Mathematics · Boek 5 · Bachelor Year 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 3 · Bachelor Year 3

14De fouriertransformatie

Fourierreeksen ontbinden periodieke signalen in discrete harmonischen; de fouriertransformatie doet hetzelfde voor signalen op de hele lijn, met een continuüm aan frequenties. Ze zet differentiëren om in vermenigvuldigen, convolutie in producten, en gaussische functies in gaussische functies — de redenen waarom ze differentiaalvergelijkingen oplost, de signaalverwerking aandrijft en in Hoofdstuk 23 de centrale limietstelling zal bewijzen. Dit hoofdstuk ontwikkelt de L1L^1-theorie (Riemann–Lebesgue, inversie, injectiviteit), de klasse van Schwartz waarin de transformatie een volmaakte bijectie is, en de L2L^2-theorie (Plancherel: de transformatie is op een constante na een unitaire operator), met twee paradepaardjes als toepassing: de warmtevergelijking, in de weekendopgave van begin tot eind opgelost, en de sommatieformule van Poisson. Afspraak:

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

14.1 De transformatie op L1L^1

Propositie 14.1

Voor f∈L1(R)f \in L^1(\R) is f^\hat f goed gedefinieerd, begrensd (∥f^∥∞≤∥f∥1\norm{\hat f}_\infty \leq \norm f_1) en continu, en geldt:

  1. τaf^(ξ)=e−iaξf^(ξ)\widehat{\tau_af}(\xi) = \eu^{-\iu a\xi}\hat f(\xi) en eiaxf^(ξ)=f^(ξ−a)\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) voor λ>0\lambda > 0;
  3. is xf∈L1xf \in L^1, dan is f^\hat f C1\mathcal C^1 met (f^)′(ξ)=(−ix)f^(ξ)(\hat f)'(\xi) = \widehat{(-\iu x)f}(\xi);
  4. is f∈C1f \in \mathcal C^1 met f′∈L1f' \in L^1 (en f→0f \to 0 in ±∞\pm\infty, hier automatisch), dan is f′^(ξ)=iξf^(ξ)\widehat{f'}(\xi) = \iu\xi\hat f(\xi);
  5. f∗g^=f^ g^\widehat{f * g} = \hat f\,\hat g voor f,g∈L1f, g \in L^1.

Bewijs. Begrensdheid: ∣f^∣≤∫∣f∣\abs{\hat f} \leq \int\abs f. Continuïteit: gedomineerde convergentie met dominant ∣f∣\abs f (Stelling 10.14). (1), (2): substituties (Stelling 11.10). (3): differentiëren onder de integraal, met dominant ∣xf∣\abs{xf} (Stelling 10.15). (4): eerst heeft f(x)=f(0)+∫0xf′f(x) = f(0) + \int_0^xf' een limiet in ±∞\pm\infty (want f′∈L1f' \in L^1), die 00 moet zijn (want f∈L1f \in L^1); integreer daarna partieel op [−A,A][-A, A] en laat A→∞A \to \infty gaan. (5): Fubini, geoorloofd omdat (x,y)↦f(x−y)g(y)e−iξx(x,y)\mapsto f(x - y)g(y)\eu^{-\iu\xi x} absoluut integreerbaar is (Stelling 11.9):

f∗g^(ξ)=∬f(x−y)g(y)e−iξ(x−y)e−iξy ⁣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).

∎

Voorbeeld 14.2

De gaussische functie: voor a>0a > 0 is

e−ax2^(ξ)=πa  e−ξ2/4a:\widehat{\eu^{-ax^2}}(\xi) = \sqrt{\frac\pi a}\;\eu^{-\xi^2/4a} :

volgens Oefening 10.7 (de truc met de differentiaalvergelijking F′=−ξ2FF' = -\frac\xi{2}F, herschaald), of volgens (3): g=e−ax2^g = \widehat{\eu^{-ax^2}} voldoet aan g′(ξ)=−ξ2ag(ξ)g'(\xi) = -\frac{\xi}{2a}g(\xi) (partieel integreren) met g(0)=π/ag(0) = \sqrt{\pi/a}. Gaussische functies zijn op een schaalfactor na vaste punten van de transformatie — de diepe reden waarom ze de centrale limietstelling beheersen.

Stelling 14.3 (Riemann–Lebesgue)

Voor f∈L1(R)f \in L^1(\R) geldt f^(ξ)→0\hat f(\xi) \to 0 als ∣ξ∣→∞\abs\xi \to \infty. Dus beeldt f^\widehat{\phantom f} L1L^1 af in C0(R)\mathcal C_0(\R) (de continue functies die in oneindig verdwijnen).

Bewijs. Voor de indicator van een interval is 1[a, b]^(ξ)=e−iaξ−e−ibξiξ→0\widehat{\mathbf 1_{\intcc ab}}(\xi) = \frac{\eu^{-\iu a\xi} - \eu^{-\iu b\xi}}{\iu\xi} \to 0; dus ook voor trapfuncties. Trapfuncties liggen dicht in L1L^1 (Stelling 12.6(1) plus de benadering van verzamelingen van eindige maat door eindige verenigingen van intervallen, Oefening 9.7), en de transformatie is continu van ∥⋅∥1\norm\cdot_1 naar ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty: is ∥f−s∥1<ε\norm{f - s}_1 < \varepsilon, dan is lim sup⁡∣ξ∣→∞∣f^(ξ)∣≤ε\limsup_{\abs\xi\to\infty}\abs{\hat f(\xi)} \leq \varepsilon. ∎

14.2 Inversie en injectiviteit

Lemma 14.4 (Vermenigvuldigingsformule)

Voor f,g∈L1(R)f, g \in L^1(\R) is ∫f^ g=∫f g^\displaystyle\int \hat f\,g = \int f\,\hat g.

Bewijs. Beide leden zijn gelijk aan ∬f(x)g(ξ)e−ixξ ⁣dx  ⁣dξ\iint f(x)g(\xi)\eu^{-\iu x\xi}\dd x\,\dd\xi (Tonelli–Fubini: de dubbele integraal van de absolute waarde is ∥f∥1∥g∥1\norm f_1\norm g_1). ∎

Stelling 14.5 (Inversie)

Zij f∈L1(R)f \in L^1(\R).

  1. (Gaussische sommeerbaarheid) Voor elke xx geldt

    (f∗gε)(x)=12π∫Rf^(ξ) e−εξ2 eixξ  ⁣dξ,met gε(y)=12πε e−y2/4ε,(f * g_\varepsilon)(x) = \frac1{2\pi}\int_\R \hat f(\xi)\, \eu^{-\varepsilon\xi^2}\,\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi, \qquad\text{met } g_\varepsilon(y) = \frac{1}{2\sqrt{\pi\varepsilon}}\, \eu^{-y^2/4\varepsilon},

    en f∗gε→ff * g_\varepsilon \to f in L1L^1 als ε→0\varepsilon \to 0.

  2. Is bovendien f^∈L1\hat f \in L^1, dan is voor bijna elke xx

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

    en heeft ff een continue vertegenwoordiger.

  3. (Injectiviteit) Is f^=0\hat f = 0, dan is f=0f = 0 b.o.

Bewijs. (1) Leg xx vast en pas Lemma 14.4 toe op ff en g(ξ)=12πe−εξ2eixξg(\xi) = \frac1{2\pi}\eu^{-\varepsilon\xi^2}\eu^{\iu x\xi}: volgens Voorbeeld 14.2 (met de modulatieregel) is

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

dus 12π∫f^(ξ)e−εξ2eixξ ⁣dξ=∫f(y)gε(x−y) ⁣dy=(f∗gε)(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). De gεg_\varepsilon vormen een benaderende eenheid: gε≥0g_\varepsilon \geq 0, ∫gε=1\int g_\varepsilon = 1 (de gaussische integraal), geconcentreerd rond 00; het bewijs van Stelling 12.9(2) gaat woordelijk door (er werd enkel ∫gε=1\int g_\varepsilon = 1 en de concentratie gebruikt: voor de staart is ∫∣y∣>δgε→0\int_{\abs y > \delta}g_\varepsilon \to 0): dus ∥f∗gε−f∥1→0\norm{f * g_\varepsilon - f}_1 \to 0.

(2) Is f^∈L1\hat f \in L^1, dan convergeert het rechterlid van (1), volgens de gedomineerde convergentie (dominant ∣f^∣\abs{\hat f}), voor elke xx naar 12π∫f^(ξ)eixξ ⁣dξ\frac1{2\pi}\int\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi, en die limietfunctie is continu (opnieuw gedomineerde convergentie). Anderzijds is f∗gε→ff * g_\varepsilon \to f in L1L^1, dus langs een deelrij b.o. (Stelling 12.4): de twee limieten vallen b.o. samen.

(3) f^=0\hat f = 0 laat het rechterlid van (1) verdwijnen: dus f∗gε=0f * g_\varepsilon = 0 voor alle ε\varepsilon, terwijl f∗gε→ff * g_\varepsilon \to f in L1L^1: bijgevolg f=0f = 0 b.o. ∎

14.3 De klasse van Schwartz

Definitie 14.6

De klasse van Schwartz S(R)\mathcal S(\R) bestaat uit de C∞\mathcal C^\infty-functies ff met sup⁡x∣xmf(n)(x)∣<∞\sup_x\abs{x^m f^{(n)}(x)} < \infty voor alle m,n≥0m, n \geq 0 (alle afgeleiden dalen sneller dan elke macht). Voorbeelden: e−ax2\eu^{-ax^2}, Cc∞\mathcal C_c^\infty. Duidelijk is S⊆Lp\mathcal S \subseteq L^p voor elke pp (afschatten met C(1+x2)−1C(1 + x^2)^{-1}), en S\mathcal S is stabiel onder afgeleiden, vermenigvuldiging met veeltermen en producten.

Stelling 14.7

De fouriertransformatie beeldt S(R)\mathcal S(\R) bijectief op zichzelf af, met inverse gˇ(x)=12π∫g(ξ)eixξ ⁣dξ\check g(x) = \frac1{2\pi}\int g(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi.

Bewijs. Zij f∈Sf \in \mathcal S. Iteratie van Propositie 14.1(3) geeft (f^)(n)=(−ix)nf^(\hat f)^{(n)} = \widehat{(-\iu x)^nf} (elke xkfx^kf ligt in L1L^1); iteratie van (4) met h=(−ix)nf∈Sh = (-\iu x)^nf \in \mathcal S (waarvan alle afgeleiden integreerbaar zijn) geeft (iξ)mh^=h(m)^(\iu\xi)^m\hat h = \widehat{h^{(m)}}. Samen:

∣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

uniform in ξ\xi: dus f^∈S\hat f \in \mathcal S. Omdat f^∈L1\hat f \in L^1, geldt de inversie (Stelling 14.5(2)) overal (beide leden zijn continu): f^ˇ=f\check{\hat f} = f, en symmetrisch gˇ^=g\widehat{\check g} = g (de inverse transformatie is g↦12πg^(−⋅)g \mapsto \frac1{2\pi}\hat g(-\cdot), en behoudt eveneens S\mathcal S): een bijectie. ∎

14.4 Plancherel en L2L^2

Stelling 14.8 (Plancherel)

Voor f∈L1∩L2(R)f \in L^1 \cap L^2(\R) is

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

Bijgevolg breidt f^\widehat{\phantom f} zich op unieke wijze uit tot een continue lineaire afbeelding F ⁣:L2(R)→L2(R)\mathcal F \colon L^2(\R) \to L^2(\R) met ∥Ff∥2=2π∥f∥2\norm{\mathcal Ff}_2 = \sqrt{2\pi}\norm f_2; F\mathcal F is bijectief, met F−1=12π F∘σ\mathcal F^{-1} = \frac1{2\pi}\,\mathcal F\circ\sigma waarbij σf=f(−⋅)\sigma f = f(-\cdot), en ze behoudt de inwendige producten op de factor 2π2\pi na.

