实分析作业-第四周

  1. 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 fg(x)=2π102πf(xy)g(y)dy,证明:
     (a). f ∗ g ( x ) f*g(x) fg(x)连续
     (b). f ∗ g ^ ( n ) = f ^ ( n ) g ^ ( n ) \widehat{f*g}(n)=\hat f(n)\hat g(n) fg (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).========fg(x+δ)fg(x)2π102πg(y)[f(x+δy)f(xy)]dy(2π)2102πg(y)2dy02πf(x+δy)f(xy)2dy [0,2π]supg2π102πf(x+δy)f(xy)2dy ffxy,δ,s.t.f(x+δy)f(xy)0sup[f(x+δy)f(xy)]0(δ0)02πf(x+δy)f(xy)2dy0(δ0)fg(x+δ)fg(x)0(δ0)fg(x)fg (n)2π102πfg(x)einxdx2π102π02πf(xy)g(y)einxdydx2π102πg(y)einy[2π102πf(xy)ein(xy)dx]dy2π102πg(y)einy[2π102πf(xy)ein(xy)d(xy)]dy2π102πg(y)einy[2π10y2πyf(x)einxdx]dy2π102πg(y)einy[2π102πf(x)einxdx]dy2π102πg(y)einydy[2π102πf(x)einxdx]f^(n)g^(n)

 ( a). 说明Good Kernel的性质
 ( b).证明Theorem4.1在这里插入图片描述

 ( 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.n1,2π1ππKn(x)dx=12.M>0,使n1,ππKn(x)dxM3.δ>0,δxπKn(x)dx0(n)fKn(x)f(x)2π1ππ[f(xy)f(x)]Kn(y)dy2π1y<δ[f(xy)f(x)]Kn(y)dy+2π1δyπ[f(xy)f(x)]Kn(y)dy2πsup[f(xy)f(x)]2δy<δKn(y)dy+2πsup[f(xy)f(x)]2[πδ]δyπKn(y)dy2πsup[f(xy)f(x)]2δM+2πsup[f(xy)f(x)]2[πδ]δyπKn(y)dy0(δ,n0)

  1. 习题2.7
    在这里插入图片描述
    ( 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).N=M+1n=MNanbnN>M+1n=MNanbnSN=n=0Nanbn,BnBnlimSN==========aMbM+aM+1bM+1aN(BNBM)+aM(BMBM1)aNBNaMBM1(aNaM)BMaNBNaMBM1n=MN1(an+1an)BnaNbN+n=MN1anbnaN(BNBN1)+aN1BN1aMBMn=MN2(an+1an)BnaNBN+aN1BN1aMBMn=MN1(an+1an)BnaNBN+aN1BN1n=0N1(an+1an)BnaNB+aN1Bn=0N1(an+1an)BB[n=0Nann=1N1an+aN1]B[an1a0]<
  2. 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>0neinx==n>0n1einx=n>0neinxn>0n1einxn>0ncosnx+isinnxn>0ncosnx+in>0nsinnxk=1Ncoskx,k=1Nsinkxx=2nπ,n10n>0ncosnxn>0nsinnxn>0neinxn>0ncos(nx)+isin(nx)n=0neinx
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