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本文章将介绍证明傅立叶级数一致收敛问题前的重要一步,该论述由天才少年Fejér提出。《傅立叶的梦》也是指本系列文章的最终定理:傅立叶级数的一致收敛。

一天,19岁的Fejér(费耶尔,j几乎不发音)突然灵机一动,拿笔写下了如下定理:

定理1: 连续周期函数的平均和一致收敛

f(x) 是 定义在[-\pi,\pi] 上的连续函数。并且是满足 f(-\pi)=f(\pi) 的周期为 2\pi 的周期函数。设 S_n 为由 f 构造出的傅立叶级数部分和函数列,具体地:

S_n(x) := \frac{a_0}{2}+\sum_{k=1}^{n-1}(a_k\cos{kx}+b_k\sin{kx})

并且按照如下定义 A_n (后来叫做切萨罗求和):

A_n(x) := \frac{1}{n}\sum_{k=1}^nS_k(x)

n\rightarrow \infty 的时候, A_n(x)[-\pi,\pi] 上向 f(x) 一致收敛。
之后简称“连续周期函数的平均和一致收敛”

到这里,Fejér看了看窗外,想了想,又继续写道:

定理1的证明

因为

S_n(x) := \frac{a_0}{2}+\sum_{k=1}^{n-1}(a_k\cos{kx}+b_k\sin{kx}) \\ \left\{\begin{matrix} a_k=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(y)\cos{ky}dy,\quad k=0,1,2,\cdots \\  b_k=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(y)\sin{ky}dy,\quad k=1,2,\cdots \end{matrix}\right. 

a_k,b_k 代入 S_n(x) 并使用三角函数加法定理可得

S_n(x)=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(y)\left\{ \frac{1}{2}+\sum_{k=1}^{n-1}\cos{k(y-x)}\right\}dy

定义Fejér核函数

定义 \sigma_n(t) (叫做:Fejér核)为下式:

\sigma_n(t) := \frac{1}{2}+\sum_{k=1}^{n-1}\cos{kt}

Fejér核函数结论1

S_n(x)=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(y)\sigma_n(y-x)dy

Fejér核函数结论2

这里注意,使用欧拉公式,和倍角公式,Fejér核的求和可变形为(推荐读者挑战一下):

\frac{1}{N}\sum_{n=1}^N\sigma_n(t) = \frac{1}{2N}(\frac{\sin{\frac{Nt}{2}}}{\sin{\frac{t}{2}}})^2

将Fejér核函数引入证明

因为 f(x) 是周期函数,可有如下字母置换

\int_{-\pi}^{\pi}f(y)\sigma_n(y-x)dy = \int_{-\pi}^{\pi}f(x+z)\sigma_n(z)dz

A_N(x)=\frac{1}{N}(S_1+S_2+\cdots+S_N)\\ =\frac{1}{N}\sum_{k=1}^N\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(y)\sigma_n(y-x)dy \\ =\frac{1}{\pi N}\int_{-\pi}^{\pi}f(x+y)\sum_{k=1}^N\sigma_n(y)dy

根据前面的Fejér核求和变形,有:

A_N(x)=\frac{1}{2\pi N}\int_{-\pi}^{\pi}f(x+y)\frac{\sin^2{Ny/2}}{\sin^2{y/2}}dy

寻找“1”的巧妙表达

注意,如果 f(x)=1 ,那么它的傅立叶级数的系数就只有 a_0=1 一项存在,其余为 0 ,故其对应的切萨罗求和为

A_N(x)=\frac{1}{N}(1+1+\cdots +1) = 1

1 = \frac{1}{2\pi N}\int_{-\pi}^{\pi}\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy.

引入“1”

根据常用手法恒等变换:

A_N(x)-f(x) = A_N(x)-f(x)\cdot 1

结合上面的 1 ,我们有

A_N(x)-f(x) = \frac{1}{2\pi N}\int_{-\pi}^{\pi}\left\{f(x+y)-f(x)\right\}\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy.

使用极限定义进行一致连续性证明

这里我们开始做分析:
因为 f(x) 在区间 [-\pi,\pi] 上连续可得 f(x) 为一致连续函数,即

\forall \epsilon \in \mathbb{R},\exists \delta \in \mathbb{R} \quad s.t.  \forall x\in [-\pi,\pi] , \forall y \in \mathbb{R} \\ \epsilon>0,\delta >0,|y|<\delta \Rightarrow |f(x+y)-f(x)|<\epsilon

现在按顺序依次固定 \epsilon,\delta ,这时上式子右面积分可以分割为三部分:

A_N(x)-f(x)=\frac{1}{2\pi N}\left\{\int_{-\pi}^{-\delta}\cdots + \int_{-\delta}^{\delta}\cdots + \int_{\delta}^{\pi} (f(x+y)-f(x))\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy\right\} \\ =: I_1+I_2+I_3

现在处理中间 I_2

|I_2| \leq \frac{1}{2\pi N}\int_{-\delta}^{\delta}|f(x+y)-f(x)|\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy \\ \leq \frac{\epsilon}{2\pi N}\int_{-\delta}^{\delta}\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy \\ \leq \frac{\epsilon}{2\pi N}\int_{-\pi}^{\pi}\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy  = \epsilon

另一方面, f(x) 在闭区间连续 \Rightarrow f 一致有界。即

\exists M>0 \quad s.t. \quad |f(x)|<M \\ \Rightarrow |f(x+y)-f(x)| \leq 2M

所以第三项:

\frac{1}{2\pi N}|\int_{\delta}^{\pi}\left\{ f(x+y) - f(x) \right\}\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy|\\ \leq \frac{1}{2\pi N}\int_{\delta}^{\pi}| f(x+y) - f(x) |\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy\\ \leq \frac{M}{\pi N}\int_{\delta}^{\pi}\frac{\sin^2Ny/2}{\sin^2y/2}dy\\ \leq \frac{M}{\pi N}\int_{\delta}^{\pi}\frac{1}{\sin^2y/2}dy\\ \leq \frac{M(\pi-\delta)}{\pi N}\frac{1}{\sin^2\delta/2} \\ \leq \frac{M}{N\sin^2\delta/2}.

同理第一项也可以整理成这个形式。综上:

|A_N(x)-f(x)|\leq \epsilon + \frac{2M}{N\sin^2\delta/2}

当 N 足够大时,可以有

|A_N(x)-f(x)|\leq \epsilon + \epsilon

根据 \epsilon 的任意性。 \mathrm{Q.E.D}

       

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