13.2 知识点复习

13.2.1 Fourier级数

重要概念回顾

(1)

函数内积:设f,g为以2π为周期的函数,则定义f,g的内积为(1)f,g=ππf(x)g(x)dx

(2)

Fourier级数:设f,g为以2π为周期的函数,可积且绝对可积,定义(2)An=1πππf(x)cosnxdx,Bn=1πππf(x)sinnxdxf的(形式)Fourier级数为(3)f(x)12A0+n=1+(Ancosnx+Bnsinnx)

应用

(1)

利用分离变量法求解一维波动方程:(4){utt=a2uxx,x(T2,T2),t>0u(x,0)=φ(x),x(T2,T2)ut(x,0)=ψ(x),x(T2,T2)u(T2,t)=u(T2,t)=0,t>0

(2)

证明:n=1+sinnxn=πx2,收敛当且仅当x2kπkZ)。

(3)

证明:n=1+cosnxn2=π26+x22πx4,由此可得n=1+(1)nn2cosnx=3x2π212

m,nN,则有(5)cosnx,cosmx={2π,m=n=0π,m=n10,mnsinnx,sinmx={π,m=n10,mncosnx,sinmx=0

13.2.2 Fourier级数的收敛性

重要概念回顾

(1)

L2范数:设f为以2π为周期的函数,则定义fL2范数为(6)f2=f,f=ππ|f(x)|2dx

(2)

平方收敛:若当n+fnf20,则称fn平方收敛于f,记作fnL2f

重要定理回顾

(1)

逐点收敛:设f分段连续、分段可微,且对f的任意跳跃间断点x0f(x0),f(x0+)有限,则xf的Fourier级数S收敛,且有(7)S(x)=12[f(x+)+f(x)]

(2)

最小二乘:设SN=A02+n=1N(Ancosnx+Bnsinnx)f的Fourier级数的部分和,记(8)WN={α02+n=1N(αncosnx+βnsinnx)|αn,βnR} 所有以2π为周期的平方可积函数L2π2[π,π]构成Hilbert空间,WNL2为线性子空间且dimWN=2N+1,则有(9)SN=argminTWN fT2 即在所有1N倍频正余弦函数的线性组合WN中,Fourier级数的前N项部分和SN是距离f最近的一个。

(3)

Bessel不等式(10)A022+n=1N(An2+Bn2)1πππ|f(x)|2dx

(4)

Parseval等式(11)A022+n=1+(An2+Bn2)=1πππ|f(x)|2dx

(5)

fL2,Parseval等式成立,且SNL2f

(6)

f(x)=A02+n=1+(Ancosnx+Bnsinnx)g(x)=α02+n=1+(αncosnx+βnsinnx),则有(12)1πππf(x)g(x)dx=A0α02+n=1+(Anαn+Bnβn)

应用

(1)

证明等周不等式:设简单闭C2曲线γ的长度为L、围成的面积为A,则有L24πA

(2)

λR,寻找以下常微分方程的周期解:(13){y+λy=sinx,xRy(0)=y(2π),y(0)=y(2π)

Bessel不等式、Parseval等式本质上都是L2空间的内积。以f,g为例,我们有(14)f,g=A02+n=1+(Ancosnx+Bnsinnx), α02+m=1+(αmcosmx+βmsinmx)=A02,α02+n=1+m=1+Ancosnx+Bnsinnx, αmcosmx+βmsinmx=A0α02π+n=1+(Anαncosnx,cosnx+Bnβnsinnx,sinnx)=A0α02π+πn=1+(Anαn+Bnβn)An=αnBn=βn即可得到Parseval等式,取有限项和即为Bessel不等式。

13.2.3 *Fourier变换

我们从任意对称区间上的Fourier级数出发,通过对区间长度取极限得到Fourier变换的表达式。

首先考虑复数形式的Fourier级数。设fL1[L,L],即LL|f(x)|dx<+或称f[L,L]上绝对可积,定义f的(形式)Fourier级数为(15)f(x)12A0+n=1+(AncosnπxL+BnsinnπxL) 其中(16)An=1LLLf(x)cosnπxLdx,Bn=1LLLf(x)sinnπxLdx 合并写为1(17)f(x)12A0+n=1+1L[cosnπxLLLf(y)cosnπyLdy+sinnπxLLLf(y)sinnπyLdy]=12A0+n=1+1LLLf(y)cosnπ(xy)Ldy=n=+12LLLf(y)cosnπ(xy)Ldy 由于(18)n=+12LLLf(y)sinnπ(xy)Ldy=0 故有(19)f(x)n=+12LLLf(y)einπ(xy)/Ldy=n=+12LLLf(y)einπy/LdyCneinπx/L=:n=+Cneinπx/L 由此得到Fourier级数的复数形式。

Fourier级数研究的是有界(对称)区间上的函数,对区间长度取极限、将其延伸到无界区间(即R),就可得到Fourier变换。设fL1(R),即+|f(x)|dx<+,记(20)f^L(ξ):=LLf(x)eiξxdx,f^(ξ):=+f(x)eiξxdx,ξR 考虑[L,L]上的Fourier级数(21)f(x)n=+Cneinπx/L=12πn=+f^L(nπL)einπx/LπL 现在令L+,考虑这个求和式的几何意义。我们跳过对收敛性的讨论,因为它不是我们的重点,感兴趣的同学可以自行尝试。

ξ=nπL,即将R以原点为起点、向左右每隔Δξ=πL划分区间,用区间的左端点ξn=nπL代替区间[nπL,(n+1)πL)eixξf^(ξ)的函数值,由此得到的Riemann和为(22)n=+f^L(nπL)einπx/LπL=n=+f^L(ξn)eixξnΔξL++f^(ξ)eixξdξ 由此得到Fourier变换和逆变换的公式2(23)f^(ξ)=F[f](ξ)=+f(x)eiξxdx,f(x)=F1[f^](x)=12π+f^(ξ)eixξdξ 与Fourier级数的复数形式对比即可发现,Fourier变换相当于把“有界区间[L,L]、在离散指标集nZ上对Cn的求和”推广到“无界区间R、在连续指标集ξR上对f^(ξ)的积分”。

Fourier变换可以推广到高维空间,其变换与逆变换的公式为(24)f^(ξ)=F[f](ξ)=Rnf(x)eiξxdnx,f(x)=F1[f^](x)=1(2π)nRnf^(ξ)eiξxdnξ

13.2.4 *Fourier变换的性质

Fourier变换的主要性质如下。同样地,我们不在此处证明它们,感兴趣的读者可自行证明。

(1)

线性性质:(25)F[c1f+c2g]=c1F[f]+c2F[g]

(2)

微分性质:(26)F[k1++knfx1k1xnkn](ξ)=(iξ1)k1(iξn)knF[f](ξ)

(3)

积分性质:若xjf(y)dyj的Fourier变换存在,且f^(0)=0,则(27)F[xjf(y)dyj](ξ)=1iξjF[f](ξ)

(4)

像函数微分性质:(28)F[(ix1)k1(ixn)knf(x)]=k1++knf^ξ1k1ξnkn

(5)

像函数积分性质:下式中C1,C2为适当的常数(29)F[f(x)ixj](ξ)=ξjf^(y)dyj+C1 (30)F[f(x)ixj](ξ)=ξj+f^(y)dyj+C2

(6)

频移与时移性质:(31)F[f(x)eiξ0x](ξ)=f^(ξξ0) (32)F[f(xx0)](ξ)=f^(ξ)eix0ξ

(7)

相似性质:(33)F[f(k1x1,,knxn)](ξ)=1|k1kn|f^(ξ1k1,,ξnkn)

(8)

卷积性质:(34)F[fg]=F[f]F[g] 其中卷积的定义为(35)(fg)(x)=Rnf(y)g(xy)dny

(9)

像函数卷积性质:(36)F[fg]=1(2π)nF[f]F[g]

(10)

反射性质:(37)F[f^](ξ)=(2π)nf(ξ)

由于微分性质和卷积性质的存在,Fourier变换可以把函数空间中(对其中一个自变量)的微分运算变成像函数空间中(对变换变量)的代数运算,在求解偏微分方程(Partial Differential Equation, PDE)时可以减少自变量个数,特别是将两变量PDE降为ODE、为求解带来方便。因此Fourier变换最常用的应用就是求解PDE,我们将在习题课讲解中举几个例子。

1此处的n=+表示对称求和,即limN+n=NN

2Fourier变换系数有多种形式,常见形式有数学、物理、信号处理等,此处为数学形式。