Bewijs. Zij f∈L1∩L2f \in L^1\cap L^2 en h=f∗f~h = f * \tilde f met f~(x)=f(−x)‾\tilde f(x) = \overline{f(-x)}. Dan is h∈L1h \in L^1 (Stelling 11.9), is hh continu en begrensd (Oefening 12.6: f,f~∈L2f, \tilde f \in L^2), is h(0)=∫ffˉ=∥f∥22h(0) = \int f\bar f = \norm f_2^2, en is h^=f^ f~^=f^ f^‾=∣f^∣2≥0\hat h = \hat f\,\widehat{\tilde f} = \hat f\,\overline{\hat f} = \abs{\hat f}^2 \geq 0 (bereken f~^=f^‾\widehat{\tilde f} = \overline{\hat f}). Pas Stelling 14.5(1) toe op hh in x=0x = 0:

(h∗gε)(0)=12π∫h^(ξ) e−εξ2 ⁣dξ.(h * g_\varepsilon)(0) = \frac1{2\pi}\int \hat h(\xi)\,\eu^{-\varepsilon\xi^2}\dd\xi .

Als ε→0\varepsilon \to 0: het linkerlid gaat naar h(0)h(0) (hh continu en begrensd: (h∗gε)(0)−h(0)=∫(h(−y)−h(0))gε(y) ⁣dy→0(h*g_\varepsilon)(0) - h(0) = \int(h(-y) - h(0))g_\varepsilon(y)\dd y \to 0 door kleine en grote yy te splitsen); het rechterlid stijgt naar 12π∫h^\frac1{2\pi}\int\hat h volgens de monotone convergentie (want h^≥0\hat h \geq 0). Bijgevolg is 12π∫∣f^∣2=∥f∥22\frac1{2\pi}\int\abs{\hat f}^2 = \norm f_2^2, a priori eindig of niet — en dus eindig, wat zowel het lidmaatschap als de identiteit bewijst.

Uitbreiding: L1∩L2⊇CcL^1\cap L^2 \supseteq \mathcal C_c ligt dicht in L2L^2 (Stelling 12.6); daar is de transformatie 2π\sqrt{2\pi}-isometrisch, dus breidt ze zich op unieke wijze uit tot een op een constante na isometrische F\mathcal F op L2L^2 (Stelling 7.2). De inversie op S\mathcal S (Stelling 14.7) draagt met dezelfde dichtheid over (beide leden zijn L2L^2-continu): F(12πF(σf))=f\mathcal F\bigl(\frac1{2\pi}\mathcal F(\sigma f)\bigr) = f op S\mathcal S, dus op L2L^2: bijectiviteit. Inwendige producten: polarisatie uit de normidentiteit. ∎

Stelling 14.9 (Sommatieformule van Poisson)

Zij f∈S(R)f \in \mathcal S(\R) (een continue ff met ∣f∣+∣f^∣≤C(1+∣⋅∣)−2\abs{f} + \abs{\hat f} \leq C(1 + \abs\cdot)^{-2} volstaat). Dan is

∑n∈Zf(n)  =  ∑k∈Zf^(2πk).\sum_{n\in\Z} f(n) \;=\; \sum_{k\in\Z}\hat f(2\pi k) .

Bewijs. Zij F(x)=∑n∈Zf(x+n)F(x) = \sum_{n\in\Z}f(x + n): de reeks convergeert normaal op compacte verzamelingen (het verval van ff), dus is FF continu, en ze is 11-periodiek. Haar fouriercoëfficiënten (periode 11: ck(F)=∫01F(t)e−2iπkt ⁣dtc_k(F) = \int_0^1F(t)\eu^{-2\iu\pi kt}\dd t):

ck(F)=∑n∫01f(t+n) e−2iπkt ⁣dt=∫Rf(t) e−2iπkt ⁣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)

(de normale convergentie rechtvaardigt het verwisselen; de fase is 11-periodiek). De reeks ∑k∣ck(F)∣\sum_k\abs{c_k(F)} convergeert (het verval van f^\hat f), dus convergeert de fourierreeks van FF normaal; haar som is een continue functie met dezelfde fouriercoëfficiënten als FF, en is dus gelijk aan FF (injectiviteit op de cirkel: het verschil heeft nulcoëfficiënten, en Stelling 13.9 geeft nul in L2L^2, dus wegens de continuïteit overal). Evalueer in x=0x = 0. ∎

Voorbeeld 14.10 (De identiteit van de thètafunctie)

Poisson toepassen op f(x)=e−πtx2f(x) = \eu^{-\pi tx^2} (t>0t > 0), waarvan de getransformeerde f^(ξ)=t−1/2e−ξ2/4πt\hat f(\xi) = t^{-1/2}\eu^{-\xi^2/4\pi t} is (Voorbeeld 14.2 met a=πta = \pi t), geeft

∑n∈Ze−πn2t=1t∑k∈Ze−πk2/t:\sum_{n\in\Z}\eu^{-\pi n^2t} = \frac1{\sqrt t}\sum_{k\in\Z}\eu^{-\pi k^2/t} :

de functionaalvergelijking van de thètafunctie van Jacobi, sleutel tot de functionaalvergelijking van de ζ\zeta van Riemann — en een spectaculaire numerieke versneller: voor kleine tt convergeert het linkerlid traag en het rechterlid razendsnel.

Methode 14.11

Werkgebieden: L1L^1 — de transformatie is puntsgewijs gedefinieerd, en de inversie vereist f^∈L1\hat f \in L^1; S\mathcal S — alles is geoorloofd, bewijs hier eerst; L2L^2 — de transformatie is per dichtheid gedefinieerd (niet met de integraal!), volmaakt symmetrisch, met de boekhouding van Parseval. Om een getransformeerde te berekenen: herleid met de regels van Propositie 14.1 tot de tabel (indicator, exponentiële functie, gaussische functie); om een identiteit te bewijzen: vestig haar op S\mathcal S (of Cc∞\mathcal C_c^\infty) en breid uit met dichtheid en continuïteit (Methode 12.13); om een lineaire partiële of gewone differentiaalvergelijking met constante coëfficiënten op te lossen: transformeer, deel, inverteer.

De warmtekern g_t(x) = 12√π t\, -x2/4t op drie tijdstippen: totale massa voor altijd 1, hoogte t-1/2, breedte √ t. De begintoestand convolueren met deze uitdijende gaussische functie is de volledige inhoud van de weekendopgave; in frequentie leest hetzelfde beeld als g_t( ) = -t 2 — de hoge frequenties sterven het eerst, en die asymmetrie is de pijl van de tijd.
De warmtekern gt(x)=12πt e−x2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\,\eu^{-x^2/4t} op drie tijdstippen: totale massa voor altijd 11, hoogte ∼t−1/2\sim t^{-1/2}, breedte ∼t\sim \sqrt t. De begintoestand convolueren met deze uitdijende gaussische functie is de volledige inhoud van de weekendopgave; in frequentie leest hetzelfde beeld als g^t(ξ)=e−tξ2\hat g_t(\xi) = \eu^{-t\xi^2} — de hoge frequenties sterven het eerst, en die asymmetrie is de pijl van de tijd.

14.5 Oefeningen

Oefening 14.1 ★

Bereken de fouriergetransformeerden van: 1[−a, a]\mathbf 1_{\intcc{-a}a}; e−a∣x∣\eu^{-a\abs x} (a>0a > 0); de tentfunctie max⁡(0,1−∣x∣)\max(0, 1 - \abs x); 1x2+a2\frac1{x^2 + a^2} (gebruik de inversie op de tweede). Noteer de tabel die zo ontstaat.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.1.

1[−a, a]^(ξ)=∫−aae−iξx ⁣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} (waarde 2a2a in 00). e−a∣x∣^(ξ)=∫0∞e−(a+iξ)x+e−(a−iξ)x  ⁣dx=1a+iξ+1a−iξ=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}. Tent: max⁡(0,1−∣x∣)=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}}, dus is haar getransformeerde (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. Laatste: 2aa2+ξ2∈L1\frac{2a}{a^2+\xi^2} \in L^1, dus geeft de inversie (Stelling 14.5(2)) toegepast op e−a∣x∣\eu^{-a\abs x}, na hernoeming van de veranderlijken,

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

Oefening 14.2 ★

Zij f∈L1f \in L^1. Druk in f^\hat f de getransformeerden uit van: f(x−a)f(x - a), f(x)cos⁡(bx)f(x)\cos(bx), f(ax+b)f(ax + b), f(−x)‾\overline{f(-x)}, (f∗f)(x)(f * f)(x). Ga elke regel na op de gaussische functie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.2.

Uit Propositie 14.1: f(⋅−a)^=e−iaξf^(ξ)\widehat{f(\cdot - a)} = \eu^{-\iu a\xi}\hat f(\xi); fcos⁡(b⋅)^=12(f^(ξ−b)+f^(ξ+b))\widehat{f\cos(b\cdot)} = \frac12\bigl(\hat f(\xi - b) + \hat f(\xi + b)\bigr); f(a⋅+b)^(ξ)=1a eibξ/a f^(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}; f∗f^=f^2\widehat{f * f} = \hat f^2. Op de gaussische functie (e−x2^=πe−ξ2/4\widehat{\eu^{-x^2}} = \sqrt\pi\eu^{-\xi^2/4}) is elke regel een controle van één regel — bijvoorbeeld heeft e−(x−a)2\eu^{-(x-a)^2} als getransformeerde π e−iaξe−ξ2/4\sqrt\pi\,\eu^{-\iu a\xi}\eu^{-\xi^2/4}, wat de rechtstreekse berekening (kwadraat afsplitsen) bevestigt.

Oefening 14.3 ★★

(a) Toon aan dat 1[−1, 1]∗1[−1, 1]\mathbf 1_{\intcc{-1}1} * \mathbf 1_{\intcc{-1}1} als getransformeerde (2sin⁡ξξ)2\bigl(\frac{2\sin\xi}\xi \bigr)^2 heeft, en leid met Plancherel — of met inversie in 00 — af dat ∫R(sin⁡ξξ)2 ⁣dξ=π\int_\R\bigl(\frac{\sin\xi}\xi\bigr)^2\dd\xi = \pi. Vergelijk Probleem 10.1. (b) Bereken ∫R ⁣dx(x2+1)2\int_\R\frac{\dd x}{(x^2+1)^2} met Plancherel toegepast op e−∣x∣\eu^{-\abs x}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.3.

