Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

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 C1C^1-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 1/n2=π2/6\sum 1/n^2 = \pi^2/6 voorop.

Overal zijn de functies 2π2\pi-periodiek, stuksgewijs continu en complexwaardig; C\mathcal{C} duidt de continue functies aan.

14.1 Fouriercoëfficiënten

Definitie 14.1

De Fouriercoëfficiënten van ff zijn

cn(f)=12πππf(t)eint ⁣dt(nZ),c_n(f) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(t)\,\eu^{-\iu n t}\,\dd t \qquad (n \in \Z),

en de coëfficiënten in reële vorm zijn an=cn+cna_n = c_n + c_{-n}, bn=i(cncn)b_n = \iu(c_n - c_{-n}), zodat de Fourierpartiaalsommen gegeven worden door

SN(f)(t)=n=NNcn(f)eint=a02+n=1N(ancosnt+bnsinnt).S_N(f)(t) = \sum_{n=-N}^{N} c_n(f)\,\eu^{\iu nt} = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{N}\bigl(a_n\cos nt + b_n \sin nt\bigr).

Definieer op C\mathcal{C} het hermitische inproduct f,g=12πππfg\langle f, g\rangle = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\conj f\,g: de exponentiëlen en(t)=einte_n(t) = \eu^{\iu nt} zijn orthonormaal (em,en=δmn\langle e_m, e_n\rangle = \delta_{mn}, rechtstreekse berekening), en cn(f)=en,fc_n(f) = \langle e_n, f\rangle: Fourieranalyse is hermitische meetkunde (Hoofdstuk 13) in oneindige dimensie.

Propositie 14.2 (Ongelijkheid van Bessel)

SN(f)S_N(f) is de orthogonale projectie van ff op de ruimte TN\mathcal{T}_N van de trigonometrische veeltermen van graad N\leq N, en

n=NNcn(f)2f22=12πππf2:\sum_{n=-N}^{N} \abs{c_n(f)}^2 \leq \norm f_2^2 = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} \abs f^2 :

de reeks cn2\sum \abs{c_n}^2 convergeert, en cn(f)0c_n(f) \to 0 als n\abs n \to \infty (Riemann–Lebesgue voor coëfficiënten).

Bewijs. fSN(f)f - S_N(f) staat loodrecht op elke eke_k met kN\abs k \leq N (ek,fSNf=ckck=0\langle e_k, f - S_N f\rangle = c_k - c_k = 0): SNfS_Nf is de orthogonale projectie op TN=Vect(eN,,eN)\mathcal{T}_N = \operatorname{Vect}(e_{-N}, \dots, e_N) (de projectiestelling uit het volume van bachelorjaar 1, woordelijk in het hermitische kader). Pythagoras: f22=SNf22+fSNf22SNf22=nNcn2\norm f_2^2 = \norm{S_Nf}_2^2 + \norm{f - S_Nf}_2^2 \geq \norm{S_Nf}_2^2 = \sum_{\abs n \leq N} \abs{c_n}^2; laat NN \to \infty.

Voorbeeld 14.3 (Beste benadering, gemeten)

Hoe goed benaderen trigonometrische veeltermen van lage graad de zaagtand f(t)=tf(t) = t (op (π,π)\intoo{-\pi}{\pi}) in kwadratisch gemiddelde? Volgens Propositie 14.2 is de beste benadering van graad NN juist SN(f)S_N(f), met kwadratische fout

fSNf22=f22nNcn2.\norm{f - S_Nf}_2^2 = \norm f_2^2 - \sum_{\abs n\leq N}\abs{c_n}^2 .

Hier is f22=12πππt2 ⁣dt=π23\norm f_2^2 = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi t^2\dd t = \frac{\pi^2}{3}, en uit bn=2(1)n+1nb_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n} (Voorbeeld 14.12) volgt cn2+cn2=bn22=2n2\abs{c_n}^2 + \abs{c_{-n}}^2 = \frac{b_n^2}{2} = \frac{2}{n^2}. Dus

fSNf22=π23n=1N2n2: numeriek 1.29, 0.79, 0.57, 0.44\norm{f - S_Nf}_2^2 = \frac{\pi^2}{3} - \sum_{n=1}^{N}\frac{2}{n^2} \qquad\text{: numeriek } 1.29,\ 0.79,\ 0.57,\ 0.44

voor N=1,2,3,4N = 1, 2, 3, 4 — dalend, maar traag: de staart n>N2n22N\sum_{n>N}\frac2{n^2} \sim \frac2N wordt bestuurd door het trage verval 1n\frac1n 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:

  1. Pariteit: een even ff heeft bn=0b_n = 0, een oneven ff heeft an=0a_n = 0, en de overblijvende integralen herleiden tot 2π0π\frac2\pi \int_0^\pi — half zoveel werk, dubbel zo betrouwbaar.
  2. Trigonometrische veeltermen zijn al klaar: lineariseer producten (cos3\cos^3, sin2cos\sin^2\cos, …) en lees de coëfficiënten af (Oefening 14.9); de orthonormaliteit maakt elke verdere integratie overbodig.
  3. Complexe exponentiëlen voor exponentiëlen: voor factoren eat\eu^{at} of gedempte trillingen bereken je cnc_n rechtstreeks — één integraal van e(ain)t\eu^{(a - \iu n)t} verslaat twee partiële integraties (Oefening 14.10).
  4. Differentieer een bekende ontwikkeling: zijn de coëfficiënten van ff' bekend en is ff continu, dan geeft cn(f)=cn(f)inc_n(f) = \frac{c_n(f')}{\iu n} (n0n \neq 0) alles behalve c0c_0, 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)

SN(f)(x)=12πππf(x+u)DN(u) ⁣duS_N(f)(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x + u)\,D_N(u)\,\dd u, waarbij

DN(u)=n=NNeinu=sin((N+12)u)sinu2(u2πZ),12πππDN=1.D_N(u) = \sum_{n=-N}^{N} \eu^{\iu nu} = \frac{\sin\bigl((N + \frac12)u\bigr)}{\sin\frac u2} \quad (u \notin 2\pi\Z), \qquad \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} D_N = 1 .

Bewijs. Vul de definitie van cnc_n in SNS_N in en verwissel som en integraal (geoorloofd: de som is eindig):

SN(f)(x)=n=NN(12πππf(t)eint ⁣dt)einx=12πππf(t)n=NNein(xt) ⁣dt;S_N(f)(x) = \sum_{n=-N}^{N}\Bigl(\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(t)\,\eu^{-\iu nt}\dd t\Bigr)\eu^{\iu nx} = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(t) \sum_{n=-N}^{N}\eu^{\iu n(x-t)}\,\dd t ;

substitueer u=txu = t - x en schuif het integratiesegment over 2π2\pi terug naar [π,π]\intcc{-\pi}{\pi} dankzij de 2π2\pi-periodiciteit van de integrand; het symmetrische indexbereik maakt neinu=DN(u)\sum_n\eu^{-\iu nu} = D_N(u). De gesloten vorm: meetkundige som met reden eiu\eu^{\iu u},

DN(u)=eiNuei(2N+1)u1eiu1=ei(N+12)uei(N+12)ueiu/2eiu/2,D_N(u) = \eu^{-\iu Nu}\,\frac{\eu^{\iu(2N+1)u} - 1}{\eu^{\iu u} - 1} = \frac{\eu^{\iu(N + \frac12)u} - \eu^{-\iu(N+\frac12)u}} {\eu^{\iu u/2} - \eu^{-\iu u/2}} ,

wat het sinusquotiënt is. Haar gemiddelde is 11: alleen n=0n = 0 draagt bij.

Stelling 14.6 (Lemma van Riemann–Lebesgue)

Voor stuksgewijs continue gg op een segment geldt abg(t)sin(λt+φ) ⁣dt0\int_a^b g(t)\sin(\lambda t + \varphi)\,\dd t \to 0 als λ+\lambda \to +\infty.

Bewijs. Benader gg 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 O(1λ)O\bigl(\frac1\lambda\bigr) bij, en de benaderingsfout draagt ε(ba)\varepsilon(b - a) bij. Dit argument werd volledig uitgevoerd als laatste oefening van het integratiehoofdstuk in het volume van bachelorjaar 1; voor C1C^1-stukken kan men in plaats daarvan partieel integreren en door Cλ\frac C\lambda begrenzen.

Voorbeeld 14.7 (Hoe snel sterven de coëfficiënten?)

Riemann–Lebesgue zegt dat de coëfficiënten naar 00 streven; hun snelheid is een gladheidsmeter. Drie exemplaren uit dit hoofdstuk en zijn oefeningen:

blokgolf: bn=4πn (n oneven),t:an=4πn2 (n oneven),sint:a2k=4π(4k21).\text{blokgolf: } b_n = \frac{4}{\pi n}\ (n\ \text{oneven}), \qquad \abs t : a_n = \frac{-4}{\pi n^2}\ (n\ \text{oneven}), \qquad \abs{\sin t} : a_{2k} = \frac{-4}{\pi(4k^2-1)} .

Een sprong in ff (blokgolf, zaagtand) laat coëfficiënten van de orde 1n\frac1n na: geen normale convergentie, en een Gibbs-overshoot bij de sprongen. Continuïteit met een knik — een sprong in alleen ff' — verbetert de orde tot 1n2\frac{1}{n^2}: normale convergentie, uniforme reconstructie. In het algemeen kopen kk afgeleiden cn=O(nk)c_n = O(n^{-k}) (Oefening 14.6), en omgekeerd dwingt een spectrum dat sneller dan elke macht vervalt af dat ff van klasse CC^\infty 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 ff 2π2\pi-periodiek en stuksgewijs C1C^1. Dan geldt voor elke xx

SN(f)(x)Nf(x+)+f(x)2S_N(f)(x) \xrightarrow[N \to \infty]{} \frac{f(x^+) + f(x^-)}{2}

(het gemiddelde van de eenzijdige limieten) — in het bijzonder SN(f)(x)f(x)S_N(f)(x) \to f(x) in elk continuïteitspunt.

