是 周期的那么 就属于 。 注意到对任意的
,我们有: 因此
是 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
与 的情景,于是有: 于是结论得证。
16.5.5 设 。证明:帕塞瓦尔恒等式
(提示:对 和 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
(提示:利用第一个恒等式,其中的 替换成 )
由于
, 也属于 ,因此我们分别对它们应用Plancherel定理,有: 因此我们有:
另一方面,直接根据
范数的定义又有: 注意到
对任意的复数 成立成立,因此上面的结论可以总结得到: 也即
,结论得证。 然后我们证明第二个结论,注意到
,因此我们考虑对 与 应用帕塞瓦尔恒等式,可以得到: 注意到
对所有的复数都成立,因此这表明有恒等式: 从而结合一下帕塞瓦尔恒等式即有:
于是结论得证。
16.5.6 本题中我们对具有任意固定周期 的函数建立傅里叶级数理论。设 ,并设 是一个连续的 周期复值函数。对于每一个整数 ,定义 为:
由于
是一个 周期函数,因此对任意的 都有 ,也即函数 是一个 周期函数,这点对下面的讨论很有帮助。
(a) 证明:级数
依 度量收敛于 。换言之即证明:
(提示:对函数 使用傅里叶定理)
根据傅里叶定理,因此有级数:
依
度量收敛于 ,然后注意到对任意的 有: 从而有:
因此由傅里叶定理给出了
可以推知 ,也即级数 依 度量收敛于 ,结论得证。
(b) 设级数 是绝对收敛的,证明:
一致收敛于
在(a)中我们已经论证了
,因此即级数 绝对收敛,从而依据命题16.5.3有级数 一致收敛于 。换言之,对任意的 ,存在 使得对任意的 与所有的 有: 然后我们做替换
,因此上面的结论变为:对任意的 ,存在 使得对任意的 与所有的 有: 也即级数
一致收敛于 ,于是结论得证。
(c) 证明:
(提示:对函数 使用Plancherel定理;上面三个小题刚好是本节三个命题扩展到 周期函数的形式)
对
使用Plancherel定理,我们有: 注意到:
结合(a)中已有的
,于是即: 结论得证。