(a) h=1[−1, 1]∗1[−1, 1]h = \mathbf 1_{\intcc{-1}1}*\mathbf 1_{\intcc{-1}1} heeft h^=(2sin⁡ξξ)2∈L1\hat h = \bigl(\frac{2\sin\xi}\xi\bigr)^2 \in L^1; inversie in x=0x = 0, waar h(0)=λ([−1, 1]∩[−1, 1])=2h(0) = \lambda(\intcc{-1}1\cap\intcc{-1}1) = 2:

2=12π∫R(2sin⁡ξξ)2 ⁣dξ ⟹ ∫R(sin⁡ξξ)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 ,

in overeenstemming met ∫0∞sin⁡2ξ2=π2\int_0^\infty\frac{\sin^2}{\xi^2} = \frac\pi2 (Probleem 10.1).

(b) Plancherel voor f=e−∣x∣f = \eu^{-\abs x}: ∫∣f^∣2=2π∫∣f∣2\int\abs{\hat f}^2 = 2\pi\int\abs f^2 luidt ∫4  ⁣dξ(1+ξ2)2=2π∫e−2∣x∣ ⁣dx=2π\int\frac{4\,\dd\xi}{(1 + \xi^2)^2} = 2\pi\int\eu^{-2\abs x}\dd x = 2\pi: dus ∫R ⁣dξ(1+ξ2)2=π2\int_\R\frac{\dd\xi}{(1+\xi^2)^2} = \frac\pi2.

Oefening 14.4 ★★

(Algebra van de warmtekern) Met gt(x)=12πte−x2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t}: (a) ga na dat g^t(ξ)=e−tξ2\hat g_t(\xi) = \eu^{-t\xi^2}; (b) leid de halfgroepswet gt∗gs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s} af zonder enige integraalberekening; (c) toon aan dat ∥gt∥1=1\norm{g_t}_1 = 1 en ∥gt∥22=(8πt)−1/2\norm{g_t}_2^2 = (8\pi t)^{-1/2}.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.4.

(a) gt(x)=12πte−x2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t}: volgens Voorbeeld 14.2 met a=14ta = \frac1{4t} is g^t(ξ)=12πt4πt e−tξ2=e−tξ2\hat g_t(\xi) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\sqrt{4\pi t}\,\eu^{-t\xi^2} = \eu^{-t\xi^2}. (b) gt∗gs^=e−tξ2e−sξ2=gt+s^\widehat{g_t * g_s} = \eu^{-t\xi^2}\eu^{-s\xi^2} = \widehat{g_{t+s}}, en de transformatie is injectief op L1L^1 (Stelling 14.5(3)): dus gt∗gs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s}. (c) ∥gt∥1=1\norm{g_t}_1 = 1 (gaussische integraal); ∥gt∥22=14πt∫e−x2/2t ⁣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}}.

Oefening 14.5 ★★

Toon aan dat f^\hat f even en reëel is als f∈L1f \in L^1 even en reëel is, en oneven en zuiver imaginair als ff oneven en reëel is. Wat berekent f^(0)\hat f(0)? Leid af dat f≥0f \geq 0 afdwingt dat ∥f^∥∞=f^(0)=∫f\norm{\hat f}_\infty = \hat f(0) = \int f, en interpreteer dat voor kansdichtheden (Hoofdstuk 23: een karakteristieke functie heeft modulus ≤1\leq 1, bereikt in 00).

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.5.

Voor reële even ff is f^(ξ)=∫fcos⁡(ξx) ⁣dx\hat f(\xi) = \int f\cos(\xi x)\dd x (het sinusdeel valt weg): reëel en even. Oneven: f^(ξ)=−i∫fsin⁡(ξx)\hat f(\xi) = -\iu\int f\sin(\xi x): oneven en zuiver imaginair. En f^(0)=∫f\hat f(0) = \int f: de totale massa. Is f≥0f \geq 0, dan is ∣f^(ξ)∣≤∫∣f∣=∫f=f^(0)\abs{\hat f(\xi)} \leq \int\abs f = \int f = \hat f(0), zodat het supremum in 00 wordt bereikt. Voor een kansdichtheid is f^(−ξ)\hat f(-\xi) de karakteristieke functie van Hoofdstuk 23: overal modulus ≤1\leq 1, en =1= 1 in de oorsprong.

Oefening 14.6 ★★★

(Niet-surjectiviteit) Toon in drie stappen aan dat f^ ⁣:L1→C0\widehat{\phantom f}\colon L^1 \to \mathcal C_0 injectief en continu is, maar niet surjectief. (i) Injectiviteit (Stelling 14.5) en continuïteit (∥f^∥∞≤∥f∥1\norm{\hat f}_\infty \leq \norm f_1), en C0\mathcal C_0 is een banachruimte (gesloten in ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty). (ii) Was de afbeelding surjectief, dan was ze bijectief, en zou de open-afbeeldingsstelling (Stelling 8.12) een constante CC geven met ∥f∥1≤C∥f^∥∞\norm f_1 \leq C\norm{\hat f}_\infty voor alle f∈L1f \in L^1. (iii) Weerspreek dat met fn(x)=sin⁡xx⋅sin⁡(x/n)x/nf_n(x) = \frac{\sin x}{x}\cdot\frac{\sin(x/n)}{x/n}: haar getransformeerde is (op constanten na) een trapezium van het type 1[−1, 1]∗1[−1/n, 1/n]\mathbf 1_{\intcc{-1}1} * \mathbf 1_{\intcc{-1/n}{1/n}} — toon aan dat ∥f^n∥∞≤π\norm{\hat f_n}_\infty \leq \pi uniform, terwijl ∥fn∥1≥cln⁡n\norm{f_n}_1 \geq c\ln n door de bogen van ∣sin⁡x∣x\frac{\abs{\sin x}}x op [1,n][1, n] te tellen (waar de tweede factor van onderen begrensd is), als in Stelling 8.11.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.6.

(i) De injectiviteit is Stelling 14.5(3); de continuïteit is ∥f^∥∞≤∥f∥1\norm{\hat f}_\infty \leq \norm f_1 (met waarden in C0\mathcal C_0 volgens Riemann–Lebesgue); en C0\mathcal C_0 is gesloten in de supremumnorm (uniforme limieten van functies die in oneindig verdwijnen, verdwijnen in oneindig): dus banach.

(ii) Een continue bijectie tussen banachruimten heeft een continue inverse (Stelling 8.12): er zou een CC zijn met ∥f∥1≤C∥f^∥∞\norm f_1 \leq C\norm{\hat f}_\infty.

(iii) Zij fn(x)=sin⁡xx⋅sin⁡(x/n)x/nf_n(x) = \frac{\sin x}x\cdot\frac{\sin(x/n)}{x/n}: een product van twee L2L^2-functies, en O(x−2)O(x^{-2}) op oneindig, dus fn∈L1∩L2f_n \in L^1\cap L^2. Omdat (sin⁡(ax)ax)\bigl(\frac{\sin(ax)}{ax}\bigr) als L2L^2-getransformeerde πa1[−a, a]\frac\pi a\mathbf 1_{\intcc{-a}a} heeft, geeft de productformule gh^=12πg^∗h^\widehat{gh} = \frac1{2\pi}\hat g * \hat h (geldig voor g,h∈L2g, h \in L^2 met gh∈L1gh \in L^1; controleer haar op schwartzfuncties met Fubini en breid uit met de L2L^2-continuïteit van beide leden via Plancherel)

f^n=12π (π1[−1, 1])∗(πn 1[−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):

een trapezium van hoogte πn2⋅2n=π\frac{\pi n}2\cdot\frac2n = \pi: dus ∥f^n∥∞=π\norm{\hat f_n}_\infty = \pi voor elke nn. Maar op [1,n][1, n] is sin⁡(x/n)x/n≥sin⁡1>0\frac{\sin(x/n)}{x/n} \geq \sin 1 > 0, dus

∥fn∥1≥sin⁡1∫1n∣sin⁡x∣x ⁣dx≥cln⁡n\norm{f_n}_1 \geq \sin 1\int_1^n\frac{\abs{\sin x}}x\dd x \geq c\ln n

(bogen tellen, als in Stelling 8.11). De afschatting ∥fn∥1≤Cπ\norm{f_n}_1 \leq C\pi faalt voor grote nn: dus niet surjectief. (Het beeld is — met argumenten van het type Stone–Weierstrass — een dichte, maar echte deelruimte van C0\mathcal C_0.)

Oefening 14.7 ★★

(Woordenboek gladheid ↔\leftrightarrow verval) Bewijs: is f∈L1f \in L^1 met f^(ξ)=O(∣ξ∣−k−1−δ)\hat f(\xi) = O(\abs\xi^{-k-1-\delta}) voor een δ>0\delta > 0, dan heeft ff een Ck\mathcal C^k-vertegenwoordiger. Omgekeerd impliceert f∈Cckf \in \mathcal C^k_c dat f^(ξ)=O(∣ξ∣−k)\hat f(\xi) = O(\abs\xi^{-k}). Illustreer beide richtingen op de tentfunctie.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.7.

Is f^(ξ)=O(∣ξ∣−k−1−δ)\hat f(\xi) = O(\abs\xi^{-k-1-\delta}), dan is ξjf^∈L1\xi^j\hat f \in L^1 voor 0≤j≤k0 \leq j \leq k (integreerbaar op oneindig wegens het verval, lokaal wegens de continuïteit van f^\hat f). De inversie (Stelling 14.5(2)) vertegenwoordigt ff b.o. door x↦12π∫f^(ξ)eixξ ⁣dξx \mapsto \frac1{2\pi}\int\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi, en differentiëren onder de integraal (dominanten ∣ξjf^∣\abs{\xi^j\hat f}) maakt die vertegenwoordiger Ck\mathcal C^k. Omgekeerd, voor f∈Cckf \in \mathcal C_c^k: iteratie van Propositie 14.1(4) geeft (iξ)kf^=f(k)^(\iu\xi)^k\hat f = \widehat{f^{(k)}}, dus ∣f^∣≤∥f(k)∥1∣ξ∣−k\abs{\hat f} \leq \norm{f^{(k)}}_1\abs\xi^{-k}. Tentfunctie: continu met compacte drager (k=0k = 0: begrensde getransformeerde), en haar getransformeerde ∼ξ−2=O(∣ξ∣−0−1−1)\sim \xi^{-2} = O(\abs\xi^{-0-1-1}) levert volgens de eerste richting een C0\mathcal C^0-vertegenwoordiger — allebei scherp: de tent is niet C1\mathcal C^1, en haar getransformeerde vervalt niet sneller dan ξ−2\xi^{-2}.