Bewijs. Volgens het kernlemma en zijn gemiddelde 11, waarbij de integraal in de helften u>0u > 0 en u<0u < 0 wordt gesplitst (elk met gemiddelde 12\frac12):

SN(f)(x)f(x+)+f(x)2=12π0π(f(x+u)f(x+))DN(u) ⁣du+12ππ0(f(x+u)f(x))DN(u) ⁣du.\begin{align*} S_N(f)(x) - \frac{f(x^+) + f(x^-)}{2} &= \frac{1}{2\pi}\int_{0}^{\pi} \bigl(f(x+u) - f(x^+)\bigr)D_N(u)\,\dd u\\ &\quad+ \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{0}\bigl(f(x+u) - f(x^-)\bigr)D_N(u)\,\dd u . \end{align*}

Behandel de eerste (de tweede is symmetrisch). Schrijf

(f(x+u)f(x+))DN(u)=f(x+u)f(x+)sinu2g(u)sin((N+12)u).\bigl(f(x + u) - f(x^+)\bigr)\,D_N(u) = \underbrace{\frac{f(x+u) - f(x^+)}{\sin\frac u2}}_{g(u)}\, \sin\Bigl(\Bigl(N + \frac12\Bigr)u\Bigr) .

De functie gg is stuksgewijs continu op (0,π]\intoc{0}{\pi} en heeft een eindige limiet in 0+0^+: schrijven we

g(u)=f(x+u)f(x+)uusinu2,g(u) = \frac{f(x+u) - f(x^+)}{u}\cdot\frac{u}{\sin\frac u2} ,

dan streeft de eerste factor naar f(x+)f'(x^+) (eenzijdige differentieerbaarheid, uit stuksgewijs C1C^1) en de tweede naar 22 (de standaardlimiet sinvv1\frac{\sin v}{v} \to 1 met v=u2v = \frac u2): g(0+)=2f(x+)g(0^+) = 2f'(x^+) bestaat. Dus laat gg zich stuksgewijs continu uitbreiden tot [0,π]\intcc{0}{\pi}, en Riemann–Lebesgue (Stelling 14.6) stuurt de integraal naar 00. Dat is precies waar de hypothese voor dient: zonder eenzijdige afgeleiden explodeert de factor 1sin(u/2)\frac{1}{\sin(u/2)} in 00 sneller dan Riemann–Lebesgue kan compenseren, en kan de puntsgewijze convergentie werkelijk falen voor louter continue ff — de kloof die de stelling van Fejér (weekendopgave) door middelen dicht.

Voorbeeld 14.9 (Dirichlet in een sprong)

Voor de zaagtand f(t)=tf(t) = t op (π,π)\intoo{-\pi}{\pi} (Voorbeeld 14.12 hieronder) springt de periodieke uitbreiding in t=πt = \pi van f(π)=πf(\pi^-) = \pi naar f(π+)=πf(\pi^+) = -\pi. Dirichlet belooft daar de waarde π+(π)2=0\frac{\pi + (-\pi)}{2} = 0, en inderdaad verdwijnt elke term van 2(1)n+1nsinnt\sum \frac{2(-1)^{n+1}}{n}\sin nt in t=πt = \pi: de reeks convergeert beleefd naar het middelpunt en negeert beide eenzijdige waarden. Verplaatsen we het evaluatiepunt naar t=π2t = \frac\pi2 (een continuïteitspunt), dan maakt dezelfde reeks er Leibniz’ π4\frac\pi4 van. Eén reeks, twee gedragingen — precies de twee uitspraken van de stelling.

Stelling 14.10 (Normale convergentie voor C1C^1; Parseval)

  1. Is ff continu, 2π2\pi-periodiek en stuksgewijs C1C^1, dan is cn(f)=incn(f)c_n(f') = \iu n\,c_n(f), convergeert de Fourierreeks van ff normaal op R\R, en is haar som ff.
  2. (Parseval) Voor elke stuksgewijs continue 2π2\pi-periodieke ff:

    12πππf2=n=cn(f)2=a024+12n1(an2+bn2).\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\abs{f}^2 = \sum_{n=-\infty}^{\infty} \abs{c_n(f)}^2 = \frac{\abs{a_0}^2}{4} + \frac12\sum_{n\geq1} \bigl(\abs{a_n}^2 + \abs{b_n}^2\bigr).

    (Hier bewezen voor continue, stuksgewijs C1C^1-functies ff; in het algemeen aangenomen.)

Bewijs. (1) Partiële integratie op elk C1C^1-stuk (de randtermen heffen elkaar op wegens continuïteit en periodiciteit): cn(f)=incn(f)c_n(f') = \iu n c_n(f). Vervolgens, met Cauchy–Schwarz op de twee kwadratisch sommeerbare families (Propositie 14.2 voor ff'):

n0cn(f)=n0cn(f)n(cn(f)2)1/2(n01n2)1/2<:\sum_{n \neq 0} \abs{c_n(f)} = \sum_{n\neq0} \frac{\abs{c_n(f')}}{\abs n} \leq \Bigl(\sum \abs{c_n(f')}^2\Bigr)^{1/2} \Bigl(\sum_{n\neq0}\frac{1}{n^2}\Bigr)^{1/2} < \infty :

normale convergentie van de Fourierreeks. Haar som is continu en valt volgens Dirichlet in elk punt met ff samen (Stelling 14.8: ff is continu): de reeks convergeert uniform naar ff.

(2) Voor zulke ff: SNffS_N f \to f uniform, dus fSNf2fSNf0\norm{f - S_Nf}_2 \leq \norm{f - S_Nf}_\infty \to 0, en Pythagoras (f22=nNcn2+fSNf22\norm f_2^2 = \sum_{\abs n \leq N}\abs{c_n}^2 + \norm{f - S_Nf}_2^2) gaat over in de limiet. De reële vorm is boekhouding met an,bna_n, b_n.

Voorbeeld 14.11 (De C1C^1-staartschatting, kwantitatief gemaakt)

Het bewijs van Stelling 14.10 (1) verbergt een bruikbare schatting. Voor continue, stuksgewijs C1C^1-functies ff geeft dezelfde ongelijkheid van Cauchy–Schwarz, alleen op de staart toegepast,

n>Ncn(f)=n>Ncn(f)n(n>Ncn(f)2) ⁣1/2(n>N1n2) ⁣1/2f22N,\sum_{\abs n > N}\abs{c_n(f)} = \sum_{\abs n > N}\frac{\abs{c_n(f')}}{\abs n} \leq \Bigl(\sum_{\abs n > N}\abs{c_n(f')}^2\Bigr)^{\!1/2} \Bigl(\sum_{\abs n>N}\frac{1}{n^2}\Bigr)^{\!1/2} \leq \norm{f'}_2\,\sqrt{\frac{2}{N}} ,

met Bessel voor ff' en n>Nn21N\sum_{n>N}n^{-2} \leq \frac1N. De uniforme fout van de partiaalsommen voldoet dus aan

fSNfn>Ncn(f)f22N.\norm{f - S_Nf}_\infty \leq \sum_{\abs n>N}\abs{c_n(f)} \leq \norm{f'}_2\,\sqrt{\frac2N} .

Voor f(t)=tf(t) = \abs t is f2=1\norm{f'}_2 = 1 (de afgeleide is ±1\pm1), zodat tien termen t\abs t al uniform tot op 0.20.45\sqrt{0.2} \approx 0.45 reconstrueren, en N=104N = 10^4 tot op 0.0150.015. Het inzicht om te onthouden: één afgeleide koopt het uniforme tempo 1N\frac{1}{\sqrt N}; vergeleken met de wereld van coëfficiënten 1n\frac1n van de blokgolf (helemaal geen uniforme convergentie) krijgt het woordenboek van Voorbeeld 14.7 zo getallen.

Voorbeeld 14.12 (Basel en vrienden)

Zij f(t)=tf(t) = t op (π,π)\intoo{-\pi}{\pi}, 2π2\pi-periodiek uitgebreid (een zaagtand, stuksgewijs C1C^1). Rekenwerk geeft an=0a_n = 0 (oneven zijn) en

bn=1πππtsinnt ⁣dt=2(1)n+1n.b_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} t\sin nt\,\dd t = \frac{2(-1)^{n+1}}{n} .

Dirichlet in t=π2t = \frac\pi2 levert Leibniz’ π4=113+15\frac\pi4 = 1 - \frac13 + \frac15 - \dots op; Parseval geeft

12πππt2 ⁣dt=π23=12n14n2  n11n2=π26  \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} t^2\,\dd t = \frac{\pi^2}{3} = \frac12\sum_{n\geq1}\frac{4}{n^2} \quad\Longrightarrow\quad \boxed{\;\sum_{n\geq1}\frac{1}{n^2} = \frac{\pi^2}{6}\;}

— Eulers som van Basel, in twee regels. De functie f(t)=t2f(t) = t^2 levert op dezelfde manier 1n4=π490\sum \frac1{n^4} = \frac{\pi^4}{90} op (Oefening 14.3).

Voorbeeld 14.13 (Een volledige ontwikkeling met ingebouwde controle: sint\abs{\sin t})

De functie f(t)=sintf(t) = \abs{\sin t} is continu, even, π\pi-periodiek (en dus 2π2\pi-periodiek) en stuksgewijs C1C^1. Het even zijn doodt de bnb_n; a0=1πππsint ⁣dt=4πa_0 = \frac1\pi\int_{-\pi}^{\pi} \abs{\sin t}\dd t = \frac4\pi; en voor n1n \geq 1 geeft de omzetting van een product in een som

an=2π0πsintcosnt ⁣dt=1π0π(sin(1+n)t+sin(1n)t) ⁣dt=2π1+cosnπ1n2a_n = \frac2\pi\int_0^\pi \sin t\cos nt\,\dd t = \frac{1}{\pi}\int_0^\pi\bigl(\sin(1+n)t + \sin(1-n)t\bigr)\dd t = \frac2\pi\cdot\frac{1 + \cos n\pi}{1 - n^2}

voor n1n \neq 1 (en a1=0a_1 = 0 rechtstreeks): nul voor oneven nn, en a2k=4π(4k21)a_{2k} = \frac{-4}{\pi(4k^2-1)}. Volgens Stelling 14.10 (1) is de convergentie normaal, en geldt

sint=2π4πk1cos(2kt)4k21(tR).\abs{\sin t} = \frac{2}{\pi} - \frac{4}{\pi} \sum_{k\geq1}\frac{\cos(2kt)}{4k^2 - 1} \qquad (t \in \R) .

