- 若
f
g
fg
fg均为周期
2
π
2\pi
2π的可积函数,定义
f
∗
g
(
x
)
=
1
2
π
∫
0
2
π
f
(
x
−
y
)
g
(
y
)
d
y
f*g(x)=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}f(x-y)g(y)dy
f∗g(x)=2π1∫02πf(x−y)g(y)dy,证明:
(a). f ∗ g ( x ) f*g(x) f∗g(x)连续
(b). f ∗ g ^ ( n ) = f ^ ( n ) g ^ ( n ) \widehat{f*g}(n)=\hat f(n)\hat g(n) f∗g (n)=f^(n)g^(n)
( a ) . ∣ f ∗ g ( x + δ ) − f ∗ g ( x ) ∣ = 1 2 π ∣ ∫ 0 2 π g ( y ) [ f ( x + δ − y ) − f ( x − y ) ] d y ∣ ≤ 1 ( 2 π ) 2 ∫ 0 2 π ∣ g ( y ) ∣ 2 d y ∫ 0 2 π ∣ f ( x + δ − y ) − f ( x − y ) ∣ 2 d y ≤ ∣ sup [ 0 , 2 π ] g ∣ 1 2 π ∫ 0 2 π ∣ f ( x + δ − y ) − f ( x − y ) ∣ 2 d y 又 f 可 积 , 故 f 至 多 有 有 限 个 间 断 点 ∴ ∀ x − y , ∃ 足 够 小 的 δ , s . t . f ( x + δ − y ) − f ( x − y ) → 0 ∴ sup [ f ( x + δ − y ) − f ( x − y ) ] → 0 ( δ → 0 ) ∴ ∫ 0 2 π ∣ f ( x + δ − y ) − f ( x − y ) ∣ 2 d y → 0 ( δ → 0 ) ∴ ∣ f ∗ g ( x + δ ) − f ∗ g ( x ) ∣ → 0 ( δ → 0 ) 即 f ∗ g ( x ) 连 续 ( b ) . f ∗ g ^ ( n ) = 1 2 π ∫ 0 2 π f ∗ g ( x ) e − i n x d x = 1 2 π ∫ 0 2 π ∫ 0 2 π f ( x − y ) g ( y ) e − i n x d y d x = 1 2 π ∫ 0 2 π g ( y ) e − i n y [ 1 2 π ∫ 0 2 π f ( x − y ) e − i n ( x − y ) d x ] d y = 1 2 π ∫ 0 2 π g ( y ) e − i n y [ 1 2 π ∫ 0 2 π f ( x − y ) e − i n ( x − y ) d ( x − y ) ] d y = 1 2 π ∫ 0 2 π g ( y ) e − i n y [ 1 2 π ∫ 0 − y 2 π − y f ( x ) e − i n x d x ] d y = 1 2 π ∫ 0 2 π g ( y ) e − i n y [ 1 2 π ∫ 0 2 π f ( x ) e − i n x d x ] d y = 1 2 π ∫ 0 2 π g ( y ) e − i n y d y [ 1 2 π ∫ 0 2 π f ( x ) e − i n x d x ] = f ^ ( n ) g ^ ( n ) \begin{aligned} (a).&|f*g(x+\delta)-f*g(x)|\\ =&\frac1{2\pi}|\int_0^{2\pi}g(y)[f(x+\delta-y)-f(x-y)]dy|\\ \le&\sqrt{\frac1{(2\pi)^2}\int_0^{2\pi}|g(y)|^2dy\int_0^{2\pi}|f(x+\delta-y)-f(x-y)|^2dy}\\ \le&|\sup_{[0,2\pi]}g|\sqrt{\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}|f(x+\delta-y)-f(x-y)|^2dy}\\ &又f可积,故f至多有有限个间断点\\ &\therefore\forall x-y,\exist足够小的\delta,\bold{s.t.