Oefening 14.8 ★★★

(Ongelijkheid van Heisenberg) Bewijs voor reële f∈S(R)f \in \mathcal S(\R) met ∥f∥2=1\norm f_2 = 1 dat

(∫x2f(x)2 ⁣dx)⋅(12π∫ξ2∣f^(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 ,

met gelijkheid voor gaussische functies. (Schrijf 1=∫f2=−∫x (f2)′1 = \int f^2 = -\int x\,(f^2)' met partiële integratie, schat af met Cauchy–Schwarz en zet ∥f′∥2\norm{f'}_2 om met Plancherel.) Interpretatie: een signaal en zijn spectrum kunnen niet allebei geconcentreerd zijn.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.8.

Partiële integratie (f∈Sf \in \mathcal S; de randtermen verdwijnen):

1=∫f2=[xf2]−∞∞−∫x (f2)′=−2∫xff′≤2 ∥xf∥2 ∥f′∥2.1 = \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 en f′^=iξf^\widehat{f'} = \iu\xi\hat f geven ∥f′∥22=12π∫ξ2∣f^∣2\norm{f'}_2^2 = \frac1{2\pi}\int\xi^2\abs{\hat f}^2. Kwadrateren van het bovenstaande:

14≤∥xf∥22⋅12π∫ξ2∣f^∣2 ⁣dξ.\frac14 \leq \norm{xf}_2^2\cdot\frac1{2\pi} \int\xi^2\abs{\hat f}^2\dd\xi .

Gelijkheid vereist gelijkheid in Cauchy–Schwarz: f′=λxff' = \lambda xf met λ<0\lambda < 0 (integreerbaarheid), dat wil zeggen f(x)=c eλx2/2f(x) = c\,\eu^{\lambda x^2/2}: de gaussische functies. Een signaal dat in xx geconcentreerd is (kleine ∥xf∥2\norm{xf}_2) moet een uitgesmeerd spectrum hebben, en omgekeerd: het onzekerheidsbeginsel.

Oefening 14.9 ★★

Rechtvaardig Voorbeeld 14.10 in detail (de hypothesen van Poisson voor de gaussische functie), en gebruik de identiteit om ∑n∈Ze−πn2\sum_{n\in\Z}\eu^{-\pi n^2} met drie termen tot op zes decimalen te bepalen. Hoeveel termen van de definiërende reeks zou dezelfde nauwkeurigheid vergen bij t=10−2t = 10^{-2}, tegenover de getransformeerde reeks?

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.9.

De gaussische functie f(x)=e−πtx2f(x) = \eu^{-\pi tx^2} ligt in S\mathcal S, dus is Stelling 14.9 van toepassing, en f^(ξ)=t−1/2e−ξ2/4πt\hat f(\xi) = t^{-1/2}\eu^{-\xi^2/4\pi t}; in ξ=2πk\xi = 2\pi k wordt het rechterlid t−1/2e−πk2/tt^{-1/2}\eu^{-\pi k^2/t}: de identiteit van de thètafunctie. Bij t=1t = 1:

∑n∈Ze−πn2=1+2e−π+2e−4π+⋯≈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,

nauwkeurig tot op 66 decimalen met drie termen (e−9π≈5⋅10−13\eu^{-9\pi} \approx 5\cdot10^{-13}). Bij t=10−2t = 10^{-2}: de definiërende reeks vereist e−πn2/100<10−7\eu^{-\pi n^2/100} < 10^{-7}, dus n≳23n \gtrsim 23 — ongeveer 4747 termen — terwijl de getransformeerde reeks 10∑ke−100πk210\sum_k\eu^{-100\pi k^2} is, waarin de term voor k=1k = 1 al ∼10−136\sim 10^{-136} is: één term volstaat.

Oefening 14.10 ★★

(Bandbegrensde functies) Zij f∈L2(R)f \in L^2(\R) met Ff\mathcal Ff met drager in [−π, π]\intcc{-\pi}\pi. Toon aan dat ff een vertegenwoordiger heeft waarvan elke waarde uit monsters kan worden teruggewonnen: bewijs de interpolatie van Shannon in de gehele getallen,

f(x)=∑n∈Zf(n) sin⁡(π(x−n))π(x−n)in L2,f(x) = \sum_{n\in\Z} f(n)\, \frac{\sin\bigl(\pi(x - n)\bigr)}{\pi(x - n)} \quad\text{in } L^2,

door Ff\mathcal Ff te ontwikkelen in de fourierbasis van L2([−π, π])L^2(\intcc{-\pi}\pi) (Stelling 13.9) en term voor term terug te transformeren.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.10.

Ff∈L2([−π, π])⊆L1([−π, π])\mathcal Ff \in L^2(\intcc{-\pi}\pi) \subseteq L^1(\intcc{-\pi}\pi) (eindige maat), dus geeft de inversie de continue vertegenwoordiger f(x)=12π∫−ππFf(ξ)eixξ ⁣dξf(x) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^\pi\mathcal Ff(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi, met

f(n)=12π∫−ππFf(ξ) einξ ⁣dξ=⟨e−n,Ff⟩f(n) = \frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\mathcal Ff(\xi)\,\eu^{\iu n\xi}\dd\xi = \langle e_{-n}, \mathcal Ff\rangle

in de notatie van Stelling 13.9. Ontwikkeling in die hilbertbasis: Ff=∑nf(n) e−inξ\mathcal Ff = \sum_nf(n)\,\eu^{-\iu n\xi} in L2([−π, π])L^2(\intcc{-\pi}\pi). Pas de L2L^2-continue F−1\mathcal F^{-1} term voor term toe:

F−1(1[−π, π]e−inξ)(x)=12π∫−ππeiξ(x−n) ⁣dξ=sin⁡(π(x−n))π(x−n),\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)} ,

wat f=∑nf(n)sinc⁡(⋅−n)f = \sum_nf(n)\operatorname{sinc}(\cdot - n) in L2L^2 geeft: een bandbegrensd signaal ligt vast door zijn monsters in de gehele getallen — de bemonsteringsstelling van Shannon.

Oefening 14.11 ★★

(De transformatie als operator van orde vier) Stel op S(R)\mathcal S(\R) Ff=f^\mathcal F f = \hat f. (a) Toon met de inversieformule aan dat (F2f)(x)=2π f(−x)(\mathcal F^2f)(x) = 2\pi\,f(-x), en leid F4=(2π)2 id\mathcal F^4 = (2\pi)^2\, \mathrm{id} af. (b) Leid af dat elke eigenwaarde van F\mathcal F op S\mathcal S in {±2π,±i2π}\{\pm\sqrt{2\pi}, \pm\iu\sqrt{2\pi}\} ligt, en geef een eigenfunctie voor +2π+\sqrt{2\pi} (welke functie uit dit hoofdstuk is evenredig met haar eigen getransformeerde?). (c) Toon aan dat even functies voldoen aan F2f=2πf\mathcal F^2f = 2\pi f en oneven aan F2f=−2πf\mathcal F^2f = -2\pi f; maak uit xe−x2/2x\eu^{-x^2/2} een eigenfunctie voor de eigenwaarde −i2π-\iu\sqrt{2\pi} door haar getransformeerde te berekenen (differentieer de getransformeerde van de gaussische functie).

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.11.

(a) Inversie op S\mathcal S: f(x)=12π∫f^(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), dat wil zeggen (F2f)(x)=2πf(−x)(\mathcal F^2f)(x) = 2\pi f(-x). Tweemaal toegepast: F4f=2π F2f(−⋅)=(2π)2f\mathcal F^4f = 2\pi\,\mathcal F^2f(-\cdot) = (2\pi)^2f.

(b) Is Ff=λf\mathcal Ff = \lambda f met f≠0f \neq 0, dan is (2π)2f=F4f=λ4f(2\pi)^2f = \mathcal F^4f = \lambda^4f, dus λ4=(2π)2\lambda^4 = (2\pi)^2: λ∈{±2π,±i2π}\lambda \in \{\pm\sqrt{2\pi}, \pm\iu\sqrt{2\pi}\}. De gaussische functie g(x)=e−x2/2g(x) = \eu^{-x^2/2} heeft g^=2π g\hat g = \sqrt{2\pi}\,g (Voorbeeld 14.2 bij a=12a = \frac12): een eigenfunctie voor +2π+\sqrt{2\pi}.

(c) F2f=2πf(−⋅)\mathcal F^2f = 2\pi f(-\cdot) is ±2πf\pm2\pi f naargelang de pariteit. Voor h(x)=xe−x2/2h(x) = x\eu^{-x^2/2}: differentiëren van g^(ξ)=2πe−ξ2/2\hat g(\xi) = \sqrt{2\pi}\eu^{-\xi^2/2} met de regel xf^=i ⁣d ⁣dξf^\widehat{xf} = \iu\frac{\dd}{\dd\xi}\hat f geeft

h^(ξ)=i  ⁣d ⁣dξ(2πe−ξ2/2)=−i2π ξe−ξ2/2=−i2π h(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) :

een eigenfunctie voor −i2π-\iu\sqrt{2\pi}. (De hermitefuncties zetten het patroon voort en doorlopen cyclisch de vier eigenwaarden — de discrete klok van Fourier.)

Oefening 14.12 ★★

(Autocorrelatie en het lemma van Wiener) Definieer voor f∈L2(R)f \in L^2(\R) f~(x)=f(−x)‾\tilde f(x) = \overline{f(-x)} en de autocorrelatie Af=f∗f~A_f = f * \tilde f. (a) Toon aan dat AfA_f een begrensde continue functie is met Af(0)=∥f∥22≥∣Af(x)∣A_f(0) = \norm f_2^2 \geq \abs{A_f(x)} voor alle xx (Oefening 12.6 en Cauchy–Schwarz). (b) Toon, eerst voor f∈L1∩L2f \in L^1\cap L^2, aan dat Af^=∣f^ ∣2≥0\widehat{A_f} = \abs{\hat f\,}^2 \geq 0: de autocorrelatie heeft een niet-negatieve getransformeerde — de spectra van autocorrelaties zijn vermogensspectra. (c) Leid de identiteit ∫R∣f^(ξ)∣2eixξ  ⁣dξ=2πAf(x)\int_\R\abs{\hat f(\xi)}^2\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi = 2\pi A_f(x) af (inversie; rechtvaardig haar toepasbaarheid wanneer f^∈L2\hat f \in L^2 voldoet aan ∣f^∣2∈L1\abs{\hat f}^2 \in L^1), en evalueer haar voor f=1[−1/2, 1/2]f = \mathbf 1_{\intcc{-1/2}{1/2}} in x=0x = 0: vind opnieuw ∫R(sin⁡uu)2 ⁣du=π\int_\R\bigl(\frac{\sin u}u\bigr)^2\dd u = \pi.

Oplossing

Oplossing van Oefening 14.12.

(a) f~∈L2\tilde f \in L^2 met ∥f~∥2=∥f∥2\norm{\tilde f}_2 = \norm f_2; Oefening 12.6 (toegevoegde exponenten p=q=2p = q = 2) maakt Af=f∗f~A_f = f * \tilde f begrensd en uniform continu, met

Af(x)=∫f(y) f(y−x)‾  ⁣dy,Af(0)=∥f∥22,∣Af(x)∣≤∥f∥2 ∥f(⋅−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)

volgens Cauchy–Schwarz.