Ingebouwde controle in t=0t = 0: de identiteit eist dat k114k21=12\sum_{k\geq1}\frac{1}{4k^2-1} = \frac12, wat een telescopische som bevestigt:

k114k21=12k1(12k112k+1)=12.\sum_{k\geq1}\frac{1}{4k^2-1} = \frac12\sum_{k\geq1}\Bigl(\frac{1}{2k-1} - \frac{1}{2k+1}\Bigr) = \frac12 . \checkmark

Het inzicht om te onthouden: het spectrum van sin\abs{\sin} leeft uitsluitend op de even frequenties — een sinus gelijkrichten verdubbelt zijn frequentie-inhoud, en daarom brommen dubbelfasige gelijkrichters op 100100 of 120120 hertz, tweemaal de netfrequentie.

Voorbeeld 14.14 (Parseval als rekenmachine)

Parseval maakt van ontwikkelingen bij de vleet numerieke reeksen. Pas haar toe op f(t)=tf(t) = \abs t (Oefening 14.2: a0=πa_0 = \pi, an=4πn2a_n = \frac{-4}{\pi n^2} voor oneven nn, de rest nul):

12πππt2 ⁣dt=π23=a024+12n onevenan2=π24+8π2n oneven1n4,\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}t^2\,\dd t = \frac{\pi^2}{3} = \frac{a_0^2}{4} + \frac12\sum_{n \text{ oneven}} a_n^2 = \frac{\pi^2}{4} + \frac{8}{\pi^2}\sum_{n\text{ oneven}}\frac{1}{n^4} ,

waaruit

n oneven1n4=π28(π23π24)=π496.\sum_{n\text{ oneven}}\frac{1}{n^4} = \frac{\pi^2}{8}\Bigl(\frac{\pi^2}{3} - \frac{\pi^2}{4}\Bigr) = \frac{\pi^4}{96} .

Kruiscontrole met Oefening 14.3: 1n4\sum\frac1{n^4} in oneven en even delen splitsen geeft de boekhouding S=Soneven+S16S = S_{\mathrm{oneven}} + \frac{S}{16} in ζ\zeta-stijl, dus S=1615π496=π490S = \frac{16}{15}\cdot\frac{\pi^4}{96} = \frac{\pi^4}{90} — 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.

De blokgolf (grijs) en de Fourierpartiaalsommen S_1 (blauw) en S_9 (rood): convergentie in elk continuïteitspunt, maar een blijvende overshoot van 9\% nabij de sprongen — het Gibbs-fenomeen. Uniforme convergentie faalt precies omdat de limiet discontinu is.
De blokgolf (grijs) en de Fourierpartiaalsommen S1S_1 (blauw) en S9S_9 (rood): convergentie in elk continuïteitspunt, maar een blijvende overshoot van 9%\sim 9\% nabij de sprongen — het Gibbs-fenomeen. Uniforme convergentie faalt precies omdat de limiet discontinu is.

Voorbeeld 14.15 (Translatie en modulatie)

Twee regels van één regel lang brengen uit één ontwikkeling vele andere voort. Voor aRa \in \R geeft de substitutie s=tas = t - a

cn(f(a))=12πππf(ta)eint ⁣dt=einacn(f)(translatie moduleert het spectrum),c_n\bigl(f(\cdot - a)\bigr) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(t - a)\eu^{-\iu nt}\dd t = \eu^{-\iu na}\,c_n(f) \qquad\text{(translatie moduleert het spectrum)},

en rechtstreeks uit de definitie

cn(eiktf)=cnk(f)(modulatie transleert het spectrum).c_n\bigl(\eu^{\iu kt}f\bigr) = c_{n-k}(f) \qquad\text{(modulatie transleert het spectrum)}.

Uitgewerkt geval: de over π\pi verschoven zaagtand g(t)=f(tπ)g(t) = f(t - \pi) met f(t)=tf(t) = t heeft bnb_n-coëfficiënten (1)n2(1)n+1n=2n(-1)^n\cdot\frac{2(-1)^{n+1}}{n} = -\frac2n: de ontwikkeling g2sinntng \sim -2\sum\frac{\sin nt}{n} van de zaagtand die in 00 springt in plaats van in π\pi — zonder één integraal opnieuw te berekenen. Het inzicht om te onthouden: tijdsverschuivingen draaien alleen aan fasen, nooit aan amplituden (cn\abs{c_n} 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 C1C^1, 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 2(1)n+1cosnt\sum 2(-1)^{n+1}\cos nt op, waarvan de termen niet eens naar 00 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 SN=NNS_N = \sum_{-N}^{N}; herschikken of eerst één kant sommeren kan divergentie in convergentie veranderen en terug. (iv) Verschuivende normalisatie: de afspraken verschillen van boek tot boek (12π\frac{1}{2\pi} of 1π\frac1\pi ervoor, periode 2π2\pi of 11); de betrouwbare invarianten zijn de orthonormaliteitsrelaties — herbereken em,en\langle e_m, e_n\rangle in de afspraak die voorligt voordat je een formule vertrouwt.

Opmerking 14.17 (Waar dit wordt gebruikt)

Parseval is de kiem van de L2L^2-theorie van de Fourierreeksen: het volume van bachelorjaar 3 maakt het beeld af (de exponentiëlen vormen een hilbertbasis van L2L^2, en de afbeelding f(cn)f \mapsto (c_n) 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 ff — 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 rr 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.

De Dirichlet-kern D_8 (blauw) oscilleert en neemt negatieve waarden aan; de kern F_8 van Fejér (rood) is niet-negatief, concentreert zich in 0 en heeft gemiddelde 1: een benaderende eenheid. Positiviteit is precies wat de Dirichlet-kern mist, en wat de stelling van Fejér in de weekendopgave onvoorwaardelijk maakt.
De Dirichlet-kern D8D_8 (blauw) oscilleert en neemt negatieve waarden aan; de kern F8F_8 van Fejér (rood) is niet-negatief, concentreert zich in 00 en heeft gemiddelde 11: een benaderende eenheid. Positiviteit is precies wat de Dirichlet-kern mist, en wat de stelling van Fejér in de weekendopgave onvoorwaardelijk maakt.

14.3 Oefeningen

Oefening 14.1

Bereken de Fouriercoëfficiënten van de blokgolf (f=1f = -1 op (π,0)\intoo{-\pi}{0}, +1+1 op (0,π)\intoo{0}{\pi}), formuleer het besluit van Dirichlet in t=π2t = \frac\pi2 en in de sprong t=0t = 0, en vind de reeks van Leibniz terug.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.1.

Het oneven zijn doodt de ana_n. Voor n1n \geq 1:

bn=2π0πsinnt ⁣dt=2π1(1)nn={4πnn oneven,0n even.b_n = \frac{2}{\pi}\int_0^{\pi} \sin nt\,\dd t = \frac{2}{\pi}\cdot\frac{1 - (-1)^n}{n} = \begin{cases} \frac{4}{\pi n} & n \text{ oneven},\\ 0 & n \text{ even}. \end{cases}

Dus S(f)(t)=4πk0sin((2k+1)t)2k+1S(f)(t) = \frac{4}{\pi}\sum_{k\geq0} \frac{\sin\bigl((2k+1)t \bigr)}{2k+1}. Dirichlet in t=π2t = \frac\pi2 (een continuïteitspunt, waarde 11): sin((2k+1)π2)=(1)k\sin\bigl((2k+1)\frac\pi2\bigr) = (-1)^k, wat geeft

1=4πk0(1)k2k+1k0(1)k2k+1=π4(Leibniz).1 = \frac4\pi \sum_{k\geq0}\frac{(-1)^k}{2k+1} \quad\Longrightarrow\quad \sum_{k\geq0}\frac{(-1)^k}{2k+1} = \frac{\pi}{4} \quad\text{(Leibniz)}.

In de sprong t=0t = 0: de reeks sommeert tot 0=f(0+)+f(0)20 = \frac{f(0^+) + f(0^-)}{2}, zoals Dirichlet voorschrijft (elke term verdwijnt: dat klopt).

Oefening 14.2

Ontwikkel f(t)=tf(t) = \abs t (tπ\abs t \leq \pi, 2π2\pi-periodiek) in Fourierreeks; verantwoord de normale convergentie; evalueer in t=0t = 0 om k01(2k+1)2=π28\sum_{k\geq0}\frac{1}{(2k+1)^2} = \frac{\pi^2}{8} te verkrijgen, en leid daaruit Basel opnieuw af.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.2.

Het even zijn doodt de bnb_n; a0=1πππt ⁣dt=πa_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi\abs t\,\dd t = \pi, en voor n1n \geq 1:

an=2π0πtcosnt ⁣dt=2π(1)n1n2={4πn2n oneven,0n even,a_n = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi t\cos nt\,\dd t = \frac{2}{\pi}\cdot\frac{(-1)^n - 1}{n^2} = \begin{cases} -\frac{4}{\pi n^2} & n \text{ oneven},\\ 0 & n \text{ even}, \end{cases}

(één partiële integratie). Bijgevolg is

t=π24πk0cos((2k+1)t)(2k+1)2,\abs t = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi}\sum_{k\geq0} \frac{\cos\bigl((2k+1)t\bigr)}{(2k+1)^2} ,

met normale convergentie ((2k+1)2<\sum (2k+1)^{-2} < \infty) — zoals Stelling 14.10 (1) voor deze continue, stuksgewijs C1C^1-functie voorspelt. In t=0t = 0:

0=π24πk01(2k+1)2k01(2k+1)2=π28.0 = \frac\pi2 - \frac4\pi\sum_{k\geq0}\frac{1}{(2k+1)^2} \quad\Longrightarrow\quad \sum_{k\geq0}\frac{1}{(2k+1)^2} = \frac{\pi^2}{8} .