}f(x+\delta-y)-f(x-y)\to0\\ &\therefore\sup[f(x+\delta-y)-f(x-y)]\to0(\delta\to0)\\ &\therefore\int_0^{2\pi}|f(x+\delta-y)-f(x-y)|^2dy\to0(\delta\to0)\\ &\therefore|f*g(x+\delta)-f*g(x)|\to0(\delta\to0)\\ &即f*g(x)连续\\ (b).&\widehat{f*g}(n)\\ =&\frac1{2\pi }\int_0^{2\pi}f*g(x)e^{-inx}dx\\ =&\frac1{2\pi }\int_0^{2\pi}\int_0^{2\pi}f(x-y)g(y)e^{-inx}dydx\\ =&\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(y)e^{-iny}[\frac1{2\pi }\int_0^{2\pi}f(x-y)e^{-in(x-y)}dx]dy\\ =&\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(y)e^{-iny}[\frac1{2\pi }\int_0^{2\pi}f(x-y)e^{-in(x-y)}d(x-y)]dy\\ =&\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(y)e^{-iny}[\frac1{2\pi }\int_{0-y}^{2\pi-y}f(x)e^{-inx}dx]dy\\ =&\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(y)e^{-iny}[\frac1{2\pi }\int_0^{2\pi}f(x)e^{-inx}dx]dy\\ =&\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}g(y)e^{-iny}dy[\frac1{2\pi }\int_0^{2\pi}f(x)e^{-inx}dx]\\ =&\hat f(n)\hat g(n) \end{aligned} (a).=≤≤(b).========∣f∗g(x+δ)−f∗g(x)∣2π1∣∫02πg(y)[f(x+δ−y)−f(x−y)]dy∣(2π)21∫02π∣g(y)∣2dy∫02π∣f(x+δ−y)−f(x−y)∣2dy∣[0,2π]supg∣2π1∫02π∣f(x+δ−y)−f(x−y)∣2dy又f可积,故f至多有有限个间断点∴∀x−y,∃足够小的δ,s.t.f(x+δ−y)−f(x−y)→0∴sup[f(x+δ−y)−f(x−y)]→0(δ→0)∴∫02π∣f(x+δ−y)−f(x−y)∣2dy→0(δ→0)∴∣f∗g(x+δ)−f∗g(x)∣→0(δ→0)即f∗g(x)连续f∗g (n)2π1∫02πf∗g(x)e−inxdx2π1∫02π∫02πf(x−y)g(y)e−inxdydx2π1∫02πg(y)e−iny[2π1∫02πf(x−y)e−in(x−y)dx]dy2π1∫02πg(y)e−iny[2π1∫02πf(x−y)e−in(x−y)d(x−y)]dy2π1∫02πg(y)e−iny[2π1∫0−y2π−yf(x)e−inxdx]dy2π1∫02πg(y)e−iny[2π1∫02πf(x)e−inxdx]dy2π1∫02πg(y)e−inydy[2π1∫02πf(x)e−inxdx]f^(n)g^(n)
( a). 说明Good Kernel的性质
( b).证明Theorem4.1
( c). 证明fejer kernel 是good kernel(lemma 5.1)
(
a
)
.
1.
∀
n
≥
1
,
1
2
π
∫
−
π
π
K
n
(
x
)
d
x
=
1
2.
∃
M
>
0
,
使
得
对
∀
n
≥
1
,
∫
−
π
π
∣
K
n
(
x
)
∣
d
x
≤
M
3.
对
所
有
δ
>
0
,
有
∫
δ
≤
∣
x
∣
≤
π
∣
K
n
(
x
)
∣
d
x
→
0
(
n
→
∞
)
(
b
)
.
