Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

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 L1L^1 (Riemann–Lebesgue, inversión, inyectividad), la clase de Schwartz donde la transformada es una biyección perfecta, y la teoría en L2L^2 (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:

f^(ξ)=Rf(x)eiξx ⁣dx.\hat f(\xi) = \int_\R f(x)\,\eu^{-\iu\xi x}\,\dd x .

14.1 La transformada en L1L^1

Proposición 14.1

Para fL1(R)f \in L^1(\R): f^\hat f está bien definida, es acotada (f^f1\norm{\hat f}_\infty \leq \norm f_1) y continua, y:

  1. τaf^(ξ)=eiaξf^(ξ)\widehat{\tau_af}(\xi) = \eu^{-\iu a\xi}\hat f(\xi) y eiaxf^(ξ)=f^(ξa)\widehat{\eu^{\iu ax}f}(\xi) = \hat f(\xi - a);
  2. f(/λ)^(ξ)=λf^(λξ)\widehat{f(\cdot/\lambda)}(\xi) = \lambda\hat f(\lambda\xi) para λ>0\lambda > 0;
  3. si xfL1xf \in L^1, entonces f^\hat f es C1\mathcal C^1 con (f^)(ξ)=(ix)f^(ξ)(\hat f)'(\xi) = \widehat{(-\iu x)f}(\xi);
  4. si fC1f \in \mathcal C^1 con fL1f' \in L^1 (y f0f \to 0 en ±\pm\infty, automático aquí), entonces f^(ξ)=iξf^(ξ)\widehat{f'}(\xi) = \iu\xi\hat f(\xi);
  5. fg^=f^g^\widehat{f * g} = \hat f\,\hat g para f,gL1f, g \in L^1.

Demostración. Acotación: f^f\abs{\hat f} \leq \int\abs f. Continuidad: convergencia dominada con dominador f\abs f (el Teorema 10.14). (1) y (2): sustituciones (el Teorema 11.10). (3): derivación bajo el signo integral, con dominador xf\abs{xf} (el Teorema 10.15). (4): primero, f(x)=f(0)+0xff(x) = f(0) + \int_0^xf' tiene límite en ±\pm\infty (fL1f' \in L^1), que ha de ser 00 (fL1f \in L^1); después intégrese por partes en [A,A][-A, A] y hágase AA \to \infty. (5): Fubini, lícito porque (x,y)f(xy)g(y)eiξx(x,y)\mapsto f(x - y)g(y)\eu^{-\iu\xi x} es absolutamente integrable (el Teorema 11.9):

fg^(ξ)=f(xy)g(y)eiξ(xy)eiξy ⁣dx ⁣dy=f^(ξ)g^(ξ).\widehat{f*g}(\xi) = \iint f(x - y)g(y)\eu^{-\iu\xi(x - y)} \eu^{-\iu\xi y}\dd x\,\dd y = \hat f(\xi)\,\hat g(\xi).

Ejemplo 14.2

La gaussiana: para a>0a > 0,

eax2^(ξ)=πa  eξ2/4a:\widehat{\eu^{-ax^2}}(\xi) = \sqrt{\frac\pi a}\;\eu^{-\xi^2/4a} :

por el Ejercicio 10.7 (el truco de la ecuación diferencial F=ξ2FF' = -\frac\xi{2}F, reescalado), o por (3): g=eax2^g = \widehat{\eu^{-ax^2}} cumple g(ξ)=ξ2ag(ξ)g'(\xi) = -\frac{\xi}{2a}g(\xi) (intégrese por partes) y g(0)=π/ag(0) = \sqrt{\pi/a}. 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 fL1(R)f \in L^1(\R): f^(ξ)0\hat f(\xi) \to 0 cuando ξ\abs\xi \to \infty. Así pues, f^ ⁣:L1C0(R)\widehat{\phantom f} \colon L^1 \to \mathcal C_0(\R) (funciones continuas que se anulan en el infinito).

Demostración. Para el indicador de un intervalo, 1[a,b]^(ξ)=eiaξeibξiξ0\widehat{\mathbf 1_{\intcc ab}}(\xi) = \frac{\eu^{-\iu a\xi} - \eu^{-\iu b\xi}}{\iu\xi} \to 0; y de ahí para las funciones escalonadas. Las funciones escalonadas son densas en L1L^1 (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 \norm\cdot_\infty a 1\norm\cdot_1: para fs1<ε\norm{f - s}_1 < \varepsilon, lim supξf^(ξ)ε\limsup_{\abs\xi\to\infty}\abs{\hat f(\xi)} \leq \varepsilon.

14.2 Inversión e inyectividad

Lema 14.4 (Fórmula de multiplicación)

Para f,gL1(R)f, g \in L^1(\R): f^g=fg^\displaystyle\int \hat f\,g = \int f\,\hat g.

Demostración. Ambos miembros valen f(x)g(ξ)eixξ ⁣dx ⁣dξ\iint f(x)g(\xi)\eu^{-\iu x\xi}\dd x\,\dd\xi (Tonelli–Fubini: la integral doble del valor absoluto es f1g1\norm f_1\norm g_1).

Teorema 14.5 (Inversión)

Sea fL1(R)f \in L^1(\R).

  1. (Sumabilidad gaussiana) Para todo xx,

    (fgε)(x)=12πRf^(ξ)eεξ2eixξ ⁣dξ,donde gε(y)=12πεey2/4ε,(f * g_\varepsilon)(x) = \frac1{2\pi}\int_\R \hat f(\xi)\, \eu^{-\varepsilon\xi^2}\,\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi, \qquad\text{donde } g_\varepsilon(y) = \frac{1}{2\sqrt{\pi\varepsilon}}\, \eu^{-y^2/4\varepsilon},

    y fgεff * g_\varepsilon \to f en L1L^1 cuando ε0\varepsilon \to 0.

  2. Si además f^L1\hat f \in L^1, entonces para casi todo xx

    f(x)=12πRf^(ξ)eixξ ⁣dξ,f(x) = \frac{1}{2\pi}\int_\R \hat f(\xi)\,\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi ,

    y ff tiene un representante continuo.

  3. (Inyectividad) Si f^=0\hat f = 0, entonces f=0f = 0 en casi todo punto.

Demostración. (1) Fíjese xx y aplíquese el Lema 14.4 a ff y a g(ξ)=12πeεξ2eixξg(\xi) = \frac1{2\pi}\eu^{-\varepsilon\xi^2}\eu^{\iu x\xi}: por el Ejemplo 14.2 (con la regla de modulación),

g^(y)=12ππεe(yx)2/4ε=gε(xy),\hat g(y) = \frac1{2\pi}\sqrt{\frac\pi\varepsilon}\, \eu^{-(y - x)^2/4\varepsilon} = g_\varepsilon(x - y),

luego 12πf^(ξ)eεξ2eixξ ⁣dξ=f(y)gε(xy) ⁣dy=(fgε)(x)\frac1{2\pi}\int\hat f(\xi)\eu^{-\varepsilon\xi^2} \eu^{\iu x\xi}\dd\xi = \int f(y)g_\varepsilon(x - y)\dd y = (f*g_\varepsilon)(x). Las gεg_\varepsilon forman una aproximación de la identidad: gε0g_\varepsilon \geq 0, gε=1\int g_\varepsilon = 1 (integral gaussiana), concentrándose en 00; la demostración del Teorema 12.9(2) se aplica literalmente (solo se usaron gε=1\int g_\varepsilon = 1 y la concentración: para la cola, y>δgε0\int_{\abs y > \delta}g_\varepsilon \to 0): fgεf10\norm{f * g_\varepsilon - f}_1 \to 0.

(2) Si f^L1\hat f \in L^1: el miembro derecho de (1) converge, por convergencia dominada (dominador f^\abs{\hat f}), a 12πf^(ξ)eixξ ⁣dξ\frac1{2\pi}\int\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi para todo xx, y esa función límite es continua (de nuevo, convergencia dominada). Por otra parte, fgεff * g_\varepsilon \to f en L1L^1, 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) f^=0\hat f = 0 anula el miembro derecho de (1): fgε=0f * g_\varepsilon = 0 para todo ε\varepsilon, y fgεff * g_\varepsilon \to f en L1L^1: f=0f = 0 en casi todo punto.

14.3 La clase de Schwartz

Definición 14.6

La clase de Schwartz S(R)\mathcal S(\R) está formada por las funciones C\mathcal C^\infty ff con supxxmf(n)(x)<\sup_x\abs{x^m f^{(n)}(x)} < \infty para todos m,n0m, n \geq 0 (todas las derivadas decaen más deprisa que cualquier potencia). Ejemplos: eax2\eu^{-ax^2}, Cc\mathcal C_c^\infty. Claramente SLp\mathcal S \subseteq L^p para todo pp (acótese por C(1+x2)1C(1 + x^2)^{-1}), y S\mathcal S es estable por derivación, por multiplicación por polinomios y por productos.

Teorema 14.7

La transformada de Fourier aplica S(R)\mathcal S(\R) biyectivamente sobre sí mismo, con inversa gˇ(x)=12πg(ξ)eixξ ⁣dξ\check g(x) = \frac1{2\pi}\int g(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi.

Demostración. Sea fSf \in \mathcal S. Iterando la Proposición 14.1(3), (f^)(n)=(ix)nf^(\hat f)^{(n)} = \widehat{(-\iu x)^nf} (cada xkfL1x^kf \in L^1); iterando (4) con h=(ix)nfSh = (-\iu x)^nf \in \mathcal S (todas cuyas derivadas son integrables), (iξ)mh^=h(m)^(\iu\xi)^m\hat h = \widehat{h^{(m)}}. Combinando,

ξm(f^)(n)(ξ)=h(m)^(ξ)((ix)nf)(m)1<\abs{\xi^m\,(\hat f)^{(n)}(\xi)} = \bigl|\widehat{\,h^{(m)}}(\xi)\bigr| \leq \bigl\|\bigl((-\iu x)^nf\bigr)^{(m)}\bigr\|_1 < \infty

uniformemente en ξ\xi: f^S\hat f \in \mathcal S. Como f^L1\hat f \in L^1, la inversión (el Teorema 14.5(2)) vale en todo punto (ambos miembros son continuos): f^ˇ=f\check{\hat f} = f, y simétricamente gˇ^=g\widehat{\check g} = g (la transformada con acento es g12πg^()g \mapsto \frac1{2\pi}\hat g(-\cdot), que también conserva S\mathcal S): biyección.

14.4 Plancherel y L2L^2

Teorema 14.8 (Plancherel)

Para fL1L2(R)f \in L^1 \cap L^2(\R):

f^22=2πf22.\norm{\hat f}_2^2 = 2\pi\,\norm f_2^2 .