1n2\sum \frac{1}{n^2} in oneven en even delen splitsen geeft S=π28+S4S = \frac{\pi^2}{8} + \frac S4, dus S=π26S = \frac{\pi^2}{6}: opnieuw Basel.

Oefening 14.3

Ontwikkel f(t)=t2f(t) = t^2 (tπ\abs t \leq \pi) en leid af dat

n1(1)n+1n2=π212,n11n4=π490(Parseval).\sum_{n\geq1}\frac{(-1)^{n+1}}{n^2} = \frac{\pi^2}{12}, \qquad \sum_{n\geq1}\frac{1}{n^4} = \frac{\pi^4}{90} \quad\text{(Parseval)}.
Oplossing

Oplossing van Oefening 14.3.

Even zijn: bn=0b_n = 0; a0=1πππt2=2π23a_0 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} t^2 = \frac{2\pi^2}{3}; twee partiële integraties geven an=4(1)nn2a_n = \frac{4(-1)^n}{n^2} (n1n \geq 1). Bijgevolg is

t2=π23+4n1(1)nn2cosnt(tπ),t^2 = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum_{n\geq1} \frac{(-1)^n}{n^2}\cos nt \qquad (\abs t \leq \pi),

normaal convergent. In t=0t = 0: 0=π23+4(1)nn20 = \frac{\pi^2}{3} + 4\sum\frac{(-1)^n}{n^2}, dat wil zeggen n1(1)n+1n2=π212\sum_{n\geq1} \frac{(-1)^{n+1}}{n^2} = \frac{\pi^2}{12}. Parseval:

12πππt4 ⁣dt=π45=a024+12n1an2=π49+8n11n4,\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} t^4\,\dd t = \frac{\pi^4}{5} = \frac{a_0^2}{4} + \frac12\sum_{n\geq1} a_n^2 = \frac{\pi^4}{9} + 8\sum_{n\geq1}\frac{1}{n^4} ,

dus 1n4=18(π45π49)=π490\sum \frac{1}{n^4} = \frac18\bigl(\frac{\pi^4}{5} - \frac{\pi^4}{9}\bigr) = \frac{\pi^4}{90}.

Oefening 14.4 ★★

Zij ff continu en 2π2\pi-periodiek met cn(f)=0c_n(f) = 0 voor alle nn. Bewijs dat f=0f = 0 (Parseval — voor welke klasse is zij hier bewezen? verantwoord dat continuïteit plus stuksgewijs C1C^1 mag vervallen door de algemene Parseval aan te nemen, of geef het dichtheidsargument in grote lijnen).

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.4.

Is ff bovendien stuksgewijs C1C^1, dan geeft Parseval (bewezen) dat f22=cn2=0\norm f_2^2 = \sum\abs{c_n}^2 = 0, en de strikte positiviteit van de integraal van de continue f2\abs f^2 dwingt f=0f = 0 af.

Voor louter continue ff 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 2\norm\cdot_2-dicht liggen in de continue periodieke functies; omdat ff loodrecht staat op alle, is f22=f,fPf2fP2\norm f_2^2 = \langle f, f - P\rangle \leq \norm f_2\norm{f - P}_2 voor benaderingen PP, wat f2=0\norm f_2 = 0 afdwingt.)

Oefening 14.5 ★★

Ontwikkel voor αZ\alpha \notin \Z de functie f(t)=cos(αt)f(t) = \cos(\alpha t) (tπ\abs t \leq \pi) en leid de splitsing in partieelbreuken van de cotangens af:

πcot(πα)=1α+n12αα2n2.\pi\cot(\pi\alpha) = \frac{1}{\alpha} + \sum_{n\geq1} \frac{2\alpha}{\alpha^2 - n^2} .
Oplossing

Oplossing van Oefening 14.5.

Even zijn: bn=0b_n = 0;

an=2π0πcos(αt)cos(nt) ⁣dt=2π(1)nαsin(πα)α2n2a_n = \frac{2}{\pi}\int_0^\pi \cos(\alpha t)\cos(nt)\,\dd t = \frac{2}{\pi}\cdot \frac{(-1)^n\,\alpha\sin(\pi\alpha)}{\alpha^2 - n^2}

(product in som omzetten, dan integreren; a0=2sin(πα)παa_0 = \frac{2\sin(\pi\alpha)}{\pi\alpha}). Dirichlet in t=πt = \pi (een continuïteitspunt van de periodieke uitbreiding, waarvan de eenzijdige waarden wegens het even zijn samenvallen):

cos(πα)=sin(πα)πα+n12αsin(πα)π(α2n2)(1)ncos(nπ)=sin(πα)π(1α+n12αα2n2),\cos(\pi\alpha) = \frac{\sin(\pi\alpha)}{\pi\alpha} + \sum_{n\geq1} \frac{2\alpha\sin(\pi\alpha)}{\pi(\alpha^2 - n^2)}\,(-1)^n\cos(n\pi) = \frac{\sin(\pi\alpha)}{\pi}\Bigl(\frac{1}{\alpha} + \sum_{n\geq1}\frac{2\alpha}{\alpha^2 - n^2}\Bigr),

met (1)ncosnπ=1(-1)^n\cos n\pi = 1. Delen door sin(πα)/π\sin(\pi\alpha)/\pi geeft de ontwikkeling van de cotangens.

Oefening 14.6 ★★

Bewijs dat als ff 2π2\pi-periodiek en van klasse CkC^k is met f(k)f^{(k)} stuksgewijs continu, dan cn(f)=O(nk)c_n(f) = O\bigl(\abs n^{-k}\bigr): gladheid van het signaal == verval van zijn spectrum.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.6.

Door cn(f)=incn(f)c_n(f') = \iu n\,c_n(f) kk maal te herhalen (partiële integratie over de CkC^{k}-stukken, met passende randwaarden): cn(f(k))=(in)kcn(f)c_n(f^{(k)}) = (\iu n)^k c_n(f). De coëfficiënten van de stuksgewijs continue f(k)f^{(k)} zijn begrensd (streven zelfs naar 00, Bessel):

cn(f)=cn(f(k))nk=O(nk).\abs{c_n(f)} = \frac{\abs{c_n(f^{(k)})}}{\abs n^k} = O\bigl(\abs n^{-k}\bigr) .

Oefening 14.7 ★★★

(Ongelijkheid van Wirtinger) Zij ff van klasse C1C^1, 2π2\pi-periodiek, met ππf=0\int_{-\pi}^{\pi} f = 0. Bewijs dat

ππf2ππf2,\int_{-\pi}^{\pi} \abs{f}^2 \leq \int_{-\pi}^{\pi} \abs{f'}^2 ,

met gelijkheid dan en slechts dan als f(t)=acost+bsintf(t) = a\cos t + b\sin t. (Parseval op beide leden; vergelijk cn2\abs{c_n}^2 en n2cn2n^2\abs{c_n}^2.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.7.

Parseval voor ff en voor ff' (beide geoorloofd: ff is van klasse C1C^1 en ff' stuksgewijs continu — zelfs continu):

12πf2=n0cn2(c0=0 wegens het nulgemiddelde),12πf2=n0n2cn2.\frac{1}{2\pi}\int \abs f^2 = \sum_{n\neq0} \abs{c_n}^2 \quad (c_0 = 0 \text{ wegens het nulgemiddelde}), \qquad \frac{1}{2\pi}\int \abs{f'}^2 = \sum_{n\neq0} n^2\abs{c_n}^2 .

Term voor term is n2cn2cn2n^2\abs{c_n}^2 \geq \abs{c_n}^2 voor n1\abs n \geq 1: de ongelijkheid volgt. Gelijkheid dwingt (n21)cn2=0(n^2 - 1)\abs{c_n}^2 = 0 af voor alle nn, dat wil zeggen cn=0c_n = 0 voor n2\abs n \geq 2: f(t)=c1eit+c1eit=acost+bsintf(t) = c_1\eu^{\iu t} + c_{-1}\eu^{-\iu t} = a\cos t + b\sin t (reële vorm); omgekeerd geven zulke ff gelijkheid.

Oefening 14.8 ★★★

(De constante van Gibbs) Evalueer voor de blokgolf van Oefening 14.1 de partiaalsom in xN=π2Nx_N = \frac{\pi}{2N}: toon aan, met uk=(2k+1)π2Nu_k = \frac{(2k+1)\pi}{2N} en Δu=πN\Delta u = \frac{\pi}{N}, dat

S2N1(π2N)=4πk=0N1sinuk2k+1=2πk=0N1sinukukΔuN2π0πsinuu ⁣du1.179:S_{2N-1}\Bigl(\frac{\pi}{2N}\Bigr) = \frac{4}{\pi}\sum_{k=0}^{N-1} \frac{\sin u_k}{2k+1} = \frac{2}{\pi}\sum_{k=0}^{N-1} \frac{\sin u_k}{u_k}\,\Delta u \xrightarrow[N\to\infty]{} \frac{2}{\pi}\int_0^{\pi}\frac{\sin u}{u}\,\dd u \approx 1.179 :

een Riemannsom van 2πsinuu\frac{2}{\pi}\cdot\frac{\sin u}{u} op [0,π]\intcc{0}{\pi} in de middelpunten. Besluit dat de overshoot boven de sprongwaarde 11 niet verdwijnt als NN \to \infty.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.8.

