Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3
14La transformada de Fourier
Las series de Fourier descomponen las señales periódicas en armónicos discretos; la transformada de Fourier hace lo mismo con las señales sobre toda la recta, con un continuo de frecuencias. Convierte la derivación en multiplicación, la convolución en productos y las gaussianas en gaussianas — las razones por las que resuelve ecuaciones diferenciales, mueve el procesamiento de señales y demostrará el teorema central del límite en el Capítulo 23. Este capítulo desarrolla la teoría en (Riemann–Lebesgue, inversión, inyectividad), la clase de Schwartz donde la transformada es una biyección perfecta, y la teoría en (Plancherel: la transformada es, salvo una constante, un operador unitario), con dos aplicaciones estelares: la ecuación del calor, resuelta de principio a fin en el problema de fin de semana, y la fórmula de sumación de Poisson. Convenio:
14.1 La transformada en
Proposición 14.1
Para : está bien definida, es acotada () y continua, y:
- y ;
- para ;
- si , entonces es con ;
- si con (y en , automático aquí), entonces ;
- para .
Demostración. Acotación: . Continuidad: convergencia dominada con dominador (el Teorema 10.14). (1) y (2): sustituciones (el Teorema 11.10). (3): derivación bajo el signo integral, con dominador (el Teorema 10.15). (4): primero, tiene límite en (), que ha de ser (); después intégrese por partes en y hágase . (5): Fubini, lícito porque es absolutamente integrable (el Teorema 11.9):
∎
Ejemplo 14.2
La gaussiana: para ,
por el Ejercicio 10.7 (el truco de la ecuación diferencial , reescalado), o por (3): cumple (intégrese por partes) y . Las gaussianas son puntos fijos de la transformada salvo cambios de escala — la razón profunda de que gobiernen el teorema central del límite.
Teorema 14.3 (Riemann–Lebesgue)
Para : cuando . Así pues, (funciones continuas que se anulan en el infinito).
Demostración. Para el indicador de un intervalo, ; y de ahí para las funciones escalonadas. Las funciones escalonadas son densas en (el Teorema 12.6(1) más la aproximación de conjuntos de medida finita por uniones finitas de intervalos, el Ejercicio 9.7), y la transformada es continua de a : para , . ∎
14.2 Inversión e inyectividad
Lema 14.4 (Fórmula de multiplicación)
Para : .
Demostración. Ambos miembros valen (Tonelli–Fubini: la integral doble del valor absoluto es ). ∎
Teorema 14.5 (Inversión)
Sea .
(Sumabilidad gaussiana) Para todo ,
y en cuando .
Si además , entonces para casi todo
y tiene un representante continuo.
- (Inyectividad) Si , entonces en casi todo punto.
Demostración. (1) Fíjese y aplíquese el Lema 14.4 a y a : por el Ejemplo 14.2 (con la regla de modulación),
luego . Las forman una aproximación de la identidad: , (integral gaussiana), concentrándose en ; la demostración del Teorema 12.9(2) se aplica literalmente (solo se usaron y la concentración: para la cola, ): .
(2) Si : el miembro derecho de (1) converge, por convergencia dominada (dominador ), a para todo , y esa función límite es continua (de nuevo, convergencia dominada). Por otra parte, en , de modo que, a lo largo de una subsucesión, en casi todo punto (el Teorema 12.4): los dos límites coinciden en casi todo punto.
(3) anula el miembro derecho de (1): para todo , y en : en casi todo punto. ∎
14.3 La clase de Schwartz
Definición 14.6
La clase de Schwartz está formada por las funciones con para todos (todas las derivadas decaen más deprisa que cualquier potencia). Ejemplos: , . Claramente para todo (acótese por ), y es estable por derivación, por multiplicación por polinomios y por productos.
Teorema 14.7
La transformada de Fourier aplica biyectivamente sobre sí mismo, con inversa .
