stringtranslate.com

Сходимость ряда Фурье

В математике вопрос о том, сходится ли ряд Фурье периодической функции к заданной функции , исследуется областью, известной как классический гармонический анализ , разделом чистой математики . Сходимость не обязательно дана в общем случае, и для того, чтобы она произошла, должны быть выполнены определенные критерии.

Определение сходимости требует понимания точечной сходимости , равномерной сходимости , абсолютной сходимости , пространств L p , методов суммирования и среднего Чезаро .

Предварительные данные

Рассмотрим f как интегрируемую функцию на интервале [0, 2 π ] . Для такой f коэффициенты Фурье определяются формулой

Связь между f и ее рядом Фурье принято описывать следующим образом:

Обозначение ~ здесь означает, что сумма представляет функцию в некотором смысле. Чтобы исследовать это более тщательно, необходимо определить частичные суммы:

Вопрос о том, сходится ли ряд Фурье, заключается в следующем: сходятся ли функции (являющиеся функциями переменной t, которую мы опустили в обозначениях) к f и в каком смысле? Существуют ли условия на f, обеспечивающие тот или иной тип сходимости?

Прежде чем продолжить, необходимо ввести ядро ​​Дирихле . Взяв формулу для , подставив ее в формулу для и выполнив некоторые алгебраические действия, получаем, что

где ∗ обозначает периодическую свертку и является ядром Дирихле, которое имеет явную формулу,

Ядро Дирихле не является положительным ядром, и фактически его норма расходится, а именно

факт, который играет решающую роль в обсуждении. Норма D n в L 1 ( T ) совпадает с нормой оператора свертки с D n , действующего на пространстве C ( T ) периодических непрерывных функций, или с нормой линейного функционала f  → ( S n f )(0) на C ( T ). Следовательно, это семейство линейных функционалов на C ( T ) неограничено, когда n  → ∞.

Величина коэффициентов Фурье

В приложениях часто бывает полезно знать величину коэффициента Фурье.

Если — абсолютно непрерывная функция,

для константы, которая зависит только от .

Если — функция ограниченной вариации ,

Если

Если и имеет модуль непрерывности [ необходима ссылка ] ,

и, следовательно, если находится в α- классе Гельдера

Точечная сходимость

Суперпозиция базисных функций синусоидальной волны (внизу) для формирования пилообразной волны (вверху); базисные функции имеют длины волн λ/ k ( k = целое число) короче длины волны λ самой пилы (за исключением k = 1). Все базисные функции имеют узлы в узлах пилы, но все, кроме основной, имеют дополнительные узлы. Колебание вокруг пилообразной волны называется явлением Гиббса

Известно много достаточных условий для того, чтобы ряд Фурье функции сходился в заданной точке x , например, если функция дифференцируема в точке x . Даже скачок непрерывности не представляет проблемы: если функция имеет левые и правые производные в точке x , то ряд Фурье сходится к среднему значению левого и правого пределов (но см. явление Гиббса ).

Критерий Дирихле–Дини (см. условия Дирихле и тест Дини ) утверждает, что: если ƒ является 2 π –периодической, локально интегрируемой и удовлетворяет условию

тогда (S n f )( x 0 ) сходится к ℓ. Это означает, что для любой функции f любого класса Гельдера α  > 0 ряд Фурье сходится всюду к f ( x ).

Известно также, что для любой периодической функции ограниченной вариации ряд Фурье сходится всюду. См. также тест Дини . В общем случае наиболее распространенными критериями поточечной сходимости периодической функции f являются следующие:

Существуют непрерывные функции, ряды Фурье которых сходятся поточечно, но не равномерно; см. Антони Зигмунд, Тригонометрические ряды , т. 1, глава 8, теорема 1.13, стр. 300.

Однако ряд Фурье непрерывной функции не обязательно сходится поточечно. Возможно, самое простое доказательство использует неограниченность ядра Дирихле в L 1 ( T ) и принцип равномерной ограниченности Банаха–Штейнгауза . Как типично для аргументов существования, ссылающихся на теорему Бэра о категории , это доказательство неконструктивно. Оно показывает, что семейство непрерывных функций, ряд Фурье которых сходится при заданном x, имеет первую категорию Бэра в банаховом пространстве непрерывных функций на окружности.

Так что в некотором смысле поточечная сходимость нетипична , и для большинства непрерывных функций ряд Фурье не сходится в данной точке. Однако теорема Карлесона показывает, что для данной непрерывной функции ряд Фурье сходится почти всюду.

