Zusammenh¨ ange zwischen Fourierreihe und Fouriertransformation
Jakob Hruby
October 2, 2012
Contents
1 Grundlagen 3
2 Fortsetzung der Fouriertransformation 5
3 Poissonsche Summenformel 14
4 Quellen 17
1 Grundlagen
Wir besch¨aftigen uns zun¨achst mit einigen Definitionen, die wir im Weiteren verwenden werden.
Definition 1.1. F¨ur 1 ≤p≤ ∞ bezeichnen wir Lp(R) ={f :R→C|f messbar,
Z
R
|f(x)|pdx <+∞}
als den Raum aller p-fach intergrierbaren Funktionen oder auch als Lp - Raum.
Insbesondere verwenden wir im Folgenden die R¨aume L1(R) und L2(R).
Definition 1.2. Mit
C0(R) = {f :R→C|f stetig, f(x)→0 f¨ur |x| → ∞}
bezeichnen wir den Raum aller stetigen, im Unendlichen verschwindenten Funktionen.
Ahnlich definieren wir den Raum aller stetigen Funktionen mit kompaktem¨ Tr¨ager als
C00(R) ={f :R →C|f stetig, suppf ist kompakt}
Definition 1.3. Sei (H,h., .i) ein Skalarproduktraum und sei x∈ H.
Ist (en)n∈Z ein Orthonormalsystem in H, so bezeichnet man
∞
P
n=−∞
hx, enien als Fourierreihe vonx.
Bemerkung 1.4. Ist (H,h., .i) ein Hilbertraum und (en)n∈Z eine Orthonor- malbasis von H, so konvergiert die Fourierreihe immer gegen x.
Satz 1.5. SeiHein Skalarproduktraum und (en)n∈Z ein Orthonormalsystem.
(en)n∈Z ist genau dann eine Orthonormalbasis von H, wenn die parsevalsche Gleichung
kxk2H =hx, xi=
∞
X
n=−∞
|hx, eni|2
f¨ur alle x∈ H erf¨ullt ist.
Beweis. siehe z.B (V), Kapitel 3, Satz 3.3.4
Definition 1.6. F¨urf ∈L1(R) ist ihre Fouriertransformierte ˆf definiert als fˆ(x) :=
∞
Z
−∞
f(t)e−ixtdt f¨ur x∈R
F¨ur f ∈L1(R) ist ihre inverse Fouriertransformierte ˇf definiert als fˇ(t) := 1
2π
∞
Z
−∞
f(t)e−ixtdt f¨ur t∈R
Satz 1.7. Sei f ∈L1(R), so gilt fˆ∈C0(R) mit kfkˆ ∞ ≤ kfk1 Beweis. siehe z.B (IV), Kapitel 14, Proposition 14.1.2
2 Die Fouriertransformation auf C
002(R) und ihre Fortsetzung auf L
2(R)
Satz 2.1. Ist f ∈C002 (R), so gilt:
(1) fˆ∈L1(R)∩L2(R) (2) kfˆk2 =√
2πkfk2
(3) fˇˆ(t) =f(t) f¨ur alle t ∈R
Beweis. Wegenf ∈C002 (R) gibt es ein M ≥0 mitf(t) = 0 f¨ur|t| ≥M , also
kfk1 =
M
Z
−M
|f(t)|dt <+∞ ,kf0k1 =
M
Z
−M
|f0(t)|dt <+∞,
und kf00k1 =
M
Z
−M
|f00(t)|dt <+∞
und somit existiert die Fouriertransformierte und stellt sich folgendermaßen dar:
fˆ(x) :=
∞
Z
−∞
f(t)e−itxdt=
M
Z
−M
f(t)e−itxdt
Mittels partieller Integration sieht man f¨urx6= 0
fˆ(x) =
M
Z
−M
f(t)e−itxdt
p.I.= (?)