(b) Voor f∈L1∩L2f \in L^1\cap L^2 ligt ook f~\tilde f in L1L^1, en de convolutiestelling geeft Af^=f^ f~^\widehat{A_f} = \hat f\, \widehat{\tilde f}; en de berekening f~^(ξ)=∫f(−x)‾e−iξx ⁣dx=∫f(u)e−iξu ⁣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)} geeft Af^=∣f^∣2≥0\widehat{A_f} = \abs{\hat f}^2 \geq 0.

(c) Is ∣f^∣2∈L1\abs{\hat f}^2 \in L^1, dan is de inversie van toepassing op de continue AfA_f (haar getransformeerde is integreerbaar; Stelling 14.5):

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

Voor f=1[−1/2, 1/2]f = \mathbf 1_{\intcc{-1/2}{1/2}} is 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}, en in x=0x = 0:

1=∥f∥22=12π∫R(sin⁡(ξ/2)ξ/2)2 ⁣dξ=12π⋅2∫R(sin⁡uu)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), dat wil zeggen ∫R(sin⁡uu)2 ⁣du=π\int_\R\bigl(\frac{\sin u}u\bigr)^2\dd u = \pi — de lievelingsintegraal van Plancherel, teruggevonden met de autocorrelatie.

14.6 Probleem: de warmtevergelijking op de lijn

Probleem 14.1

Weekendopgave — ∂tu=∂xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u, van begin tot eind opgelost

Warmte verspreidt zich; de vergelijking ∂tu=∂xx2u\partial_tu = \partial_{xx}^2u zegt dat haar dichtheid diffundeert met een snelheid die door de lokale kromming van het temperatuurprofiel wordt gegeven. We lossen het beginwaardeprobleem op R\R op — gegeven ff, zoek u(t,x)u(t, x) voor t>0t > 0 met u(0,⋅)=fu(0, \cdot) = f — bewijzen de opmerkelijke eigenschappen van de oplossing, en zien waarom de tijd niet omkeerbaar is. Overal is gt(x)=12πte−x2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t} de warmtekern en u(t,⋅)=gt∗fu(t, \cdot) = g_t * f.

Deel I — De kern afleiden. Werk eerst formeel: stel dat u(t,⋅)∈Su(t, \cdot) \in \mathcal S de vergelijking oplost, en zij u^(t,ξ)\hat u(t, \xi) de getransformeerde in xx.

  1. Toon (formeel) aan dat ∂tu^=−ξ2u^\partial_t\hat u = -\xi^2\hat u, dus u^(t,ξ)=e−tξ2f^(ξ)\hat u(t,\xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi), en herken u(t)=gt∗fu(t) = g_t * f (Oefening 14.4). Dat motiveert de definitie van uu; alles wordt nu rechtstreeks bewezen, voor f∈Cb(R)f \in \mathcal C_b(\R) (begrensd continu) of f∈Lpf \in L^p.

Deel II — Verificatie.

  1. Toon aan dat voor t>0t > 0 de uitdrukking u(t,x)=∫gt(x−y)f(y) ⁣dyu(t, x) = \int g_t(x-y)f(y)\dd y goed gedefinieerd is voor f∈Cbf \in \mathcal C_b, en dat uu C∞\mathcal C^\infty is in (t,x)(t, x) op (0, ∞)×R\intoo0\infty\times\R (differentieer onder de integraal; domineer de gaussische afgeleiden lokaal uniform in (t,x)(t,x)).
  2. Ga met een rechtstreekse berekening ∂tgt=∂xx2gt\partial_tg_t = \partial^2_{xx}g_t na, en leid ∂tu=∂xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u af voor t>0t > 0.
  3. (Beginvoorwaarde) Toon aan dat voor f∈Cbf \in \mathcal C_b u(t,x)→f(x)u(t, x) \to f(x) als t→0+t \to 0^+, uniform op compacte verzamelingen (benaderende eenheid: splits ∣y∣≤δ\abs y \leq \delta en ∣y∣>δ\abs y > \delta); toon voor f∈Lpf \in L^p (p<∞p < \infty) aan dat ∥u(t)−f∥p→0\norm{u(t) - f}_p \to 0.
  4. (Ogenblikkelijk gladstrijken) Besluit: zelfs voor louter begrensde continue ff is de oplossing C∞\mathcal C^\infty voor elke t>0t > 0 — warmte wist ruwheid ogenblikkelijk uit. Bereken u(t,⋅)u(t, \cdot) expliciet voor f=1(0, ∞)f = \mathbf 1_{\intoo0\infty} (een foutfunctie) en schets haar profiel voor drie waarden van tt.

Deel III — Structurele eigenschappen.

  1. (Positiviteit en vergelijking) Is f≥0f \geq 0, dan is u>0u > 0 voor alle t>0t > 0 (strikt, tenzij f=0f = 0 b.o.); is f1≤f2f_1 \leq f_2, dan is u1≤u2u_1 \leq u_2. Een koude plek warmt ogenblikkelijk op: becommentarieer.
  2. (Behoud) Voor f∈L1f \in L^1: ∫u(t,x) ⁣dx=∫f\int u(t, x)\dd x = \int f voor alle tt (Tonelli) — de totale warmte blijft behouden.
  3. (Dissipatie) Toon voor f∈L1∩L2f \in L^1\cap L^2 met Plancherel aan dat t↦∥u(t)∥2t \mapsto \norm{u(t)}_2 niet-stijgend is, strikt dalend tenzij f=0f = 0, en bereken haar limiet als t→∞t \to \infty. Toon bovendien ∥u(t)∥∞≤∥f∥12πt→0\norm{u(t)}_\infty \leq \frac{\norm f_1}{2\sqrt{\pi t}} \to 0 aan: warmte verspreidt zich en sterft.
  4. (Uniciteit, klasse L2L^2) Zij uu een oplossing met u(t)∈L2u(t) \in L^2 voor alle tt, u∈C1((0, ∞),L2)u \in \mathcal C^1(\intoo0\infty, L^2) in de natuurlijke zin en u(t)→fu(t) \to f in L2L^2 als t→0t\to0; aannemend dat de transformatie haar omzet in ∂tu^=−ξ2u^\partial_t\hat u = -\xi^2\hat u puntsgewijs b.o. in ξ\xi voor b.o. tt (gerechtvaardigd door te testen tegen Cc∞\mathcal C_c^\infty in ξ\xi — schets dat), toon aan dat u^(t,ξ)=e−tξ2f^(ξ)\hat u(t,\xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi), en dus de uniciteit in deze klasse.

Deel IV — De pijl van de tijd.

  1. Toon aan dat het achterwaartse probleem slecht gesteld is: opdat de oplossing op tijdstip −s-s (s>0s > 0) met gegeven ff op tijdstip 00 zou bestaan — dat wil zeggen opdat f=gs∗hf = g_s * h een oplossing h∈L2h \in L^2 zou hebben — is het nodig dat esξ2f^(ξ)∈L2\eu^{s\xi^2}\hat f(\xi) \in L^2: een extreme vervalvoorwaarde op f^\hat f. Geef een expliciete gladde f∈L2f \in L^2 waarvoor op geen enkel tijdsinterval een achterwaartse oplossing bestaat: neem de functie met f^(ξ)=e−∣ξ∣\hat f(\xi) = \eu^{-\abs\xi} — identificeer ff (Oefening 14.1) en toon aan dat esξ2e−∣ξ∣∉L2\eu^{s\xi^2}\eu^{-\abs\xi} \notin L^2 voor elke s>0s > 0.
  2. (Gladstrijken tegenover informatie) Leg in een korte alinea uit, met de vragen 5, 9 en 10, waarom de warmtehalfgroep (f↦gt∗f)t≥0(f \mapsto g_t * f)_{t\geq0} injectief maar niet surjectief is op L2L^2, en waarom dat de onomkeerbaarheid van de diffusie uitdrukt.

Deel V — De bemonsteringsstelling van Shannon. Een functie f∈L2(R)f \in L^2(\R) heet bandbegrensd tot Ω\Omega als f^=0\hat f = 0 b.o. buiten [−Ω, Ω]\intcc{-\Omega}\Omega; noteer PWΩPW_\Omega (de ruimte van Paley–Wiener) voor deze functies.

  1. Toon aan dat elke f∈PWΩf \in PW_\Omega b.o. samenvalt met de C∞\mathcal C^\infty-functie 12π∫−ΩΩf^(ξ)eixξ  ⁣dξ\frac1{2\pi}\int_{-\Omega}^{\Omega}\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\,\dd\xi (rechtvaardig de gladheid en de identificatie), met alle afgeleiden begrensd: bandbegrenzing is een extreme vorm van regulariteit. Vanaf nu duidt ff deze vertegenwoordiger aan.
  2. Ontwikkel f^∈L2([−Ω, Ω])\hat f \in L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) in de fourierbasis van dat interval en herken de coëfficiënten als monsters van ff:

    f^(ξ)=πΩ∑n∈Zf(nπΩ) e−inπξ/Ωin 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{in } L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) .
  3. Leid de bemonsteringsstelling af: voor f∈PWΩf \in PW_\Omega is

    f(x)=∑n∈Zf(nπΩ) sinc⁡(Ωx−nπ),sinc⁡t=sin⁡tt,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,

    met convergentie in L2(R)L^2(\R) en uniform op R\R (steek de reeks van vraag 13 in de inversieformule en bereken de elementaire integraal): een bandbegrensd signaal ligt volledig vast door zijn waarden op een rooster met stap π/Ω\pi/\Omega — de nyquistsnelheid.

  4. Toon aan dat de functies x↦sinc⁡(Ωx−nπ)x \mapsto \operatorname{sinc}(\Omega x - n\pi), n∈Zn \in \Z, een orthogonale familie in L2(R)L^2(\R) vormen met constante norm π/Ω\sqrt{\pi/\Omega}, en leid de energie-identiteit ∥f∥22=πΩ∑n∣f(nπ/Ω)∣2\norm f_2^2 = \frac\pi\Omega\sum_n\abs{f(n\pi/\Omega)}^2 af.
  5. (Aliasing) Geef een g≠0g \neq 0 in PW2ΩPW_{2\Omega} die in elk monsterpunt nπΩ\frac{n\pi}\Omega verdwijnt (beschouw g(x)=sin⁡(Ωx)sinc⁡(Ωx)g(x) = \sin(\Omega x)\operatorname{sinc}(\Omega x) en ga haar band na): bemonsteren onder de nyquistsnelheid verliest informatie — twee verschillende signalen kunnen al hun monsters delen: het stroboscopische wagenwieleffect, gewiskundigd.
  6. (Vrijheidsgraden) Rechtvaardig met de vragen 14 en 15 de vuistregel van de ingenieur: een tot Ω\Omega bandbegrensd signaal waarvan de energie in wezen door een tijdvenster van lengte TT wordt gedragen, wordt door ongeveer ΩTπ\frac{\Omega T}\pi reële monsters beschreven — maak “in wezen” precies met de energie-identiteit en de staart ∑∣nπ/Ω∣>T/2\sum_{\abs{n\pi/\Omega} > T/2}.
  7. (Consistentiecontroles) Ga de bemonsteringsstelling met de hand na op twee leden van PWΩPW_\Omega: (a) f=sinc⁡(Ω ⋅)f = \operatorname{sinc}(\Omega\,\cdot), waarvan de monsters δn0\delta_{n0} zijn; (b) smalbandige signalen van het type f(x)=cos⁡(ωx)sinc⁡(εx)f(x) = \cos(\omega x) \operatorname{sinc}(\varepsilon x) — toon preciezer aan dat voor f∈PWΩ′f \in PW_{\Omega'} met Ω′<Ω\Omega' < \Omega ook de reeks met snelheid Ω\Omega ff reconstrueert (overbemonstering is onschadelijk), door PWΩ′⊆PWΩPW_ {\Omega'} \subseteq PW_\Omega in te bedden.