Также можно привести явные примеры непрерывной функции, ряд Фурье которой расходится в точке 0: например, четная и 2π-периодическая функция f, определенная для всех x в [0,π] формулой [1]

В этом примере легко показать, как ведет себя ряд в нуле. Поскольку функция четная, ряд Фурье содержит только косинусы:

Коэффициенты:

По мере увеличения m коэффициенты будут положительными и увеличиваться, пока не достигнут значения около при для некоторого n , а затем станут отрицательными (начиная со значения около ) и будут уменьшаться, прежде чем начнется новая такая волна. При ряд Фурье — это просто текущая сумма , и это накапливается до около

в n -й волне, прежде чем вернуться к нулю, показывая, что ряд не сходится к нулю, а достигает все более высоких пиков.

Равномерная сходимость

Предположим , что и имеет модуль непрерывности ; тогда частичные суммы ряда Фурье сходятся к функции со скоростью [2]

для константы , которая не зависит ни от , ни от , ни от .

Эта теорема, впервые доказанная Д. Джексоном, гласит, например, что если удовлетворяет условию Гёльдера , то

Если является периодическим и абсолютно непрерывным на , то ряд Фурье сходится равномерно, но не обязательно абсолютно, к . [3]

Абсолютная сходимость

Функция ƒ имеет абсолютно сходящийся ряд Фурье, если

Очевидно, что если это условие выполняется, то сходится абсолютно для каждого t и, с другой стороны, достаточно, чтобы сходилось абсолютно хотя бы для одного t , тогда это условие выполняется. Другими словами, для абсолютной сходимости нет вопроса о том, где сумма сходится абсолютно — если она сходится абсолютно в одной точке, то она делает это везде.

Семейство всех функций с абсолютно сходящимися рядами Фурье является банаховой алгеброй (операция умножения в алгебре является простым умножением функций). Она называется алгеброй Винера , в честь Норберта Винера , который доказал, что если ƒ имеет абсолютно сходящийся ряд Фурье и никогда не равен нулю, то 1/ ƒ имеет абсолютно сходящийся ряд Фурье. Первоначальное доказательство теоремы Винера было сложным; упрощение с использованием теории банаховых алгебр было дано Израилем Гельфандом . Наконец, краткое элементарное доказательство было дано Дональдом Дж. Ньюманом в 1975 году.

Если принадлежит классу α-Гёльдера при α > 1/2, то

для константы в условии Гельдера , константа, зависящая только от ; является нормой алгебры Крейна. Обратите внимание, что 1/2 здесь существенна — существуют 1/2-функции Гельдера, которые не принадлежат алгебре Винера. Кроме того, эта теорема не может улучшить наиболее известную границу размера коэффициента Фурье α-функции Гельдера — которая является только и затем не суммируемой.

Если ƒ имеет ограниченную вариацию и принадлежит α-классу Гёльдера для некоторого α > 0, то она принадлежит алгебре Винера. [ необходима ссылка ]

Норма сходимости

Простейшим случаем является случай L 2 , который является прямой транскрипцией общих результатов Гильбертова пространства . Согласно теореме Рисса–Фишера , если ƒ квадратно интегрируема , то

т.е. сходится к ƒ в норме L 2 . Легко видеть, что обратное также верно: если предел выше равен нулю, ƒ  должен быть в L 2 . Так что это условие тогда и только тогда .

Если 2 в показателях степеней выше заменить на некоторое p , вопрос становится намного сложнее. Оказывается, что сходимость все еще имеет место, если 1 < p  < ∞. Другими словами, для ƒ в L p сходится к ƒ в норме L p . Первоначальное доказательство использует свойства голоморфных функций и пространств Харди , а  другое доказательство, принадлежащее Саломону Бохнеру, опирается на интерполяционную теорему Рисса–Торина . Для p  = 1 и бесконечности результат неверен. Построение примера расходимости в L 1 впервые было сделано Андреем Колмогоровым (см. ниже). Для бесконечности результат является следствием принципа равномерной ограниченности .

Если оператор частичного суммирования S N заменить подходящим ядром суммируемости (например, суммой Фейера, полученной сверткой с ядром Фейера ), можно применить основные методы функционального анализа, чтобы показать, что сходимость нормы имеет место при 1 ≤  p  < ∞.

Конвергенция почти везде

Проблема сходимости ряда Фурье любой непрерывной функции почти всюду была поставлена ​​Николаем Лузиным в 1920-х годах. Она была решена положительно в 1966 году Леннартом Карлесоном . Его результат, ныне известный как теорема Карлесона , утверждает, что разложение Фурье любой функции из L 2 сходится почти всюду. Позднее Ричард Хант обобщил это на L p для любого p  > 1.

Напротив, Андрей Колмогоров , будучи студентом в возрасте 19 лет, в своей первой же научной работе построил пример функции в L1 , ряд Фурье которой расходится почти всюду (позже улучшен до расходящегося всюду).

Жан-Пьер Кахане и Ицхак Кацнельсон доказали, что для любого заданного множества E меры нуль существует непрерывная функция ƒ такая, что ряд Фурье функции ƒ не сходится ни в одной точке E.