En consecuencia, f^\widehat{\phantom f} se extiende de manera única a una aplicación lineal continua F ⁣:L2(R)L2(R)\mathcal F \colon L^2(\R) \to L^2(\R) con Ff2=2πf2\norm{\mathcal Ff}_2 = \sqrt{2\pi}\norm f_2; F\mathcal F es biyectiva, con F1=12πFσ\mathcal F^{-1} = \frac1{2\pi}\,\mathcal F\circ\sigma donde σf=f()\sigma f = f(-\cdot), y conserva los productos escalares salvo el factor 2π2\pi.

Demostración. Sean fL1L2f \in L^1\cap L^2 y h=ff~h = f * \tilde f con f~(x)=f(x)\tilde f(x) = \overline{f(-x)}. Entonces hL1h \in L^1 (el Teorema 11.9), hh es continua y acotada (el Ejercicio 12.6: f,f~L2f, \tilde f \in L^2), h(0)=ffˉ=f22h(0) = \int f\bar f = \norm f_2^2 y h^=f^f~^=f^f^=f^20\hat h = \hat f\,\widehat{\tilde f} = \hat f\,\overline{\hat f} = \abs{\hat f}^2 \geq 0 (calcúlese f~^=f^\widehat{\tilde f} = \overline{\hat f}). Aplíquese el Teorema 14.5(1) a hh en x=0x = 0:

(hgε)(0)=12πh^(ξ)eεξ2 ⁣dξ.(h * g_\varepsilon)(0) = \frac1{2\pi}\int \hat h(\xi)\,\eu^{-\varepsilon\xi^2}\dd\xi .

Cuando ε0\varepsilon \to 0: el miembro izquierdo tiende a h(0)h(0) (hh es continua y acotada: (hgε)(0)h(0)=(h(y)h(0))gε(y) ⁣dy0(h*g_\varepsilon)(0) - h(0) = \int(h(-y) - h(0))g_\varepsilon(y)\dd y \to 0, separando yy pequeños y grandes); y el derecho crece hacia 12πh^\frac1{2\pi}\int\hat h por convergencia monótona (h^0\hat h \geq 0). Por tanto, 12πf^2=f22\frac1{2\pi}\int\abs{\hat f}^2 = \norm f_2^2, finito o no a priori — y finito, lo que demuestra a la vez la pertenencia y la identidad.

Extensión: L1L2CcL^1\cap L^2 \supseteq \mathcal C_c es denso en L2L^2 (el Teorema 12.6); la transformada es allí 2π\sqrt{2\pi}-isométrica, de modo que se extiende de manera única a una isometría salvo constante F\mathcal F sobre L2L^2 (el Teorema 7.2). La inversión para S\mathcal S (el Teorema 14.7) se traslada por la misma densidad (ambos miembros son L2L^2-continuos): F(12πF(σf))=f\mathcal F\bigl(\frac1{2\pi}\mathcal F(\sigma f)\bigr) = f sobre S\mathcal S y, por tanto, sobre L2L^2: biyectividad. Productos escalares: polarización a partir de la identidad de normas.

Teorema 14.9 (Sumación de Poisson)

Sea fS(R)f \in \mathcal S(\R) (basta con ff continua con f+f^C(1+)2\abs{f} + \abs{\hat f} \leq C(1 + \abs\cdot)^{-2}). Entonces

nZf(n)  =  kZf^(2πk).\sum_{n\in\Z} f(n) \;=\; \sum_{k\in\Z}\hat f(2\pi k) .

Demostración. Sea F(x)=nZf(x+n)F(x) = \sum_{n\in\Z}f(x + n): la serie converge normalmente sobre los compactos (decaimiento de ff), de modo que FF es continua y 11-periódica. Sus coeficientes de Fourier (período 11: ck(F)=01F(t)e2iπkt ⁣dtc_k(F) = \int_0^1F(t)\eu^{-2\iu\pi kt}\dd t):

ck(F)=n01f(t+n)e2iπkt ⁣dt=Rf(t)e2iπkt ⁣dt=f^(2πk)c_k(F) = \sum_n\int_0^1 f(t + n)\,\eu^{-2\iu\pi kt}\dd t = \int_\R f(t)\,\eu^{-2\iu\pi kt}\dd t = \hat f(2\pi k)

(la convergencia normal justifica el intercambio; la fase es 11-periódica). La serie kck(F)\sum_k\abs{c_k(F)} converge (decaimiento de f^\hat f), luego la serie de Fourier de FF converge normalmente; su suma es una función continua con los mismos coeficientes de Fourier que FF y, por tanto, es igual a FF (inyectividad en el círculo: la diferencia tiene coeficientes nulos, y el Teorema 13.9 da cero en L2L^2 y, por continuidad, en todas partes). Evalúese en x=0x = 0.

Ejemplo 14.10 (La identidad theta)

Aplicando Poisson a f(x)=eπtx2f(x) = \eu^{-\pi tx^2} (t>0t > 0), cuya transformada es f^(ξ)=t1/2eξ2/4πt\hat f(\xi) = t^{-1/2}\eu^{-\xi^2/4\pi t} (el Ejemplo 14.2 con a=πta = \pi t):

nZeπn2t=1tkZeπk2/t:\sum_{n\in\Z}\eu^{-\pi n^2t} = \frac1{\sqrt t}\sum_{k\in\Z}\eu^{-\pi k^2/t} :

la ecuación funcional de la función theta de Jacobi, clave para la ecuación funcional de la ζ\zeta de Riemann — y un acelerador numérico espectacular: para tt pequeño, el miembro izquierdo converge con lentitud y el derecho a toda velocidad.

Método 14.11

Rangos de trabajo: L1L^1 — transformada definida puntualmente, la inversión necesita f^L1\hat f \in L^1; S\mathcal S — todo es lícito, demuéstrese aquí primero; L2L^2 — 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 S\mathcal S (o en Cc\mathcal C_c^\infty) 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.

El núcleo del calor g_t(x) = 12√π t\, -x2/4t en tres instantes: masa total 1 para siempre, altura t-1/2, anchura √ t. Convolucionar el dato inicial con esta gaussiana que se ensancha es todo el contenido del problema de fin de semana; en frecuencia, la misma imagen se lee g_t( ) = -t 2 — las frecuencias altas mueren primero, y esa asimetría es la flecha del tiempo.
El núcleo del calor gt(x)=12πtex2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\,\eu^{-x^2/4t} en tres instantes: masa total 11 para siempre, altura t1/2\sim t^{-1/2}, anchura t\sim \sqrt t. Convolucionar el dato inicial con esta gaussiana que se ensancha es todo el contenido del problema de fin de semana; en frecuencia, la misma imagen se lee g^t(ξ)=etξ2\hat g_t(\xi) = \eu^{-t\xi^2} — las frecuencias altas mueren primero, y esa asimetría es la flecha del tiempo.

14.5 Ejercicios

Ejercicio 14.1

Calcular las transformadas de Fourier de: 1[a,a]\mathbf 1_{\intcc{-a}a}; eax\eu^{-a\abs x} (a>0a > 0); la función triangular max(0,1x)\max(0, 1 - \abs x); 1x2+a2\frac1{x^2 + a^2} (úsese la inversión en la segunda). Regístrese la tabla que va surgiendo.

Solución

Solución de Ejercicio 14.1.

1[a,a]^(ξ)=aaeiξx ⁣dx=2sin(aξ)ξ\widehat{\mathbf 1_{\intcc{-a}a}}(\xi) = \int_{-a}^a\eu^{-\iu\xi x}\dd x = \frac{2\sin(a\xi)}{\xi} (valor 2a2a en 00). eax^(ξ)=0e(a+iξ)x+e(aiξ)x ⁣dx=1a+iξ+1aiξ=2aa2+ξ2\widehat{\eu^{-a\abs x}}(\xi) = \int_0^\infty\eu^{-(a + \iu\xi)x} + \eu^{-(a - \iu\xi)x}\,\dd x = \frac1{a + \iu\xi} + \frac1{a - \iu\xi} = \frac{2a}{a^2 + \xi^2}. Triangular: max(0,1x)=1[1/2,1/2]1[1/2,1/2]\max(0, 1 - \abs x) = \mathbf 1_{\intcc{-1/2}{1/2}} * \mathbf 1_{\intcc{-1/2}{1/2}}, de modo que su transformada es (2sin(ξ/2)ξ)2=(sin(ξ/2)ξ/2)2\bigl(\frac{2\sin(\xi/2)}\xi\bigr)^2 = \bigl(\frac{\sin(\xi/2)}{\xi/2}\bigr)^2. Última: 2aa2+ξ2L1\frac{2a}{a^2+\xi^2} \in L^1, luego la inversión (el Teorema 14.5(2)) aplicada a eax\eu^{-a\abs x} da, tras renombrar variables,

(1x2+a2)^(ξ)=πaeaξ.\widehat{\Bigl(\frac1{x^2 + a^2}\Bigr)}(\xi) = \frac{\pi}{a}\,\eu^{-a\abs\xi} .

Ejercicio 14.2

Sea fL1f \in L^1. Exprésense en términos de f^\hat f las transformadas de: f(xa)f(x - a), f(x)cos(bx)f(x)\cos(bx), f(ax+b)f(ax + b), f(x)\overline{f(-x)}, (ff)(x)(f * f)(x). Verifíquese cada regla sobre la gaussiana.

Solución

Solución de Ejercicio 14.2.

De la Proposición 14.1: f(a)^=eiaξf^(ξ)\widehat{f(\cdot - a)} = \eu^{-\iu a\xi}\hat f(\xi); fcos(b)^=12(f^(ξb)+f^(ξ+b))\widehat{f\cos(b\cdot)} = \frac12\bigl(\hat f(\xi - b) + \hat f(\xi + b)\bigr); f(a+b)^(ξ)=1aeibξ/af^(ξ/a)\widehat{f(a\cdot + b)}(\xi) = \frac1a\,\eu^{\iu b\xi/a}\,\hat f(\xi/a) (a>0a > 0); f()^=f^\widehat{\overline{f(-\cdot)}} = \overline{\hat f}; ff^=f^2\widehat{f * f} = \hat f^2. Sobre la gaussiana (ex2^=πeξ2/4\widehat{\eu^{-x^2}} = \sqrt\pi\eu^{-\xi^2/4}), cada regla es una comprobación de una línea — por ejemplo, e(xa)2\eu^{-(x-a)^2} tiene transformada πeiaξeξ2/4\sqrt\pi\,\eu^{-\iu a\xi}\eu^{-\xi^2/4}, lo que el cálculo directo (complétese el cuadrado) confirma.