=
−1
ixf(t)e−itx
M
x=−M
+ 1 ix
M
Z
−M
f0(t)e−itxdt
p.I.=
=
− 1 x2
M
Z
−M
f00(t)e−itxdt
≤
≤
1 x2
M
Z
−M
|f00(t)|
e−itx
dt = 1
x2 kf00k1
Nun folgt weiter f¨ur ein beliebiges k > 0, weil die Fouriertransformierte ˆf stetig (Satz 1.7) und deshalb auf [−k, k] integrierbar ist,
Z
R\[−k,k]
f(x)ˆ dt≤
Z
R\[−k,k]
1
x2 kf00k1dt Z
R
f(x)ˆ dt≤
Z
R\[−k,k]
1
x2 kf00k1dt+ Z
[−k,k]
fˆ(x)
dt <+∞
und Z
R\[−k,k]
fˆ(x)
2
dt≤ Z
R\[−k,k]
1
x4 kf00k21dt Z
R
fˆ(x)
2
dt≤ Z
R\[−k,k]
1
x4 kf00k21dt+ Z
[−k,k]
fˆ(x)
2
dt <+∞,
also insgesamt ˆf ∈L1(R)∩L2(R).
Bn(t) := √1
2NeinπtN , n ∈ Z ist eine Orthogonalbasis f¨ur L2([−N, N]), N ∈ R.
In dieser l¨asst sich f|[−N,N] ∈L2([−N, N]) als Fourierreihe darstellen, wobei die Reihe imL2-Sinne konvergiert:
f|[−N,N](t) =
∞
X
n=−∞
hf, BniBn(t) =
∞
X
n=−∞
N
Z
−N
f(s) 1
√2Ne−inπsN ds 1
√2NeinπtN =
= 1 2N
∞
X
n=−∞
fˆ nπ
N
einπtN
Wegen
∞
X
n=−∞
1 2N
fˆnπ N
einπtN
=
∞
X
n=−∞
1 2N
fˆnπ N
≤
≤
−1
X
n=−∞
1 2N
N2
n2π2kf00k1+ 1 2N
f(0)ˆ +
∞
X
n=1
1 2N
N2
n2π2 kf00k1 <∞ liefert das Weierstraß-Kriteriums (vgl. z.B (II), Korollar 6.7.4) die gle- ichm¨aßige Konvergenz der Funktionenreihe
∞
P
n=−∞
1
2Nfˆ nπN
einπtN gegen eine
Funktion g.
Da das Intervall [−N, N] endliche L¨ange hat, folgt aus der gleichm¨aßigen Konvergenz gegen g die L2-Konvergenz gegen g. Also muss g = f|[−N,N]
gelten.
Des Weiteren gilt f¨ur die Norm laut Satz 1.5 kf|[−N,N]k22 = 1
2N
∞
X
n=−∞
fˆnπ N
2
F¨ur X >1, so gew¨ahlt, dass XN > π betrachten wie nun
f(t)− 1 2π
∞
Z
−∞
f(x)eˆ ixtdx
= (1)
=
1 2N
∞
X
n=−∞
fˆ nπ
N
einπtN − 1 2π
∞
Z
−∞
fˆ(x)eixtdx
≤
≤
1 2N
X
nπ N>X
n∈Z
fˆnπ N
einπtN − 1 2π
∞
Z
X
fˆ(x)eixtdx
+
+
1 2N
X
nπ N<−X
n∈Z
fˆ nπ
N
einπtN − 1 2π
−X
Z
−∞
fˆ(x)eixtdx
+
+
1 2N
X
|nπN|≤X
n∈Z
fˆnπ N
einπtN − 1 2π
X
Z
−X
fˆ(x)eixtdx .
