Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Telyakovsky_3_semestr.pdf
Скачиваний:
321
Добавлен:
05.06.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Глава 19. Ряды Фурье по тригонометрической системе

§ 19.1. Класс функций

Ряды, которые теперь называют рядами Фурье, появились в начале XIX века как ряды по тригонометрической системе (18.2.1) в исследованиях Ж. Фурье уравнения теплопроводности, когда требуется найти функцию ( , ), для которой выполняется равенство

∂ ( , ) = 2 ∂2 ( , ) . ∂ ∂ 2

Основная задача при этом была в представлении функции в виде суммы тригонометрического ряда. В дальнейшем помимо этой центральной проблемы изучались и многие другие вопросы и к настоящему времени теория тригонометрических рядов стала одним из важнейших разделов математического анализа.

В этой главе будет рассматриваться класс функций, абсолютно интегрируемых по Риману в несобственном смысле на промежутке [ , ]. Этот класс обозначим [ , ].

Согласно определению несобственных интегралов, данному в § 9.10, в случае, когда [ , ] – конечный отрезок, функция[ , ], если [ , ] можно разбить на конечное число отрезков [ , ] таких, что интегрируема в собственном смысле на отрез-

ках вида [ + , − ], где >

0, и для каждого

существует

конечный предел

 

 

 

 

 

 

 

→+0

−

|

 

|

 

 

∫ +

( )

.

 

lim

 

 

 

 

 

Значение такого предела обозначают

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

| ( )| ,

 

(19.1.1)

179

180 Гл. 19. Ряды Фурье по тригонометрической системе

а сумму интегралов (19.1.1) по всем отрезкам [ , ], на которые разбит исходный отрезок [ , ], обозначают

∫

| ( )| .

Пусть теперь [ , ] – бесконечный промежуток, для определенности вся ось (−∞, +∞). Тогда (−∞, +∞), если для любого конечного отрезка [ , ] функция принадлежит [ , ] и существует конечный предел

∫

lim | ( )| ,

→−∞→+∞

значение которого обозначают

∫ +∞

| ( )| .

−∞

Понятно, что если [ , ], то существует несобственный интеграл не только от функции | ( )|, но и от функции ( ).

Ясно, что произвольная линейная комбинация функций из[ , ] принадлежит этому пространству, т.е. [ , ] – линейное пространство.

Если для функций [ , ] положить

∫

‖ ‖ := | ( )| ,

то ‖ ‖ будет удовлетворять всем аксиомы нормы, за исключением того, что из ‖ ‖ = 0 не следует ( ) ≡ 0.

Чтобы это свойство также имело место, не будем различать функции и из [ , ], если ‖ − ‖ = 0.

Более аккуратный подход состоял бы в том, что все функции из [ , ] разбиваются на такие классы, что функции и принадлежат одному классу, если ‖ − ‖ = 0. Тогда элементами пространства [ , ] были бы классы функций, для которых еще нужно определить сложение и умножение на числа так, чтобы выполнялись обычные свойства этих операций. Не будем останавливаться подробнее на этом вопросе, тем более, что указанное свойство в дальнейшем не будет играть существенную роль.

§ 19.1. Класс функций

181

Легко убедиться, что функции из пространства [ , ] обладают следующим свойством.

Если отрезок [ , ] конечен, то для функции ( ) [ , ] и функции ( ), интегрируемой на [ , ] по Риману и такой, что | ( )| 6 , произведение этих функций принадлежит [ , ] и справедлива оценка

∫ | ( ) ( )| 6 ∫ | ( )| .

(19.1.2)

Подобное утверждение для бесконечного промежутка [ , ] формулируется так: если функция ( ) [ , ], а функция( ) на [ , ] локально интегрируема, т.е. интегрируема на любом конечном отрезке из [ , ], и | ( )| 6 для всех [ , ], то( ) ( ) [ , ] и справедлива оценка (19.1.2).

Согласно теореме 9.5.1 интегрируемые по Риману функции можно приблизить ступенчатыми функциями как угодно хорошо по норме пространства . Покажем, что таким свойством обладают и функции из [ , ].

Теорема 19.1.1. Если ( ) [ , ], то для каждого > 0 существует такая ступенчатая функция ( ), что

∫

| ( ) − ( )| < .