Ejercicio 14.3 ★★

(a) Demostrar que 1[1,1]1[1,1]\mathbf 1_{\intcc{-1}1} * \mathbf 1_{\intcc{-1}1} tiene transformada (2sinξξ)2\bigl(\frac{2\sin\xi}\xi \bigr)^2 y dedúzcase R(sinξξ)2 ⁣dξ=π\int_\R\bigl(\frac{\sin\xi}\xi\bigr)^2\dd\xi = \pi por Plancherel — o por inversión en 00. Compárese Problema 10.1. (b) Calcular R ⁣dx(x2+1)2\int_\R\frac{\dd x}{(x^2+1)^2} mediante Plancherel aplicado a ex\eu^{-\abs x}.

Solución

Solución de Ejercicio 14.3.

(a) h=1[1,1]1[1,1]h = \mathbf 1_{\intcc{-1}1}*\mathbf 1_{\intcc{-1}1} cumple h^=(2sinξξ)2L1\hat h = \bigl(\frac{2\sin\xi}\xi\bigr)^2 \in L^1; la inversión en x=0x = 0, donde h(0)=λ([1,1][1,1])=2h(0) = \lambda(\intcc{-1}1\cap\intcc{-1}1) = 2:

2=12πR(2sinξξ)2 ⁣dξ  R(sinξξ)2 ⁣dξ=π,2 = \frac1{2\pi}\int_\R\Bigl(\frac{2\sin\xi}\xi\Bigr)^2 \dd\xi \ \Longrightarrow\ \int_\R\Bigl(\frac{\sin\xi}\xi\Bigr)^2\dd\xi = \pi ,

coherente con 0sin2ξ2=π2\int_0^\infty\frac{\sin^2}{\xi^2} = \frac\pi2 (el Problema 10.1).

(b) Plancherel para f=exf = \eu^{-\abs x}: f^2=2πf2\int\abs{\hat f}^2 = 2\pi\int\abs f^2 se lee 4 ⁣dξ(1+ξ2)2=2πe2x ⁣dx=2π\int\frac{4\,\dd\xi}{(1 + \xi^2)^2} = 2\pi\int\eu^{-2\abs x}\dd x = 2\pi: R ⁣dξ(1+ξ2)2=π2\int_\R\frac{\dd\xi}{(1+\xi^2)^2} = \frac\pi2.

Ejercicio 14.4 ★★

(Álgebra del núcleo del calor) Con gt(x)=12πtex2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t}: (a) compruébese g^t(ξ)=etξ2\hat g_t(\xi) = \eu^{-t\xi^2}; (b) dedúzcase la ley de semigrupo gtgs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s} sin ningún cálculo de integrales; (c) demuéstrese gt1=1\norm{g_t}_1 = 1 y gt22=(8πt)1/2\norm{g_t}_2^2 = (8\pi t)^{-1/2}.

Solución

Solución de Ejercicio 14.4.

(a) gt(x)=12πtex2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t}: por el Ejemplo 14.2 con a=14ta = \frac1{4t}, g^t(ξ)=12πt4πtetξ2=etξ2\hat g_t(\xi) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\sqrt{4\pi t}\,\eu^{-t\xi^2} = \eu^{-t\xi^2}. (b) gtgs^=etξ2esξ2=gt+s^\widehat{g_t * g_s} = \eu^{-t\xi^2}\eu^{-s\xi^2} = \widehat{g_{t+s}}, y la transformada es inyectiva en L1L^1 (Teorema 14.5(3)): gtgs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s}. (c) gt1=1\norm{g_t}_1 = 1 (integral gaussiana); gt22=14πtex2/2t ⁣dx=2πt4πt=18πt\norm{g_t}_2^2 = \frac1{4\pi t}\int\eu^{-x^2/2t}\dd x = \frac{\sqrt{2\pi t}}{4\pi t} = \frac1{\sqrt{8\pi t}}.

Ejercicio 14.5 ★★

Demostrar que si fL1f \in L^1 es par y real, f^\hat f es par y real; y que si ff es impar y real, f^\hat f es impar y puramente imaginaria. ¿Qué calcula f^(0)\hat f(0)? Dedúzcase que f0f \geq 0 obliga a f^=f^(0)=f\norm{\hat f}_\infty = \hat f(0) = \int f, e interprétese para densidades de probabilidad (el Capítulo 23: una función característica tiene módulo 1\leq 1, alcanzado en 00).

Solución

Solución de Ejercicio 14.5.

Para ff real y par: f^(ξ)=fcos(ξx) ⁣dx\hat f(\xi) = \int f\cos(\xi x)\dd x (la parte del seno se cancela): real y par. Impar: f^(ξ)=ifsin(ξx)\hat f(\xi) = -\iu\int f\sin(\xi x): impar y puramente imaginaria. f^(0)=f\hat f(0) = \int f: la masa total. Si f0f \geq 0: f^(ξ)f=f=f^(0)\abs{\hat f(\xi)} \leq \int\abs f = \int f = \hat f(0), de modo que el supremo se alcanza en 00. Para una densidad de probabilidad, f^(ξ)\hat f(-\xi) es la función característica del Capítulo 23: módulo 1\leq 1 en todas partes y =1= 1 en el origen.

Ejercicio 14.6 ★★★

(No sobreyectividad) Demostrar que f^ ⁣:L1C0\widehat{\phantom f}\colon L^1 \to \mathcal C_0 es inyectiva y continua pero no sobreyectiva, en tres pasos. (i) Inyectividad (el Teorema 14.5) y continuidad (f^f1\norm{\hat f}_\infty \leq \norm f_1), y C0\mathcal C_0 es un espacio de Banach (cerrado en \norm\cdot_\infty). (ii) Si la aplicación fuera sobreyectiva, sería biyectiva, y el teorema de la aplicación abierta (el Teorema 8.12) daría una constante CC con f1Cf^\norm f_1 \leq C\norm{\hat f}_\infty para toda fL1f \in L^1. (iii) Contradígase esto con fn(x)=sinxxsin(x/n)x/nf_n(x) = \frac{\sin x}{x}\cdot\frac{\sin(x/n)}{x/n}: su transformada es (salvo constantes) el trapecio de tipo convolución 1[1,1]1[1/n,1/n]\mathbf 1_{\intcc{-1}1} * \mathbf 1_{\intcc{-1/n}{1/n}} — demuéstrese que f^nπ\norm{\hat f_n}_\infty \leq \pi uniformemente, mientras que fn1clnn\norm{f_n}_1 \geq c\ln n contando los arcos de sinxx\frac{\abs{\sin x}}x en [1,n][1, n] (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 f^f1\norm{\hat f}_\infty \leq \norm f_1 (con valores en C0\mathcal C_0 por Riemann–Lebesgue); y C0\mathcal C_0 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 CC con f1Cf^\norm f_1 \leq C\norm{\hat f}_\infty.

(iii) Sea fn(x)=sinxxsin(x/n)x/nf_n(x) = \frac{\sin x}x\cdot\frac{\sin(x/n)}{x/n}: producto de dos funciones L2L^2, y O(x2)O(x^{-2}) en el infinito, luego fnL1L2f_n \in L^1\cap L^2. Como (sin(ax)ax)\bigl(\frac{\sin(ax)}{ax}\bigr) tiene transformada L2L^2 igual a πa1[a,a]\frac\pi a\mathbf 1_{\intcc{-a}a}, la fórmula del producto gh^=12πg^h^\widehat{gh} = \frac1{2\pi}\hat g * \hat h (válida para g,hL2g, h \in L^2 con ghL1gh \in L^1; compruébese sobre funciones de Schwartz por Fubini y extiéndase por la L2L^2-continuidad de ambos miembros vía Plancherel) da

f^n=12π(π1[1,1])(πn1[1/n,1/n]):\hat f_n = \frac1{2\pi}\,\bigl(\pi\mathbf 1_{\intcc{-1}1}\bigr) * \bigl(\pi n\,\mathbf 1_{\intcc{-1/n}{1/n}}\bigr):

un trapecio de altura πn22n=π\frac{\pi n}2\cdot\frac2n = \pi: f^n=π\norm{\hat f_n}_\infty = \pi para todo nn. Pero en [1,n][1, n], sin(x/n)x/nsin1>0\frac{\sin(x/n)}{x/n} \geq \sin 1 > 0, de modo que

fn1sin11nsinxx ⁣dxclnn\norm{f_n}_1 \geq \sin 1\int_1^n\frac{\abs{\sin x}}x\dd x \geq c\ln n

(recuento de arcos, como en el Teorema 8.11). La cota fn1Cπ\norm{f_n}_1 \leq C\pi falla para nn grande: no es sobreyectiva. (La imagen es un subespacio denso — por argumentos de tipo Stone–Weierstrass — pero propio de C0\mathcal C_0.)

Ejercicio 14.7 ★★

(Diccionario regularidad \leftrightarrow decaimiento) Demostrar: fL1f \in L^1 con f^(ξ)=O(ξk1δ)\hat f(\xi) = O(\abs\xi^{-k-1-\delta}) para cierto δ>0\delta > 0 implica que ff tiene un representante Ck\mathcal C^k. Recíprocamente, fCckf \in \mathcal C^k_c implica f^(ξ)=O(ξk)\hat f(\xi) = O(\abs\xi^{-k}). Ilústrense ambos sentidos sobre la función triangular.

Solución

Solución de Ejercicio 14.7.

Si f^(ξ)=O(ξk1δ)\hat f(\xi) = O(\abs\xi^{-k-1-\delta}): entonces ξjf^L1\xi^j\hat f \in L^1 para 0jk0 \leq j \leq k (integrable en el infinito por el decaimiento, y localmente por la continuidad de f^\hat f). La inversión (el Teorema 14.5(2)) representa ff en casi todo punto mediante x12πf^(ξ)eixξ ⁣dξx \mapsto \frac1{2\pi}\int\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi, y la derivación bajo el signo integral (dominadores ξjf^\abs{\xi^j\hat f}) hace ese representante Ck\mathcal C^k. Recíprocamente, para fCckf \in \mathcal C_c^k: iterando la Proposición 14.1(4), (iξ)kf^=f(k)^(\iu\xi)^k\hat f = \widehat{f^{(k)}}, luego f^f(k)1ξk\abs{\hat f} \leq \norm{f^{(k)}}_1\abs\xi^{-k}. Función triangular: continua de soporte compacto (k=0k = 0: transformada acotada), y su transformada ξ2=O(ξ011)\sim \xi^{-2} = O(\abs\xi^{-0-1-1}) devuelve, por el primer sentido, un representante C0\mathcal C^0 — ambos resultados son óptimos: la triangular no es C1\mathcal C^1, y su transformada no decae más deprisa que ξ2\xi^{-2}.