Aus (?), der Dreiecksungleichung und wegen
∞
Z
Y
1
(x−1)2 dx=
Y˜
Z
Y
1
(x−1)2 dx+X
k∈Z k>Y
k+1
Z
k
1
(x−1)2 dx≥
≥X
k∈Z k>Y
k+1
Z
k
1
(x−1)2 dx ≥X
k∈Z k>Y
k+1
Z
k
1
(k+ 1−1)2 dx=X
k∈Z k>Y
1 k2
f¨ur Y >1, wobei ˜Y die kleinste Zahl p∈N mit p > Y bezeichnet, folgt mit Y = XNπ
1 2N
X
nπ N>X
n∈Z
fˆ nπ
N
einπtN
≤ 1 2N
X
nπ N>X
n∈Z
1
n2π2 N2
kf00k1 ≤ (2)
≤ N
2π2 kf00k1
∞
Z
XN π
1
(m−1)2 dm= 1 2π
N
XN −πkf00k1
und wegen
−Y
Z
−∞
1
(x+ 1)2 dx=
−Y
Z
−Y˜
1
(x+ 1)2 dx+ X
k∈Z k<−Y
k
Z
k−1
1
(x+ 1)2 dx≥
≥ X
k∈Z k<−Y
k
Z
k−1
1
(x+ 1)2 dx≥ X
k∈Z k<−Y
k
Z
k−1
1
(k−1 + 1)2 dx= X
k∈Z k<−Y
1 k2
f¨ur Y und ˜Y wie oben folgt mit Y = XNπ
1 2N
X
nπ N<−X
n∈Z
fˆnπ N
einπtN
≤ 1 2N
X
nπ N<−X
n∈Z
1
n2π2 N2
kf00k1 ≤ (3)
≤ N
2π2 kf00k1
−XN
Zπ
−∞
1
(m+ 1)2 dm= 1 2π
N
XN−π kf00k1.
Außerdem folgt aus der Dreiecksungleichung und aus (?)
1 2π
∞
Z
X
f(x)eˆ ixtdx
≤ 1 2π
∞
Z
X
1
x2 kf00k1 dx= 1
2πX kf00k1 (4) sowie
1 2π
−X
Z
−∞
fˆ(x)eixtdx
≤ 1 2π
−X
Z
−∞
1
x2 kf00k1 dx= 1
2πX kf00k1. (5)
Setzt man nunxn = nπN , ∆x=xn+1−xn= Nπ undl =bXNπ c, die gr¨oßte Zahl q∈N mit q≤ XNπ , so gilt
1 2N
X
|nπN|≤X
n∈Z
fˆnπ N
einπtN = 1 2π
l
X
n=−l
fˆ(xn)eixnt∆x.
F¨ur das Intervall [−X, X] definiere die Partitiony−l−1 =−X, y−l =x−l, . . . , yl = xl, yl+1 =X.
Wegen|xl−X|< Nπ konvergiert xl gegen X und x−l gegen −X f¨urN → ∞ und es gilt
N→∞lim
1 2π
l
X
n=−l
fˆ(xn)eixnt∆x− 1 2π
l
X
n=−l−1
fˆ(yn)eiynt(yn+1−yn)
=
= lim
N→∞
1 2π
l−1
X
n=−l
f(xˆ n)eixnt∆x−f(yˆ n)eiynt(yn+1−yn) + + ˆf(xl)eixltπ
N −f(−X)eˆ −iXt(y−l+X)−fˆ(yl)eiylt(X−yl) =
= lim
N→∞
1 2π
f(xˆ l)eixltπ
N +xl−X
−f(−X)eˆ −iXt(x−l+X) =
= 1 2π
f( limˆ
N→∞xl)eilimN→∞xlt
N→∞lim π
N + lim
N→∞xl−X
−
−fˆ(−X)e−iXt( lim
N→∞x−l+X) =
= 1 2π
f(X)eˆ iXt(X−X)−f(−X)eˆ −iXt(−X+X) = 0,
wobei wir ausn¨utzen, dass alle beteiligten Funktionen stetig sind.
Somit l¨asst sich 2π1
l
P
n=−l
f(xˆ n)eixnt∆xf¨urN → ∞durch eine Riemann-Summe ersetzen was zeigt, dass
Nlim→∞
1 2π
l
X
n=−l
fˆ(xn)eixnt∆x= 1 2π
X
Z
−X
fˆ(x)eixtdx (6)
gilt.
Aus (2),(3),(4),(5) und (6) folgt nun f¨ur (1) beim Grenz¨ubergangN →+∞
lim
N→+∞
f(t)− 1 2π
∞
Z
−∞
f(x)eˆ ixtdx
≤
≤ lim
N→+∞2 1
2π N
XN −πkf00k1+ 1
2πX kf00k1
+
+ lim
N→+∞
1 2N
X
|nπN|≤X
n∈Z
fˆnπ N
einπtN − 1 2π
X
Z
−X
fˆ(x)eixtdx
=
= 2kf00k1 πX
F¨ur > 0 gibt es nun ein X0, sodass f¨ur alle X > X0 : 2kfπX00k1 < womit ˇˆ
f(t) = f(t) f¨ur allet ∈R gilt.