Demostración. Sea . Iterando la Proposición 14.1(3), (cada ); iterando (4) con (todas cuyas derivadas son integrables), . Combinando,
uniformemente en : . Como , la inversión (el Teorema 14.5(2)) vale en todo punto (ambos miembros son continuos): , y simétricamente (la transformada con acento es , que también conserva ): biyección. ∎
14.4 Plancherel y
Teorema 14.8 (Plancherel)
Para :
En consecuencia, se extiende de manera única a una aplicación lineal continua con ; es biyectiva, con donde , y conserva los productos escalares salvo el factor .
Demostración. Sean y con . Entonces (el Teorema 11.9), es continua y acotada (el Ejercicio 12.6: ), y (calcúlese ). Aplíquese el Teorema 14.5(1) a en :
Cuando : el miembro izquierdo tiende a ( es continua y acotada: , separando pequeños y grandes); y el derecho crece hacia por convergencia monótona (). Por tanto, , finito o no a priori — y finito, lo que demuestra a la vez la pertenencia y la identidad.
Extensión: es denso en (el Teorema 12.6); la transformada es allí -isométrica, de modo que se extiende de manera única a una isometría salvo constante sobre (el Teorema 7.2). La inversión para (el Teorema 14.7) se traslada por la misma densidad (ambos miembros son -continuos): sobre y, por tanto, sobre : biyectividad. Productos escalares: polarización a partir de la identidad de normas. ∎
Teorema 14.9 (Sumación de Poisson)
Sea (basta con continua con ). Entonces
Demostración. Sea : la serie converge normalmente sobre los compactos (decaimiento de ), de modo que es continua y -periódica. Sus coeficientes de Fourier (período : ):
(la convergencia normal justifica el intercambio; la fase es -periódica). La serie converge (decaimiento de ), luego la serie de Fourier de converge normalmente; su suma es una función continua con los mismos coeficientes de Fourier que y, por tanto, es igual a (inyectividad en el círculo: la diferencia tiene coeficientes nulos, y el Teorema 13.9 da cero en y, por continuidad, en todas partes). Evalúese en . ∎
Ejemplo 14.10 (La identidad theta)
Aplicando Poisson a (), cuya transformada es (el Ejemplo 14.2 con ):
la ecuación funcional de la función theta de Jacobi, clave para la ecuación funcional de la de Riemann — y un acelerador numérico espectacular: para pequeño, el miembro izquierdo converge con lentitud y el derecho a toda velocidad.
Método 14.11
Rangos de trabajo: — transformada definida puntualmente, la inversión necesita ; — todo es lícito, demuéstrese aquí primero; — transformada definida por densidad (¡no por la integral!), simetría perfecta, contabilidad de Parseval. Para calcular una transformada: redúzcase a la tabla (indicador, exponencial, gaussiana) mediante las reglas de la Proposición 14.1; para demostrar una identidad: establézcase en (o en ) y extiéndase por densidad y continuidad (el Método 12.13); para resolver una ecuación diferencial lineal, ordinaria o en derivadas parciales, con coeficientes constantes: transfórmese, divídase, inviértase.
14.5 Ejercicios
Ejercicio 14.1 ★
Calcular las transformadas de Fourier de: ; (); la función triangular ; (úsese la inversión en la segunda). Regístrese la tabla que va surgiendo.
Solución
Solución de Ejercicio 14.1.
(valor en ). . Triangular: , de modo que su transformada es . Última: , luego la inversión (el Teorema 14.5(2)) aplicada a da, tras renombrar variables,
Ejercicio 14.2 ★
Sea . Exprésense en términos de las transformadas de: , , , , . Verifíquese cada regla sobre la gaussiana.
Solución
Solución de Ejercicio 14.2.
De la Proposición 14.1: ; ; (); ; . Sobre la gaussiana (), cada regla es una comprobación de una línea — por ejemplo, tiene transformada , lo que el cálculo directo (complétese el cuadrado) confirma.
Ejercicio 14.3 ★★
(a) Demostrar que tiene transformada y dedúzcase por Plancherel — o por inversión en . Compárese Problema 10.1. (b) Calcular mediante Plancherel aplicado a .