Ejercicio 14.8 ★★★

(Desigualdad de Heisenberg) Para fS(R)f \in \mathcal S(\R) real con f2=1\norm f_2 = 1, demostrar

(x2f(x)2 ⁣dx)(12πξ2f^(ξ)2 ⁣dξ)    14,\Bigl(\int x^2f(x)^2\dd x\Bigr)\cdot \Bigl(\frac1{2\pi}\int \xi^2\abs{\hat f(\xi)}^2\dd\xi\Bigr) \;\geq\; \frac14 ,

con igualdad para las gaussianas. (Escríbase 1=f2=x(f2)1 = \int f^2 = -\int x\,(f^2)' por partes, acótese por Cauchy–Schwarz y conviértase f2\norm{f'}_2 mediante Plancherel.) Interpretación: una señal y su espectro no pueden estar ambos concentrados.

Solución

Solución de Ejercicio 14.8.

Integración por partes (fSf \in \mathcal S; los términos de frontera se anulan):

1=f2=[xf2]x(f2)=2xff2xf2f2.1 = \int f^2 = \bigl[xf^2\bigr]_{-\infty}^{\infty} - \int x\,(f^2)' = -2\int xff' \leq 2\,\norm{xf}_2\,\norm{f'}_2 .

Plancherel y f^=iξf^\widehat{f'} = \iu\xi\hat f: f22=12πξ2f^2\norm{f'}_2^2 = \frac1{2\pi}\int\xi^2\abs{\hat f}^2. Elevando al cuadrado la expresión:

14xf2212πξ2f^2 ⁣dξ.\frac14 \leq \norm{xf}_2^2\cdot\frac1{2\pi} \int\xi^2\abs{\hat f}^2\dd\xi .

La igualdad exige igualdad en Cauchy–Schwarz: f=λxff' = \lambda xf con λ<0\lambda < 0 (integrabilidad), es decir, f(x)=ceλx2/2f(x) = c\,\eu^{\lambda x^2/2}: gaussianas. Una señal concentrada en xx (xf2\norm{xf}_2 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 nZeπn2\sum_{n\in\Z}\eu^{-\pi n^2} con seis decimales usando tres términos. ¿Cuántos términos de la serie definitoria exigiría la misma precisión en t=102t = 10^{-2}, frente a la serie transformada?

Solución

Solución de Ejercicio 14.9.

La gaussiana f(x)=eπtx2f(x) = \eu^{-\pi tx^2} es de Schwartz, de modo que el Teorema 14.9 se aplica, y f^(ξ)=t1/2eξ2/4πt\hat f(\xi) = t^{-1/2}\eu^{-\xi^2/4\pi t}; en ξ=2πk\xi = 2\pi k el miembro derecho se convierte en t1/2eπk2/tt^{-1/2}\eu^{-\pi k^2/t}: la identidad theta. En t=1t = 1:

nZeπn2=1+2eπ+2e4π+1+0.0864278+0.0000070=1.0864348,\sum_{n\in\Z}\eu^{-\pi n^2} = 1 + 2\eu^{-\pi} + 2\eu^{-4\pi} + \cdots \approx 1 + 0.0864278 + 0.0000070 = 1.0864348,

con precisión de 66 decimales usando tres términos (e9π51013\eu^{-9\pi} \approx 5\cdot10^{-13}). En t=102t = 10^{-2}: la serie definitoria necesita eπn2/100<107\eu^{-\pi n^2/100} < 10^{-7}, es decir, n23n \gtrsim 23 — unos 4747 términos —, mientras que la serie transformada es 10ke100πk210\sum_k\eu^{-100\pi k^2}, donde ya el término k=1k = 1 es 10136\sim 10^{-136}: basta un término.

Ejercicio 14.10 ★★

(Funciones de banda limitada) Sea fL2(R)f \in L^2(\R) con Ff\mathcal Ff de soporte en [π,π]\intcc{-\pi}\pi. Demostrar que ff tiene un representante cada uno de cuyos valores puede recuperarse de las muestras: demuéstrese la interpolación de Shannon en los enteros,

f(x)=nZf(n)sin(π(xn))π(xn)en L2,f(x) = \sum_{n\in\Z} f(n)\, \frac{\sin\bigl(\pi(x - n)\bigr)}{\pi(x - n)} \quad\text{en } L^2,

desarrollando Ff\mathcal Ff en la base de Fourier de L2([π,π])L^2(\intcc{-\pi}\pi) (el Teorema 13.9) y transformando de vuelta término a término.

Solución

Solución de Ejercicio 14.10.

FfL2([π,π])L1([π,π])\mathcal Ff \in L^2(\intcc{-\pi}\pi) \subseteq L^1(\intcc{-\pi}\pi) (medida finita), de modo que la inversión da el representante continuo f(x)=12πππFf(ξ)eixξ ⁣dξf(x) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\mathcal Ff(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi, con

f(n)=12πππFf(ξ)einξ ⁣dξ=en,Fff(n) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\mathcal Ff(\xi)\,\eu^{\iu n\xi}\dd\xi = \langle e_{-n}, \mathcal Ff\rangle

con la notación del Teorema 13.9. Desarrollando en esa base hilbertiana: Ff=nf(n)einξ\mathcal Ff = \sum_nf(n)\,\eu^{-\iu n\xi} en L2([π,π])L^2(\intcc{-\pi}\pi). Aplíquese la F1\mathcal F^{-1}, que es L2L^2-continua, término a término:

F1(1[π,π]einξ)(x)=12πππeiξ(xn) ⁣dξ=sin(π(xn))π(xn),\mathcal F^{-1}\bigl(\mathbf 1_{\intcc{-\pi}\pi}\eu^{-\iu n\xi}\bigr)(x) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\eu^{\iu\xi(x - n)}\dd\xi = \frac{\sin\bigl(\pi(x-n)\bigr)}{\pi(x - n)} ,

lo que da f=nf(n)sinc(n)f = \sum_nf(n)\operatorname{sinc}(\cdot - n) en L2L^2: 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 S(R)\mathcal S(\R), sea Ff=f^\mathcal F f = \hat f. (a) Usando la fórmula de inversión, demuéstrese (F2f)(x)=2πf(x)(\mathcal F^2f)(x) = 2\pi\,f(-x) y dedúzcase F4=(2π)2id\mathcal F^4 = (2\pi)^2\, \mathrm{id}. (b) Dedúzcase que todo valor propio de F\mathcal F sobre S\mathcal S pertenece a {±2π,±i2π}\{\pm\sqrt{2\pi}, \pm\iu\sqrt{2\pi}\}, y exhíbase una función propia para +2π+\sqrt{2\pi} (¿qué función de este capítulo es proporcional a su propia transformada?). (c) Demostrar que las funciones pares cumplen F2f=2πf\mathcal F^2f = 2\pi f y las impares F2f=2πf\mathcal F^2f = -2\pi f; prodúzcase una función propia para el valor propio i2π-\iu\sqrt{2\pi} a partir de xex2/2x\eu^{-x^2/2} calculando su transformada (derívese la transformada de la gaussiana).

Solución

Solución de Ejercicio 14.11.

(a) Inversión en S\mathcal S: f(x)=12πf^(ξ)eixξ ⁣dξ=12π(Ff^)(x)f(x) = \frac1{2\pi}\int\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi = \frac1{2\pi}(\mathcal F\hat f)(-x), es decir, (F2f)(x)=2πf(x)(\mathcal F^2f)(x) = 2\pi f(-x). Aplicando dos veces: F4f=2πF2f()=(2π)2f\mathcal F^4f = 2\pi\,\mathcal F^2f(-\cdot) = (2\pi)^2f.

(b) Si Ff=λf\mathcal Ff = \lambda f con f0f \neq 0: (2π)2f=F4f=λ4f(2\pi)^2f = \mathcal F^4f = \lambda^4f, luego λ4=(2π)2\lambda^4 = (2\pi)^2: λ{±2π,±i2π}\lambda \in \{\pm\sqrt{2\pi}, \pm\iu\sqrt{2\pi}\}. La gaussiana g(x)=ex2/2g(x) = \eu^{-x^2/2} cumple g^=2πg\hat g = \sqrt{2\pi}\,g (el Ejemplo 14.2 en a=12a = \frac12): función propia para +2π+\sqrt{2\pi}.

(c) F2f=2πf()\mathcal F^2f = 2\pi f(-\cdot) vale ±2πf\pm2\pi f según la paridad. Para h(x)=xex2/2h(x) = x\eu^{-x^2/2}: derivando g^(ξ)=2πeξ2/2\hat g(\xi) = \sqrt{2\pi}\eu^{-\xi^2/2} con la regla xf^=i ⁣d ⁣dξf^\widehat{xf} = \iu\frac{\dd}{\dd\xi}\hat f:

h^(ξ)=i ⁣d ⁣dξ(2πeξ2/2)=i2πξeξ2/2=i2πh(ξ):\hat h(\xi) = \iu\,\frac{\dd}{\dd\xi}\bigl(\sqrt{2\pi} \eu^{-\xi^2/2}\bigr) = -\iu\sqrt{2\pi}\,\xi\eu^{-\xi^2/2} = -\iu\sqrt{2\pi}\,h(\xi) :

una función propia para i2π-\iu\sqrt{2\pi}. (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 fL2(R)f \in L^2(\R) defínanse f~(x)=f(x)\tilde f(x) = \overline{f(-x)} y la autocorrelación Af=ff~A_f = f * \tilde f. (a) Demostrar que AfA_f es una función acotada y continua con Af(0)=f22Af(x)A_f(0) = \norm f_2^2 \geq \abs{A_f(x)} para todo xx (el Ejercicio 12.6 y Cauchy–Schwarz). (b) Demostrar, primero para fL1L2f \in L^1\cap L^2, que Af^=f^20\widehat{A_f} = \abs{\hat f\,}^2 \geq 0: la autocorrelación tiene transformada no negativa — los espectros de las autocorrelaciones son espectros de potencia. (c) Dedúzcase la identidad Rf^(ξ)2eixξ ⁣dξ=2πAf(x)\int_\R\abs{\hat f(\xi)}^2\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi = 2\pi A_f(x) (inversión; justifíquese su aplicabilidad cuando f^L2\hat f \in L^2 tiene f^2L1\abs{\hat f}^2 \in L^1) y evalúese para f=1[1/2,1/2]f = \mathbf 1_{\intcc{-1/2}{1/2}} en x=0x = 0: recupérese R(sinuu)2 ⁣du=π\int_\R\bigl(\frac{\sin u}u\bigr)^2\dd u = \pi.

Solución

Solución de Ejercicio 14.12.

(a) f~L2\tilde f \in L^2 con f~2=f2\norm{\tilde f}_2 = \norm f_2; el Ejercicio 12.6 (exponentes conjugados p=q=2p = q = 2) hace Af=ff~A_f = f * \tilde f acotada y uniformemente continua, con

Af(x)=f(y)f(yx) ⁣dy,Af(0)=f22,Af(x)f2f(x)2=Af(0)A_f(x) = \int f(y)\,\overline{f(y - x)}\,\dd y, \qquad A_f(0) = \norm f_2^2, \qquad \abs{A_f(x)} \leq \norm f_2\,\norm{f(\cdot - x)}_2 = A_f(0)

por Cauchy–Schwarz.

