Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2
14Fourierreeksen
Kan elk periodiek signaal uit zuivere sinussen en cosinussen worden heropgebouwd? Fouriers vermetele “ja” bracht een eeuw analyse voort. Dit hoofdstuk bewijst de twee pijlers die op dit niveau bereikbaar zijn: de stelling van Dirichlet (puntsgewijze reconstructie voor stuksgewijs -functies, via de Dirichlet-kern) en de identiteit van Parseval (de energie van een signaal is de som van de energieën van zijn harmonischen), en oogst de klassieke numerieke reeksen — de som van Basel voorop.
Overal zijn de functies -periodiek, stuksgewijs continu en complexwaardig; duidt de continue functies aan.
14.1 Fouriercoëfficiënten
Definitie 14.1
De Fouriercoëfficiënten van zijn
en de coëfficiënten in reële vorm zijn , , zodat de Fourierpartiaalsommen gegeven worden door
Definieer op het hermitische inproduct : de exponentiëlen zijn orthonormaal (, rechtstreekse berekening), en : Fourieranalyse is hermitische meetkunde (Hoofdstuk 13) in oneindige dimensie.
Propositie 14.2 (Ongelijkheid van Bessel)
is de orthogonale projectie van op de ruimte van de trigonometrische veeltermen van graad , en
de reeks convergeert, en als (Riemann–Lebesgue voor coëfficiënten).
Bewijs. staat loodrecht op elke met (): is de orthogonale projectie op (de projectiestelling uit het volume van bachelorjaar 1, woordelijk in het hermitische kader). Pythagoras: ; laat . ∎
Voorbeeld 14.3 (Beste benadering, gemeten)
Hoe goed benaderen trigonometrische veeltermen van lage graad de zaagtand (op ) in kwadratisch gemiddelde? Volgens Propositie 14.2 is de beste benadering van graad juist , met kwadratische fout
Hier is , en uit (Voorbeeld 14.12) volgt . Dus
voor — dalend, maar traag: de staart wordt bestuurd door het trage verval van de coëfficiënten, dat zelf het handschrift van de sprong is (Oefening 14.6 achterstevoren gelezen). Het inzicht om te onthouden: Parseval maakt van de kwaliteit van een benadering de staart van een numerieke reeks — en voorspelt, nog vóór enige tekening, dat sprongen Fourierreeksen met tegenzin doen convergeren.
Methode 14.4 (Fouriercoëfficiënten efficiënt berekenen)
Vóór je ook maar iets integreert:
- Pariteit: een even heeft , een oneven heeft , en de overblijvende integralen herleiden tot — half zoveel werk, dubbel zo betrouwbaar.
- Trigonometrische veeltermen zijn al klaar: lineariseer producten (, , …) en lees de coëfficiënten af (Oefening 14.9); de orthonormaliteit maakt elke verdere integratie overbodig.
- Complexe exponentiëlen voor exponentiëlen: voor factoren of gedempte trillingen bereken je rechtstreeks — één integraal van verslaat twee partiële integraties (Oefening 14.10).
- Differentieer een bekende ontwikkeling: zijn de coëfficiënten van bekend en is continu, dan geeft () alles behalve , dat het gemiddelde is — vaak de snelste weg, en precies onder de hypothesen van Stelling 14.10 (1) geoorloofd.
14.2 De stelling van Dirichlet
Lemma 14.5 (Dirichlet-kern)
, waarbij
Bewijs. Vul de definitie van in in en verwissel som en integraal (geoorloofd: de som is eindig):
substitueer en schuif het integratiesegment over terug naar dankzij de -periodiciteit van de integrand; het symmetrische indexbereik maakt . De gesloten vorm: meetkundige som met reden ,
wat het sinusquotiënt is. Haar gemiddelde is : alleen draagt bij. ∎
Stelling 14.6 (Lemma van Riemann–Lebesgue)
Voor stuksgewijs continue op een segment geldt als .
Bewijs. Benader uniform door trapfuncties (Stelling 10.16 is niet nodig — de elementaire benadering van stuksgewijs continue functies door trapfuncties volstaat) en integreer elke trap expliciet: elk stuk draagt bij, en de benaderingsfout draagt bij. Dit argument werd volledig uitgevoerd als laatste oefening van het integratiehoofdstuk in het volume van bachelorjaar 1; voor -stukken kan men in plaats daarvan partieel integreren en door begrenzen. ∎
Voorbeeld 14.7 (Hoe snel sterven de coëfficiënten?)