Суммируемость

Сходится ли последовательность 0,1,0,1,0,1,... (частичные суммы ряда Гранди ) к 1/2 ? Это не кажется очень неразумным обобщением понятия сходимости. Поэтому мы говорим, что любая последовательность суммируема по Чезаро к некоторому a, если

Где через мы обозначаем k- ю частичную сумму :

Нетрудно видеть, что если последовательность сходится к некоторому a , то она также суммируема по Чезаро с ним.

Чтобы обсудить суммируемость рядов Фурье, мы должны заменить на соответствующее понятие. Поэтому мы определяем

и спросить: сходится ли к f ? больше не связано с ядром Дирихле, а с ядром Фейера , а именно

где находится ядро ​​Фейера,

Главное отличие в том, что ядро ​​Фейера является положительным ядром. Теорема Фейера утверждает, что указанная выше последовательность частичных сумм сходится равномерно к ƒ . Это подразумевает гораздо лучшие свойства сходимости

Результаты о суммируемости также могут подразумевать результаты о регулярной сходимости. Например, мы узнаем, что если ƒ непрерывна в точке t , то ряд Фурье функции ƒ не может сходиться к значению, отличному от ƒ ( t ). Он может либо сходиться к ƒ ( t ), либо расходиться. Это происходит потому, что если сходится к некоторому значению x , он также суммируем к нему, поэтому из первого свойства суммируемости выше, x  = ƒ ( t ).

Порядок роста

Порядок роста ядра Дирихле логарифмический, т.е.

См. нотацию Big O для обозначения O (1). Фактическое значение и трудно вычислить (см. Zygmund 8.3), и почти бесполезно. Тот факт, что для некоторой константы c мы имеем

совершенно ясно, если рассмотреть график ядра Дирихле. Интеграл по n -му пику больше, чем c / n , и поэтому оценка для гармонической суммы дает логарифмическую оценку.

Эта оценка влечет за собой количественные версии некоторых предыдущих результатов. Для любой непрерывной функции f и любого t имеем

Однако для любого порядка роста ω( n ), меньшего log, это уже не выполняется, и можно найти непрерывную функцию f такую, что для некоторого t ,

Эквивалентная задача для расходимости всюду открыта. Сергею Конягину удалось построить интегрируемую функцию, такую, что для каждого t имеем

Неизвестно, является ли этот пример наилучшим из возможных. Единственная известная граница с другого направления — это log n .

Множественные измерения

При рассмотрении эквивалентной проблемы в более чем одном измерении необходимо указать точный порядок суммирования, который используется. Например, в двух измерениях можно определить

которые известны как "квадратные частичные суммы". Заменив сумму выше на

приводят к "круговым частичным суммам". Разница между этими двумя определениями весьма заметна. Например, норма соответствующего ядра Дирихле для квадратных частичных сумм имеет порядок , а для круговых частичных сумм — порядок .

Многие из результатов, верных для одного измерения, неверны или неизвестны в нескольких измерениях. В частности, эквивалент теоремы Карлесона все еще открыт для круговых частичных сумм. Почти везде сходимость «квадратных частичных сумм» (а также более общих многоугольных частичных сумм) в нескольких измерениях была установлена ​​около 1970 года Чарльзом Фефферманом .

Примечания

  1. ^ Гурдон, Ксавье (2009). Математика наедине. Анализируйте (2ème edition) (на французском языке). Эллипсы. п. 264. ИСБН 978-2729837594.
  2. Джексон (1930), стр. 21 и далее.
  3. Stromberg (1981), Упражнение 6 (d) на стр. 519 и Упражнение 7 (c) на стр. 520.

Ссылки

Учебники

Книга Кацнельсона использует самую современную терминологию и стиль из трех. Первоначальные даты публикации: Зигмунд в 1935 году, Бари в 1961 году и Кацнельсон в 1968 году. Однако книга Зигмунда была значительно расширена во втором издании в 1959 году.

Статьи, на которые есть ссылки в тексте

Это первое доказательство того, что ряд Фурье непрерывной функции может расходиться. На немецком языке
Первая — это построение интегрируемой функции, ряд Фурье которой расходится почти всюду. Вторая — это усиление до расходимости всюду. На французском.
Это оригинальная статья Карлесона, в которой он доказывает, что разложение Фурье любой непрерывной функции сходится почти всюду; статья Ханта, в которой он обобщает его на пространства; две попытки упростить доказательство; и книга, которая дает его полное изложение.
В данной работе авторы показывают, что для любого множества нулевой меры существует непрерывная функция на окружности, ряд Фурье которой расходится на этом множестве. На французском языке.
Статья Конягина доказывает результат расходимости, обсуждавшийся выше. Более простое доказательство, которое дает только log log  n, можно найти в книге Кахане.