(b) Para fL1L2f \in L^1\cap L^2: también f~L1\tilde f \in L^1, y el teorema de la convolución da Af^=f^f~^\widehat{A_f} = \hat f\, \widehat{\tilde f}; calculando, f~^(ξ)=f(x)eiξx ⁣dx=f(u)eiξu ⁣du=f^(ξ)\widehat{\tilde f}(\xi) = \int\overline{f(-x)}\eu^{-\iu\xi x}\dd x = \overline{\int f(u)\eu^{-\iu\xi u}\dd u} = \overline{\hat f(\xi)}: Af^=f^20\widehat{A_f} = \abs{\hat f}^2 \geq 0.

(c) Cuando f^2L1\abs{\hat f}^2 \in L^1, la inversión se aplica a la continua AfA_f (su transformada es integrable; Teorema 14.5):

Af(x)=12πf^(ξ)2eixξ ⁣dξ.A_f(x) = \frac1{2\pi}\int\abs{\hat f(\xi)}^2 \eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi .

Para f=1[1/2,1/2]f = \mathbf 1_{\intcc{-1/2}{1/2}}: f^(ξ)=2sin(ξ/2)ξ=sin(ξ/2)ξ/2\hat f(\xi) = \frac{2\sin(\xi/2)}\xi = \frac{\sin(\xi/2)}{\xi/2}, y en x=0x = 0:

1=f22=12πR(sin(ξ/2)ξ/2)2 ⁣dξ=12π2R(sinuu)2 ⁣du1 = \norm f_2^2 = \frac1{2\pi}\int_\R \Bigl(\frac{\sin(\xi/2)}{\xi/2}\Bigr)^2\dd\xi = \frac1{2\pi}\cdot2\int_\R\Bigl(\frac{\sin u}u\Bigr)^2\dd u

(ξ=2u\xi = 2u), es decir, R(sinuu)2 ⁣du=π\int_\R\bigl(\frac{\sin u}u\bigr)^2\dd u = \pi — 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 — tu=xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u, resuelta de principio a fin

El calor se propaga; la ecuación tu=xx2u\partial_tu = \partial_{xx}^2u dice que su densidad difunde a un ritmo dado por la curvatura local del perfil de temperatura. Resolveremos el problema de Cauchy en R\R — dada ff, hállese u(t,x)u(t, x) para t>0t > 0 con u(0,)=fu(0, \cdot) = f —, demostraremos las notables propiedades de la solución y veremos por qué el tiempo no puede invertirse. En todo el problema, gt(x)=12πtex2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t} es el núcleo del calor y u(t,)=gtfu(t, \cdot) = g_t * f.

Parte I — Deducción del núcleo. Trabájese primero de manera formal: supóngase que u(t,)Su(t, \cdot) \in \mathcal S resuelve la ecuación y sea u^(t,ξ)\hat u(t, \xi) la transformada en xx.

  1. Demostrar (formalmente) que tu^=ξ2u^\partial_t\hat u = -\xi^2\hat u, de donde u^(t,ξ)=etξ2f^(ξ)\hat u(t,\xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi), y reconózcase u(t)=gtfu(t) = g_t * f (el Ejercicio 14.4). Esto motiva la definición de uu; todo lo demás se demuestra ya directamente, para fCb(R)f \in \mathcal C_b(\R) (continua acotada) o fLpf \in L^p.

Parte II — Verificación.

  1. Demostrar que, para t>0t > 0, u(t,x)=gt(xy)f(y) ⁣dyu(t, x) = \int g_t(x-y)f(y)\dd y está bien definida para fCbf \in \mathcal C_b y que uu es C\mathcal C^\infty en (t,x)(t, x) sobre (0,)×R\intoo0\infty\times\R (derívese bajo el signo integral; domínense las derivadas gaussianas localmente uniformemente en (t,x)(t,x)).
  2. Verificar tgt=xx2gt\partial_tg_t = \partial^2_{xx}g_t por cálculo directo y dedúzcase tu=xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u para t>0t > 0.
  3. (Condición inicial) Demostrar que, para fCbf \in \mathcal C_b, u(t,x)f(x)u(t, x) \to f(x) cuando t0+t \to 0^+, uniformemente sobre los compactos (aproximación de la identidad: sepárese yδ\abs y \leq \delta, y>δ\abs y > \delta); y para fLpf \in L^p (p<p < \infty), demuéstrese u(t)fp0\norm{u(t) - f}_p \to 0.
  4. (Suavizado instantáneo) Concluir: incluso para ff meramente continua y acotada, la solución es C\mathcal C^\infty para todo t>0t > 0 — el calor borra al instante la aspereza. Calcúlese u(t,)u(t, \cdot) explícitamente para f=1(0,)f = \mathbf 1_{\intoo0\infty} (una función error) y esbócese su perfil para tres valores de tt.

Parte III — Propiedades estructurales.

  1. (Positividad y comparación) Si f0f \geq 0, entonces u>0u > 0 para todo t>0t > 0 (estrictamente, salvo que f=0f = 0 en casi todo punto); si f1f2f_1 \leq f_2, entonces u1u2u_1 \leq u_2. Un punto frío se calienta al instante: coméntese.
  2. (Conservación) Para fL1f \in L^1: u(t,x) ⁣dx=f\int u(t, x)\dd x = \int f para todo tt (Tonelli) — el calor total se conserva.
  3. (Disipación) Para fL1L2f \in L^1\cap L^2, demuéstrese mediante Plancherel que tu(t)2t \mapsto \norm{u(t)}_2 es no creciente, estrictamente salvo que f=0f = 0, y calcúlese su límite cuando tt \to \infty. Demuéstrese además u(t)f12πt0\norm{u(t)}_\infty \leq \frac{\norm f_1}{2\sqrt{\pi t}} \to 0: el calor se esparce y muere.
  4. (Unicidad, clase L2L^2) Sea uu una solución con u(t)L2u(t) \in L^2 para todo tt, uC1((0,),L2)u \in \mathcal C^1(\intoo0\infty, L^2) en el sentido natural y u(t)fu(t) \to f en L2L^2 cuando t0t\to0; admitiendo que la transformada la convierte en tu^=ξ2u^\partial_t\hat u = -\xi^2\hat u puntualmente en casi todo punto de ξ\xi para casi todo tt (justificado evaluando contra Cc\mathcal C_c^\infty en ξ\xi — esbócese), demuéstrese u^(t,ξ)=etξ2f^(ξ)\hat u(t,\xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi) y, por tanto, la unicidad en esta clase.

Parte IV — La flecha del tiempo.

  1. Demostrar que el problema retrógrado está mal planteado: para que la solución exista en el instante s-s (s>0s > 0) con dato ff en el instante 00 — es decir, para que f=gshf = g_s * h tenga solución hL2h \in L^2 — es necesario que esξ2f^(ξ)L2\eu^{s\xi^2}\hat f(\xi) \in L^2: una condición de decaimiento extrema sobre f^\hat f. Exhíbase una fL2f \in L^2 regular explícita para la que no exista solución retrógrada en ningún intervalo de tiempo: tómese la función con f^(ξ)=eξ\hat f(\xi) = \eu^{-\abs\xi} — identifíquese ff (el Ejercicio 14.1) y demuéstrese esξ2eξL2\eu^{s\xi^2}\eu^{-\abs\xi} \notin L^2 para todo s>0s > 0.
  2. (Suavizado frente a información) Explíquese en un párrafo breve, usando las preguntas 5, 9 y 10, por qué el semigrupo del calor (fgtf)t0(f \mapsto g_t * f)_{t\geq0} es inyectivo pero no sobreyectivo sobre L2L^2, y por qué esto expresa la irreversibilidad de la difusión.

Parte V — El teorema del muestreo de Shannon. Una función fL2(R)f \in L^2(\R) es de banda limitada a Ω\Omega si f^=0\hat f = 0 en casi todo punto fuera de [Ω,Ω]\intcc{-\Omega}\Omega; escribimos PWΩPW_\Omega (espacio de Paley–Wiener) para tales funciones.

  1. Demostrar que toda fPWΩf \in PW_\Omega coincide en casi todo punto con la función C\mathcal C^\infty 12πΩΩf^(ξ)eixξ ⁣dξ\frac1{2\pi}\int_{-\Omega}^{\Omega}\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi (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, ff denota ese representante.
  2. Desarróllese f^L2([Ω,Ω])\hat f \in L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) en la base de Fourier de ese intervalo e identifíquense los coeficientes como muestras de ff:

    f^(ξ)=πΩnZf(nπΩ)einπξ/Ωen L2([Ω,Ω]).\hat f(\xi) = \frac\pi\Omega\sum_{n\in\Z} f\Bigl(\frac{n\pi}\Omega\Bigr)\, \eu^{-\iu n\pi\xi/\Omega} \quad\text{en } L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) .
  3. Dedúzcase el teorema del muestreo: para fPWΩf \in PW_\Omega,

    f(x)=nZf(nπΩ)sinc(Ωxnπ),sinct=sintt,f(x) = \sum_{n\in\Z}f\Bigl(\frac{n\pi} \Omega\Bigr)\,\operatorname{sinc}(\Omega x - n\pi), \qquad \operatorname{sinc}t = \frac{\sin t}t,

    con convergencia en L2(R)L^2(\R) y uniforme en R\R (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 π/Ω\pi/\Omega — la frecuencia de Nyquist.

  4. Demostrar que las funciones xsinc(Ωxnπ)x \mapsto \operatorname{sinc}(\Omega x - n\pi), nZn \in \Z, forman una familia ortogonal en L2(R)L^2(\R) de norma constante π/Ω\sqrt{\pi/\Omega}, y dedúzcase la identidad de energía f22=πΩnf(nπ/Ω)2\norm f_2^2 = \frac\pi\Omega\sum_n\abs{f(n\pi/\Omega)}^2.
  5. (Solapamiento) Exhíbase una gPW2Ωg \in PW_{2\Omega} no nula que se anule en todos los puntos de muestreo nπΩ\frac{n\pi}\Omega (considérese g(x)=sin(Ωx)sinc(Ωx)g(x) = \sin(\Omega x)\operatorname{sinc}(\Omega x) 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.
  6. (Grados de libertad) Usando las preguntas 14–15, justifíquese la regla de ingeniería: una señal de banda limitada a Ω\Omega cuya energía está esencialmente concentrada en una ventana temporal de longitud TT queda descrita por aproximadamente ΩTπ\frac{\Omega T}\pi muestras reales — precísese «esencialmente» mediante la identidad de energía y la cola nπ/Ω>T/2\sum_{\abs{n\pi/\Omega} > T/2}.
  7. (Comprobaciones de coherencia) Verifíquese el teorema del muestreo a mano sobre dos elementos de PWΩPW_\Omega: (a) f=sinc(Ω)f = \operatorname{sinc}(\Omega\,\cdot), cuyas muestras son δn0\delta_{n0}; (b) señales de banda estrecha de tipo f(x)=cos(ωx)sinc(εx)f(x) = \cos(\omega x) \operatorname{sinc}(\varepsilon x) — con más precisión, demuéstrese que para fPWΩf \in PW_{\Omega'} con Ω<Ω\Omega' < \Omega la serie de frecuencia Ω\Omega también reconstruye ff (sobremuestrear es inocuo), sumergiendo PWΩPWΩPW_ {\Omega'} \subseteq PW_\Omega.