Deel VI — Onzekerheid, nog tweemaal. De ongelijkheid van Heisenberg (Oefening 14.8) begrenst hoe geconcentreerd ff en f^\hat f samen kunnen zijn; hier volgen haar alles-of-niets-zusje en haar exacte verzadiging.

  1. Zij f∈L1f \in L^1 met supp⁡f⊆[−A, A]\operatorname{supp}f \subseteq \intcc{-A}A. Toon aan dat f^\hat f de som is van een overal convergente machtreeks:

    f^(ξ)=∑k≥0(−iξ)kk! mk,mk=∫−AAxkf(x)  ⁣dx,∣mk∣≤Ak∥f∥1\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

    (ontwikkel e−iξx\eu^{-\iu\xi x} en rechtvaardig het verwisselen met de normale convergentie): de transformatie is reëel-analytisch, met in elk punt een oneindige convergentiestraal.

  2. Leid de dichotomie van de dragers af: een reëel-analytische functie die op een niet-leeg open interval verdwijnt, verdwijnt identiek (de verzameling waar alle afgeleiden verdwijnen is open en gesloten — werk het taylorargument uit); besluit dat geen enkele f≠0f \neq 0 zowel ff als f^\hat f met compacte drager heeft, en dat PWΩPW_\Omega geen enkele functie ≠0\neq 0 met compacte drager bevat — bandbegrensde signalen duren eeuwig, en tijdbegrensde signalen lekken in alle frequenties.
  3. (Verzadiging van Heisenberg) Bereken op de gaussische familie f=e−ax2f = \eu^{-ax^2} beide concentratiefactoren en ga na dat het genormeerde product (∫x2∣f∣2)(12π∫ξ2∣f^∣2)/∥f∥24\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 voor elke aa gelijk is aan 14\frac14 — de gelijkheidsfamilie van Oefening 14.8 in levenden lijve; leg met een schalingsargument uit waarom het product langs de familie constant moet zijn.
  4. Geef de fysische lezing (dichtheden van positie en impuls van een kwantumtoestand; ℏ\hbar in de normering geeft σxσp≥ℏ2\sigma_x\sigma_p \geq \frac\hbar2), en leg de verbanden door het hoofdstuk heen: ogenblikkelijk gladstrijken (Deel II), onomkeerbaarheid (Deel IV), bemonstering (Deel V), Heisenberg en de dichotomie van de dragers zijn vijf uitdrukkingen van één wet — het gedrag van f^\hat f op oneindig schrijft voor wat ff waar dan ook mag doen.

Deel VII — De algebra van de kern, en één oplosbaar voorbeeld.

  1. (Halfgroep) Bewijs de identiteit van Chapman–Kolmogorov gt∗gs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s} voor t,s>0t, s > 0 (via de convolutiestelling en de injectiviteit van de transformatie op L1L^1), en leid u(t+s)=gs∗u(t)u(t + s) = g_s * u(t) af: evolueren gedurende t+st + s is evolueren gedurende tt, en daarna gedurende ss. Scherp de dissipatie van vraag 8 aan: schrijf ∥u(t)∥22=12π∫e−2tξ2∣f^(ξ)∣2 ⁣dξ\norm{u(t)}_2^2 = \frac1{2\pi}\int \eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f(\xi)}^2\dd\xi en toon met Cauchy–Schwarz aan dat

    t⟼ln⁡ ∥u(t)∥2convex is op (0, +∞):t \longmapsto \ln\,\norm{u(t)}_2 \quad\text{convex is op } \intoo0{+\infty} :

    de L2L^2-energie daalt niet alleen, ze daalt op een log-convexe manier.

  2. (Waar de warmte heen gaat) Zij f≥0f \geq 0, f∈L1f \in L^1, met ∫x2f(x) ⁣dx<∞\int x^2f(x)\dd x < \infty. Toon aan dat voor alle t>0t > 0

    ∫Rx u(t,x)  ⁣dx=∫Rxf(x)  ⁣dx,∫Rx2u(t,x)  ⁣dx=∫Rx2f(x)  ⁣dx+2t∫Rf:\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 :

    het zwaartepunt van de warmte beweegt nooit, en de variantie groeit lineair in de tijd — de diffusieve schaling x∼2tx \sim \sqrt{2t}, te herlezen wanneer de brownse beweging in Hoofdstuk 22 opduikt. (Bereken de eerste twee momenten van gtg_t en gebruik Tonelli op de convolutie.)

  3. (De gaussische functie, van begin tot eind opgelost) Vestig voor f(x)=e−x2f(x) = \eu^{-x^2} de gesloten vorm

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

    en ga er met de hand op na: de vergelijking ∂tu=∂xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u; het behoud ∫u(t)=π\int u(t) = \sqrt\pi; de dissipatiewet ∥u(t)∥2=(π/2)1/4(1+4t)−1/4\norm{u(t)}_2 = (\pi/2)^{1/4}(1 + 4t)^{-1/4} (vergelijk haar verval als t−1/4t^{-1/4} met het verval als t−1/2t^{-1/2} van de supremumnorm uit vraag 8); en de exacte variantiegroei van vraag 24. Bij t=6t = 6: de piek is gezakt tot 15\frac15 van zijn beginhoogte, terwijl het profiel vijf keer breder is — dezelfde warmte, uitgespreid.

Oplossing

Oplossing van Probleem 14.1.

1. De vergelijking in xx transformeren geeft (formeel) ∂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, voor elke frequentie een differentiaalvergelijking in tt: u^(t,ξ)=e−tξ2f^(ξ)\hat u(t,\xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi). Omdat e−tξ2=g^t\eu^{-t\xi^2} = \hat g_t (Oefening 14.4), is het product de getransformeerde van gt∗fg_t * f.

2. ∣u(t,x)∣≤∥f∥∞∫gt=∥f∥∞\abs{u(t,x)} \leq \norm f_\infty\int g_t = \norm f_\infty: goed gedefinieerd. Op [t0,T]×[−A,A][t_0, T]\times[-A, A] is elke gemengde afgeleide ∂tm∂xngt(x−y)\partial^m_t\partial^n_xg_t(x - y) een veelterm in (x−y)(x - y) en t−1t^{-1} maal e−(x−y)2/4t\eu^{-(x-y)^2/4t}, voor ∣y∣≥2A\abs y \geq 2A begrensd door C (1+y2)Ne−(∣y∣−A)2/4TC\,(1 + y^2)^N\eu^{-(\abs y - A)^2/4T}, een integreerbare dominant die op het venster niet van (t,x)(t, x) afhangt (en begrensd voor ∣y∣≤2A\abs y \leq 2A): herhaald differentiëren onder de integraal (Stelling 10.15) is dus van toepassing, en u∈C∞((0, ∞)×R)u \in \mathcal C^\infty(\intoo0\infty\times\R).

3. Met gt(x)=12πte−x2/4tg_t(x) = \frac1{2\sqrt{\pi t}}\eu^{-x^2/4t}:

∂tgt=gt(x24t2−12t)=∂xx2gt\partial_tg_t = g_t\Bigl(\frac{x^2}{4t^2} - \frac1{2t}\Bigr) = \partial^2_{xx}g_t

(tweemaal differentiëren naar xx: ∂xgt=−x2tgt\partial_xg_t = -\frac x{2t}g_t en ∂xx2gt=(x24t2−12t)gt\partial^2_{xx}g_t = \bigl(\frac{x^2}{4t^2} - \frac1{2t}\bigr)g_t). Volgens vraag 2 gaan de afgeleiden onder de integraal door: ∂tu=∂xx2u\partial_tu = \partial^2_{xx}u.

4. u(t,x)−f(x)=∫gt(y)(f(x−y)−f(x)) ⁣dyu(t,x) - f(x) = \int g_t(y)\bigl(f(x - y) - f(x)\bigr)\dd y. Gegeven een compacte KK en ε\varepsilon: de uniforme continuïteit van ff op een omgeving van KK geeft een δ\delta met ∣f(x−y)−f(x)∣<ε\abs{f(x-y) - f(x)} < \varepsilon voor x∈Kx \in K en ∣y∣≤δ\abs y \leq \delta; de staart draagt hoogstens 2∥f∥∞∫∣y∣>δgt(y) ⁣dy2\norm f_\infty\int_{\abs y > \delta}g_t(y)\dd y bij, dat wil zeggen 2∥f∥∞2\norm f_\infty maal de massa voorbij δ\delta, gelijk aan 2π∫δ/2t∞e−z2 ⁣dz→0\frac2{\sqrt\pi}\int_{\delta/2\sqrt t}^\infty\eu^{-z^2}\dd z \to 0 als t→0t \to 0. Voor f∈Lpf \in L^p: ∥u(t)−f∥p≤∫gt(y)∥τyf−f∥p ⁣dy\norm{u(t) - f}_p \leq \int g_t(y)\norm{\tau_yf - f}_p\dd y (Minkowski of Jensen als in Stelling 12.9), en splits op dezelfde manier met Stelling 12.6(3).

5. Het ogenblikkelijke gladstrijken is vraag 2 (u(t)u(t) is C∞\mathcal C^\infty voor t>0t > 0, zonder dat enige gladheid van ff werd gebruikt). Voor f=1(0, ∞)f = \mathbf 1_{\intoo0\infty}:

u(t,x)=∫0∞gt(x−y) ⁣dy=1π∫−x/2t∞e−z2 ⁣dz=12(1+erf⁡(x2t)),erf⁡(s)=2π∫0se−z2 ⁣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 :

een gladgestreken sprong waarvan de overgangszone als t\sqrt t breder wordt (profielen bij t1<t2<t3t_1 < t_2 < t_3: steeds vlakkere hellingen door (0,12)(0, \frac12)).

