13.2 知识点复习
13.2.1 Fourier级数
重要概念回顾
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(1)
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函数内积:设为以为周期的函数,则定义的内积为
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(2)
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Fourier级数:设为以为周期的函数,可积且绝对可积,定义
则的(形式)Fourier级数为
应用
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(1)
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利用分离变量法求解一维波动方程:
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(2)
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证明:,收敛当且仅当()。
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(3)
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证明:,由此可得。
注
设,则有
13.2.2 Fourier级数的收敛性
重要概念回顾
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(1)
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范数:设为以为周期的函数,则定义的范数为
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(2)
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平方收敛:若当有,则称平方收敛于,记作。
重要定理回顾
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(1)
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逐点收敛:设分段连续、分段可微,且对的任意跳跃间断点,有限,则,的Fourier级数收敛,且有
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(2)
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最小二乘:设为的Fourier级数的部分和,记
所有以为周期的平方可积函数构成Hilbert空间,为线性子空间且,则有
即在所有倍频正余弦函数的线性组合中,Fourier级数的前项部分和是距离最近的一个。
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(3)
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Bessel不等式:
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(4)
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Parseval等式:
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(5)
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,Parseval等式成立,且。
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(6)
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设,,则有
应用
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(1)
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证明等周不等式:设简单闭曲线的长度为、围成的面积为,则有。
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(2)
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设,寻找以下常微分方程的周期解:
注
Bessel不等式、Parseval等式本质上都是空间的内积。以为例,我们有
令、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,即或称在上绝对可积,定义的(形式)Fourier级数为
其中
合并写为
由于
故有
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),就可得到Fourier变换。设,即,记
考虑上的Fourier级数
现在令,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。
令,即将以原点为起点、向左右每隔划分区间,用区间的左端点代替区间上的函数值,由此得到的Riemann和为
由此得到Fourier变换和逆变换的公式
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、在离散指标集上对的求和”推广到“无界区间、在连续指标集上对的积分”。
Fourier变换可以推广到高维空间,其变换与逆变换的公式为
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。
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(1)
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线性性质:
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(2)
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微分性质:
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(3)
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积分性质:若的Fourier变换存在,且,则
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(4)
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像函数微分性质:
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(5)
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像函数积分性质:下式中为适当的常数
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(6)
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频移与时移性质:
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(7)
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相似性质:
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(8)
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卷积性质:
其中卷积的定义为
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(9)
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像函数卷积性质:
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(10)
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反射性质:
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。