Parte VI — Incertidumbre, dos veces más. La desigualdad de Heisenberg (el Ejercicio 14.8) acota cuánto pueden concentrarse conjuntamente ff y f^\hat f; aquí van su hermana de todo o nada y su saturación exacta.

  1. Sea fL1f \in L^1 con suppf[A,A]\operatorname{supp}f \subseteq \intcc{-A}A. Demostrar que f^\hat f es la suma de una serie de potencias convergente en todo punto:

    f^(ξ)=k0(iξ)kk!mk,mk=AAxkf(x) ⁣dx,mkAkf1\hat f(\xi) = \sum_{k\geq0}\frac{(-\iu\xi)^k}{k!} \,m_k, \qquad m_k = \int_{-A}^{A}x^kf(x)\,\dd x, \quad \abs{m_k} \leq A^k\norm f_1

    (desarróllese eiξx\eu^{-\iu\xi x} y justifíquese el intercambio por convergencia normal): la transformada es analítica real, con radio de convergencia infinito en todo punto.

  2. 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 ff no nula tiene a la vez ff y f^\hat f de soporte compacto, y que PWΩPW_\Omega 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.
  3. (Saturación de Heisenberg) Sobre la familia gaussiana f=eax2f = \eu^{-ax^2}, calcúlense ambos factores de concentración y compruébese que el producto normalizado (x2f2)(12πξ2f^2)/f24\bigl(\int x^2\abs f^2\bigr)\bigl(\frac1{2\pi}\int \xi^2\abs{\hat f}^2\bigr)\big/\norm f_2^4 vale 14\frac14 para todo aa — 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.
  4. Explíquese la lectura física (densidades de posición y momento de un estado cuántico; \hbar en la normalización da σxσp2\sigma_x\sigma_p \geq \frac\hbar2) 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 f^\hat f en el infinito legisla lo que ff puede hacer en cualquier sitio.

Parte VII — El álgebra del núcleo y un ejemplo resoluble.

  1. (Semigrupo) Demostrar la identidad de Chapman–Kolmogorov gtgs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s} para t,s>0t, s > 0 (mediante el teorema de la convolución y la inyectividad de la transformada en L1L^1) y dedúzcase u(t+s)=gsu(t)u(t + s) = g_s * u(t): evolucionar durante un tiempo t+st + s es evolucionar durante tt y después durante ss. Afínese la disipación de la pregunta 8: escribiendo u(t)22=12πe2tξ2f^(ξ)2 ⁣dξ\norm{u(t)}_2^2 = \frac1{2\pi}\int \eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f(\xi)}^2\dd\xi, demuéstrese por Cauchy–Schwarz que

    tlnu(t)2es convexa en (0,+):t \longmapsto \ln\,\norm{u(t)}_2 \quad\text{es convexa en } \intoo0{+\infty} :

    la energía L2L^2 no solo decrece: decrece de manera logarítmicamente convexa.

  2. (A dónde va el calor) Sean f0f \geq 0, fL1f \in L^1, con x2f(x) ⁣dx<\int x^2f(x)\dd x < \infty. Demostrar que, para todo t>0t > 0

    Rxu(t,x) ⁣dx=Rxf(x) ⁣dx,Rx2u(t,x) ⁣dx=Rx2f(x) ⁣dx+2tRf:\int_\R x\,u(t, x)\,\dd x = \int_\R x f(x)\,\dd x, \qquad \int_\R x^2u(t, x)\,\dd x = \int_\R x^2f(x)\,\dd x + 2t\int_\R f :

    el centro de calor nunca se mueve y la varianza crece linealmente con el tiempo — el escalado difusivo x2tx \sim \sqrt{2t}, que habrá que releer cuando aparezca el movimiento browniano en el Capítulo 22. (Calcúlense los dos primeros momentos de gtg_t y úsese Tonelli sobre la convolución.)

  3. (La gaussiana, resuelta de principio a fin) Para f(x)=ex2f(x) = \eu^{-x^2}, establézcase la forma cerrada

    u(t,x)=11+4texp(x21+4t),u(t, x) = \frac1{\sqrt{1 + 4t}}\, \exp\Bigl(-\frac{x^2}{1 + 4t}\Bigr),

    y verifíquense sobre ella, a mano: la ecuación tu=xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u; la conservación u(t)=π\int u(t) = \sqrt\pi; la ley de disipación u(t)2=(π/2)1/4(1+4t)1/4\norm{u(t)}_2 = (\pi/2)^{1/4}(1 + 4t)^{-1/4} (compárese su decaimiento t1/4t^{-1/4} con el decaimiento t1/2t^{-1/2} de la norma del supremo de la pregunta 8); y el crecimiento exacto de la varianza de la pregunta 24. En t=6t = 6: el pico ha caído al 15\frac15 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 xx (formalmente): tu^(t,ξ)=xx2u^=(iξ)2u^=ξ2u^\partial_t\hat u(t,\xi) = \widehat{\partial^2_{xx}u} = (\iu\xi)^2\hat u = -\xi^2\hat u, una ecuación diferencial ordinaria en tt para cada frecuencia: u^(t,ξ)=etξ2f^(ξ)\hat u(t,\xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi). Y como etξ2=g^t\eu^{-t\xi^2} = \hat g_t (el Ejercicio 14.4), el producto es la transformada de gtfg_t * f.

2. u(t,x)fgt=f\abs{u(t,x)} \leq \norm f_\infty\int g_t = \norm f_\infty: bien definida. En [t0,T]×[A,A][t_0, T]\times[-A, A]: cada derivada mixta tmxngt(xy)\partial^m_t\partial^n_xg_t(x - y) es un polinomio en (xy)(x - y) y t1t^{-1} multiplicado por e(xy)2/4t\eu^{-(x-y)^2/4t}, acotado para y2A\abs y \geq 2A por C(1+y2)Ne(yA)2/4TC\,(1 + y^2)^N\eu^{-(\abs y - A)^2/4T}, un dominador integrable independiente de (t,x)(t, x) en la ventana (y acotado para y2A\abs y \leq 2A): la derivación reiterada bajo el signo integral (el Teorema 10.15) se aplica: uC((0,)×R)u \in \mathcal C^\infty(\intoo0\infty\times\R).

3. Con gt(x)=12πtex2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t}:

tgt=gt(x24t212t)=xx2gt\partial_tg_t = g_t\Bigl(\frac{x^2}{4t^2} - \frac1{2t}\Bigr) = \partial^2_{xx}g_t

(derívese dos veces en xx: xgt=x2tgt\partial_xg_t = -\frac x{2t}g_t, xx2gt=(x24t212t)gt\partial^2_{xx}g_t = \bigl(\frac{x^2}{4t^2} - \frac1{2t}\bigr)g_t). Por la pregunta 2, las derivadas pasan bajo la integral: tu=xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u.

4. u(t,x)f(x)=gt(y)(f(xy)f(x)) ⁣dyu(t,x) - f(x) = \int g_t(y)\bigl(f(x - y) - f(x)\bigr)\dd y. Dados un compacto KK y ε\varepsilon: la continuidad uniforme de ff en un entorno de KK da δ\delta con f(xy)f(x)<ε\abs{f(x-y) - f(x)} < \varepsilon para xKx \in K, yδ\abs y \leq \delta; y la cola aporta una masa 2fy>δgt(y) ⁣dy=2fP\leq 2\norm f_\infty\int_{\abs y > \delta}g_t(y)\dd y = 2\norm f_\infty\,\P más allá de δ\delta, que es 2πδ/2tez2 ⁣dz0\frac2{\sqrt\pi}\int_{\delta/2\sqrt t}^\infty\eu^{-z^2}\dd z \to 0 cuando t0t \to 0. Para fLpf \in L^p: u(t)fpgt(y)τyffp ⁣dy\norm{u(t) - f}_p \leq \int g_t(y)\norm{\tau_yf - f}_p\dd y (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 (u(t)u(t) es C\mathcal C^\infty para t>0t > 0 sin usar ninguna regularidad de ff). Para f=1(0,)f = \mathbf 1_{\intoo0\infty}:

u(t,x)=0gt(xy) ⁣dy=1πx/2tez2 ⁣dz=12(1+erf(x2t)),erf(s)=2π0sez2 ⁣dz:u(t, x) = \int_0^\infty g_t(x - y)\dd y = \frac1{\sqrt\pi}\int_{-x/2\sqrt t}^{\infty}\eu^{-z^2}\dd z = \frac12\Bigl(1 + \operatorname{erf}\Bigl(\frac{x}{2\sqrt t}\Bigr)\Bigr), \qquad \operatorname{erf}(s) = \frac2{\sqrt\pi}\int_0^s\eu^{-z^2}\dd z :

un escalón suavizado cuya zona de transición se ensancha como t\sqrt t (perfiles en t1<t2<t3t_1 < t_2 < t_3: rampas cada vez más planas a través de (0,12)(0, \frac12)).

6. El integrando gt(xy)f(y)g_t(x-y)f(y) es 0\geq 0 y el núcleo es estrictamente positivo: u(t,x)=0u(t,x) = 0 obligaría a f=0f = 0 en casi todo punto. La monotonía en ff es la monotonía de la integral. Un punto donde f=0f = 0 en un intervalo sigue teniendo u(t,)>0u(t, \cdot) > 0 allí para todo t>0t > 0: el calor se propaga a velocidad infinita (cualquier positividad en cualquier sitio se siente en todas partes al instante).

7. Tonelli (gt(xy)f(y)g_t(x-y)\abs{f(y)} es integrable en R2\R^2): u(t,x) ⁣dx=f(y)(gt(xy) ⁣dx) ⁣dy=f\int u(t,x)\dd x = \int f(y)\bigl(\int g_t(x - y)\dd x\bigr)\dd y = \int f.