6. De integrand gt(x−y)f(y)g_t(x-y)f(y) is ≥0\geq 0 en de kern is strikt positief: u(t,x)=0u(t,x) = 0 zou f=0f = 0 b.o. afdwingen. De monotonie in ff is de monotonie van de integraal. Een plek waar ff op een interval nul is, heeft daar toch u(t,⋅)>0u(t, \cdot) > 0 voor elke t>0t > 0: warmte plant zich met oneindige snelheid voort (elke positiviteit ergens wordt overal ogenblikkelijk gevoeld).

7. Tonelli (gt(x−y)∣f(y)∣g_t(x-y)\abs{f(y)} is integreerbaar op R2\R^2): ∫u(t,x) ⁣dx=∫f(y)(∫gt(x−y) ⁣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: 2π∥u(t)∥22=∫e−2tξ2∣f^(ξ)∣2 ⁣dξ2\pi\norm{u(t)}_2^2 = \int\eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f(\xi)}^2\dd\xi, niet-stijgend in tt (puntsgewijs), strikt dalend tenzij f^=0\hat f = 0 b.o. (dat wil zeggen f=0f = 0), met limiet 00 als t→∞t\to\infty volgens de gedomineerde convergentie. En ∥u(t)∥∞≤∥gt∥∞∥f∥1=∥f∥12πt→0\norm{u(t)}_\infty \leq \norm{g_t}_\infty\norm f_1 = \frac{\norm f_1}{2\sqrt{\pi t}} \to 0.

9. Voor φ∈Cc∞\varphi \in \mathcal C_c^\infty is t↦⟨φ,u^(t)⟩t \mapsto \langle\varphi, \hat u(t)\rangle C1\mathcal C^1 met afgeleide ⟨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 — preciezer: ∂xx2u^=−ξ2u^\widehat{\partial^2_{xx}u} = -\xi^2\hat u draagt de vergelijking over. Vervolgens heeft voor b.o. ξ\xi de absoluut continue functie t↦etξ2u^(t,ξ)t \mapsto \eu^{t\xi^2}\hat u(t,\xi) afgeleide etξ2(ξ2u^+∂tu^)=0\eu^{t\xi^2}(\xi^2\hat u + \partial_t\hat u) = 0 in de geïntegreerde zin: ze is constant, en t→0t \to 0 laten gaan (u^(t)→f^\hat u(t) \to \hat f in L2L^2, b.o. langs een deelrij) geeft u^(t,ξ)=e−tξ2f^(ξ)\hat u(t, \xi) = \eu^{-t\xi^2}\hat f(\xi) b.o. Twee oplossingen in de klasse hebben dezelfde getransformeerde: ze zijn gelijk.

10. f=gs∗hf = g_s * h met h∈L2h \in L^2 dwingt f^=e−sξ2h^\hat f = \eu^{-s\xi^2}\hat h af, dat wil zeggen h^=esξ2f^∈L2\hat h = \eu^{s\xi^2}\hat f \in L^2. Neem f^(ξ)=e−∣ξ∣\hat f(\xi) = \eu^{-\abs\xi}: dan is f(x)=1π⋅11+x2f(x) = \frac1\pi\cdot\frac1{1 + x^2} (Oefening 14.1, inversie), een volmaakt gladde L2L^2-functie; maar e2sξ2−2∣ξ∣→∞\eu^{2s\xi^2 - 2\abs\xi} \to \infty: dus esξ2f^∉L2\eu^{s\xi^2}\hat f \notin L^2 voor elke s>0s > 0. Het profiel van Cauchy is nooit het resultaat van eerdere diffusie.

11. De warmtehalfgroep vermenigvuldigt de getransformeerden met e−tξ2\eu^{-t\xi^2}, dat nergens verdwijnt: injectief — formeel wordt geen enkele informatie vernietigd. Maar haar beeld bestaat uit functies waarvan de getransformeerden als e−tξ2\eu^{-t\xi^2} vervallen: een minuscule, dichte maar echte deelruimte van L2L^2 (vraag 10 toont dat zelfs uitstekende functies er buiten liggen). Inverteren zou de frequentie ξ\xi met etξ2\eu^{t\xi^2} versterken: onbegrensd, en dus onstabiel voor elke verstoring. Diffusie is onomkeerbaar niet omdat de afbeelding vergeet, maar omdat haar inverse niet continu kan zijn — een pijl van de tijd, gemaakt van functionaalanalyse.

12. f^∈L2([−Ω, Ω])⊆L1\hat f \in L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) \subseteq L^1 (Cauchy–Schwarz op een begrensd interval), dus is F(x)=12π∫−ΩΩf^(ξ)eixξ ⁣dξF(x) = \frac1{2\pi}\int_{-\Omega}^\Omega\hat f(\xi)\eu^{\iu x\xi}\dd\xi overal gedefinieerd, en differentiëren onder de integraal (gedomineerd door Ωk∣f^∣∈L1\Omega^k\abs{\hat f} \in L^1 op de band) maakt haar C∞\mathcal C^\infty met overal ∣F(k)∣≤Ωk2π∥f^∥L1\abs{F^{(k)}} \leq \frac{\Omega^k}{2\pi}\norm{\hat f}_{L^1}. En F=fF = f b.o.: beide leden hebben dezelfde getransformeerde, en de transformatie is injectief op L2L^2 (Stelling 14.8 en haar L2L^2-uitbreiding).

13. De exponentiëlen ξ↦e−inπξ/Ω\xi \mapsto \eu^{-\iu n\pi\xi/\Omega}, n∈Zn \in \Z, vormen een hilbertbasis van L2([−Ω, Ω])L^2(\intcc{-\Omega}\Omega) (Stelling 13.9, herschaald). De coëfficiënt van f^\hat f langs de nn-de is

12Ω∫−ΩΩf^(ξ) einπξ/Ω ⁣dξ=2π2Ω⋅12π∫−ΩΩf^(ξ) ei(nπ/Ω)ξ ⁣dξ=πΩ f(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),

volgens de formule van vraag 12 in x=nπΩx = \frac{n\pi}\Omega: de vermelde ontwikkeling geldt in L2L^2 van de band.

14. Voer de ontwikkeling in in de inversieformule van vraag 12; het verwisselen van som en integraal is de continuïteit van de L2L^2-paring tegen 12πeixξ1∣ξ∣≤Ω\frac1{2\pi} \eu^{\iu x\xi}\mathbf 1_{\abs\xi\leq\Omega} (met L2L^2-norm 2Ω2π\frac{\sqrt{2\Omega}}{2\pi}, onafhankelijk van xx — vandaar de uniformiteit):

f(x)=∑nf(nπΩ)⋅12Ω∫−ΩΩei(x−nπ/Ω)ξ ⁣dξ=∑nf(nπΩ)sinc⁡(Ωx−nπ),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),

want 12Ω∫−ΩΩeiuξ ⁣dξ=sin⁡(Ωu)Ωu\frac1{2\Omega}\int_{-\Omega}^\Omega\eu^{\iu u\xi}\dd\xi = \frac{\sin(\Omega u)}{\Omega u}.

15. De berekening van vraag 14 achterstevoren gelezen geeft dat de getransformeerde van sn=sinc⁡(Ω⋅−nπ)s_n = \operatorname{sinc}(\Omega\cdot - n\pi) gelijk is aan s^n=πΩ e−inπξ/Ω 1[−Ω, Ω]\hat s_n = \frac\pi\Omega\,\eu^{-\iu n\pi\xi/\Omega}\,\mathbf 1_{\intcc{-\Omega}\Omega}. Plancherel:

⟨sn,sm⟩=12π(πΩ)2∫−ΩΩei(n−m)πξ/Ω ⁣dξ=πΩ δnm:\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} :

een orthogonale familie met constante norm π/Ω\sqrt{\pi/\Omega}. Normen nemen in de ontwikkeling van vraag 14: ∥f∥22=πΩ∑n∣f(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)=sin⁡2(Ωx)Ωxg(x) = \sin(\Omega x)\operatorname{sinc} (\Omega x) = \frac{\sin^2(\Omega x)}{\Omega x} verdwijnt in elk roosterpunt nπΩ\frac{n\pi}\Omega (ook in 00, met de limiet) en is niet identiek nul. Haar band: schrijf g=12i(eiΩx−e−iΩx)sinc⁡(Ωx)g = \frac1{2\iu}\bigl(\eu^{\iu \Omega x} - \eu^{-\iu\Omega x}\bigr)\operatorname{sinc}(\Omega x); modulatie met e±iΩx\eu^{\pm\iu\Omega x} verschuift de getransformeerde over ∓Ω\mp\Omega, dus heeft g^\hat g drager in [−2Ω, 2Ω]\intcc{-2\Omega}{2\Omega} (zelfs in de vereniging van twee verschoven banden): g∈PW2Ωg \in PW_{2\Omega}, onzichtbaar voor bemonstering met snelheid Ω\Omega — aliasing in levenden lijve.

17. Volgens vraag 15 dragen de monsters de energie democratisch: ∥f∥2=πΩ∑∣f(nπ/Ω)∣2\norm f^2 = \frac\pi\Omega\sum \abs{f(n\pi/\Omega)}^2. Is de energie van het signaal buiten het tijdvenster [−T/2, T/2]\intcc{-T/2}{T/2} hoogstens ε2∥f∥2\varepsilon^2\norm f^2, dan voldoen de monsters buiten het venster (op randtermen na, beheerst door de uniforme afschatting van vraag 12) aan πΩ∑∣nπ/Ω∣>T/2∣f(nπ/Ω)∣2≈∥f 1∣x∣>T/2∥2≤ε2∥f∥2\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: de bemonsteringsreeks afknotten tot de ongeveer ΩTπ\frac{\Omega T}\pi indices binnen het venster reconstrueert ff op een relatieve fout ≈ε\approx \varepsilon na. Bijgevolg telt het product van tijd en bandbreedte ΩTπ\frac{\Omega T}{\pi} de effectieve reële vrijheidsgraden van het signaal — de regel achter elk audioformaat.

18. (a) sinc⁡(Ωx)\operatorname{sinc}(\Omega x) heeft monsters f(nπ/Ω)=sinc⁡(nπ)=δn0f(n\pi/\Omega) = \operatorname{sinc}(n\pi) = \delta_{n0}: de reeks reduceert tot haar term voor n=0n = 0, sinc⁡(Ωx)\operatorname{sinc}(\Omega x) — de stelling reproduceert haar eigen kern. (b) Heeft f^\hat f drager in [−Ω′, Ω′]⊆[−Ω, Ω]\intcc{-\Omega'}{\Omega'} \subseteq \intcc{-\Omega}\Omega, dan loopt elke stap van de vragen 13 en 14 woordelijk door met de grotere band Ω\Omega (de ontwikkeling van f^\hat f op het grotere interval blijft geoorloofd): sneller bemonsteren dan de eigen nyquistsnelheid verandert niets aan de reconstructie — overbemonstering is onschadelijk, en in de praktijk gunstig (er kunnen dan sneller vervallende reconstructiekernen worden gebruikt).