Riemann–Lebesgue zegt dat de coëfficiënten naar streven; hun snelheid is een gladheidsmeter. Drie exemplaren uit dit hoofdstuk en zijn oefeningen:
Een sprong in (blokgolf, zaagtand) laat coëfficiënten van de orde na: geen normale convergentie, en een Gibbs-overshoot bij de sprongen. Continuïteit met een knik — een sprong in alleen — verbetert de orde tot : normale convergentie, uniforme reconstructie. In het algemeen kopen afgeleiden (Oefening 14.6), en omgekeerd dwingt een spectrum dat sneller dan elke macht vervalt af dat van klasse is (differentieer nu wél geoorloofd term voor term). Het inzicht om te onthouden: de regelmaat van het signaal en het verval van het spectrum zijn dezelfde informatie — een ingenieur leest de ene af van de helling van de andere, zonder de functie ooit te tekenen.
Stelling 14.8 (Dirichlet)
Zij -periodiek en stuksgewijs . Dan geldt voor elke
(het gemiddelde van de eenzijdige limieten) — in het bijzonder in elk continuïteitspunt.
Bewijs. Volgens het kernlemma en zijn gemiddelde , waarbij de integraal in de helften en wordt gesplitst (elk met gemiddelde ):
Behandel de eerste (de tweede is symmetrisch). Schrijf
De functie is stuksgewijs continu op en heeft een eindige limiet in : schrijven we
dan streeft de eerste factor naar (eenzijdige differentieerbaarheid, uit stuksgewijs ) en de tweede naar (de standaardlimiet met ): bestaat. Dus laat zich stuksgewijs continu uitbreiden tot , en Riemann–Lebesgue (Stelling 14.6) stuurt de integraal naar . Dat is precies waar de hypothese voor dient: zonder eenzijdige afgeleiden explodeert de factor in sneller dan Riemann–Lebesgue kan compenseren, en kan de puntsgewijze convergentie werkelijk falen voor louter continue — de kloof die de stelling van Fejér (weekendopgave) door middelen dicht. ∎
Voorbeeld 14.9 (Dirichlet in een sprong)
Voor de zaagtand op (Voorbeeld 14.12 hieronder) springt de periodieke uitbreiding in van naar . Dirichlet belooft daar de waarde , en inderdaad verdwijnt elke term van in : de reeks convergeert beleefd naar het middelpunt en negeert beide eenzijdige waarden. Verplaatsen we het evaluatiepunt naar (een continuïteitspunt), dan maakt dezelfde reeks er Leibniz’ van. Eén reeks, twee gedragingen — precies de twee uitspraken van de stelling.
Stelling 14.10 (Normale convergentie voor ; Parseval)
- Is continu, -periodiek en stuksgewijs , dan is , convergeert de Fourierreeks van normaal op , en is haar som .
(Parseval) Voor elke stuksgewijs continue -periodieke :
(Hier bewezen voor continue, stuksgewijs -functies ; in het algemeen aangenomen.)
Bewijs. (1) Partiële integratie op elk -stuk (de randtermen heffen elkaar op wegens continuïteit en periodiciteit): . Vervolgens, met Cauchy–Schwarz op de twee kwadratisch sommeerbare families (Propositie 14.2 voor ):
normale convergentie van de Fourierreeks. Haar som is continu en valt volgens Dirichlet in elk punt met samen (Stelling 14.8: is continu): de reeks convergeert uniform naar .
(2) Voor zulke : uniform, dus , en Pythagoras () gaat over in de limiet. De reële vorm is boekhouding met . ∎
Voorbeeld 14.11 (De -staartschatting, kwantitatief gemaakt)
Het bewijs van Stelling 14.10 (1) verbergt een bruikbare schatting. Voor continue, stuksgewijs -functies geeft dezelfde ongelijkheid van Cauchy–Schwarz, alleen op de staart toegepast,
met Bessel voor en . De uniforme fout van de partiaalsommen voldoet dus aan
Voor is (de afgeleide is ), zodat tien termen al uniform tot op reconstrueren, en tot op . Het inzicht om te onthouden: één afgeleide koopt het uniforme tempo ; vergeleken met de wereld van coëfficiënten van de blokgolf (helemaal geen uniforme convergentie) krijgt het woordenboek van Voorbeeld 14.7 zo getallen.