8. Plancherel: 2πu(t)22=e2tξ2f^(ξ)2 ⁣dξ2\pi\norm{u(t)}_2^2 = \int\eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f(\xi)}^2\dd\xi, no creciente en tt (puntualmente), estrictamente salvo que f^=0\hat f = 0 en casi todo punto (=f=0= f = 0), con límite 00 cuando tt\to\infty por convergencia dominada. Y u(t)gtf1=f12πt0\norm{u(t)}_\infty \leq \norm{g_t}_\infty\norm f_1 = \frac{\norm f_1}{2\sqrt{\pi t}} \to 0.

9. Para φCc\varphi \in \mathcal C_c^\infty, tφ,u^(t)t \mapsto \langle\varphi, \hat u(t)\rangle es C1\mathcal C^1 con derivada φ,tu^=φ,xxu^=ξ2φ\langle\varphi, \partial_t\hat u\rangle = \langle\varphi, \widehat{\partial_{xx}u}\rangle = \langle\xi^2\varphi\dots\rangle — con precisión, xx2u^=ξ2u^\widehat{\partial^2_{xx}u} = -\xi^2\hat u traslada la ecuación. Entonces, para casi todo ξ\xi, la función absolutamente continua tetξ2u^(t,ξ)t \mapsto \eu^{t\xi^2}\hat u(t,\xi) tiene derivada etξ2(ξ2u^+tu^)=0\eu^{t\xi^2}(\xi^2\hat u + \partial_t\hat u) = 0 en sentido integrado: es constante y, haciendo t0t \to 0 (u^(t)f^\hat u(t) \to \hat f en L2L^2, y en casi todo punto a lo largo de una subsucesión): u^(t,ξ)=etξ2f^(ξ)\hat u(t, \xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi) en casi todo punto. Dos soluciones de la clase tienen la misma transformada: son iguales.

10. f=gshf = g_s * h con hL2h \in L^2 obliga a f^=esξ2h^\hat f = \eu^{-s\xi^2}\hat h, es decir, a h^=esξ2f^L2\hat h = \eu^{s\xi^2}\hat f \in L^2. Tómese f^(ξ)=eξ\hat f(\xi) = \eu^{-\abs\xi}: entonces f(x)=1π11+x2f(x) = \frac1\pi\cdot\frac1{1 + x^2} (el Ejercicio 14.1, inversión), una función L2L^2 perfectamente regular; pero e2sξ22ξ\eu^{2s\xi^2 - 2\abs\xi} \to \infty: esξ2f^L2\eu^{s\xi^2}\hat f \notin L^2 para todo s>0s > 0. El perfil de Cauchy nunca es el resultado de una difusión previa.

11. El semigrupo del calor multiplica las transformadas por etξ2\eu^{-t\xi^2}, que no se anula en ningún punto: es inyectivo — formalmente, no se destruye información. Pero su imagen consta de funciones cuya transformada decae como etξ2\eu^{-t\xi^2}: un subespacio minúsculo, denso pero propio, de L2L^2 (la pregunta 10 muestra que incluso funciones excelentes quedan fuera). Invertir amplificaría la frecuencia ξ\xi por etξ2\eu^{t\xi^2}: 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. f^L2([Ω,Ω])L1\hat f \in L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) \subseteq L^1 (Cauchy–Schwarz sobre un intervalo acotado), de modo que F(x)=12πΩΩf^(ξ)eixξ ⁣dξF(x) = \frac1{2\pi}\int_{-\Omega}^\Omega\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi está definida en todo punto, y la derivación bajo el signo integral (dominada por Ωkf^L1\Omega^k\abs{\hat f} \in L^1 sobre la banda) la hace C\mathcal C^\infty con F(k)Ωk2πf^L1\abs{F^{(k)}} \leq \frac{\Omega^k}{2\pi}\norm{\hat f}_{L^1} en todo punto. Y F=fF = f en casi todo punto: ambos miembros tienen la misma transformada, y la transformada es inyectiva en L2L^2 (el Teorema 14.8 y su extensión a L2L^2).

13. Las exponenciales ξeinπξ/Ω\xi \mapsto \eu^{-\iu n\pi\xi/\Omega}, nZn \in \Z, forman una base hilbertiana de L2([Ω,Ω])L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) (el Teorema 13.9, reescalado). El coeficiente de f^\hat f a lo largo de la nn-ésima es

12ΩΩΩf^(ξ)einπξ/Ω ⁣dξ=2π2Ω12πΩΩf^(ξ)ei(nπ/Ω)ξ ⁣dξ=πΩf(nπΩ),\frac1{2\Omega}\int_{-\Omega}^\Omega\hat f(\xi)\, \eu^{\iu n\pi\xi/\Omega}\dd\xi = \frac{2\pi}{2\Omega}\cdot \frac1{2\pi}\int_{-\Omega}^{\Omega}\hat f(\xi)\, \eu^{\iu(n\pi/\Omega)\xi}\dd\xi = \frac\pi\Omega\,f\Bigl(\frac{n\pi}\Omega\Bigr),

por la fórmula de la pregunta 12 en x=nπΩx = \frac{n\pi}\Omega: el desarrollo enunciado vale en L2L^2 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 L2L^2 contra 12πeixξ1ξΩ\frac1{2\pi} \eu^{\iu x\xi}\mathbf 1_{\abs\xi\leq\Omega} (de norma L2L^2 igual a 2Ω2π\frac{\sqrt{2\Omega}}{2\pi}, independiente de xx — de ahí la uniformidad):

f(x)=nf(nπΩ)12ΩΩΩei(xnπ/Ω)ξ ⁣dξ=nf(nπΩ)sinc(Ωxnπ),f(x) = \sum_nf\Bigl(\frac{n\pi}\Omega\Bigr)\cdot \frac1{2\Omega}\int_{-\Omega}^\Omega \eu^{\iu(x - n\pi/\Omega)\xi}\dd\xi = \sum_nf\Bigl(\frac{n\pi}\Omega\Bigr) \operatorname{sinc}(\Omega x - n\pi),

puesto que 12ΩΩΩeiuξ ⁣dξ=sin(Ωu)Ωu\frac1{2\Omega}\int_{-\Omega}^\Omega\eu^{\iu u\xi}\dd\xi = \frac{\sin(\Omega u)}{\Omega u}.

15. Leyendo al revés el cálculo de la pregunta 14, la transformada de sn=sinc(Ωnπ)s_n = \operatorname{sinc}(\Omega\cdot - n\pi) es s^n=πΩeinπξ/Ω1[Ω,Ω]\hat s_n = \frac\pi\Omega\,\eu^{-\iu n\pi\xi/\Omega}\,\mathbf 1_{\intcc{-\Omega}\Omega}. Plancherel:

sn,sm=12π(πΩ)2ΩΩei(nm)πξ/Ω ⁣dξ=πΩδnm:\langle s_n, s_m\rangle = \frac1{2\pi} \Bigl(\frac\pi\Omega\Bigr)^2\int_{-\Omega}^\Omega \eu^{\iu(n-m)\pi\xi/\Omega}\dd\xi = \frac\pi\Omega\,\delta_{nm} :

una familia ortogonal de norma constante π/Ω\sqrt{\pi/\Omega}. Tomando normas en el desarrollo de la pregunta 14: f22=πΩnf(nπ/Ω)2\norm f_2^2 = \frac\pi\Omega\sum_n\abs{f(n\pi/\Omega)}^2.

16. g(x)=sin(Ωx)sinc(Ωx)=sin2(Ωx)Ωxg(x) = \sin(\Omega x)\operatorname{sinc} (\Omega x) = \frac{\sin^2(\Omega x)}{\Omega x} se anula en todo punto de la malla nπΩ\frac{n\pi}\Omega (incluido 00, por el límite) y no es idénticamente nula. Su banda: escríbase g=12i(eiΩxeiΩx)sinc(Ωx)g = \frac1{2\iu}\bigl(\eu^{\iu\Omega x} - \eu^{-\iu\Omega x}\bigr)\operatorname{sinc}(\Omega x); la modulación por e±iΩx\eu^{\pm\iu\Omega x} desplaza la transformada en Ω\mp\Omega, de modo que g^\hat g tiene soporte en [2Ω,2Ω]\intcc{-2\Omega}{2\Omega} (de hecho, en la unión de dos bandas desplazadas): gPW2Ωg \in PW_{2\Omega}, invisible para el muestreo a frecuencia Ω\Omega — el solapamiento en persona.

17. Por la pregunta 15, las muestras reparten la energía democráticamente: f2=πΩf(nπ/Ω)2\norm f^2 = \frac\pi\Omega\sum \abs{f(n\pi/\Omega)}^2. Si la energía de la señal fuera de la ventana temporal [T/2,T/2]\intcc{-T/2}{T/2} es ε2f2\leq \varepsilon^2\norm f^2, las muestras fuera de la ventana cumplen (salvo términos de borde controlados por la cota uniforme de la pregunta 12) πΩnπ/Ω>T/2f(nπ/Ω)2f1x>T/22ε2f2\frac\pi\Omega\sum_{\abs{n\pi/\Omega} > T/2} \abs{f(n\pi/\Omega)}^2 \approx \norm{f\,\mathbf 1_{\abs x > T/2}}^2 \leq \varepsilon^2\norm f^2: truncar la serie de muestreo a los ΩTπ\approx \frac{\Omega T}\pi índices de la ventana reconstruye ff con error relativo ε\approx\varepsilon. Así, el producto tiempo–ancho de banda ΩTπ\frac{\Omega T}{\pi} cuenta los grados de libertad reales efectivos de la señal — la regla que hay detrás de todo formato de audio.

18. (a) sinc(Ωx)\operatorname{sinc}(\Omega x) tiene muestras f(nπ/Ω)=sinc(nπ)=δn0f(n\pi/\Omega) = \operatorname{sinc}(n\pi) = \delta_{n0}: la serie se reduce a su término n=0n = 0, sinc(Ωx)\operatorname{sinc}(\Omega x) — el teorema reproduce su propio núcleo. (b) Si f^\hat f tiene soporte en [Ω,Ω][Ω,Ω]\intcc{-\Omega'}{\Omega'} \subseteq \intcc{-\Omega}\Omega, cada paso de las preguntas 13–14 funciona literalmente con la banda mayor Ω\Omega (el desarrollo de f^\hat f 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 eiξx=k(iξx)kk!\eu^{-\iu\xi x} = \sum_k\frac{(-\iu\xi x)^k}{k!} dentro de la integral; en [A,A]\intcc{-A}A la serie converge normalmente (kξkAkk!fL1\sum_k\frac{\abs{\xi}^kA^k}{k!}\abs f \in L^1), de modo que integrar término a término es lícito:

f^(ξ)=k0(iξ)kk!mk,mkAkf1.\hat f(\xi) = \sum_{k\geq0}\frac{(-\iu\xi)^k}{k!}m_k, \qquad \abs{m_k} \leq A^k\norm f_1 .