Umkfˆk2 =√
2πkfk2 zu zeigen, betrachten wir
2πkfk22− fˆ
2 2
= (7)
=
2π 2N
∞
X
n=−∞
fˆnπ N
2
−
∞
Z
−∞
fˆ(x)
2
dx
≤
≤
2π 2N
X
nπ N>X
n∈Z
fˆnπ N
2
−
∞
Z
X
fˆ(x)
2
dx
+
+
2π 2N
X
nπ N<−X
n∈Z
fˆnπ N
2
−
−X
Z
−∞
fˆ(x)
2
dx
+
+
2π 2N
X
|nπN|<X
n∈Z
fˆnπ N
2−
X
Z
−X
fˆ(x)
2
dx .
Aus (?), der Dreiecksungleichung und wegen
∞
Z
Y
1
(x−1)4 dx=
Y˜
Z
Y
1
(x−1)4 dx+X
k∈Z k>Y
k+1
Z
k
1
(x−1)4 dx ≥
≥X
k∈Z k>Y
k+1
Z
k
1
(x−1)4 dx≥X
k∈Z k>Y
k+1
Z
k
1
(k+ 1−1)4 dx=X
k∈Z k>Y
1 k4
f¨ur Y > 1, wobei ˜Y wieder die kleinste Zahl p ∈ N mit p > Y bezeichnet, folgt mit Y = XNπ
2π 2N
X
nπ N>X
n∈Z
fˆnπ N
2
≤ 2π 2N
X
nπ N>X
n∈Z
1
n4π4 N4
kf00k21 ≤ (8)
≤ 2N3 2π3 kf00k21
∞
Z
XN π
1
(m−1)4 dm = 2N3
6π3(XNπ −1)3 kf00k21 und wegen
−Y
Z
−∞
1
(x+ 1)4 dx=
−Y
Z
−Y˜
1
(x+ 1)4 dx+ X
k∈Z k<−Y
k
Z
k−1
1
(x+ 1)4 dx≥
≥ X
k∈Z k<−Y
k
Z
k−1
1
(x+ 1)4 dx≥ X
k∈Z k<−Y
k
Z
k−1
1
(k−1 + 1)4 dx= X
k∈Z k<−Y
1 k4
f¨ur Y und ˜Y wie oben folgt mit Y = XNπ 2π
2N X
nπ N<−X
n∈Z
fˆnπ N
2
≤ 2π 2N
X
nπ N<−X
n∈Z
1
n4π4 N4
kf00k21 ≤ (9)
≤ 2N3 2π3 kf00k21
−XNπ
Z
−∞
1
(m+ 1)4 dm = 2N3
6π3(XNπ −1)3 kf00k21 Außerdem folgt aus der Dreiecksungleichung und aus (?)