Voorbeeld 14.12 (Basel en vrienden)
Zij op , -periodiek uitgebreid (een zaagtand, stuksgewijs ). Rekenwerk geeft (oneven zijn) en
Dirichlet in levert Leibniz’ op; Parseval geeft
— Eulers som van Basel, in twee regels. De functie levert op dezelfde manier op (Oefening 14.3).
Voorbeeld 14.13 (Een volledige ontwikkeling met ingebouwde controle: )
De functie is continu, even, -periodiek (en dus -periodiek) en stuksgewijs . Het even zijn doodt de ; ; en voor geeft de omzetting van een product in een som
voor (en rechtstreeks): nul voor oneven , en . Volgens Stelling 14.10 (1) is de convergentie normaal, en geldt
Ingebouwde controle in : de identiteit eist dat , wat een telescopische som bevestigt:
Het inzicht om te onthouden: het spectrum van leeft uitsluitend op de even frequenties — een sinus gelijkrichten verdubbelt zijn frequentie-inhoud, en daarom brommen dubbelfasige gelijkrichters op of hertz, tweemaal de netfrequentie.
Voorbeeld 14.14 (Parseval als rekenmachine)
Parseval maakt van ontwikkelingen bij de vleet numerieke reeksen. Pas haar toe op (Oefening 14.2: , voor oneven , de rest nul):
waaruit
Kruiscontrole met Oefening 14.3: in oneven en even delen splitsen geeft de boekhouding in -stijl, dus — precies de waarde die daar met een andere functie werd gevonden. Twee ontwikkelingen, één getal: die overeenstemming is de isometrie van Parseval aan het werk. Het inzicht om te onthouden: elke nieuwe Fourierontwikkeling is een machine die reeksidentiteiten voortbrengt; Deel II van de weekendopgave legt uit waarom de machine zichzelf nooit kan tegenspreken.
Voorbeeld 14.15 (Translatie en modulatie)
Twee regels van één regel lang brengen uit één ontwikkeling vele andere voort. Voor geeft de substitutie
en rechtstreeks uit de definitie
Uitgewerkt geval: de over verschoven zaagtand met heeft -coëfficiënten : de ontwikkeling van de zaagtand die in springt in plaats van in — zonder één integraal opnieuw te berekenen. Het inzicht om te onthouden: tijdsverschuivingen draaien alleen aan fasen, nooit aan amplituden ( is invariant onder verschuiving), en daarom zijn energie (Parseval) en convergentieklasse eigenschappen van de vorm van het signaal, niet van waar de klok begint.
Opmerking 14.16 (Klassieke valkuilen)
(i) Drie convergenties, drie munteenheden: puntsgewijs (Dirichlet: vereist stuksgewijs , betaalt in elke sprong het middelpunt — nooit een eenzijdige waarde), uniform (vereist een continue limiet; onmogelijk over een sprong heen, en Gibbs is het zichtbare symptoom) en in kwadratisch gemiddelde (Parseval: het robuustst, blind voor afzonderlijke punten). Noem altijd welke je beweert. (ii) Geen termsgewijze differentiatie als vanzelf: de zaagtandreeks van Voorbeeld 14.12 term voor term differentiëren levert op, waarvan de termen niet eens naar streven — de overdrachtsstellingen van het hoofdstuk over rijen en reeksen van functies eisen uniforme convergentie van de afgeleide reeks, en die vernietigt de sprong. Eerst gladheid, dan differentiëren (Oefening 14.6 is het woordenboek). (iii) Symmetrische partiaalsommen: de stelling van Dirichlet betreft ; herschikken of eerst één kant sommeren kan divergentie in convergentie veranderen en terug. (iv) Verschuivende normalisatie: de afspraken verschillen van boek tot boek ( of ervoor, periode of ); de betrouwbare invarianten zijn de orthonormaliteitsrelaties — herbereken in de afspraak die voorligt voordat je een formule vertrouwt.