La cota hace converger la serie para todo ξ\xi complejo; y alrededor de cualquier punto ξ0\xi_0, reagrupando (convergencia absoluta) se obtiene una serie de potencias en ξξ0\xi - \xi_0: f^\hat f es analítica real con radio infinito en todo punto.

20. Sea gg analítica real en R\R (con serie de Taylor convergente a gg cerca de cada punto) y sea Z={ξ:g(k)(ξ)=0 k}Z = \{\xi : g^{(k)}(\xi) = 0\ \forall k\}. ZZ es cerrado (intersección de cerrados); y es abierto, pues en ξ0Z\xi_0 \in Z el desarrollo local de Taylor de gg es la serie nula, de modo que gg se anula idénticamente cerca de ξ0\xi_0, junto con todas sus derivadas. Si gg se anula en un intervalo, ZZ \neq \varnothing; por la conexión de R\R, Z=RZ = \R: g0g \equiv 0. Ahora bien, si f0f \neq 0 tuviera soporte compacto junto con f^\hat f: la pregunta 19 hace f^\hat f analítica real, anulándose fuera de un compacto y, por tanto, en intervalos: f^0\hat f \equiv 0, luego f=0f = 0 en casi todo punto por inyectividad — contradicción. Análogamente, una fPWΩf \in PW_\Omega no nula no puede tener soporte compacto (intercámbiense los papeles de ff y f^\hat f mediante la inversión): las señales de banda limitada nunca mueren, y las de duración limitada ocupan un espectro no acotado.

21. Para f=eax2f = \eu^{-ax^2}: f22=π2a\norm f_2^2 = \sqrt{\frac\pi{2a}} y x2f2=14aπ2a\int x^2\abs f^2 = \frac1{4a}\sqrt{\frac{\pi}{2a}} (segundo momento gaussiano); f^=πaeξ2/4a\hat f = \sqrt{\frac\pi a}\,\eu^{-\xi^2/4a} (el Ejemplo 14.2) y

12πξ2f^2 ⁣dξ=12ππaξ2eξ2/2a ⁣dξ=12aa2πa=2πa2.\frac1{2\pi}\int\xi^2\abs{\hat f}^2\dd\xi = \frac1{2\pi}\cdot\frac\pi a\int\xi^2 \eu^{-\xi^2/2a}\dd\xi = \frac1{2a}\cdot a\sqrt{2\pi a} = \frac{\sqrt{2\pi a}}2 .

Producto normalizado: 14aπ2a2πa2/π2a=14\frac1{4a}\sqrt{\frac\pi{2a}}\cdot \frac{\sqrt{2\pi a}}2\big/\frac{\pi}{2a} = \frac14, independiente de aa. El escalado explica la constancia: sustituir ff por f(λ)f(\lambda\cdot) multiplica x2f2/f2\int x^2\abs f^2/\norm f^2 por λ2\lambda^{-2} y 12πξ2f^2/f2\frac1{2\pi}\int\xi^2\abs{\hat f}^2/\norm f^2 por λ2\lambda^{2}: el producto es un invariante de las homotecias, y las gaussianas forman una sola órbita de homotecias.

22. Con f2\abs f^2 la densidad de posición y 12πf^2\frac1{2\pi}\abs{\hat f}^2 la densidad de momento de un estado cuántico (las unidades físicas insertan \hbar), el Ejercicio 14.8 se lee σxσp2\sigma_x\sigma_p \geq \frac\hbar2: 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 etξ2\eu^{-t\xi^2} 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 f^\hat f hace en el infinito gobierna lo que ff puede hacer en cualquier sitio.

23. Tanto gtg_t como gsg_s están en L1L^1 con gt^(ξ)=etξ2\widehat{g_t}(\xi) = \eu^{-t\xi^2} (el cálculo de la pregunta 1), de modo que el teorema de la convolución da gtgs^=etξ2esξ2=e(t+s)ξ2=gt+s^\widehat{g_t * g_s} = \eu^{-t\xi^2}\eu^{-s\xi^2} = \eu^{-(t+s)\xi^2} = \widehat{g_{t+s}}; y dos funciones de L1L^1 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): gtgs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s}. En consecuencia, u(t+s)=gt+sf=gs(gtf)=gsu(t)u(t + s) = g_{t+s} * f = g_s * (g_t * f) = g_s * u(t) (asociatividad de la convolución, Tonelli). Convexidad logarítmica: sea N(t)=u(t)22=12πe2tξ2f^2 ⁣dξN(t) = \norm{u(t)}_2^2 = \frac1{2\pi}\int \eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f}^2\dd\xi (Plancherel, pregunta 8). Para t=t1+t22t = \frac{t_1 + t_2}2, escríbase

e2tξ2f^2=(e2t1ξ2f^2)1/2(e2t2ξ2f^2)1/2,\eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f}^2 = \Bigl(\eu^{-2t_1\xi^2}\abs{\hat f}^2\Bigr)^{1/2} \Bigl(\eu^{-2t_2\xi^2}\abs{\hat f}^2\Bigr)^{1/2},

y Cauchy–Schwarz da N(t1+t22)N(t1)N(t2)N\bigl(\frac{t_1+t_2}2\bigr) \leq \sqrt{N(t_1)\,N(t_2)}: lnN\ln N es convexa en el punto medio y, siendo continua (convergencia dominada en tt), convexa; y otro tanto lnu(t)2=12lnN(t)\ln\norm{u(t)}_2 = \frac12\ln N(t). Decaimiento con logaritmo convexo: el flujo del calor no puede perder energía de golpe y después detenerse.

24. Momentos del núcleo: gt=1\int g_t = 1 (pregunta 7 con f=gsf = g_s, o directamente la integral gaussiana), xgt(x) ⁣dx=0\int x\,g_t(x)\dd x = 0 (integrando impar) y, sustituyendo x=2tvx = 2\sqrt t\,v,

Rx2gt(x) ⁣dx=4tπRv2ev2 ⁣dv=2t.\int_\R x^2g_t(x)\,\dd x = \frac{4t}{\sqrt\pi}\int_\R v^2\eu^{-v^2}\dd v = 2t .

Sustituyendo x=z+yx = z + y en la convolución y observando que (z+y)2gt(z)f(y) ⁣dz ⁣dy<\iint(\abs z + \abs y)^2g_t(z)f(y)\,\dd z\,\dd y < \infty (cada uno de zkgt\int\abs z^kg_t, ykf\int\abs y^kf es finito para k2k \leq 2, usando y1+y22\abs y \leq \frac{1 + y^2}2), Fubini y Tonelli se aplican a las integrales de momentos siguientes:

xu(t,x) ⁣dx=(z+y)gt(z)f(y) ⁣dz ⁣dy=0 ⁣ ⁣f+1 ⁣ ⁣yf(y) ⁣dy,\int x\,u(t,x)\dd x = \iint (z + y)\,g_t(z)f(y)\,\dd z\,\dd y = 0\cdot\!\int\! f + 1\cdot\!\int\! yf(y)\dd y,

que es la primera afirmación; y

(z+y)2gt(z)f(y) ⁣dz ⁣dy=2tf+20 ⁣ ⁣yf+y2f(y) ⁣dy,\iint (z+y)^2g_t(z)f(y)\,\dd z\,\dd y = 2t\int f + 2\cdot0\cdot\!\int\! yf + \int y^2f(y)\dd y ,

la segunda. Las medias se suman, las varianzas se suman, y el núcleo aporta media 00 y varianza 2t2t: tras un tiempo tt, el calor se ha esparcido sobre una anchura del orden de 2t\sqrt{2t} — 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: f^(ξ)=πeξ2/4\hat f(\xi) = \sqrt\pi\,\eu^{-\xi^2/4}, luego u^(t,ξ)=πe(t+14)ξ2\hat u(t,\xi) = \sqrt\pi\,\eu^{-(t + \frac14)\xi^2}, que es la transformada de (1+4t)1/2exp(x2/(1+4t))(1 + 4t)^{-1/2}\exp\bigl(-x^2/(1+4t)\bigr) (el diccionario gaussiano eax2π/aeξ2/4a\eu^{-ax^2} \mapsto \sqrt{\pi/a}\,\eu^{-\xi^2/4a} con a=11+4ta = \frac1{1+4t}): la forma cerrada. Comprobación directa, con σ=1+4t\sigma = 1 + 4t:

tu=σ1/2ex2/σ(2σ+4x2σ2)=xx2u,\partial_tu = \sigma^{-1/2}\eu^{-x^2/\sigma} \Bigl(-\frac2\sigma + \frac{4x^2}{\sigma^2}\Bigr) = \partial^2_{xx}u ,

ambos miembros calculados a partir de xu=2xσu\partial_xu = -\frac{2x}\sigma\,u. Conservación: u(t)=σ1/2πσ=π\int u(t) = \sigma^{-1/2}\sqrt{\pi\sigma} = \sqrt\pi para todo tt. Disipación:

u(t)22=1σe2x2/σ ⁣dx=1σπσ2=π2(1+4t)1/2,\norm{u(t)}_2^2 = \frac1\sigma\int\eu^{-2x^2/\sigma}\dd x = \frac1\sigma\sqrt{\frac{\pi\sigma}2} = \sqrt{\frac\pi2}\,(1+4t)^{-1/2},

luego u(t)2=(π/2)1/4(1+4t)1/4\norm{u(t)}_2 = (\pi/2)^{1/4}(1+4t)^{-1/4}, no creciente y con logaritmo convexo (pregunta 23); la norma L2L^2 decae como t1/4t^{-1/4}, exactamente la mitad del exponente t1/2t^{-1/2} de u(t)\norm{u(t)}_\infty — coherente con u22uu1\norm u_2^2 \leq \norm u_\infty\norm u_1 y con la conservación de u1\norm u_1. Varianza: x2u(t)=1σσ3/2π2=π2(1+4t)=x2f+2tπ\int x^2u(t) = \frac1\sigma\cdot\frac{\sigma^{3/2}\sqrt\pi}2 = \frac{\sqrt\pi}2\,(1 + 4t) = \int x^2f + 2t\sqrt\pi, tal como predice la pregunta 24 (x2f=π2\int x^2f = \frac{\sqrt\pi}2, f=π\int f = \sqrt\pi). En t=6t = 6: σ=25\sigma = 25, altura del pico u(6,0)=15u(6, 0) = \frac15 frente a u(0,0)=1u(0,0) = 1, escala de anchura σ=5\sqrt\sigma = 5 veces la inicial, y u=π1.7725\int u = \sqrt\pi \approx 1.7725 en todo momento: la mancha es cinco veces más baja, cinco veces más ancha, y no falta ni una caloría.

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