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 .
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 → ∞.
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
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.
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 периодическая и абсолютно непрерывная на , то ряд Фурье сходится равномерно, но не обязательно абсолютно, к . [3]
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 ]
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 < ∞.
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 улучшенный 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.
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 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 .
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 .