Solución
Solución de Ejercicio 14.3.
(a) cumple ; la inversión en , donde :
coherente con (el Problema 10.1).
(b) Plancherel para : se lee : .
Ejercicio 14.4 ★★
(Álgebra del núcleo del calor) Con : (a) compruébese ; (b) dedúzcase la ley de semigrupo sin ningún cálculo de integrales; (c) demuéstrese y .
Solución
Solución de Ejercicio 14.4.
(a) : por el Ejemplo 14.2 con , . (b) , y la transformada es inyectiva en (Teorema 14.5(3)): . (c) (integral gaussiana); .
Ejercicio 14.5 ★★
Demostrar que si es par y real, es par y real; y que si es impar y real, es impar y puramente imaginaria. ¿Qué calcula ? Dedúzcase que obliga a , e interprétese para densidades de probabilidad (el Capítulo 23: una función característica tiene módulo , alcanzado en ).
Solución
Solución de Ejercicio 14.5.
Para real y par: (la parte del seno se cancela): real y par. Impar: : impar y puramente imaginaria. : la masa total. Si : , de modo que el supremo se alcanza en . Para una densidad de probabilidad, es la función característica del Capítulo 23: módulo en todas partes y en el origen.
Ejercicio 14.6 ★★★
(No sobreyectividad) Demostrar que es inyectiva y continua pero no sobreyectiva, en tres pasos. (i) Inyectividad (el Teorema 14.5) y continuidad (), y es un espacio de Banach (cerrado en ). (ii) Si la aplicación fuera sobreyectiva, sería biyectiva, y el teorema de la aplicación abierta (el Teorema 8.12) daría una constante con para toda . (iii) Contradígase esto con : su transformada es (salvo constantes) el trapecio de tipo convolución — demuéstrese que uniformemente, mientras que contando los arcos de en (donde el segundo factor está acotado inferiormente), como en el Teorema 8.11.
Solución
Solución de Ejercicio 14.6.
(i) La inyectividad es el Teorema 14.5(3); la continuidad es (con valores en por Riemann–Lebesgue); y es cerrado para la norma del supremo (los límites uniformes de funciones que se anulan en el infinito se anulan en el infinito): de Banach.
(ii) Una biyección continua entre espacios de Banach tiene inversa continua (el Teorema 8.12): existiría con .
(iii) Sea : producto de dos funciones , y en el infinito, luego . Como tiene transformada igual a , la fórmula del producto (válida para con ; compruébese sobre funciones de Schwartz por Fubini y extiéndase por la -continuidad de ambos miembros vía Plancherel) da
un trapecio de altura : para todo . Pero en , , de modo que
(recuento de arcos, como en el Teorema 8.11). La cota falla para grande: no es sobreyectiva. (La imagen es un subespacio denso — por argumentos de tipo Stone–Weierstrass — pero propio de .)
Ejercicio 14.7 ★★
(Diccionario regularidad decaimiento) Demostrar: con para cierto implica que tiene un representante . Recíprocamente, implica . Ilústrense ambos sentidos sobre la función triangular.
Solución
Solución de Ejercicio 14.7.
Si : entonces para (integrable en el infinito por el decaimiento, y localmente por la continuidad de ). La inversión (el Teorema 14.5(2)) representa en casi todo punto mediante , y la derivación bajo el signo integral (dominadores ) hace ese representante . Recíprocamente, para : iterando la Proposición 14.1(4), , luego . Función triangular: continua de soporte compacto (: transformada acotada), y su transformada devuelve, por el primer sentido, un representante — ambos resultados son óptimos: la triangular no es , y su transformada no decae más deprisa que .
Ejercicio 14.8 ★★★
(Desigualdad de Heisenberg) Para real con , demostrar
con igualdad para las gaussianas. (Escríbase por partes, acótese por Cauchy–Schwarz y conviértase mediante Plancherel.) Interpretación: una señal y su espectro no pueden estar ambos concentrados.
Solución
Solución de Ejercicio 14.8.