∣
f
∗
K
n
(
x
)
−
f
(
x
)
∣
≤
1
2
π
∫
−
π
π
∣
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
K
n
(
y
)
∣
d
y
=
1
2
π
∫
∣
y
∣
<
δ
∣
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
K
n
(
y
)
∣
d
y
+
1
2
π
∫
δ
≤
∣
y
∣
≤
π
∣
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
K
n
(
y
)
∣
d
y
≤
sup
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
2
δ
2
π
∫
∣
y
∣
<
δ
∣
K
n
(
y
)
∣
d
y
+
sup
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
2
[
π
−
δ
]
2
π
∫
δ
≤
∣
y
∣
≤
π
∣
K
n
(
y
)
∣
d
y
≤
sup
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
2
δ
2
π
M
+
sup
[
f
(
x
−
y
)
−
f
(
x
)
]
2
[
π
−
δ
]
2
π
∫
δ
≤
∣
y
∣
≤
π
∣
K
n
(
y
)
∣
d
y
→
0
(
δ
,
n
→
0
)
\begin{aligned} (a).&1.\forall n\ge1,\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}K_n(x)dx=1\\ &2.\exist M>0,使得对\forall n\ge1,\int_{-\pi}^{\pi}|K_n(x)|dx\le M\\ &3.对所有\delta>0,有\int_{\delta\le|x|\le\pi}|K_n(x)|dx\to0(n\to\infty)\\ (b).&|f*K_n(x)-f(x)|\\ \le&\frac1{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|[f(x-y)-f(x)]K_n(y)|dy\\ =&\frac1{2\pi}\int_{|y|<\delta}|[f(x-y)-f(x)]K_n(y)|dy+\frac1{2\pi}\int_{\delta\le|y|\le\pi}|[f(x-y)-f(x)]K_n(y)|dy\\ \le&\frac{\sup[f(x-y)-f(x)]2\delta}{2\pi}\int_{|y|<\delta}|K_n(y)|dy+\frac{\sup[f(x-y)-f(x)]2[\pi-\delta]}{2\pi}\int_{\delta\le|y|\le\pi}|K_n(y)|dy\\ \le&\frac{\sup[f(x-y)-f(x)]2\delta}{2\pi}M+\frac{\sup[f(x-y)-f(x)]2[\pi-\delta]}{2\pi}\int_{\delta\le|y|\le\pi}|K_n(y)|dy\\ \to&0(\delta,n\to0) \end{aligned}
(a).(b).≤=≤≤→1.∀n≥1,2π1∫−ππKn(x)dx=12.∃M>0,使得对∀n≥1,∫−ππ∣Kn(x)∣dx≤M3.对所有δ>0,有∫δ≤∣x∣≤π∣Kn(x)∣dx→0(n→∞)∣f∗Kn(x)−f(x)∣2π1∫−ππ∣[f(x−y)−f(x)]Kn(y)∣dy2π1∫∣y∣<δ∣[f(x−y)−f(x)]Kn(y)∣dy+2π1∫δ≤∣y∣≤π∣[f(x−y)−f(x)]Kn(y)∣dy2πsup[f(x−y)−f(x)]2δ∫∣y∣<δ∣Kn(y)∣dy+2πsup[f(x−y)−f(x)]2[π−δ]∫δ≤∣y∣≤π∣Kn(y)∣dy2πsup[f(x−y)−f(x)]2δM+2πsup[f(x−y)−f(x)]2[π−δ]∫δ≤∣y∣≤π∣Kn(y)∣dy0(δ,n→0)
- 习题2.7
( a ) . 当 N = M + 1 时 , ∑ n = M N a n b n = a M b M + a M + 1 b M + 1 = a N ( B N − B M ) + a M ( B M − B M − 1 ) = a N B N − a M B M − 1 − ( a N − a M ) B M = a N B N − a M B M − 1 − ∑ n = M N − 1 ( a n + 1 − a n ) B n 当 N > M + 1 时 , ∑ n = M N a n b n = a N b N + ∑ n = M N − 1 a n b n = a N ( B N − B N − 1 ) + a N − 1 B N − 1 − a M B M − ∑ n = M N − 2 ( a n + 1 − a n ) B n = a N B N + a N − 1 B N − 1 − a M B M − ∑ n = M N − 1 ( a n + 1 − a n ) B n 证 毕 ( b ) . 