Opmerking 14.17 (Waar dit wordt gebruikt)
Parseval is de kiem van de -theorie van de Fourierreeksen: het volume van bachelorjaar 3 maakt het beeld af (de exponentiëlen vormen een hilbertbasis van , en de afbeelding is een bijectieve isometrie). Binnen dit volume bewijst de weekendopgave de stelling van Fejér — de Cesàro-gemiddelden van de Fourierreeks convergeren uniform voor elke continue periodieke — die de aangenomen algemene Parseval tot stelling verheft, de trigonometrische stelling van Weierstrass oplevert en twee spectaculaire dividenden uitkeert: de gelijkverdelingsstelling van Weyl en de isoperimetrische ongelijkheid. De toegepaste wiskunde leest dit hoofdstuk dagelijks: spectra van signalen, harmonischen van trillende systemen en de snelle Fouriertransformatie (de eindige gedaante was Oefening 13.10).
Opmerking 14.18 (Vooruitblik binnen dit volume)
Drie hoofdstukken voeren een gesprek met dit hoofdstuk. Terugkijkend: het hermitische hoofdstuk leverde de meetkunde (orthonormale families, projecties, Bessel), en het hoofdstuk over rijen en reeksen van functies de analyse (uniforme convergentie, overdrachtsstellingen, benaderende eenheden — de kern van Fejér verhoudt zich tot de Fourierreeksen als de veeltermen van Bernstein zich tot Weierstrass verhielden). Zijwaarts: de randtheorie van het hoofdstuk over machtreeksen keert terug via Abelsommatie, hier verwezenlijkt door de Poisson-kern (Oefening 14.12) — waarbij de straal van de schijf de rol van de sommatieparameter speelt. Vooruit: het hoofdstuk over differentiaalvergelijkingen ontbindt een periodieke aandrijving in harmonischen en voert elk daarvan aan de frequentierespons van de oscillator; resonantie treedt op wanneer een Fouriermode van de ingang met een eigenfrequentie samenvalt, en daarom zijn zijn weekendopgave en die van dit hoofdstuk twee helften van één verhaal.
14.3 Oefeningen
Oefening 14.1 ★
Bereken de Fouriercoëfficiënten van de blokgolf ( op , op ), formuleer het besluit van Dirichlet in en in de sprong , en vind de reeks van Leibniz terug.
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.1.
Het oneven zijn doodt de . Voor :
Dus . Dirichlet in (een continuïteitspunt, waarde ): , wat geeft
In de sprong : de reeks sommeert tot , zoals Dirichlet voorschrijft (elke term verdwijnt: dat klopt).
Oefening 14.2 ★
Ontwikkel (, -periodiek) in Fourierreeks; verantwoord de normale convergentie; evalueer in om te verkrijgen, en leid daaruit Basel opnieuw af.
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.2.
Het even zijn doodt de ; , en voor :
(één partiële integratie). Bijgevolg is
met normale convergentie () — zoals Stelling 14.10 (1) voor deze continue, stuksgewijs -functie voorspelt. In :
in oneven en even delen splitsen geeft , dus : opnieuw Basel.
Oefening 14.3 ★
Ontwikkel () en leid af dat
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.3.
Even zijn: ; ; twee partiële integraties geven (). Bijgevolg is
normaal convergent. In : , dat wil zeggen . Parseval:
dus .
Oefening 14.4 ★★
Zij continu en -periodiek met voor alle . Bewijs dat (Parseval — voor welke klasse is zij hier bewezen? verantwoord dat continuïteit plus stuksgewijs mag vervallen door de algemene Parseval aan te nemen, of geef het dichtheidsargument in grote lijnen).
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.4.
Is bovendien stuksgewijs , dan geeft Parseval (bewezen) dat , en de strikte positiviteit van de integraal van de continue dwingt af.
Voor louter continue neemt men de algemene Parseval aan: hetzelfde bewijs van één regel. (Grote lijnen van de weg via dichtheid: trigonometrische benadering van het type Fejér–Weierstrass toont dat de trigonometrische veeltermen -dicht liggen in de continue periodieke functies; omdat loodrecht staat op alle, is voor benaderingen , wat afdwingt.)
Oefening 14.5 ★★
Ontwikkel voor de functie () en leid de splitsing in partieelbreuken van de cotangens af:
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.5.