Integración por partes (; los términos de frontera se anulan):
Plancherel y : . Elevando al cuadrado la expresión:
La igualdad exige igualdad en Cauchy–Schwarz: con (integrabilidad), es decir, : gaussianas. Una señal concentrada en ( pequeño) ha de tener espectro extendido, y recíprocamente: el principio de incertidumbre.
Ejercicio 14.9 ★★
Justifíquese en detalle el Ejemplo 14.10 (hipótesis de Poisson para la gaussiana) y úsese la identidad para evaluar con seis decimales usando tres términos. ¿Cuántos términos de la serie definitoria exigiría la misma precisión en , frente a la serie transformada?
Solución
Solución de Ejercicio 14.9.
La gaussiana es de Schwartz, de modo que el Teorema 14.9 se aplica, y ; en el miembro derecho se convierte en : la identidad theta. En :
con precisión de decimales usando tres términos (). En : la serie definitoria necesita , es decir, — unos términos —, mientras que la serie transformada es , donde ya el término es : basta un término.
Ejercicio 14.10 ★★
(Funciones de banda limitada) Sea con de soporte en . Demostrar que tiene un representante cada uno de cuyos valores puede recuperarse de las muestras: demuéstrese la interpolación de Shannon en los enteros,
desarrollando en la base de Fourier de (el Teorema 13.9) y transformando de vuelta término a término.
Solución
Solución de Ejercicio 14.10.
(medida finita), de modo que la inversión da el representante continuo , con
con la notación del Teorema 13.9. Desarrollando en esa base hilbertiana: en . Aplíquese la , que es -continua, término a término:
lo que da en : una señal de banda limitada queda determinada por sus muestras enteras — el teorema del muestreo de Shannon.
Ejercicio 14.11 ★★
(La transformada como operador de orden cuatro) Sobre , sea . (a) Usando la fórmula de inversión, demuéstrese y dedúzcase . (b) Dedúzcase que todo valor propio de sobre pertenece a , y exhíbase una función propia para (¿qué función de este capítulo es proporcional a su propia transformada?). (c) Demostrar que las funciones pares cumplen y las impares ; prodúzcase una función propia para el valor propio a partir de calculando su transformada (derívese la transformada de la gaussiana).
Solución
Solución de Ejercicio 14.11.
(a) Inversión en : , es decir, . Aplicando dos veces: .
(b) Si con : , luego : . La gaussiana cumple (el Ejemplo 14.2 en ): función propia para .
(c) vale según la paridad. Para : derivando con la regla :
una función propia para . (Las funciones de Hermite continúan el patrón, recorriendo cíclicamente los cuatro valores propios — el reloj discreto de Fourier.)
Ejercicio 14.12 ★★
(Autocorrelación y lema de Wiener) Para defínanse y la autocorrelación . (a) Demostrar que es una función acotada y continua con para todo (el Ejercicio 12.6 y Cauchy–Schwarz). (b) Demostrar, primero para , que : la autocorrelación tiene transformada no negativa — los espectros de las autocorrelaciones son espectros de potencia. (c) Dedúzcase la identidad (inversión; justifíquese su aplicabilidad cuando tiene ) y evalúese para en : recupérese .
Solución
Solución de Ejercicio 14.12.
(a) con ; el Ejercicio 12.6 (exponentes conjugados ) hace acotada y uniformemente continua, con
por Cauchy–Schwarz.
(b) Para : también , y el teorema de la convolución da ; calculando, : .
(c) Cuando , la inversión se aplica a la continua (su transformada es integrable; Teorema 14.5):
Para : , y en :
(), es decir, — la integral favorita de Plancherel, recuperada por autocorrelación.
14.6 Problema: la ecuación del calor en la recta
Problema 14.1
Problema de fin de semana — , resuelta de principio a fin
El calor se propaga; la ecuación dice que su densidad difunde a un ritmo dado por la curvatura local del perfil de temperatura. Resolveremos el problema de Cauchy en — dada , hállese para con —, demostraremos las notables propiedades de la solución y veremos por qué el tiempo no puede invertirse. En todo el problema, es el núcleo del calor y .