Volgens Oefening 14.1 is S2N1(x)=4πk=0N1sin((2k+1)x)2k+1S_{2N-1}(x) = \frac4\pi\sum_{k=0}^{N-1}\frac{\sin((2k+1)x)}{2k+1}. In xN=π2Nx_N = \frac{\pi}{2N}, met uk=(2k+1)xN=(2k+1)π2Nu_k = (2k+1)x_N = \frac{(2k+1)\pi}{2N}:

S2N1(xN)=4πk=0N1sinuk2k+1=4πk=0N1sinukukuk2k+1=2πk=0N1sinukukπN,S_{2N-1}(x_N) = \frac{4}{\pi}\sum_{k=0}^{N-1}\frac{\sin u_k}{2k+1} = \frac{4}{\pi}\sum_{k=0}^{N-1}\frac{\sin u_k}{u_k}\cdot \frac{u_k}{2k+1} = \frac{2}{\pi}\sum_{k=0}^{N-1}\frac{\sin u_k}{u_k}\cdot \frac{\pi}{N},

want uk2k+1=π2N\frac{u_k}{2k+1} = \frac{\pi}{2N}. De punten uku_k zijn de middelpunten van de NN deelintervallen van [0,π]\intcc{0}{\pi} met lengte πN\frac{\pi}{N}: de som is een Riemannsom in de middelpunten van de continue functie usinuuu \mapsto \frac{\sin u}{u}, en convergeert dus naar

2π0πsinuu ⁣du2π×1.85191.179.\frac{2}{\pi}\int_0^\pi \frac{\sin u}{u}\,\dd u \approx \frac{2}{\pi}\times 1.8519 \approx 1.179 .

De partiaalsommen nabij de sprong schieten voor altijd 18%\approx 18\% van de halve sprong boven de waarde 11 uit: het fenomeen van Gibbs, gekwantificeerd.

Oefening 14.9

Ontwikkel cos3t\cos^3 t en sin2tcost\sin^2 t\,\cos t in Fourierreeks (lineariseer; een trigonometrische veelterm is haar eigen Fourierreeks, wegens de eenduidigheid van de coëfficiënten). Wat zijn cnc_n, ana_n en bnb_n in elk geval?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.9.

Uit cos3t=4cos3t3cost\cos 3t = 4\cos^3t - 3\cos t:

cos3t=3cost+cos3t4,sin2tcost=costcos3t=costcos3t4.\cos^3 t = \frac{3\cos t + \cos 3t}{4}, \qquad \sin^2t\,\cos t = \cos t - \cos^3 t = \frac{\cos t - \cos 3t}{4} .

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 cos3t\cos^3t: a1=34a_1 = \frac34, a3=14a_3 = \frac14, alle andere ana_n en alle bnb_n nul; c±1=38c_{\pm1} = \frac38, c±3=18c_{\pm3} = \frac18. Voor sin2tcost\sin^2t\cos t: a1=14a_1 = \frac14, a3=14a_3 = -\frac14; c±1=18c_{\pm1} = \frac18, c±3=18c_{\pm3} = -\frac18.

Oefening 14.10 ★★

Zij a>0a > 0 en f(t)=eatf(t) = \eu^{at} op (π,π]\intoc{-\pi}{\pi}, 2π2\pi-periodiek uitgebreid. Bereken

cn(f)=(1)nsinh(aπ)π(ain),c_n(f) = \frac{(-1)^n\sinh(a\pi)}{\pi(a - \iu n)} ,

pas de stelling van Dirichlet toe in de sprong t=πt = \pi, en leid de splitsing in partieelbreuken van de hyperbolische cotangens af:

coth(πa)=1πa+n12aπ(a2+n2).\coth(\pi a) = \frac{1}{\pi a} + \sum_{n\geq1} \frac{2a}{\pi(a^2 + n^2)} .
Oplossing

Oplossing van Oefening 14.10.

Rechtstreekse berekening:

cn=12πππe(ain)t ⁣dt=e(ain)πe(ain)π2π(ain)=(1)nsinh(aπ)π(ain),c_n = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\eu^{(a - \iu n)t}\dd t = \frac{\eu^{(a-\iu n)\pi} - \eu^{-(a - \iu n)\pi}} {2\pi(a - \iu n)} = \frac{(-1)^n\sinh(a\pi)}{\pi(a - \iu n)} ,

met e±inπ=(1)n\eu^{\pm\iu n\pi} = (-1)^n. In t=πt = \pi springt de periodieke uitbreiding van eaπ\eu^{a\pi} naar eaπ\eu^{-a\pi}; Dirichlet (symmetrische partiaalsommen) geeft

cosh(aπ)=nZ(1)ncn=sinh(aπ)π(1a+n1(1ain+1a+in))=sinh(aπ)π(1a+n12aa2+n2),\cosh(a\pi) = \sum_{n\in\Z}(-1)^n c_n\, = \frac{\sinh(a\pi)}{\pi}\Bigl(\frac1a + \sum_{n\geq1}\Bigl(\frac{1}{a - \iu n} + \frac{1}{a + \iu n}\Bigr)\Bigr) = \frac{\sinh(a\pi)}{\pi}\Bigl(\frac1a + \sum_{n\geq1}\frac{2a}{a^2 + n^2}\Bigr) ,

waarbij de imaginaire delen van de gepaarde termen wegvallen. Deel door sinh(aπ)\sinh(a\pi):

coth(πa)=1πa+n12aπ(a2+n2),\coth(\pi a) = \frac{1}{\pi a} + \sum_{n\geq1}\frac{2a}{\pi(a^2 + n^2)} ,

de hyperbolische tweelingzus van Oefening 14.5.

Oefening 14.11 ★★

(Convolutie) Definieer voor continue, 2π2\pi-periodieke f,gf, g

(fg)(x)=12πππf(xt)g(t) ⁣dt.(f * g)(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x - t)\,g(t)\, \dd t .

Toon aan dat fg=gff * g = g * f, dat cn(fg)=cn(f)cn(g)c_n(f*g) = c_n(f)\,c_n(g) (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 SN(f)=fDNS_N(f) = f * D_N voor de Dirichlet-kern. (De Fejér-gemiddelden van de weekendopgave zijn eveneens convoluties, σN(f)=fFN\sigma_N(f) = f * F_N.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.11.

Commutativiteit: substitueer s=xts = x - t en gebruik de periodiciteit van de integrand. Voor cn(fg)c_n(f * g) is de integrand (x,t)f(xt)g(t)einx(x, t) \mapsto f(x-t)g(t)\eu^{-\iu nx} 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

cn(fg)=12πππg(t)eint(12πππf(xt)ein(xt) ⁣dx) ⁣dt=cn(f)cn(g),c_n(f*g) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} g(t)\,\eu^{-\iu nt} \Bigl(\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x-t)\,\eu^{-\iu n(x-t)}\dd x\Bigr)\dd t = c_n(f)\,c_n(g),

waarbij de binnenste integraal voor elke tt gelijk is aan cn(f)c_n(f) (substitutie en periodiciteit). Ten slotte zegt Lemma 14.5 dat SN(f)(x)=12πf(x+u)DN(u) ⁣duS_N(f)(x) = \frac{1}{2\pi}\int f(x+u)D_N(u)\dd u; de substitutie utu \mapsto -t en het even zijn van DND_N maken daar (fDN)(x)(f * D_N)(x) van.

Oefening 14.12 ★★★

(Poisson-kern: Abelgemiddelden van Fourierreeksen) Zet voor 0r<10 \leq r < 1 de functie Pr(t)=nZrneintP_r(t) = \sum_{n\in\Z} r^{\abs n}\eu^{\iu nt}.

  1. Sommeer de twee meetkundige reeksen en toon aan dat

    Pr(t)=1r212rcost+r2>0,12πππPr=1.P_r(t) = \frac{1 - r^2}{1 - 2r\cos t + r^2} > 0, \qquad \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}P_r = 1 .
  2. Toon aan dat voor δtπ\delta \leq \abs t \leq \pi geldt Pr(t)1r212rcosδ+r20P_r(t) \leq \frac{1 - r^2}{1 - 2r\cos\delta + r^2} \to 0 als r1r \to 1^-, uniform.
  3. Leid af dat voor elke continue, 2π2\pi-periodieke ff de Abelgemiddelden (fPr)(x)=nrncn(f)einx(f * P_r)(x) = \sum_n r^{\abs n}c_n(f)\,\eu^{\iu nx} uniform naar ff convergeren als r1r \to 1^- — 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.

  1. Met w=reitw = r\eu^{\iu t}:

    Pr(t)=1+2w1w=1+w1w=1w21w2=1r212rcost+r2>0.P_r(t) = 1 + 2\,\Re\frac{w}{1 - w} = \Re\frac{1 + w}{1 - w} = \frac{1 - \abs w^2}{\abs{1 - w}^2} = \frac{1 - r^2}{1 - 2r\cos t + r^2} > 0 .

    Gemiddelde 11: termsgewijze integratie van de normaal convergente reeks houdt alleen n=0n = 0 over.

  2. Voor δtπ\delta \leq \abs t \leq \pi is costcosδ\cos t \leq \cos\delta, dus Pr(t)1r212rcosδ+r2P_r(t) \leq \frac{1 - r^2}{1 - 2r\cos\delta + r^2}, waarvan de noemer naar 22cosδ>02 - 2\cos\delta > 0 streeft terwijl de teller naar 00 streeft: uniforme convergentie naar 00 buiten elke omgeving van 00.
  3. Termsgewijze integratie (normale convergentie in tt) geeft (fPr)(x)=nrncn(f)einx(f * P_r)(x) = \sum_n r^{\abs n}c_n(f)\eu^{\iu nx}. Het argument met de benaderende eenheid: met gemiddelde 11 en positiviteit is

    (fPr)(x)f(x)12πππf(xt)f(x)Pr(t) ⁣dt,\abs{(f*P_r)(x) - f(x)} \leq \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} \abs{f(x-t) - f(x)}\,P_r(t)\,\dd t ,

    gesplitst bij t=δ\abs t = \delta: hoogstens ε\varepsilon (Heine) plus 2fsupδtπPrε2\norm f_\infty\sup_{\delta\leq\abs t\leq\pi}P_r \to \varepsilon: uniforme convergentie als r1r \to 1^-. 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 ff stuksgewijs C1C^1 nodig; voor louter continue ff kunnen de partiaalsommen SN(f)S_N(f) 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 ff 2π2\pi-periodiek en stuksgewijs continu, en

σN(f)=S0(f)+S1(f)++SN1(f)N.\sigma_N(f) = \frac{S_0(f) + S_1(f) + \dots + S_{N-1}(f)}{N} .

Deel I — De kern van Fejér.