Even zijn: ;
(product in som omzetten, dan integreren; ). Dirichlet in (een continuïteitspunt van de periodieke uitbreiding, waarvan de eenzijdige waarden wegens het even zijn samenvallen):
met . Delen door geeft de ontwikkeling van de cotangens.
Oefening 14.6 ★★
Bewijs dat als -periodiek en van klasse is met stuksgewijs continu, dan : gladheid van het signaal verval van zijn spectrum.
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.6.
Door maal te herhalen (partiële integratie over de -stukken, met passende randwaarden): . De coëfficiënten van de stuksgewijs continue zijn begrensd (streven zelfs naar , Bessel):
Oefening 14.7 ★★★
(Ongelijkheid van Wirtinger) Zij van klasse , -periodiek, met . Bewijs dat
met gelijkheid dan en slechts dan als . (Parseval op beide leden; vergelijk en .)
Oefening 14.8 ★★★
(De constante van Gibbs) Evalueer voor de blokgolf van Oefening 14.1 de partiaalsom in : toon aan, met en , dat
een Riemannsom van op in de middelpunten. Besluit dat de overshoot boven de sprongwaarde niet verdwijnt als .
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.8.
Volgens Oefening 14.1 is . In , met :
want . De punten zijn de middelpunten van de deelintervallen van met lengte : de som is een Riemannsom in de middelpunten van de continue functie , en convergeert dus naar
De partiaalsommen nabij de sprong schieten voor altijd van de halve sprong boven de waarde uit: het fenomeen van Gibbs, gekwantificeerd.
Oefening 14.9 ★
Ontwikkel en in Fourierreeks (lineariseer; een trigonometrische veelterm is haar eigen Fourierreeks, wegens de eenduidigheid van de coëfficiënten). Wat zijn , en in elk geval?
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.9.
Uit :
Elk is een trigonometrische veelterm en dus gelijk aan haar eigen Fourierreeks (eenduidigheid van de coëfficiënten: twee ontwikkelingen zouden verschillen met een trigonometrische veelterm waarvan alle coëfficiënten nul zijn). Voor : , , alle andere en alle nul; , . Voor : , ; , .
Oefening 14.10 ★★
Zij en op , -periodiek uitgebreid. Bereken
pas de stelling van Dirichlet toe in de sprong , en leid de splitsing in partieelbreuken van de hyperbolische cotangens af:
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.10.
Rechtstreekse berekening:
met . In springt de periodieke uitbreiding van naar ; Dirichlet (symmetrische partiaalsommen) geeft
waarbij de imaginaire delen van de gepaarde termen wegvallen. Deel door :
de hyperbolische tweelingzus van Oefening 14.5.
Oefening 14.11 ★★
(Convolutie) Definieer voor continue, -periodieke
Toon aan dat , dat (om de twee integralen van een continue integrand te verwisselen, vergelijk de twee functies van de bovengrens: beide verdwijnen in het linkerrandpunt en hebben dezelfde afgeleide, wegens continuïteit en differentiatie onder het integraalteken), en dat voor de Dirichlet-kern. (De Fejér-gemiddelden van de weekendopgave zijn eveneens convoluties, .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.11.
Commutativiteit: substitueer en gebruik de periodiciteit van de integrand. Voor is de integrand continu; de twee herhaalde integralen stemmen overeen (beide verdwijnen, als functies van de bovengrens van de buitenste veranderlijke, in het linkerrandpunt en hebben dezelfde afgeleide — continuïteit plus Stelling 9.10 rechtvaardigen het differentiëren van de herhaalde integraal). Bijgevolg is
waarbij de binnenste integraal voor elke gelijk is aan (substitutie en periodiciteit). Ten slotte zegt Lemma 14.5 dat ; de substitutie en het even zijn van maken daar van.
Oefening 14.12 ★★★
(Poisson-kern: Abelgemiddelden van Fourierreeksen) Zet voor de functie .
Sommeer de twee meetkundige reeksen en toon aan dat
- Toon aan dat voor geldt als , uniform.
- Leid af dat voor elke continue, -periodieke de Abelgemiddelden uniform naar convergeren als — de zusterversie met continue parameter van de stelling van Fejér, en de Fouriergedaante van de Abelsommatie uit het hoofdstuk over machtreeksen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 14.12.
Met :
Gemiddelde : termsgewijze integratie van de normaal convergente reeks houdt alleen over.
