Prime dream(4)——Fejér定理

本系列文集:《Prime dream》
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數(shù)學(xué)分析中的卷積是以反常積分來定義的:
通常假設(shè)上式積分對??都存在,稱其為函數(shù) f 與 g 的卷積,通過積分變量代換可知卷積滿足對稱性

delta型函數(shù)族
假設(shè)現(xiàn)在有一根質(zhì)量為1的一維細(xì)線被放置在區(qū)間??上,其密度是均勻分布的,那么它在點(diǎn)t的密度可由以下函數(shù)表示:
它會隨著?α 的減小非零的區(qū)間越來越小,直到趨于零,同時(shí)非零區(qū)間的值也越來越大,但它始終滿足:
令??,就得到了Dirac函數(shù)
其中是任意小的正數(shù),我們能得到以下性質(zhì):
容易發(fā)現(xiàn)若 f 在點(diǎn)x連續(xù),則???,這啟發(fā)我們引入以下定義:
#)對依賴于參變量??的函數(shù)?
?構(gòu)成的函數(shù)族?
?,如果
那么就稱該函數(shù)族在??時(shí)是delta型函數(shù)族,注意到由第一二個(gè)條件可推出第三個(gè)條件顯然等價(jià)于
Dirac函數(shù)是??中?
?的結(jié)果,所以函數(shù)族?
?構(gòu)成的當(dāng)然是delta型函數(shù)族,然后再給出一個(gè)定義:
#’)函數(shù)??若滿足:
則稱 f 在 ?上一致連續(xù)
第一眼看到它可能會想到這不就是連續(xù)的定義嘛,但仔細(xì)一想還是有所不同的——其實(shí)當(dāng)中的是只依賴于
的正數(shù),而連續(xù)的標(biāo)準(zhǔn)定義中的ρ是和點(diǎn)x也有關(guān)的,這也說明了一致連續(xù)的函數(shù)必定是連續(xù)的,緊接著可以證明以下關(guān)于delta型函數(shù)族卷積的收斂性定理
(定理)有界函數(shù)? 在?
?上一致連續(xù),若對?
?時(shí)的delta型函數(shù)族
,卷積?
?存在,則
證? 設(shè)在? 上
,取?
,對?
?
由Delta型函數(shù)族的定義可知最后一個(gè)積分實(shí)際上是趨于零的,于是?
對所有??都成立,即?
?當(dāng)?
?時(shí)在 E 上一致收斂到?

Fejér定理
周期2π的函數(shù) f 的Fourier級數(shù)的部分和:
其Cesàro平均為
根據(jù)上一章我們將部分和寫為積分:
于是有
其中
稱為Fourier級數(shù)的Fejer核,利用積化和差公式,有
由此可得
可以根據(jù)Dirichlet核的性質(zhì),得到一個(gè)比較著名的積分:
接著定義函數(shù)
可以驗(yàn)證該函數(shù)對正整數(shù)N組成的函數(shù)族在??時(shí)是delta型函數(shù)族:
又因?yàn)?/p>
所以由delta型函數(shù)卷積的收斂性定理可以得到以下定理
(Fejér定理) 是?
上絕對可積,周期為2π的函數(shù),若?f?在?
上一致連續(xù),則
微積分中的Cauchy命題表明,F(xiàn)ourier級數(shù)部分和的極限若存在,則它與它的Cesàro平均收斂到相同的極限,因此函數(shù) f 的Fourier級數(shù)在它的連續(xù)點(diǎn)處要么發(fā)散,要么收斂到它本身
通過類似上一末結(jié)尾的操作,可以用變量代換將該結(jié)論推廣到任何周期函數(shù)

Fourier積分的Fejér定理
用類似的方法將Fourier級數(shù)推廣至Fourier積分,對滿足一定條件的函數(shù) f?,其Fourier積分為
作代換,可得
為了方便,記
取 I 的絕對值不超過A的積分
其積分平均為
畫出這個(gè)二重積分的積分區(qū)域

由此交換求和順序可得
再由F的定義,有
其中??是積分Fejer核,
通過分部積分可以算得
令? ,則
首先顯然有??非負(fù),再由其定義,我們可以引入以下函數(shù):
顯然它滿足Lipschitz條件,因此可以將其寫為Fourier積分,
取 w=0 ,可得對任意? ,
與此同時(shí)又得到了一個(gè)有用的積分:
又有對??,當(dāng)?
時(shí)
這說明了??組成的函數(shù)族在?
?是delta型函數(shù)族,于是由其卷積的收斂性定理,可得Fourier積分的Fejér定理:
(Fejér定理)?是?
上絕對可積的函數(shù),若?
?在?
?上一致連續(xù),則

結(jié)語
這期我們由卷積與Dirac函數(shù)引入了delta型函數(shù)族,并證明了滿足某種條件時(shí),它與函數(shù)的卷積收斂于該函數(shù),于是得以證明了fourier分析中的Fejér定理,這個(gè)定理將會在下一期素?cái)?shù)定理(較弱形式)的證明中用到,沒錯(cuò),正是數(shù)論中大名鼎鼎的素?cái)?shù)定理,盡管這個(gè)定理看上去與素?cái)?shù)毫無聯(lián)系,但它們就是存在如此微妙的聯(lián)系——這就是數(shù)學(xué),不是么?
參考
《數(shù)學(xué)分析》 by B.A.卓里奇
《Fourier Analysis》 by Javier Duoandikoetxea (writ.), David Cruz
《數(shù)論導(dǎo)引》by?華羅庚