Fourier分析的那些事

已收入文集《Analysis》
在我第一期專欄里,推導(dǎo)了一個(gè)周期為T(mén)的函數(shù)g在滿足一定條件時(shí)可以寫(xiě)為以下形式,
這里采用記號(hào)
表示f的Fourier級(jí)數(shù)或積分以區(qū)分原本的函數(shù)f
不過(guò)有一個(gè)問(wèn)題,在函數(shù)的某些“特殊”的點(diǎn)處它是否收斂呢?若收斂它又收斂到多少呢?比如下面的函數(shù)

在x=1處它的Fourier級(jí)數(shù)是怎么樣的呢?實(shí)際上關(guān)于這個(gè)三角級(jí)數(shù)的逐點(diǎn)收斂性研究通常非常微妙,盡管它在近代函數(shù)論中占據(jù)了重要地位,但對(duì)有逐點(diǎn)收斂于它本身的三角級(jí)數(shù)表示的函數(shù),這種函數(shù)類的內(nèi)部結(jié)構(gòu)至今也沒(méi)有描述清楚。不過(guò)本期當(dāng)然是不會(huì)討論太高深的問(wèn)題了
為了方便,,令,于是得到
是x的周期為2π的函數(shù),
其中

Riemann-Lebesgue引理
下面將敘述的是一個(gè)十分重要的引理,它是研究Fourier級(jí)數(shù)逐點(diǎn)收斂性的基礎(chǔ):
若局部可積函數(shù)在區(qū)間
上(至少在反常積分意義下)絕對(duì)可積,則
這里
均可以取正無(wú)窮或負(fù)無(wú)窮
證? 因?yàn)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=f" alt="f">在上絕對(duì)可積,所以對(duì)任意
,可以找到一個(gè)區(qū)間
,使得對(duì)任何
都有
此時(shí)在
上是Riemann可積的,設(shè)
的一個(gè)分割
記
引入上的分段常函數(shù)
由在
上Riemann可積,可得
又由于
于是便得到
此外,分離實(shí)部與虛部還可得當(dāng)時(shí)

Dirichlet核與局部化原理
根據(jù)Euler公式,F(xiàn)ourier級(jí)數(shù)可寫(xiě)為如下形式
該級(jí)數(shù)理解為柯西主值意義下的級(jí)數(shù),即
取其部分和,
記藍(lán)色部分為,即
稱它為Dirichlet核,顯然它有以下性質(zhì):
利用這兩條性質(zhì)以及的周期性,可得
對(duì)Dirichlet核繼續(xù)計(jì)算,可得
代回至部分和中,可得
然后可以試試將積分區(qū)間拆開(kāi)為,其中
,
因?yàn)楫?dāng)時(shí),有
,所以根據(jù)Riemann-Lebesgue引理有
由此可得當(dāng)時(shí),
這個(gè)等式表明了函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù)在一個(gè)點(diǎn)的收斂性完全取決于在以這個(gè)點(diǎn)為中心delta為半徑的鄰域內(nèi)的性質(zhì),這就是所謂的局部化原理。由于可以任意小,所以局部化原理也可以簡(jiǎn)單表述為函數(shù)在x的任意小鄰域內(nèi)的性質(zhì)決定其Fourier級(jí)數(shù)的收斂性
觀察被積函數(shù),可以較自然的引出一個(gè)定義:
接著就是結(jié)論了

Fourier級(jí)數(shù)收斂性
先給出兩個(gè)定義:
定義
在x的左右極限:
函數(shù)
在點(diǎn)x連續(xù)或第一類間斷,若對(duì)充分小的
,存在
,使
則稱
在點(diǎn)x滿足H?lder條件,特別的,當(dāng)a=1是稱為Lipschitz條件
(定理):是周期為2π,在閉區(qū)間
上絕對(duì)可積的函數(shù),若
在點(diǎn)x滿足H?lder條件,則其Fourier級(jí)數(shù)在x收斂,且
證??在點(diǎn)x滿足H?lder條件時(shí),對(duì)
由此可得
在區(qū)間上絕對(duì)可積。又有
令,此時(shí)
,再由Riemann-Lebesgue引理可知上式當(dāng)
趨于零,即
該定理可以同樣簡(jiǎn)訴為滿足H?lder條件的函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù)收斂于它任意小的鄰域中的左右平均值,不難發(fā)現(xiàn)它正好與局部化引理相對(duì)應(yīng)
還有最后一步,Dini-Lipschitz判別法只給出了周期為2π的函數(shù)其Fourier級(jí)數(shù)收斂的充分條件,但因?yàn)樽铋_(kāi)始我們用了代換,這可以將任意一個(gè)周期為T(mén)的函數(shù)轉(zhuǎn)化為周期為2π的函數(shù),所以我們實(shí)際上是得到了對(duì)任意周期函數(shù)其Fourier級(jí)數(shù)收斂的充分條件?,F(xiàn)在再將
代入回原式可得:

Fourier積分的收斂性
利用類似的方法,可將Fourier級(jí)數(shù)收斂的判別法推廣至Fourier積分,已知對(duì)非周期函數(shù),當(dāng)它滿足一定條件時(shí),有
這里的積分同樣也為主值意義下的積分,即
(定理)是絕對(duì)可積的函數(shù),若它在點(diǎn)x處滿足Lipschitz條件,則其Fourier積分在點(diǎn)x處收斂于f左右極限的平均
證? 取,
因?yàn)閒絕對(duì)可積,所以這里可以合理的交換上式的積分次序,
因?yàn)镈irichlet積分
所以
因此有
其中
f在點(diǎn)x滿足H?lder條件使得上式在上絕對(duì)可積,根據(jù)Riemann-Lebesgue引理可知
而第二項(xiàng)又可以寫(xiě)成的四個(gè)積分之和,對(duì)前兩個(gè)可以在此用Riemann-Lebesgue引理說(shuō)明他們趨于零,而后面兩個(gè)相對(duì)于積分是常因子,可以提到積分外,而根據(jù)Dirichlet積分的收斂性又可得后面兩個(gè)積分也趨于零,于是