- Voor is , dus , waarvan de noemer naar streeft terwijl de teller naar streeft: uniforme convergentie naar buiten elke omgeving van .
Termsgewijze integratie (normale convergentie in ) geeft . Het argument met de benaderende eenheid: met gemiddelde en positiviteit is
gesplitst bij : hoogstens (Heine) plus : uniforme convergentie als . Dit is Abelsommatie van de Fourierreeks — de Fouriertweelingzus van de randtheorie uit het hoofdstuk over machtreeksen.
14.4 Probleem: de stelling van Fejér en haar dividenden
Probleem 14.1
De stelling van Dirichlet heeft stuksgewijs nodig; voor louter continue kunnen de partiaalsommen zich misdragen. Fejérs ontdekking: hun Cesàro-gemiddelden nooit. De motor is de positiviteit van de kern van Fejér, en de oogst is enorm: uniforme trigonometrische benadering (Weierstrass), eenduidigheid van de Fouriercoëfficiënten, Parseval voor elke functie van dit hoofdstuk (waarmee het “aangenomen” in Stelling 14.10 verdwijnt), de gelijkverdelingsstelling van Weyl, en — als kroon op een eeuw meetkunde — de isoperimetrische ongelijkheid. Overal is -periodiek en stuksgewijs continu, en
Deel I — De kern van Fejér.
- Toon aan dat met , en dat .
Bewijs de gesloten vorm, voor :
(sommeer als het imaginaire deel van een meetkundige reeks).
Toon de concentratieschatting aan: voor is
is een positieve benaderende eenheid.
- (Stelling van Fejér) Bewijs: is continu en -periodiek, dan uniform op (splits de integraal van bij ; gebruik Heine en de vragen 1–3).
- Toon voor stuksgewijs continue de puntsgewijze versie in elke aan, en de uniforme grens (positiviteit!).
Deel II — Weierstrass, eenduidigheid, Parseval.
- (Trigonometrische Weierstrass) Leid af: elke continue -periodieke functie is een uniforme limiet van trigonometrische veeltermen.
- (Eenduidigheid) Leid af: een continue met voor alle is identiek nul — twee continue periodieke functies met dezelfde Fouriercoëfficiënten vallen samen (Oefening 14.4, nu zonder iets aan te nemen).
(Parseval, continu geval) Bewijs met de projectie-eigenschap van (Propositie 14.2) en dat
en besluit tot de identiteit van Parseval voor elke continue -periodieke .
- (Parseval, stuksgewijs continu geval) Construeer, gegeven stuksgewijs continue en , een continue periodieke met (vervang door een affiene interpolatie op piepkleine intervallen rond de sprongen), en leid af dat (gebruik Bessel: ): Parseval geldt in de volle algemeenheid van Stelling 14.10 — het “aangenomen” is verdwenen.
- (Geen Gibbs bij Fejér) Zet dit af tegen Oefening 14.8: toon aan dat voor de blokgolf geldt overal en voor elke — middelen volgens Cesàro wist de overshoot uit die achtervolgt. Leg in één zin uit welke eigenschap van hiervoor verantwoordelijk is.
Deel III — Snelheden.
Bewijs de twee grenzen voor de kern, voor :
(voor de eerste: met inductie; voor de tweede: op ).
Leid de schatting van het eerste moment af,
voor een expliciete constante (splits bij ).
Besluit: is -lipschitz en -periodiek, dan is
- (Verzadiging) Bereken voor en toon aan dat : zelfs voor de gladste functies convergeert Fejér niet sneller dan — het exacte analogon van de verzadiging van Bernstein in de weekendopgave van het hoofdstuk over rijen en reeksen van functies.
- (Lokalisatie) Toon aan: verdwijnt (stuksgewijs continu) op , dan is , hoe wild elders ook is — de convergentie van de gemiddelden in ziet alleen nabij .
Deel IV — De gelijkverdelingsstelling van Weyl. Een rij in heet gelijkverdeeld wanneer voor elk interval geldt
- Toon aan dat gelijkverdeeld is zodra voor elke continue -periodieke (klem de indicator van tussen twee continue, stuksgewijs affiene functies waarvan de integralen verschillen).