∞
Z
X
fˆ(x)
2
dx≤
∞
Z
X
1
x4 kf00k21 dx= 1
3πX3 kf00k21 (10)
sowie
−X
Z
−∞
f(x)ˆ
2
dx≤
−X
Z
−∞
1
x4 kf00k21 dx= 1
3πX3 kf00k21 (11)
Wie oben kommt man durch xn = nπN, ∆x=xn+1−xn = Nπ und l =bXNπ c, was wieder die gr¨oßte Zahlq ∈Nmitq ≤ XNπ bezeichnet, und dem ¨Ubergang zur Partition y−l−1 = −X, y−l = x−l, . . . , yl = xl, yl+1 = X von [−X, X] zu einer Riemann-Summel:
N→+∞lim
2π 2N
X
|nπN|≤X
n∈Z
fˆnπ N
2
−
l
X
n=−l−1
fˆ(yn)
2
(yn+1−yn)
=
= lim
N→+∞
l
X
n=−l
f(xˆ n)
2
∆x−
l
X
n=−l−1
f(yˆ n)
2
(yn+1−yn)
=
= lim
N→+∞
l−1
X
n=−l
π N
fˆ(xn)
2
−
fˆ(yn)
2 + + π
N
f(xˆ l)
2
−
f(−X)ˆ
2
(y−l+X)−
fˆ(yl)
2
(X−yl)
=
=
N→+∞lim π N
fˆ
N→+∞lim xl
2
−
fˆ(−X)
2
Nlim→+∞x−l+X
−
− fˆ
lim
N→+∞xl
2
X− lim
N→+∞xl
= 0
und schließlich zum Riemann-Integral
Nlim→∞
l
X
n=−l
fˆ(xn)
2
∆x=
X
Z
−X
f(x)ˆ
2
dx. (12)
Insgesamt folgt nun f¨urN →+∞
2πkfk22− fˆ
2 2
≤
≤ lim
N→+∞2 2N3
6π3(XNπ −1)3 kf00k21+ 1
3πX3kf00k21
! +
+ lim
N→+∞
2π 2N
X
|nπN|≤X
n∈Z
fˆnπ N
2−
X
Z
−X
fˆ(x)
2
dx
=
= 2kf00k21 3X3(π+ 1)
F¨ur >0 gibt es nun ein X0, sodass f¨ur alle X > X0 : 2kf00k
2 1
3X3(π+1) <
Satz 2.2. Es gibt eine eindeutige, linear Fortsetzung F :L2(R)→L2(R)von ˆ|C2
00.
Beweis. Der Operatorˆ|C2
00 :C002 (R)→L1(R)∩L2(R)⊆L2(R) ist linear und stetig und deshalb auch gleichm¨aßig stetig. Außerdem ist C002 (R) dicht im vollst¨andigen Raum L2(R).
Also gibt es eine eindeutige, lineare, gleichm¨aßig stetige Fortsetzung F : L2(R)→L2(R) vonˆ|C2
00.
3 Die Poissonsche Summenformel
Satz 3.1. Sei f ∈C2(R) und es gibt ein C ∈ R und ein x0 ∈R so dass gilt
|f(x)|,|f0(x)|, |f00(x)| ≤ xC2 f¨ur alle x∈R mit |x| ≥x0, dann folgt:
∞
X
k=−∞
f(2kπ) = 1 2π
∞
X
n=−∞
fˆ(n)
Beweis. Zuallererst sei bemerkt, dass wegen
∞
Z
−∞
|f(x)| dx=
−x0
Z
−∞
|f(x)| dx+
x0
Z
−x0
|f(x)| dx+
∞
Z
x0
|f(x)| dx≤
≤
−x0
Z
−∞
C x2 dx+
x0
Z
−x0
|f(x)| dx+
∞
Z
x0
C
x2 dx <+∞
f ∈L1(R) gilt. Selbiges gilt aus dem gleichen Grund auch f¨ur f0 und f00. Nun kreieren wir folgende Funktion:
F(t) :=
∞
X
k=−∞
f(t+ 2kπ)
Sei K > 0 zun¨achst beliebig. F¨ur alle k ∈ Z mit −K + 2kπ > x0 bzw K−2kπ < x0 gilt
|f(t+ 2kπ)| ≤ C
(−K+ 2kπ)2 = C
(K−2kπ)2 f¨ur alle t∈[−K, K], K >0.
Deshalb gibt es ein k0 ∈N, sodass
−k0
X
k=−∞
|f(t+ 2kπ)| ≤
−k0
X
k=−∞
C
(−K + 2kπ)2 <+∞
∞
X
k=k0
|f(t+ 2kπ)| ≤
∞
X
k=k0
C
(−K + 2kπ)2 <+∞
f¨ur alle t∈[−K, K] gilt. Es ergibt sich
∞
X
k=−∞
sup
t∈[−K,K]
|f(t+ 2kπ)| ≤
≤
−k0
X
k=−∞
sup
t∈[−K,K]
|f(t+ 2kπ)|+
∞
X
k=k0
sup
t∈[−K,K]
|f(t+ 2kπ)|+
+
k0−1
X
k=−k0+1
sup
t∈[−K,K]
|f(t+ 2kπ)|<+∞
f¨ur alle t∈[−K, K].