令 S N = ∑ n = 0 N a n b n , B n ≤ B 则 lim n → ∞ S N = a N B N + a N − 1 B N − 1 − ∑ n = 0 N − 1 ( a n + 1 − a n ) B n ≤ a N B + a N − 1 B − ∑ n = 0 N − 1 ( a n + 1 − a n ) B = B [ ∑ n = 0 N a n − ∑ n = 1 N − 1 a n + a N − 1 ] = B [ a n − 1 − a 0 ] < ∞ 故 级 数 收 敛 \begin{aligned} (a).&当N=M+1时,\\ &\sum_{n=M}^{N}a_nb_n&=&a_Mb_M+a_{M+1}b_{M+1}\\ &&=&a_N(B_N-B_M)+a_M(B_M-B_{M-1})\\ &&=&a_NB_N-a_MB_{M-1}-(a_N-a_M)B_M\\ &&=&a_NB_N-a_MB_{M-1}-\sum_{n=M}^{N-1}(a_{n+1}-a_n)B_n\\ &当N>M+1时,\\ &\sum_{n=M}^{N}a_nb_n&=&a_Nb_N+\sum_{n=M}^{N-1}a_nb_n\\ &&=&a_N(B_N-B_{N-1})+a_{N-1}B_{N-1}-a_MB_M-\sum_{n=M}^{N-2}(a_{n+1}-a_n)B_n\\ &&=&a_{N}B_N+a_{N-1}B_{N-1}-a_MB_M-\sum_{n=M}^{N-1}(a_{n+1}-a_n)B_n\\ &证毕\\ (b).&令S_N=\sum_{n=0}^{N}a_nb_n,B_n\le B\\ &则\lim_{n\to\infty}S_N&=&a_NB_N+a_{N-1}B_{N-1}-\sum_{n=0}^{N-1}(a_{n+1}-a_n)B_n\\ &&\le&a_NB+a_{N-1}B-\sum_{n=0}^{N-1}(a_{n+1}-a_n)B\\ &&=&B[\sum_{n=0}^Na_n-\sum_{n=1}^{N-1}a_n+a_{N-1}]\\ &&=&B[a_{n-1}-a_0]<\infty\\ &故级数收敛 \end{aligned} (a).(b).当N=M+1时,n=M∑Nanbn当N>M+1时,n=M∑Nanbn证毕令SN=n=0∑Nanbn,Bn≤B则n→∞limSN故级数收敛========≤==aMbM+aM+1bM+1aN(BN−BM)+aM(BM−BM−1)aNBN−aMBM−1−(aN−aM)BMaNBN−aMBM−1−n=M∑N−1(an+1−an)BnaNbN+n=M∑N−1anbnaN(BN−BN−1)+aN−1BN−1−aMBM−n=M∑N−2(an+1−an)BnaNBN+aN−1BN−1−aMBM−n=M∑N−1(an+1−an)BnaNBN+aN−1BN−1−n=0∑N−1(an+1−an)BnaNB+aN−1B−n=0∑N−1(an+1−an)BB[n=0∑Nan−n=1∑N−1an+aN−1]B[an−1−a0]<∞ - 利用上一题的结论,证明
∑
n
≠
0
e
i
n
x
n
\sum_{n\neq0}\frac{e^{inx}}n
∑n=0neinx对每一个x都是收敛的
将 级 数 分 为 ∑ n > 0 e i n x n 与 ∑ n > 0 1 n e − i n x ∑ n > 0 e i n x n = ∑ n > 0 cos n x + i sin n x n = ∑ n > 0 cos n x n + i ∑ n > 0 sin n x n 又 ∑ k = 1 N cos k x , ∑ k = 1 N sin k x 均 在 x ≠ n π 2 时 有 界 , 1 n 单 减 到 0 故 ∑ n > 0 cos n x n , ∑ n > 0 sin n x n 均 收 敛 ∴ ∑ n > 0 e i n x n 收 敛 ∑ n > 0 1 n e − i n x = ∑ n > 0 cos ( − n x ) + i sin ( − n x ) n 同 样 收 敛 因 此 ∑ n ≠ 0 e i n x n 收 敛 \begin{aligned} &将级数分为\sum_{n>0}\frac{e^{inx}}n与\sum_{n>0}\frac1ne^{-inx}\\ \sum_{n>0}\frac{e^{inx}}n=&\sum_{n>0}\frac{\cos nx+i\sin nx}n\\ =&\sum_{n>0}\frac{\cos nx}n+i\sum_{n>0}\frac{\sin nx}n\\ &又\sum_{k=1}^N\cos kx,\sum_{k=1}^N\sin kx均在x\neq\frac{n\pi}2时有界,\frac1n单减到0\\ &故\sum_{n>0}\frac{\cos nx}n,\sum_{n>0}\frac{\sin nx}n均收敛\\ &\therefore\sum_{n>0}\frac{e^{inx}}n收敛\\ \sum_{n>0}\frac1{n}e^{-inx}=&\sum_{n>0}\frac{\cos(-nx)+i\sin(-nx)}n同样收敛\\ &因此\sum_{n\neq0}\frac{e^{inx}}n收敛 \end{aligned} n>0∑neinx==n>0∑n1e−inx=将级数分为n>0∑neinx与n>0∑n1e−inxn>0∑ncosnx+isinnxn>0∑ncosnx+in>0∑nsinnx又k=1∑Ncoskx,k=1∑Nsinkx均在x=2nπ时有界,n1单减到0故n>0∑ncosnx,n>0∑nsinnx均收敛∴n>0∑neinx收敛n>0∑ncos(−nx)+isin(−nx)同样收敛因此n=0∑neinx收敛