  1. Toon aan dat σN(f)(x)=12πππf(x+u)FN(u) ⁣du\sigma_N(f)(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x+u)\,F_N(u)\,\dd u met FN=D0++DN1NF_N = \frac{D_0 + \dots + D_{N-1}}{N}, en dat 12πππFN=1\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}F_N = 1.
  2. Bewijs de gesloten vorm, voor u2πZu \notin 2\pi\Z:

    FN(u)=1Nsin2(Nu2)sin2(u2)    0F_N(u) = \frac{1}{N}\, \frac{\sin^2\bigl(\frac{Nu}{2}\bigr)} {\sin^2\bigl(\frac u2\bigr)} \;\geq\; 0

    (sommeer sin((n+12)u)\sin\bigl((n+\frac12)u\bigr) als het imaginaire deel van een meetkundige reeks).

  3. Toon de concentratieschatting aan: voor 0<δuπ0 < \delta \leq \abs u \leq \pi is

    FN(u)1Nsin2δ2N0uniform:F_N(u) \leq \frac{1}{N\sin^2\frac\delta2} \xrightarrow[N\to\infty]{} 0 \quad\text{uniform} :

    (FN)(F_N) is een positieve benaderende eenheid.

  4. (Stelling van Fejér) Bewijs: is ff continu en 2π2\pi-periodiek, dan σN(f)f\sigma_N(f) \to f uniform op R\R (splits de integraal van (f(x+u)f(x))FN(u)\bigl(f(x+u) - f(x)\bigr)F_N(u) bij u=δ\abs u = \delta; gebruik Heine en de vragen 1–3).
  5. Toon voor stuksgewijs continue ff de puntsgewijze versie σN(f)(x)f(x+)+f(x)2\sigma_N(f)(x) \to \frac{f(x^+) + f(x^-)}{2} in elke xx aan, en de uniforme grens σN(f)f\norm{\sigma_N(f)}_\infty \leq \norm f_\infty (positiviteit!).

Deel II — Weierstrass, eenduidigheid, Parseval.

  1. (Trigonometrische Weierstrass) Leid af: elke continue 2π2\pi-periodieke functie is een uniforme limiet van trigonometrische veeltermen.
  2. (Eenduidigheid) Leid af: een continue ff met cn(f)=0c_n(f) = 0 voor alle nn is identiek nul — twee continue periodieke functies met dezelfde Fouriercoëfficiënten vallen samen (Oefening 14.4, nu zonder iets aan te nemen).
  3. (Parseval, continu geval) Bewijs met de projectie-eigenschap van SNS_N (Propositie 14.2) en σNfTN1TN\sigma_Nf \in \mathcal T_{N-1} \subseteq \mathcal T_N dat

    fSNf2fσNf2fσNfN0,\norm{f - S_Nf}_2 \leq \norm{f - \sigma_Nf}_2 \leq \norm{f - \sigma_Nf}_\infty \xrightarrow[N\to\infty]{} 0 ,

    en besluit tot de identiteit van Parseval voor elke continue 2π2\pi-periodieke ff.

  4. (Parseval, stuksgewijs continu geval) Construeer, gegeven stuksgewijs continue ff en ε>0\varepsilon > 0, een continue periodieke gg met fg2ε\norm{f - g}_2 \leq \varepsilon (vervang ff door een affiene interpolatie op piepkleine intervallen rond de sprongen), en leid af dat fSNf20\norm{f - S_Nf}_2 \to 0 (gebruik Bessel: SNh2h2\norm{S_Nh}_2 \leq \norm h_2): Parseval geldt in de volle algemeenheid van Stelling 14.10 — het “aangenomen” is verdwenen.
  5. (Geen Gibbs bij Fejér) Zet dit af tegen Oefening 14.8: toon aan dat voor de blokgolf ff geldt σN(f)1\abs{\sigma_N(f)} \leq 1 overal en voor elke NN — middelen volgens Cesàro wist de overshoot uit die SNS_N achtervolgt. Leg in één zin uit welke eigenschap van FNF_N hiervoor verantwoordelijk is.

Deel III — Snelheden.

  1. Bewijs de twee grenzen voor de kern, voor 0<uπ0 < \abs u \leq \pi:

    FN(u)N,FN(u)π2Nu2F_N(u) \leq N, \qquad F_N(u) \leq \frac{\pi^2}{N u^2}

    (voor de eerste: sinNθNsinθ\abs{\sin N\theta} \leq N\abs{\sin\theta} met inductie; voor de tweede: sinu2uπ\sin\frac u2 \geq \frac{u}{\pi} op [0,π]\intcc{0}{\pi}).

  2. Leid de schatting van het eerste moment af,

    12πππuFN(u) ⁣du    ClnNN(N2)\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\abs u\,F_N(u)\,\dd u \;\leq\; \frac{C\,\ln N}{N} \qquad (N \geq 2)

    voor een expliciete constante (splits bij u=1N\abs u = \frac1N).

  3. Besluit: is ff LL-lipschitz en 2π2\pi-periodiek, dan is

    σNffCLlnNN.\norm{\sigma_N f - f}_\infty \leq \frac{C\,L\ln N}{N} .
  4. (Verzadiging) Bereken σN(e1)\sigma_N(e_1) voor e1(t)=eite_1(t) = \eu^{\iu t} en toon aan dat σNe1e1=1N\norm{\sigma_Ne_1 - e_1}_\infty = \frac1N: zelfs voor de gladste functies convergeert Fejér niet sneller dan 1N\frac1N — het exacte analogon van de verzadiging van Bernstein in de weekendopgave van het hoofdstuk over rijen en reeksen van functies.
  5. (Lokalisatie) Toon aan: verdwijnt ff (stuksgewijs continu) op (xδ,x+δ)\intoo{x - \delta}{x + \delta}, dan is σN(f)(x)0\sigma_N(f)(x) \to 0, hoe wild ff elders ook is — de convergentie van de gemiddelden in xx ziet alleen ff nabij xx.

Deel IV — De gelijkverdelingsstelling van Weyl. Een rij (xn)n1(x_n)_{n\geq1} in [0,1)\intco{0}{1} heet gelijkverdeeld wanneer voor elk interval [a,b][0,1]\intcc{a}{b} \subseteq \intcc{0}{1} geldt

#{nN:xn[a,b]}NNba.\frac{\#\{n \leq N : x_n \in \intcc ab\}}{N} \xrightarrow[N\to\infty]{} b - a .
  1. Toon aan dat (xn)(x_n) gelijkverdeeld is zodra 1NnNf(xn)01f\frac1N\sum_{n\leq N}f(x_n) \to \int_0^1 f voor elke continue 11-periodieke ff (klem de indicator van [a,b]\intcc ab tussen twee continue, stuksgewijs affiene functies waarvan de integralen ε\varepsilon verschillen).
  2. (Criterium van Weyl, voldoende voorwaarde) Neem aan dat

    1Nn=1Ne2iπkxnN0voor elke kZ{0}.\frac{1}{N}\sum_{n=1}^{N}\eu^{2\iu\pi kx_n} \xrightarrow[N\to\infty]{} 0 \qquad\text{voor elke } k \in \Z\setminus\{0\} .

    Toon aan dat 1Nf(xn)01f\frac1N\sum f(x_n) \to \int_0^1f, eerst voor trigonometrische veeltermen, dan voor alle continue 11-periodieke ff dankzij vraag 6 (overgezet naar periode 11): met vraag 16 is (xn)(x_n) gelijkverdeeld.

  3. Zij α\alpha irrationaal en xn={nα}x_n = \{n\alpha\} (het gebroken deel). Begrens de meetkundige som

    n=1Ne2iπknα21e2iπkα(k0),\Bigl|\sum_{n=1}^{N}\eu^{2\iu\pi kn\alpha}\Bigr| \leq \frac{2}{\abs{1 - \eu^{2\iu\pi k\alpha}}} \qquad (k \neq 0),

    en besluit tot de stelling van Weyl: ({nα})(\{n\alpha\}) is gelijkverdeeld in [0,1)\intco{0}{1}.

  4. Leid af dat ({nα})(\{n\alpha\}) dicht ligt in [0,1]\intcc{0}{1} voor irrationale α\alpha, en leg in één zin uit waarom gelijkverdeling strikt sterker is dan dichtheid.
  5. (Begincijfers) Bewijs dat het aandeel van de gehele getallen nNn \leq N waarvoor 2n2^n als eerste (decimale) cijfer een 11 heeft, naar log1020.301\log_{10}2 \approx 0.301 streeft (begincijfer 11 betekent {nlog102}[0,log102)\{n\log_{10}2\} \in \intco{0}{\log_{10}2}; toon aan dat log102\log_{10}2 irrationaal is).

Deel V — De isoperimetrische ongelijkheid. Zij Γ\Gamma een gesloten enkelvoudige C1C^1-kromme van lengte LL die een georiënteerde oppervlakte AA omsluit, geparametriseerd naar geschaalde booglengte: z(t)=x(t)+iy(t)z(t) = x(t) + \iu y(t), 2π2\pi-periodiek, met z(t)=L2π\abs{z'(t)} = \frac{L}{2\pi} constant; de omsloten oppervlakte is

A=1202π(xyyx) ⁣dt=1202πzz ⁣dtA = \frac12\int_0^{2\pi}\bigl(x\,y' - y\,x'\bigr)\dd t = \frac{1}{2}\,\Im\int_0^{2\pi}\conj{z}\,z'\,\dd t

(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).

  1. Ontwikkel z(t)=nZcneintz(t) = \sum_{n\in\Z}c_n\eu^{\iu nt} (de reeks van een C1C^1-functie, normaal convergent) en bewijs met Parseval toegepast op zz':

    L22π=02πz2 ⁣dt=2πnZn2cn2.\frac{L^2}{2\pi} = \int_0^{2\pi}\abs{z'}^2\dd t = 2\pi\sum_{n\in\Z}n^2\abs{c_n}^2 .
  2. Bewijs evenzo dat A=πnZncn2A = \pi\sum_{n\in\Z} n\,\abs{c_n}^2 (Parseval in gepolariseerde vorm: 12πfg=cn(f)cn(g)\frac{1}{2\pi}\int\conj f g = \sum \conj{c_n(f)}c_n(g), toegepast op f=zf = z, g=zg = z').
  3. (Hurwitz) Besluit:

    L24πA=4π2nZ(n2n)cn2    0,L^2 - 4\pi A = 4\pi^2\sum_{n\in\Z} (n^2 - n)\abs{c_n}^2 \;\geq\; 0 ,

    met gelijkheid dan en slechts dan als z(t)=c0+c1eitz(t) = c_0 + c_1\eu^{\iu t} — een cirkel. De isoperimetrische ongelijkheid: van alle gesloten krommen van lengte LL omsluit alleen de cirkel de oppervlakte L24π\frac{L^2}{4\pi}.