Parte I — Deducción del núcleo. Trabájese primero de manera formal: supóngase que resuelve la ecuación y sea la transformada en .
- Demostrar (formalmente) que , de donde , y reconózcase (el Ejercicio 14.4). Esto motiva la definición de ; todo lo demás se demuestra ya directamente, para (continua acotada) o .
Parte II — Verificación.
- Demostrar que, para , está bien definida para y que es en sobre (derívese bajo el signo integral; domínense las derivadas gaussianas localmente uniformemente en ).
- Verificar por cálculo directo y dedúzcase para .
- (Condición inicial) Demostrar que, para , cuando , uniformemente sobre los compactos (aproximación de la identidad: sepárese , ); y para (), demuéstrese .
- (Suavizado instantáneo) Concluir: incluso para meramente continua y acotada, la solución es para todo — el calor borra al instante la aspereza. Calcúlese explícitamente para (una función error) y esbócese su perfil para tres valores de .
Parte III — Propiedades estructurales.
- (Positividad y comparación) Si , entonces para todo (estrictamente, salvo que en casi todo punto); si , entonces . Un punto frío se calienta al instante: coméntese.
- (Conservación) Para : para todo (Tonelli) — el calor total se conserva.
- (Disipación) Para , demuéstrese mediante Plancherel que es no creciente, estrictamente salvo que , y calcúlese su límite cuando . Demuéstrese además : el calor se esparce y muere.
- (Unicidad, clase ) Sea una solución con para todo , en el sentido natural y en cuando ; admitiendo que la transformada la convierte en puntualmente en casi todo punto de para casi todo (justificado evaluando contra en — esbócese), demuéstrese y, por tanto, la unicidad en esta clase.
Parte IV — La flecha del tiempo.
- Demostrar que el problema retrógrado está mal planteado: para que la solución exista en el instante () con dato en el instante — es decir, para que tenga solución — es necesario que : una condición de decaimiento extrema sobre . Exhíbase una regular explícita para la que no exista solución retrógrada en ningún intervalo de tiempo: tómese la función con — identifíquese (el Ejercicio 14.1) y demuéstrese para todo .
- (Suavizado frente a información) Explíquese en un párrafo breve, usando las preguntas 5, 9 y 10, por qué el semigrupo del calor es inyectivo pero no sobreyectivo sobre , y por qué esto expresa la irreversibilidad de la difusión.
Parte V — El teorema del muestreo de Shannon. Una función es de banda limitada a si en casi todo punto fuera de ; escribimos (espacio de Paley–Wiener) para tales funciones.
- Demostrar que toda coincide en casi todo punto con la función (justifíquense la regularidad y la identificación), con todas las derivadas acotadas: la limitación de banda es una forma extrema de regularidad. A partir de ahora, denota ese representante.
Desarróllese en la base de Fourier de ese intervalo e identifíquense los coeficientes como muestras de :
Dedúzcase el teorema del muestreo: para ,
con convergencia en y uniforme en (insértese la serie de la pregunta 13 en la fórmula de inversión y calcúlese la integral elemental): una señal de banda limitada queda enteramente determinada por sus valores sobre una malla de paso — la frecuencia de Nyquist.
- Demostrar que las funciones , , forman una familia ortogonal en de norma constante , y dedúzcase la identidad de energía .
- (Solapamiento) Exhíbase una no nula que se anule en todos los puntos de muestreo (considérese y compruébese su banda): muestrear por debajo de la frecuencia de Nyquist pierde información — dos señales distintas pueden compartir todas sus muestras: el efecto estroboscópico de la rueda de carro, matematizado.
- (Grados de libertad) Usando las preguntas 14–15, justifíquese la regla de ingeniería: una señal de banda limitada a cuya energía está esencialmente concentrada en una ventana temporal de longitud queda descrita por aproximadamente muestras reales — precísese «esencialmente» mediante la identidad de energía y la cola .