Aus dem Weierstraß-Kriterium folgt die gleichm¨aßige Konvergenz von
∞
P
k=−∞
f(t+ 2kπ) gegenF auf [−K, K].
Die selbe Vorgehensweise wie f¨ur F zeigt, dass die Reihen
∞
P
k=−∞
f0(t+ 2kπ) und
∞
P
k=−∞
f00(t+ 2kπ) auf [−K, K] gleichm¨aßig konvergieren. Also kann man Differentiation und Reihenbildung vertauschen, und wir erhalten
F0(t) =
∞
X
k=−∞
f0(t+ 2kπ) (1)
F00(t) =
∞
X
k=−∞
f00(t+ 2kπ) (2)
auf [−K, K]. Da K >0 beliebig war, ist F auf ganz R ein stetige Funktion, die (1) und (2) erf¨ullt.
Weiters gilt
∞
P
k=−∞
f(t+ 2(k+ 1)π) =
∞
P
k=−∞
f(t+2kπ) und entsprechendes mit den Ableitungen f0, f00, weshalb F, F0 und F00 2π-periodisch sind. Partielle Integration der Fourierkoeffizienten (f¨ur n6= 0) von F zeigt nun
cn = 1 2π
2π
Z
0
F(θ)e−inθdθp.I.=
= 1 2π( 1
−inF(θ)e−inθ|2π0 + 1 in
2π
Z
0
F0(θ)e−inθdθ)p.I.=
=− 1 2n2π
2π
Z
0
F00(θ)e−inθdθ
Auch die Fourierreihe von F konvergiert absolut und ihre Summanden sind beschr¨ankt, weshalb auch diese gleichm¨aßig konvergiert:
∞
X
n=−∞
sup
t∈[0,2π]
cneint =
=
∞
X
n=−∞
n6=0
sup
t∈[0,2π]
− 1 2n2πeint
2π
Z
0
F00(θ)e−inθ dθ
+
1 2π
2π
Z
0
F(θ)dθ
≤
≤
∞
X
n=−∞
n6=0
1 2n2π
2π
Z
0
|F00(θ)| dθ+ 1 2π
2π
Z
0
|F(θ)| dθ < +∞
Nun gilt wegen der gleichm¨aßigen Konvergenz von
∞
P
k=−∞
f(θ+ 2kπ)e−inθ auf dem Intervall [0,2π] (diese sieht man wie f¨ur F)
cn= 1 2π
2π
Z
0
F(θ)e−inθdθ = 1 2π
2π
Z
0
∞
X
k=−∞
f(θ+ 2kπ)e−inθ dθ=
= 1 2π
∞
X
k=−∞
2π+2kπ
Z
2kπ
f(θ)e−inθdθ = 1 2π
f(n)ˆ
wobei die letzte Gleichheit aus dem Satz der majorisierten Konvergenz (siehe z.B VI Satz 14.4) folgt. Dieser gilt da sich die Partialsummen f¨ur alleN ∈N mittels
|f(θ)| ≥
N
X
k=−N
1[2kπ,2kπ+2π](θ)·f(θ)e−inθ
absch¨atzen lassen und |f(θ)| ∈L1(R). Es ergibt sich F(t) =
∞
X
k=−∞
f(t+ 2kπ) =
∞
X
n=−∞
1 2π
fˆ(n)eint. Setzt man t= 0, so folgt das zu Beweisende
∞
X
k=−∞
f(2kπ) =
∞
X
n=−∞
1 2π
fˆ(n)
4 Quellen
I Johnathan R. Partington. Interpolation, Identification, and Sampling, Oxford University Press, 1997
II Michael Kaltenb¨ack. Analysis 1, Vorlesungsskriptum, Wien, 2012 III Michael Kaltenb¨ack. Analysis 2, Vorlesungsskriptum, Wien, 2012 IV Michael Kaltenb¨ack. Analysis 3, Vorlesungsskriptum, Wien, 2012
V Michael Kaltenb¨ack, Harald Woracek, Martin Bl¨umlinger. Funktional- analysis 1, Vorlesungsskriptum, Wien, 2012
VI Wolfgang Wertz. Mass- und Wahrscheinlichkeitstheorie, Vorlesungsskrip- tum, Wien, 2010