19. Ontwikkel e−iξx=∑k(−iξx)kk!\eu^{-\iu\xi x} = \sum_k\frac{(-\iu\xi x)^k}{k!} binnen de integraal; op [−A, A]\intcc{-A}A convergeert de reeks normaal (∑k∣ξ∣kAkk!∣f∣∈L1\sum_k\frac{\abs{\xi}^kA^k}{k!}\abs f \in L^1), dus is term voor term integreren geoorloofd:

f^(ξ)=∑k≥0(−iξ)kk!mk,∣mk∣≤Ak∥f∥1.\hat f(\xi) = \sum_{k\geq0}\frac{(-\iu\xi)^k}{k!}m_k, \qquad \abs{m_k} \leq A^k\norm f_1 .

Die afschatting laat de reeks voor elke complexe ξ\xi convergeren; rond elk punt ξ0\xi_0 geeft hergroeperen (absolute convergentie) een machtreeks in ξ−ξ0\xi - \xi_0: dus is f^\hat f overal reëel-analytisch met oneindige straal.

20. Zij gg reëel-analytisch op R\R (haar taylorreeks convergeert nabij elk punt naar gg) en Z={ξ:g(k)(ξ)=0 ∀k}Z = \{\xi : g^{(k)}(\xi) = 0\ \forall k\}. ZZ is gesloten (doorsnede van gesloten verzamelingen); ze is open, want in ξ0∈Z\xi_0 \in Z is de lokale taylorontwikkeling van gg de nulreeks, zodat gg nabij ξ0\xi_0 identiek verdwijnt, samen met al haar afgeleiden. Verdwijnt gg op een interval, dan is Z≠∅Z \neq \varnothing; en wegens de samenhang van R\R is Z=RZ = \R: dus g≡0g \equiv 0. Had nu een f≠0f \neq 0 compacte drager samen met f^\hat f: vraag 19 maakt f^\hat f reëel-analytisch, en ze verdwijnt buiten een compacte verzameling, dus op intervallen: bijgevolg f^≡0\hat f \equiv 0, zodat f=0f = 0 b.o. wegens de injectiviteit — tegenspraak. Evenzo kan een f≠0f \neq 0 in PWΩPW_\Omega geen compacte drager hebben (verwissel de rollen van ff en f^\hat f met de inversie): bandbegrensde signalen sterven nooit, tijdbegrensde signalen bezetten een onbegrensd spectrum.

21. Voor f=e−ax2f = \eu^{-ax^2} is ∥f∥22=π2a\norm f_2^2 = \sqrt{\frac\pi{2a}} en ∫x2∣f∣2=14aπ2a\int x^2\abs f^2 = \frac1{4a}\sqrt{\frac{\pi}{2a}} (het tweede moment van de gaussische functie); verder is f^=πa e−ξ2/4a\hat f = \sqrt{\frac\pi a}\,\eu^{-\xi^2/4a} (Voorbeeld 14.2) en

12π∫ξ2∣f^∣2 ⁣dξ=12π⋅πa∫ξ2e−ξ2/2a ⁣dξ=12a⋅a2πa=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 .

Genormeerd product: 14aπ2a⋅2πa2/π2a=14\frac1{4a}\sqrt{\frac\pi{2a}}\cdot \frac{\sqrt{2\pi a}}2\big/\frac{\pi}{2a} = \frac14, onafhankelijk van aa. De schaling verklaart die constantheid: ff door f(λ⋅)f(\lambda\cdot) vervangen vermenigvuldigt ∫x2∣f∣2/∥f∥2\int x^2\abs f^2/\norm f^2 met λ−2\lambda^{-2} en 12π∫ξ2∣f^∣2/∥f∥2\frac1{2\pi}\int\xi^2\abs{\hat f}^2/\norm f^2 met λ2\lambda^{2}: het product is een dilatatie-invariant, en de gaussische functies vormen één dilatatiebaan.

22. Met ∣f∣2\abs f^2 als positiedichtheid en 12π∣f^∣2\frac1{2\pi}\abs{\hat f}^2 als impulsdichtheid van een kwantumtoestand (de fysische eenheden voeren ℏ\hbar in) luidt Oefening 14.8 σxσp≥ℏ2\sigma_x\sigma_p \geq \frac\hbar2: geen enkele toestand is scherp in beide observabelen. Doorheen het hoofdstuk draagt één wet vijf pakken: warmte strijkt ogenblikkelijk glad omdat e−tξ2\eu^{-t\xi^2} de hoge frequenties vernietigt (Deel II); de stroming kan niet achterwaarts lopen omdat ze herstellen onbegrensd is (Deel IV); een bandbegrensd signaal is stijf genoeg om op een aftelbaar rooster te leven (Deel V); geen enkele functie duikt onder de bodem van Heisenberg; en geen enkele functie heeft aan beide zijden van de transformatie compacte drager (vragen 19 en 20). Wat f^\hat f op oneindig doet, regeert wat ff waar dan ook mag doen.

23. Zowel gtg_t als gsg_s ligt in L1L^1 met gt^(ξ)=e−tξ2\widehat{g_t}(\xi) = \eu^{-t\xi^2} (de berekening van vraag 1), dus geeft de convolutiestelling gt∗gs^=e−tξ2e−sξ2=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}}; twee L1L^1-functies met dezelfde getransformeerde vallen b.o. samen (injectiviteit, via de inversiestelling — hier zijn beide leden continu, dus vallen ze overal samen): gt∗gs=gt+sg_t * g_s = g_{t+s}. Bijgevolg is u(t+s)=gt+s∗f=gs∗(gt∗f)=gs∗u(t)u(t + s) = g_{t+s} * f = g_s * (g_t * f) = g_s * u(t) (associativiteit van de convolutie, Tonelli). Log-convexiteit: zij N(t)=∥u(t)∥22=12π∫e−2tξ2∣f^∣2 ⁣dξN(t) = \norm{u(t)}_2^2 = \frac1{2\pi}\int \eu^{-2t\xi^2}\abs{\hat f}^2\dd\xi (Plancherel, vraag 8). Voor t=t1+t22t = \frac{t_1 + t_2}2 schrijf je

e−2tξ2∣f^∣2=(e−2t1ξ2∣f^∣2)1/2(e−2t2ξ2∣f^∣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},

en Cauchy–Schwarz geeft N(t1+t22)≤N(t1) N(t2)N\bigl(\frac{t_1+t_2}2\bigr) \leq \sqrt{N(t_1)\,N(t_2)}: dus is ln⁡N\ln N convex in het midden, en omdat ze continu is (gedomineerde convergentie in tt), convex; en dus ook ln⁡∥u(t)∥2=12ln⁡N(t)\ln\norm{u(t)}_2 = \frac12\ln N(t). Verval met een convexe logaritme: de warmtestroming kan geen energie in een uitbarsting verliezen om daarna stil te vallen.

24. De momenten van de kern: ∫gt=1\int g_t = 1 (vraag 7 met f=gsf = g_s, of rechtstreeks de gaussische integraal), ∫x gt(x) ⁣dx=0\int x\,g_t(x)\dd x = 0 (oneven integrand), en, met de substitutie x=2t vx = 2\sqrt t\,v,

∫Rx2gt(x)  ⁣dx=4tπ∫Rv2e−v2 ⁣dv=2t.\int_\R x^2g_t(x)\,\dd x = \frac{4t}{\sqrt\pi}\int_\R v^2\eu^{-v^2}\dd v = 2t .

Substitueer x=z+yx = z + y in de convolutie en merk op dat ∬(∣z∣+∣y∣)2gt(z)f(y)  ⁣dz  ⁣dy<∞\iint(\abs z + \abs y)^2g_t(z)f(y)\,\dd z\,\dd y < \infty (elk van ∫∣z∣kgt\int\abs z^kg_t en ∫∣y∣kf\int\abs y^kf is eindig voor k≤2k \leq 2, met ∣y∣≤1+y22\abs y \leq \frac{1 + y^2}2); Fubini en Tonelli zijn dan van toepassing op de momentintegralen hieronder:

∫x u(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,

wat de eerste bewering is; en

∬(z+y)2gt(z)f(y)  ⁣dz  ⁣dy=2t∫f+2⋅0⋅ ⁣∫ ⁣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 ,

de tweede. Gemiddelden tellen op, varianties tellen op, en de kern draagt gemiddelde 00 en variantie 2t2t bij: na tijd tt heeft de warmte zich over een breedte van de orde 2t\sqrt{2t} verspreid — de afstand groeit als de vierkantswortel van de tijd, het handschrift van de diffusie (en van de brownse paden van Hoofdstuk 22).

25. Aan de kant van de transformatie: f^(ξ)=π e−ξ2/4\hat f(\xi) = \sqrt\pi\,\eu^{-\xi^2/4}, dus u^(t,ξ)=π e−(t+14)ξ2\hat u(t,\xi) = \sqrt\pi\,\eu^{-(t + \frac14)\xi^2}, en dat is de getransformeerde van (1+4t)−1/2exp⁡(−x2/(1+4t))(1 + 4t)^{-1/2}\exp\bigl(-x^2/(1+4t)\bigr) (het gaussische woordenboek e−ax2↦π/a e−ξ2/4a\eu^{-ax^2} \mapsto \sqrt{\pi/a}\,\eu^{-\xi^2/4a} met a=11+4ta = \frac1{1+4t}): de gesloten vorm. Rechtstreekse controle, met σ=1+4t\sigma = 1 + 4t:

∂tu=σ−1/2e−x2/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 ,

beide leden berekend uit ∂xu=−2xσ u\partial_xu = -\frac{2x}\sigma\,u. Behoud: ∫u(t)=σ−1/2πσ=π\int u(t) = \sigma^{-1/2}\sqrt{\pi\sigma} = \sqrt\pi voor alle tt. Dissipatie:

∥u(t)∥22=1σ∫e−2x2/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},

dus ∥u(t)∥2=(π/2)1/4(1+4t)−1/4\norm{u(t)}_2 = (\pi/2)^{1/4}(1+4t)^{-1/4}, niet-stijgend met convexe logaritme (vraag 23); de L2L^2-norm vervalt als t−1/4t^{-1/4}, precies de helft van de exponent t−1/2t^{-1/2} van ∥u(t)∥∞\norm{u(t)}_\infty — in overeenstemming met ∥u∥22≤∥u∥∞∥u∥1\norm u_2^2 \leq \norm u_\infty\norm u_1 en het behoud van ∥u∥1\norm u_1. Variantie: ∫x2u(t)=1σ⋅σ3/2π2=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, zoals vraag 24 voorspelt (∫x2f=π2\int x^2f = \frac{\sqrt\pi}2, ∫f=π\int f = \sqrt\pi). Bij t=6t = 6: σ=25\sigma = 25, piekhoogte u(6,0)=15u(6, 0) = \frac15 tegenover u(0,0)=1u(0,0) = 1, een breedteschaal σ=5\sqrt\sigma = 5 maal de aanvankelijke, en de hele tijd ∫u=π≈1.7725\int u = \sqrt\pi \approx 1.7725: de vlek is vijf keer lager, vijf keer breder, en er ontbreekt geen enkele calorie.

Begrippen gedefinieerd in dit hoofdstuk

Bekijk alle 395 begrippen in de begrippenlijst