(Criterium van Weyl, voldoende voorwaarde) Neem aan dat
Toon aan dat , eerst voor trigonometrische veeltermen, dan voor alle continue -periodieke dankzij vraag 6 (overgezet naar periode ): met vraag 16 is gelijkverdeeld.
Zij irrationaal en (het gebroken deel). Begrens de meetkundige som
en besluit tot de stelling van Weyl: is gelijkverdeeld in .
- Leid af dat dicht ligt in voor irrationale , en leg in één zin uit waarom gelijkverdeling strikt sterker is dan dichtheid.
- (Begincijfers) Bewijs dat het aandeel van de gehele getallen waarvoor als eerste (decimale) cijfer een heeft, naar streeft (begincijfer betekent ; toon aan dat irrationaal is).
Deel V — De isoperimetrische ongelijkheid. Zij een gesloten enkelvoudige -kromme van lengte die een georiënteerde oppervlakte omsluit, geparametriseerd naar geschaalde booglengte: , -periodiek, met constant; de omsloten oppervlakte is
(hier als definitie van de georiënteerde oppervlakte genomen; het hoofdstuk over meervoudige integralen bewijst dat zij met de intuïtieve overeenstemt, via de formule van Green).
Ontwikkel (de reeks van een -functie, normaal convergent) en bewijs met Parseval toegepast op :
- Bewijs evenzo dat (Parseval in gepolariseerde vorm: , toegepast op , ).
(Hurwitz) Besluit:
met gelijkheid dan en slechts dan als — een cirkel. De isoperimetrische ongelijkheid: van alle gesloten krommen van lengte omsluit alleen de cirkel de oppervlakte .
- Verstandscontroles: ga de gelijkheid na voor de cirkel met straal en de strikte ongelijkheid voor het vierkant met zijde ; leg uit waarom voor elk geheel getal , ook de negatieve, en waar de constante snelheid van de parametrisering werd gebruikt.
- Synthese. In telkens één zin: (i) de ene eigenschap van waaruit de Delen I–III voortvloeien en die mist; (ii) hoe de sommatie volgens Cesàro hier samenhangt met de weekendopgave van het hoofdstuk over machtreeksen (Frobenius); (iii) welk dividend alleen Weierstrass (vraag 6) gebruikte en welk de volledige Parseval nodig had; (iv) één zin over wat het volume van bachelorjaar 3 toevoegt (de volledigheid van : Fourierreeksen als hilbertbasis).
Oplossing
Oplossing van Probleem 14.1.
1. Lemma 14.5 middelen over (lineariteit van de integraal) geeft ; elke heeft gemiddelde , dus heeft gemiddelde .
2. Met :
Delen door :
3. Op is en : , daar uniform.
4. Wegens het gemiddelde is . Gegeven levert Heine een met voor , uniform in . Dan geldt, met en haar gemiddelde ,
voor grote , uniform in : de stelling van Fejér.
5. is even met gemiddelde : elke helft , draagt gemiddelde . Dan is
splits op elke helft bij , waar de eenzijdige limiet -dichtbij ligt, en laat vraag 3 het verre stuk doden: beide integralen streven naar . De grens: geeft .
6. Elke is een trigonometrische veelterm (een gemiddelde van de , ), en uniform: de trigonometrische stelling van Weierstrass.
7. voor alle maakt elke , en dus elke ; volgens Fejér is . Toegepast op een verschil: continue periodieke functies worden door hun Fouriercoëfficiënten vastgelegd.
8. is de orthogonale projectie van op (Propositie 14.2) en minimaliseert dus over ; omdat :
(de middelste ongelijkheid omdat het gemiddelde van hoogstens het kwadraat van het supremum is). Pythagoras gaat dan over in de limiet: Parseval voor elke continue periodieke .
9. Zij de sprongen van in één periode en . Definieer voor kleine de functie als buiten de intervallen en als de affiene koorde over elk zulk interval: is continu en periodiek, , en
voor kleine . Bessel maakt van een contractie voor , dus
en vraag 8 geeft voor elke : , en Pythagoras levert Parseval voor elke stuksgewijs continue : het “aangenomen” in Stelling 14.10 is nu een stelling.
10. De blokgolf heeft , dus vraag 5 geeft overal en voor elke — nooit een overshoot — terwijl Oefening 14.8 toont dat . De ene verantwoordelijke eigenschap: , zodat een gewogen gemiddelde van waarden van is en nooit kan verlaten; neemt negatieve waarden aan, en kan dat dus wel.