  4. Verstandscontroles: ga de gelijkheid na voor de cirkel met straal RR en de strikte ongelijkheid voor het vierkant met zijde aa; leg uit waarom n2n0n^2 - n \geq 0 voor elk geheel getal nn, ook de negatieve, en waar de constante snelheid van de parametrisering werd gebruikt.
  5. Synthese. In telkens één zin: (i) de ene eigenschap van FNF_N waaruit de Delen I–III voortvloeien en die DND_N 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 L2L^2: Fourierreeksen als hilbertbasis).
Oplossing

Oplossing van Probleem 14.1.

1. Lemma 14.5 middelen over n=0,,N1n = 0, \dots, N-1 (lineariteit van de integraal) geeft σN(f)(x)=12πf(x+u)FN(u) ⁣du\sigma_N(f)(x) = \frac{1}{2\pi}\int f(x+u)F_N(u)\dd u; elke DnD_n heeft gemiddelde 11, dus FNF_N heeft gemiddelde 11.

2. Met eiu1=2ieiu/2sinu2\eu^{\iu u} - 1 = 2\iu\,\eu^{\iu u/2}\sin\frac u2:

n=0N1sin((n+12)u)=[eiu/2eiNu1eiu1]=1eiNu2sinu2=1cosNu2sinu2=sin2Nu2sinu2.\sum_{n=0}^{N-1}\sin\Bigl(\Bigl(n + \frac12\Bigr)u\Bigr) = \Im\Bigl[\eu^{\iu u/2}\,\frac{\eu^{\iu Nu} - 1}{\eu^{\iu u} - 1}\Bigr] = \Re\,\frac{1 - \eu^{\iu Nu}}{2\sin\frac u2} = \frac{1 - \cos Nu}{2\sin\frac u2} = \frac{\sin^2\frac{Nu}2}{\sin\frac u2} .

Delen door Nsinu2N\sin\frac u2:

FN(u)=1Nn=0N1sin((n+12)u)sinu2=1Nsin2Nu2sin2u20.F_N(u) = \frac1N\sum_{n=0}^{N-1} \frac{\sin\bigl((n+\frac12)u\bigr)}{\sin\frac u2} = \frac{1}{N}\, \frac{\sin^2\frac{Nu}{2}}{\sin^2\frac u2} \geq 0 .

3. Op δuπ\delta \leq \abs u \leq \pi is sin2u2sin2δ2\sin^2\frac u2 \geq \sin^2\frac\delta2 en sin2Nu21\sin^2\frac{Nu}2 \leq 1: FN1Nsin2(δ/2)0F_N \leq \frac{1}{N\sin^2(\delta/2)} \to 0, daar uniform.

4. Wegens het gemiddelde 11 is σNf(x)f(x)=12π(f(x+u)f(x))FN(u) ⁣du\sigma_Nf(x) - f(x) = \frac{1}{2\pi}\int\bigl(f(x+u) - f(x)\bigr)F_N(u)\dd u. Gegeven ε\varepsilon levert Heine een δ\delta met f(x+u)f(x)ε\abs{f(x+u) - f(x)} \leq \varepsilon voor uδ\abs u \leq \delta, uniform in xx. Dan geldt, met FN0F_N \geq 0 en haar gemiddelde 11,

σNf(x)f(x)ε+2f12πδuπFNε+2fNsin2δ22ε\abs{\sigma_Nf(x) - f(x)} \leq \varepsilon + 2\norm f_\infty\cdot\frac{1}{2\pi} \int_{\delta\leq\abs u\leq\pi}F_N \leq \varepsilon + \frac{2\norm f_\infty}{N\sin^2\frac\delta2} \leq 2\varepsilon

voor grote NN, uniform in xx: de stelling van Fejér.

5. FNF_N is even met gemiddelde 11: elke helft [0,π]\intcc{0}{\pi}, [π,0]\intcc{-\pi}{0} draagt gemiddelde 12\frac12. Dan is

σNf(x)f(x+)+f(x)2=12π0π(f(x+u)f(x+))FN ⁣du+12ππ0(f(x+u)f(x))FN ⁣du;\sigma_Nf(x) - \frac{f(x^+)+f(x^-)}{2} = \frac{1}{2\pi}\int_0^\pi\bigl(f(x+u) - f(x^+)\bigr)F_N\,\dd u + \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^0\bigl(f(x+u) - f(x^-)\bigr)F_N\,\dd u ;

splits op elke helft bij u=δ\abs u = \delta, waar de eenzijdige limiet ε\varepsilon-dichtbij ligt, en laat vraag 3 het verre stuk doden: beide integralen streven naar 00. De grens: FN0F_N \geq 0 geeft σNf(x)12πf(x+u)FNf\abs{\sigma_Nf(x)} \leq \frac{1}{2\pi}\int\abs{f(x+u)}F_N \leq \norm f_\infty.

6. Elke σN(f)\sigma_N(f) is een trigonometrische veelterm (een gemiddelde van de Sn(f)S_n(f), n<Nn < N), en σN(f)f\sigma_N(f) \to f uniform: de trigonometrische stelling van Weierstrass.

7. cn(f)=0c_n(f) = 0 voor alle nn maakt elke Sn(f)=0S_n(f) = 0, en dus elke σN(f)=0\sigma_N(f) = 0; volgens Fejér is f=limσNf=0f = \lim\sigma_Nf = 0. Toegepast op een verschil: continue periodieke functies worden door hun Fouriercoëfficiënten vastgelegd.

8. SNfS_Nf is de orthogonale projectie van ff op TN\mathcal T_N (Propositie 14.2) en minimaliseert dus fP2\norm{f - P}_2 over PTNP \in \mathcal T_N; omdat σNfTN1TN\sigma_Nf \in \mathcal T_{N-1} \subseteq \mathcal T_N:

fSNf2fσNf2fσNf0\norm{f - S_Nf}_2 \leq \norm{f - \sigma_Nf}_2 \leq \norm{f - \sigma_Nf}_\infty \to 0

(de middelste ongelijkheid omdat het gemiddelde van 2\abs\cdot^2 hoogstens het kwadraat van het supremum is). Pythagoras f22=nNcn2+fSNf22\norm f_2^2 = \sum_{\abs n\leq N}\abs{c_n}^2 + \norm{f - S_Nf}_2^2 gaat dan over in de limiet: Parseval voor elke continue periodieke ff.

9. Zij t1,,tpt_1, \dots, t_p de sprongen van ff in één periode en M=fM = \norm f_\infty. Definieer voor kleine η\eta de functie gg als ff buiten de intervallen (tjη,tj+η)\intoo{t_j - \eta}{t_j + \eta} en als de affiene koorde over elk zulk interval: gg is continu en periodiek, gM\norm g_\infty \leq M, en

fg2212πp(2M)22ηε2\norm{f - g}_2^2 \leq \frac{1}{2\pi}\,p\cdot(2M)^2\cdot2\eta \leq \varepsilon^2

voor kleine η\eta. Bessel maakt van SNS_N een contractie voor 2\norm\cdot_2, dus

fSNf2fg2+gSNg2+SN(gf)22ε+gSNg2,\norm{f - S_Nf}_2 \leq \norm{f - g}_2 + \norm{g - S_Ng}_2 + \norm{S_N(g - f)}_2 \leq 2\varepsilon + \norm{g - S_Ng}_2 ,

en vraag 8 geeft lim supNfSNf22ε\limsup_N\norm{f - S_Nf}_2 \leq 2\varepsilon voor elke ε\varepsilon: fSNf20\norm{f - S_Nf}_2 \to 0, en Pythagoras levert Parseval voor elke stuksgewijs continue ff: het “aangenomen” in Stelling 14.10 is nu een stelling.

10. De blokgolf heeft f=1\norm f_\infty = 1, dus vraag 5 geeft σN(f)1\abs{\sigma_N(f)} \leq 1 overal en voor elke NN — nooit een overshoot — terwijl Oefening 14.8 toont dat supxS2N1(f)(x)1.179\sup_xS_{2N-1}(f)(x) \to \approx 1.179. De ene verantwoordelijke eigenschap: FN0F_N \geq 0, zodat σNf(x)\sigma_Nf(x) een gewogen gemiddelde van waarden van ff is en [minf,maxf]\intcc{\min f}{\max f} nooit kan verlaten; DND_N neemt negatieve waarden aan, en SNS_N kan dat dus wel.

11. sinNθNsinθ\abs{\sin N\theta} \leq N\abs{\sin\theta} met inductie (sin(N+1)θsinNθcosθ+cosNθsinθ(N+1)sinθ\abs{\sin(N{+}1)\theta} \leq \abs{\sin N\theta}\abs{\cos\theta} + \abs{\cos N\theta}\abs{\sin\theta} \leq (N+1)\abs{\sin\theta}): met θ=u2\theta = \frac u2 is

FN(u)=sin2Nu2Nsin2u2N2sin2u2Nsin2u2=N.F_N(u) = \frac{\sin^2\frac{Nu}2}{N\sin^2\frac u2} \leq \frac{N^2\sin^2\frac u2}{N\sin^2\frac u2} = N .

De concaviteit van sin\sin op [0,π2]\intcc{0}{\frac\pi2} geeft sinu2uπ\sin\frac u2 \geq \frac{u}{\pi} voor 0uπ0 \leq u \leq \pi, dus FN(u)1N(u/π)2=π2Nu2F_N(u) \leq \frac{1}{N(u/\pi)^2} = \frac{\pi^2}{Nu^2}.