- (Comprobaciones de coherencia) Verifíquese el teorema del muestreo a mano sobre dos elementos de : (a) , cuyas muestras son ; (b) señales de banda estrecha de tipo — con más precisión, demuéstrese que para con la serie de frecuencia también reconstruye (sobremuestrear es inocuo), sumergiendo .
Parte VI — Incertidumbre, dos veces más. La desigualdad de Heisenberg (el Ejercicio 14.8) acota cuánto pueden concentrarse conjuntamente y ; aquí van su hermana de todo o nada y su saturación exacta.
Sea con . Demostrar que es la suma de una serie de potencias convergente en todo punto:
(desarróllese y justifíquese el intercambio por convergencia normal): la transformada es analítica real, con radio de convergencia infinito en todo punto.
- Dedúzcase la dicotomía de soportes: una función analítica real que se anula en un intervalo abierto no vacío se anula idénticamente (el conjunto donde se anulan todas las derivadas es abierto y cerrado — desarróllese el argumento de Taylor); concluir que ninguna no nula tiene a la vez y de soporte compacto, y que no contiene ninguna función no nula de soporte compacto — las señales de banda limitada duran para siempre, y las de duración limitada se filtran a todas las frecuencias.
- (Saturación de Heisenberg) Sobre la familia gaussiana , calcúlense ambos factores de concentración y compruébese que el producto normalizado vale para todo — la familia de igualdad del Ejercicio 14.8 en carne y hueso; explíquese mediante un argumento de escala por qué el producto ha de ser constante a lo largo de la familia.
- Explíquese la lectura física (densidades de posición y momento de un estado cuántico; en la normalización da ) y conéctese todo el capítulo: el suavizado instantáneo (Parte II), la irreversibilidad (Parte IV), el muestreo (Parte V), Heisenberg y la dicotomía de soportes son cinco expresiones de una misma ley — el comportamiento de en el infinito legisla lo que puede hacer en cualquier sitio.
Parte VII — El álgebra del núcleo y un ejemplo resoluble.
(Semigrupo) Demostrar la identidad de Chapman–Kolmogorov para (mediante el teorema de la convolución y la inyectividad de la transformada en ) y dedúzcase : evolucionar durante un tiempo es evolucionar durante y después durante . Afínese la disipación de la pregunta 8: escribiendo , demuéstrese por Cauchy–Schwarz que
la energía no solo decrece: decrece de manera logarítmicamente convexa.
(A dónde va el calor) Sean , , con . Demostrar que, para todo
el centro de calor nunca se mueve y la varianza crece linealmente con el tiempo — el escalado difusivo , que habrá que releer cuando aparezca el movimiento browniano en el Capítulo 22. (Calcúlense los dos primeros momentos de y úsese Tonelli sobre la convolución.)
(La gaussiana, resuelta de principio a fin) Para , establézcase la forma cerrada
y verifíquense sobre ella, a mano: la ecuación ; la conservación ; la ley de disipación (compárese su decaimiento con el decaimiento de la norma del supremo de la pregunta 8); y el crecimiento exacto de la varianza de la pregunta 24. En : el pico ha caído al de su altura inicial mientras el perfil es cinco veces más ancho — el mismo calor, esparcido.
Solución
Solución de Problema 14.1.
1. Transformando la ecuación en (formalmente): , una ecuación diferencial ordinaria en para cada frecuencia: . Y como (el Ejercicio 14.4), el producto es la transformada de .
2. : bien definida. En : cada derivada mixta es un polinomio en y multiplicado por , acotado para por , un dominador integrable independiente de en la ventana (y acotado para ): la derivación reiterada bajo el signo integral (el Teorema 10.15) se aplica: .
3. Con :
(derívese dos veces en : , ). Por la pregunta 2, las derivadas pasan bajo la integral: .
4. . Dados un compacto y : la continuidad uniforme de en un entorno de da con para , ; y la cola aporta una masa más allá de , que es cuando . Para : (Minkowski o Jensen, como en el Teorema 12.9); sepárese del mismo modo usando Teorema 12.6(3).
5. El suavizado instantáneo es la pregunta 2 ( es para sin usar ninguna regularidad de ). Para :
un escalón suavizado cuya zona de transición se ensancha como (perfiles en : rampas cada vez más planas a través de ).
6. El integrando es y el núcleo es estrictamente positivo: obligaría a en casi todo punto. La monotonía en es la monotonía de la integral. Un punto donde en un intervalo sigue teniendo allí para todo : el calor se propaga a velocidad infinita (cualquier positividad en cualquier sitio se siente en todas partes al instante).
7. Tonelli ( es integrable en ): .
8. Plancherel: , no creciente en (puntualmente), estrictamente salvo que en casi todo punto (), con límite cuando por convergencia dominada. Y .
9. Para , es con derivada — con precisión, traslada la ecuación. Entonces, para casi todo , la función absolutamente continua tiene derivada en sentido integrado: es constante y, haciendo ( en , y en casi todo punto a lo largo de una subsucesión): en casi todo punto. Dos soluciones de la clase tienen la misma transformada: son iguales.
10. con obliga a , es decir, a . Tómese : entonces (el Ejercicio 14.1, inversión), una función perfectamente regular; pero : para todo . El perfil de Cauchy nunca es el resultado de una difusión previa.
11. El semigrupo del calor multiplica las transformadas por , que no se anula en ningún punto: es inyectivo — formalmente, no se destruye información. Pero su imagen consta de funciones cuya transformada decae como : un subespacio minúsculo, denso pero propio, de (la pregunta 10 muestra que incluso funciones excelentes quedan fuera). Invertir amplificaría la frecuencia por : no acotado y, por tanto, inestable frente a cualquier perturbación. La difusión es irreversible no porque la aplicación olvide, sino porque su inversa no puede ser continua — una flecha del tiempo hecha de análisis funcional.
12. (Cauchy–Schwarz sobre un intervalo acotado), de modo que está definida en todo punto, y la derivación bajo el signo integral (dominada por sobre la banda) la hace con en todo punto. Y en casi todo punto: ambos miembros tienen la misma transformada, y la transformada es inyectiva en (el Teorema 14.8 y su extensión a ).
13. Las exponenciales , , forman una base hilbertiana de (el Teorema 13.9, reescalado). El coeficiente de a lo largo de la -ésima es
por la fórmula de la pregunta 12 en : el desarrollo enunciado vale en de la banda.
14. Insértese el desarrollo en la fórmula de inversión de la pregunta 12; el intercambio de suma e integral es la continuidad del emparejamiento contra (de norma igual a , independiente de — de ahí la uniformidad):
puesto que .
15. Leyendo al revés el cálculo de la pregunta 14, la transformada de es . Plancherel:
una familia ortogonal de norma constante . Tomando normas en el desarrollo de la pregunta 14: .
16. se anula en todo punto de la malla (incluido , por el límite) y no es idénticamente nula. Su banda: escríbase ; la modulación por desplaza la transformada en , de modo que tiene soporte en (de hecho, en la unión de dos bandas desplazadas): , invisible para el muestreo a frecuencia — el solapamiento en persona.
17. Por la pregunta 15, las muestras reparten la energía democráticamente: . Si la energía de la señal fuera de la ventana temporal es , las muestras fuera de la ventana cumplen (salvo términos de borde controlados por la cota uniforme de la pregunta 12) : truncar la serie de muestreo a los índices de la ventana reconstruye con error relativo . Así, el producto tiempo–ancho de banda cuenta los grados de libertad reales efectivos de la señal — la regla que hay detrás de todo formato de audio.
18. (a) tiene muestras : la serie se reduce a su término , — el teorema reproduce su propio núcleo. (b) Si tiene soporte en , cada paso de las preguntas 13–14 funciona literalmente con la banda mayor (el desarrollo de sobre el intervalo mayor sigue siendo lícito): muestrear más deprisa que la propia frecuencia de Nyquist no cambia nada en la reconstrucción — sobremuestrear es inocuo y, en la práctica, beneficioso (permite usar núcleos de reconstrucción de decaimiento más rápido).
19. Desarróllese dentro de la integral; en la serie converge normalmente (), de modo que integrar término a término es lícito:
La cota hace converger la serie para todo complejo; y alrededor de cualquier punto , reagrupando (convergencia absoluta) se obtiene una serie de potencias en : es analítica real con radio infinito en todo punto.
20. Sea analítica real en (con serie de Taylor convergente a cerca de cada punto) y sea . es cerrado (intersección de cerrados); y es abierto, pues en el desarrollo local de Taylor de es la serie nula, de modo que se anula idénticamente cerca de , junto con todas sus derivadas. Si se anula en un intervalo, ; por la conexión de , : . Ahora bien, si tuviera soporte compacto junto con : la pregunta 19 hace analítica real, anulándose fuera de un compacto y, por tanto, en intervalos: , luego en casi todo punto por inyectividad — contradicción. Análogamente, una no nula no puede tener soporte compacto (intercámbiense los papeles de y mediante la inversión): las señales de banda limitada nunca mueren, y las de duración limitada ocupan un espectro no acotado.
21. Para : y (segundo momento gaussiano); (el Ejemplo 14.2) y
Producto normalizado: , independiente de . El escalado explica la constancia: sustituir por multiplica por y por : el producto es un invariante de las homotecias, y las gaussianas forman una sola órbita de homotecias.
22. Con la densidad de posición y la densidad de momento de un estado cuántico (las unidades físicas insertan ), el Ejercicio 14.8 se lee : ningún estado es nítido en ambos observables. A lo largo del capítulo, una misma ley se pone cinco trajes: el calor suaviza al instante porque aniquila las frecuencias altas (Parte II); el flujo no puede recorrerse hacia atrás porque restaurarlas no está acotado (Parte IV); una señal de banda limitada es lo bastante rígida como para vivir en una malla numerable (Parte V); ninguna función baja del suelo de Heisenberg; y ninguna función tiene soporte compacto a ambos lados de la transformada (preguntas 19–20). Lo que hace en el infinito gobierna lo que puede hacer en cualquier sitio.
23. Tanto como están en con (el cálculo de la pregunta 1), de modo que el teorema de la convolución da ; y dos funciones de con la misma transformada coinciden en casi todo punto (inyectividad, vía el teorema de inversión — aquí ambos miembros son continuos, luego coinciden en todo punto): . En consecuencia, (asociatividad de la convolución, Tonelli). Convexidad logarítmica: sea (Plancherel, pregunta 8). Para , escríbase
y Cauchy–Schwarz da : es convexa en el punto medio y, siendo continua (convergencia dominada en ), convexa; y otro tanto . Decaimiento con logaritmo convexo: el flujo del calor no puede perder energía de golpe y después detenerse.
24. Momentos del núcleo: (pregunta 7 con , o directamente la integral gaussiana), (integrando impar) y, sustituyendo ,
Sustituyendo en la convolución y observando que (cada uno de , es finito para , usando ), Fubini y Tonelli se aplican a las integrales de momentos siguientes:
que es la primera afirmación; y
la segunda. Las medias se suman, las varianzas se suman, y el núcleo aporta media y varianza : tras un tiempo , el calor se ha esparcido sobre una anchura del orden de — la distancia crece como la raíz cuadrada del tiempo, la firma de la difusión (y de los caminos brownianos del Capítulo 22).
25. Lado de la transformada: , luego , que es la transformada de (el diccionario gaussiano con ): la forma cerrada. Comprobación directa, con :
ambos miembros calculados a partir de . Conservación: para todo . Disipación:
luego , no creciente y con logaritmo convexo (pregunta 23); la norma decae como , exactamente la mitad del exponente de — coherente con y con la conservación de . Varianza: , tal como predice la pregunta 24 (, ). En : , altura del pico frente a , escala de anchura veces la inicial, y en todo momento: la mancha es cinco veces más baja, cinco veces más ancha, y no falta ni una caloría.