11. met inductie (): met is
De concaviteit van op geeft voor , dus .
12. Wegens het even zijn en de splitsing bij :
Voor : en , dus het moment is .
13. Voor -lipschitzfuncties :
uniform in .
14. geeft , terwijl voor : , dus . Zelfs voor dit gehele, in bandbreedte begrensde signaal is het tempo : Fejér verzadigt, precies zoals de operator van Bernstein bij verzadigt (Voronovskaja, in de weekendopgave van het hoofdstuk over rijen en reeksen van functies).
15. Verdwijnt op , dan is , met absolute waarde hoogstens : de Cesàro-gemiddelden in zien alleen nabij .
16. Kies, gegeven en , continue -periodieke, stuksgewijs affiene functies met en (trapezia met hellingen over intervallen van totale lengte ). Dan is
en symmetrisch : het aandeel streeft naar .
17. Voor met geeft de hypothese de limiet ; voor zijn beide leden ; lineariteit handelt elke trigonometrische veelterm af. Voor continue -periodieke en levert vraag 6 (overgezet met ) een trigonometrische veelterm met :
Met vraag 16: is gelijkverdeeld.
18. Voor en irrationale is :
een grens onafhankelijk van ; delen door geeft het criterium van Weyl, en vraag 17 besluit: is gelijkverdeeld.
19. Elk deelinterval ontvangt een asymptotisch aandeel gelijk aan zijn lengte, en in het bijzonder oneindig veel punten: ligt dicht. Gelijkverdeling is sterker: een rij kan dicht liggen en toch bijna al haar tijd in één hoek doorbrengen (dichtheid zegt waar de rij komt, gelijkverdeling zegt hoe vaak).
20. heeft begincijfer dan en slechts dan als voor een zekere , dat wil zeggen dan en slechts dan als . Irrationaliteit: zou geven, wat wegens de eenduidige ontbinding in priemfactoren onmogelijk is voor . De stelling van Weyl (vraag 18 met ; het halfopen interval wordt tussen gesloten intervallen van nabije lengten geklemd) geeft het aandeel : de begincijfers van volgen de wet van Benford.
21. is van klasse , dus haar Fourierreeks convergeert normaal met som (Stelling 14.10 (1)), en . Omdat constant is, geldt
en Parseval toegepast op de continue geeft , dat wil zeggen .
22. De gepolariseerde Parseval volgt uit Parseval toegepast op en (polarisatie-identiteit), beide continu. Met , :
23. De vragen 21–22 samen:
want voor elk geheel getal. Gelijkheid dwingt af voor alle : , een cirkel met middelpunt en straal (constante snelheid). Hurwitz’ bewijs van de isoperimetrische ongelijkheid: , en alleen de cirkel.
24. Cirkel met straal : , : : gelijkheid. Vierkant met zijde : (want ). Voor negatieve is een product van twee negatieve gehele getallen: positief — achterwaarts windende modi kosten dus dubbel oppervlakte. De constante snelheid kwam binnen bij vraag 21, waar tot werd omgezet; bij niet-constante snelheid geeft Cauchy–Schwarz dat , zodat de ongelijkheid overeind blijft, met de cirkel nog altijd als enig geval van gelijkheid.
25. (i) Alles vloeit voort uit (samen met gemiddelde en concentratie); heeft gemiddelde en concentratie van oscillatie, maar geen positiviteit, en Gibbs is de prijs. (ii) Cesàro-sommeerbaarheid van de Fourierreeks impliceert haar Abelsommeerbaarheid met dezelfde som (Frobenius, bewezen in de weekendopgave van het hoofdstuk over machtreeksen) — de weg via de Poisson-kern van Oefening 14.12 is precies de methode van Abel. (iii) De stelling van Weyl had alleen uniforme benadering nodig (vraag 6); de isoperimetrische ongelijkheid had Parseval zelf nodig (vragen 8, 21–22). (iv) Het volume van bachelorjaar 3 bewijst de volledigheid: de exponentiëlen vormen een hilbertbasis van , Parseval wordt een isometrie van hilbertruimten, en de stelling van Fejér wordt de uitspraak dat die isometrie met positieve gemiddelden berekenbaar is.