(19.1.3)

Доказательство. Если отрезок [ , ] конечен, то может иметь особенности только в конечном числе точек. Поэтому достаточно рассмотреть случай, когда функция имеет особенности только в концах отрезка [ , ], а на любом отрезке [ , ] ( , ) интегрируема в собственном смысле.

Для произвольного положительного возьмем такой отрезок

[ , ] ( , ), что

 

| ( )| + ∫

 

| ( )| < 2 .

(19.1.4)

∫

 

 

 

 

 

 

 

Далее, пользуясь теоремой 9.5.1, находим ступенчатую функцию ( ), для которой

 

| ( ) − ( )| < 2

(19.1.5)

∫

 

 

 

 

182 Гл. 19. Ряды Фурье по тригонометрической системе

иполагаем ( ) = 0 на [ , ] [ , ]. Тогда оценка (19.1.3) вытекает из (19.1.4) и (19.1.5).

Если промежуток [ , ] бесконечен, сначала выбираем конечный отрезок [ , ] ( , ) такой, что справедлива оценка (19.1.4),

ипользуясь доказанным уже утверждением для конечных отрезков, находим ступенчатую функцию ( ), для которой выполнена оценка (19.1.5). Затем доопределив функцию ( ) нулем на [ , ] [ , ], получим оценку (10.1.3).

Теорема доказана.

Отметим, что если промежуток [ , ] бесконечен, то построенная в этом доказательстве функция ( ) финитна, т.е. равна нулю вне некоторого конечного отрезка. Поэтому функция ( ) принадлежит пространству [ , ].

Согласно теореме 9.5.2 каждую функцию, интегрируемую по Риману в собственном смысле, можно приблизить по норме пространства как угодно хорошо непрерывной функцией. Это верно и для функций из [ , ].

Теорема 19.1.2. Если ( ) [ , ], то для каждого > 0 существует непрерывная (финитная, если промежуток [ , ] бесконечен) функция ( ) такая, что

∫

| ( ) − ( )| < .

(19.1.6)

Сначала опираясь на теорему 19.1.1, приближаем ( ) финитной ступенчатой функцией ( ). Поскольку функция ( ) может иметь только конечное число точек разрыва и это разрывы первого рода, существует непрерывная функция ( ), которая хорошо приближает ( ).

Важную роль в дальнейшем будут играть следующие утверждения, доказательство которых опирается на теорему 19.1.1.

Теорема 19.1.3 (Лемма Римана). Для каждой функции ( ) из [ , ] справедливы предельные соотношения

→∞

 

(19.1.7)

∫

lim

( ) cos = 0

 

и

∫ ( ) sin = 0.

 

lim

(19.1.8)

→∞

§ 19.1. Класс функций

183

Доказательство. Докажем (19.1.7). Если ( ) – характеристическая функция конечного отрезка [ , ], т.е. функция, равная 1 на [ , ] и равная 0 вне [ , ], то

 

 

cos =

 

 

= (sin − sin ),

∫

( ) cos = ∫

sin

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда следует (19.1.7) для характеристических функций отрезков. Следовательно, это равенство имеет место и для ступенчатых функций.

Произвольную функцию ( ) [ , ] приближаем финитной ступенчатой функцией ( ) и пользуемся оценкой

∫

( ) cos 6

6

 

[ ( )

 

( )] cos

 

+

∫

( ) cos

6

∫

−

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

∫

 

6

 

 

| ( ) − ( )| +

( ) cos .

 

 

Отсюда в силу теоремы 19.1.1 и справедливости (19.1.7) для ступенчатых функций получаем (19.1.7) для произвольных функций из [ , ].

Доказательство равенства (19.1.8) аналогично. Теорема доказана.

Теорема 19.1.4. Если ( ) (−∞, +∞), то при → 0

+∞

 

∫−∞ | ( + ) − ( )| → 0.

(19.1.9)

Доказательство. Для ступенчатых финитных функций утверждение теоремы очевидно. Если – произвольная функция из (−∞, +∞), то для каждого > 0 существует ступенчатая функция ( ), для которой

∫ +∞

| ( ) − ( )| < .

−∞