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Zusammenh¨ange zwischen Fourierreihe und Fouriertransformation

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(1)

Zusammenh¨ ange zwischen Fourierreihe und Fouriertransformation

Jakob Hruby

October 2, 2012

(2)

Contents

1 Grundlagen 3

2 Fortsetzung der Fouriertransformation 5

3 Poissonsche Summenformel 14

4 Quellen 17

(3)

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 :RC|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 :RC|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 :RC|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

(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

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

(5)

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

(6)

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

2NN

einπtN gegen eine

(7)

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

N>X

n∈Z

fˆnπ N

einπtN − 1 2π

Z

X

fˆ(x)eixtdx

+

+

1 2N

X

N<−X

n∈Z

fˆ nπ

N

einπtN − 1 2π

−X

Z

−∞

fˆ(x)eixtdx

+

+

1 2N

X

|N|≤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

(8)

f¨ur Y >1, wobei ˜Y die kleinste Zahl p∈N mit p > Y bezeichnet, folgt mit Y = XNπ

1 2N

X

N>X

n∈Z

fˆ nπ

N

einπtN

≤ 1 2N

X

N>X

n∈Z

1

n2π2 N2

kf00k1 ≤ (2)

≤ N

2 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

N<−X

n∈Z

fˆnπ N

einπtN

≤ 1 2N

X

N<−X

n∈Z

1

n2π2 N2

kf00k1 ≤ (3)

≤ N

2 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)

(9)

Setzt man nunxn = N , ∆x=xn+1−xn= Nπ undl =bXNπ c, die gr¨oßte Zahl q∈N mit q≤ XNπ , so gilt

1 2N

X

|N|≤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 1

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.

(10)

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

|N|≤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

N>X

n∈Z

fˆnπ N

2

Z

X

fˆ(x)

2

dx

+

+

2π 2N

X

N<−X

n∈Z

fˆnπ N

2

−X

Z

−∞

fˆ(x)

2

dx

+

+

2π 2N

X

|N|<X

n∈Z

fˆnπ N

2

X

Z

−X

fˆ(x)

2

dx .

(11)

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

N>X

n∈Z

fˆnπ N

2

≤ 2π 2N

X

N>X

n∈Z

1

n4π4 N4

kf00k21 ≤ (8)

≤ 2N33 kf00k21

Z

XN π

1

(m−1)4 dm = 2N3

3(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

2N X

N<−X

n∈Z

fˆnπ N

2

≤ 2π 2N

X

N<−X

n∈Z

1

n4π4 N4

kf00k21 ≤ (9)

≤ 2N33 kf00k21

XNπ

Z

−∞

1

(m+ 1)4 dm = 2N3

3(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)

(12)

sowie

−X

Z

−∞

f(x)ˆ

2

dx≤

−X

Z

−∞

1

x4 kf00k21 dx= 1

3πX3 kf00k21 (11)

Wie oben kommt man durch xn = N, ∆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

|N|≤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

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)

(13)

Insgesamt folgt nun f¨urN →+∞

2πkfk22− fˆ

2 2

≤ lim

N→+∞2 2N3

3(XNπ −1)3 kf00k21+ 1

3πX3kf00k21

! +

+ lim

N→+∞

2π 2N

X

|N|≤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.

(14)

3 Die Poissonsche Summenformel

Satz 3.1. Sei f ∈C2(R) und es gibt ein C ∈ R und ein x0R 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 k0N, 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 <+∞

(15)

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

Z

0

F(θ)e−inθp.I.=

= 1 2π( 1

−inF(θ)e−inθ|0 + 1 in

Z

0

F0(θ)e−inθdθ)p.I.=

=− 1 2n2π

Z

0

F00(θ)e−inθ

(16)

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

Z

0

F00(θ)e−inθ

+

1 2π

Z

0

F(θ)dθ

X

n=−∞

n6=0

1 2n2π

Z

0

|F00(θ)| dθ+ 1 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

Z

0

F(θ)e−inθdθ = 1 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)

(17)

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

Referenzen

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