12. Wegens het even zijn en de splitsing bij 1N\frac1N:

12πππuFN=1π0πuFN1π(01/NuN ⁣du+1/Nππ2Nu ⁣du)=12πN+πln(πN)N.\frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\abs uF_N = \frac1\pi\int_0^\pi uF_N \leq \frac1\pi\Bigl(\int_0^{1/N}uN\,\dd u + \int_{1/N}^{\pi}\frac{\pi^2}{Nu}\,\dd u\Bigr) = \frac{1}{2\pi N} + \frac{\pi\ln(\pi N)}{N} .

Voor N2N \geq 2: ln(πN)(1+lnπln2)lnN2.66lnN\ln(\pi N) \leq \bigl(1 + \frac{\ln\pi}{\ln2}\bigr)\ln N \leq 2.66\ln N en 12πNlnNN\frac{1}{2\pi N} \leq \frac{\ln N}{N}, dus het moment is 9lnNN\leq \frac{9\ln N}{N}.

13. Voor LL-lipschitzfuncties ff:

σNf(x)f(x)12πf(x+u)f(x)FN(u) ⁣duL12πuFN9LlnNN,\abs{\sigma_Nf(x) - f(x)} \leq \frac{1}{2\pi}\int\abs{f(x+u) - f(x)}F_N(u)\dd u \leq L\cdot\frac{1}{2\pi}\int\abs uF_N \leq \frac{9L\ln N}{N},

uniform in xx.

14. c0(e1)=0c_0(e_1) = 0 geeft S0(e1)=0S_0(e_1) = 0, terwijl Sn(e1)=e1S_n(e_1) = e_1 voor n1n \geq 1: σN(e1)=N1Ne1\sigma_N(e_1) = \frac{N-1}{N}e_1, dus σNe1e1=1N\norm{\sigma_Ne_1 - e_1}_\infty = \frac1N. Zelfs voor dit gehele, in bandbreedte begrensde signaal is het tempo 1N\frac1N: Fejér verzadigt, precies zoals de operator van Bernstein bij 1n\frac1n verzadigt (Voronovskaja, in de weekendopgave van het hoofdstuk over rijen en reeksen van functies).

15. Verdwijnt ff op (xδ,x+δ)\intoo{x-\delta}{x+\delta}, dan is σNf(x)=12πδuπf(x+u)FN(u) ⁣du\sigma_Nf(x) = \frac{1}{2\pi}\int_{\delta \leq \abs u \leq \pi}f(x+u)F_N(u)\dd u, met absolute waarde hoogstens fNsin2(δ/2)0\frac{\norm f_\infty}{N\sin^2(\delta/2)} \to 0: de Cesàro-gemiddelden in xx zien alleen ff nabij xx.

16. Kies, gegeven [a,b]\intcc ab en ε\varepsilon, continue 11-periodieke, stuksgewijs affiene functies φ±\varphi^\pm met φ1[a,b]φ+\varphi^- \leq \mathbf 1_{\intcc ab} \leq \varphi^+ en 01(φ+φ)ε\int_0^1(\varphi^+ - \varphi^-) \leq \varepsilon (trapezia met hellingen over intervallen van totale lengte ε\varepsilon). Dan is

lim supN#{nN:xn[a,b]}NlimN1NnNφ+(xn)=01φ+ba+ε,\limsup_N\frac{\#\{n \leq N : x_n \in \intcc ab\}}{N} \leq \lim_N\frac1N\sum_{n\leq N}\varphi^+(x_n) = \int_0^1\varphi^+ \leq b - a + \varepsilon ,

en symmetrisch lim infbaε\liminf \geq b - a - \varepsilon: het aandeel streeft naar bab - a.

17. Voor f=e2iπkf = \eu^{2\iu\pi k\cdot} met k0k \neq 0 geeft de hypothese de limiet 0=01f0 = \int_0^1f; voor k=0k = 0 zijn beide leden 11; lineariteit handelt elke trigonometrische veelterm af. Voor continue 11-periodieke ff en ε>0\varepsilon > 0 levert vraag 6 (overgezet met t=2πxt = 2\pi x) een trigonometrische veelterm PP met fPε\norm{f - P}_\infty \leq \varepsilon:

1NnNf(xn)01f2ε+1NnNP(xn)01P2ε.\Bigl|\frac1N\sum_{n\leq N}f(x_n) - \int_0^1f\Bigr| \leq 2\varepsilon + \Bigl|\frac1N\sum_{n\leq N}P(x_n) - \int_0^1P\Bigr| \longrightarrow 2\varepsilon .

Met vraag 16: (xn)(x_n) is gelijkverdeeld.

18. Voor k0k \neq 0 en irrationale α\alpha is w=e2iπkα1w = \eu^{2\iu\pi k\alpha} \neq 1:

n=1Nwn=w(wN1)w121w,\Bigl|\sum_{n=1}^{N}w^n\Bigr| = \Bigl|\frac{w(w^N - 1)}{w - 1}\Bigr| \leq \frac{2}{\abs{1 - w}} ,

een grens onafhankelijk van NN; delen door NN geeft het criterium van Weyl, en vraag 17 besluit: ({nα})(\{n\alpha\}) is gelijkverdeeld.

19. Elk deelinterval ontvangt een asymptotisch aandeel gelijk aan zijn lengte, en in het bijzonder oneindig veel punten: ({nα})(\{n\alpha\}) 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. 2n2^n heeft begincijfer 11 dan en slechts dan als 10m2n<210m10^m \leq 2^n < 2\cdot10^m voor een zekere mm, dat wil zeggen dan en slechts dan als {nlog102}[0,log102)\{n\log_{10}2\} \in \intco{0}{\log_{10}2}. Irrationaliteit: log102=pq\log_{10}2 = \frac pq zou 2q=10p=2p5p2^q = 10^p = 2^p5^p geven, wat wegens de eenduidige ontbinding in priemfactoren onmogelijk is voor p1p \geq 1. De stelling van Weyl (vraag 18 met α=log102\alpha = \log_{10}2; het halfopen interval wordt tussen gesloten intervallen van nabije lengten geklemd) geeft het aandeel log1020.301\log_{10}2 \approx 0.301: de begincijfers van 2n2^n volgen de wet van Benford.

21. zz is van klasse C1C^1, dus haar Fourierreeks convergeert normaal met som zz (Stelling 14.10 (1)), en cn(z)=incnc_n(z') = \iu n\,c_n. Omdat z=L2π\abs{z'} = \frac{L}{2\pi} constant is, geldt

02πz2 ⁣dt=2π(L2π) ⁣2=L22π,\int_0^{2\pi}\abs{z'}^2\dd t = 2\pi\Bigl(\frac{L}{2\pi}\Bigr)^{\!2} = \frac{L^2}{2\pi} ,

en Parseval toegepast op de continue zz' geeft 12π02πz2=nincn2\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}\abs{z'}^2 = \sum_n\abs{\iu nc_n}^2, dat wil zeggen L22π=2πnn2cn2\frac{L^2}{2\pi} = 2\pi\sum_n n^2\abs{c_n}^2.

22. De gepolariseerde Parseval 12πfg=cn(f)cn(g)\frac{1}{2\pi}\int\conj fg = \sum\conj{c_n(f)}c_n(g) volgt uit Parseval toegepast op f+gf + g en f+igf + \iu g (polarisatie-identiteit), beide continu. Met f=zf = z, g=zg = z':

A=1202πzz=πncn(incn)=πnncn2.A = \frac12\,\Im\int_0^{2\pi}\conj z\,z' = \pi\,\Im\sum_n\conj{c_n}(\iu n c_n) = \pi\sum_n n\abs{c_n}^2 .

23. De vragen 21–22 samen:

L24πA=4π2nn2cn24π2nncn2=4π2nZ(n2n)cn20,L^2 - 4\pi A = 4\pi^2\sum_n n^2\abs{c_n}^2 - 4\pi^2\sum_n n\abs{c_n}^2 = 4\pi^2\sum_{n\in\Z}(n^2 - n)\abs{c_n}^2 \geq 0 ,

want n2n=n(n1)0n^2 - n = n(n-1) \geq 0 voor elk geheel getal. Gelijkheid dwingt cn=0c_n = 0 af voor alle n{0,1}n \notin \{0, 1\}: z(t)=c0+c1eitz(t) = c_0 + c_1\eu^{\iu t}, een cirkel met middelpunt c0c_0 en straal c1=L2π\abs{c_1} = \frac{L}{2\pi} (constante snelheid). Hurwitz’ bewijs van de isoperimetrische ongelijkheid: AL24πA \leq \frac{L^2}{4\pi}, en alleen de cirkel.

24. Cirkel met straal RR: L=2πRL = 2\pi R, A=πR2A = \pi R^2: L2=4π2R2=4πAL^2 = 4\pi^2R^2 = 4\pi A: gelijkheid. Vierkant met zijde aa: L2=16a2>4πa2=4πAL^2 = 16a^2 > 4\pi a^2 = 4\pi A (want 16>4π12.5716 > 4\pi \approx 12.57). Voor negatieve nn is n2n=n(n1)n^2 - n = n(n - 1) een product van twee negatieve gehele getallen: positief — achterwaarts windende modi kosten dus dubbel oppervlakte. De constante snelheid kwam binnen bij vraag 21, waar z2\int\abs{z'}^2 tot L22π\frac{L^2}{2\pi} werd omgezet; bij niet-constante snelheid geeft Cauchy–Schwarz dat z2(z)22π=L22π\int\abs{z'}^2 \geq \frac{(\int\abs{z'})^2}{2\pi} = \frac{L^2}{2\pi}, zodat de ongelijkheid overeind blijft, met de cirkel nog altijd als enig geval van gelijkheid.

25. (i) Alles vloeit voort uit FN0F_N \geq 0 (samen met gemiddelde 11 en concentratie); DND_N heeft gemiddelde 11 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 L2L^2, Parseval wordt een isometrie van hilbertruimten, en de stelling van Fejér wordt de uitspraak dat die isometrie met positieve gemiddelden berekenbaar is.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst