Fourier`n integraalimuunnoksesta
Transcription
Fourier`n integraalimuunnoksesta
f (n ) n 4. Fourier’n integraalimuunnoksesta Luentomonisteessa [1, §11.4] Fourier-muunnos mainitaan lyhyesti. Koska muunnos on sovellusten kannalta tärkeä ja sen ominaisuudet ovat erityisen eleganttteja Hilbertin avaruuden L2 (Rn ) tapauksessa, selvitellään muunnosta hieman tarkemmin. Lähteinä [2, §VIII.4], [3, luku 9], [4, luku V], [5, §V.2], [6, §VI.1]. Olkoon aluksi f ∈ L1 (Rn ). Funktion f Fourier’n integraalimuunnos määritellään kaavalla Z 1 (1) F1 f (ξ) := fˆ(ξ) := f (x) e−iξ·x dx, ξ ∈ Rn , n/2 (2π) Rn missä ξ · x on vektoreiden ξ, x ∈ Rn sisätulo. Koska integroitavalla on integroituva majorantti, seuraa dominoidun konvergenssin lauseesta Lause 4.1. Kuvaus F1 : L1 (Rn ) → Cb (Rn ) on jatkuva lineaarikuvaus. Tässä Cb (Rn ) on kaikkien jatkuvien ja rajoitettujen funktioiden g : Rn → C Banachin avaruus sup-normilla varustettuna. Pitää paikkansa enemmänkin: F1 (L1 (Rn )) ⊂ C0 (Rn ) = {g ∈ Cb (Rn ) | g(ξ) → 0, kun kξk → ∞} (ks. [5, Satz V.2.2] tai [3, Theorem 9.6]). Fourier’n muunnoksen kuvajoukon karakterioiminen on kutakuinkin mahdotonta. Sen takia tarkastellaan aluksi muunnoksen rajoittumaa osajoukkoon, jossa Fourier’n muunnos ”toimii hyvin”. Merkintöjä: Kun α ∈ Nn ja x ∈ Rn , asetetaan |α| := α1 + . . . αn , xα := xα1 1 · · · xαnn ja Dα := ∂1α1 · · · ∂nαn . Sanotaan, että funktio f : Rn → C on nopeasti vähenevä, jos jokaiselle α ∈ Nn on xα f (x) → 0, kun kxk → ∞. Yhtäpitävästi f on nopeasti vähenevä, jos jokaiselle k ∈ N on (1 + kxkk ) f (x) → 0, kun kxk → ∞. Joukko S := S(Rn ) := {f : Rn → C | Dβ f on nopeasti vähenevä kaikille β ∈ Nn } on ns. Schwartzin avaruus.1 Funktion f ∈ S Fourier’n muunnosta merkitään Ff . Lause 4.2. Kaikille f ∈ S ja α ∈ Nn on Dα (Ff )(ξ) = (−i)|α| F(xα f )(ξ) F(Dα f )(ξ) = i|α| ξ α Ff (ξ) Todistus. Olkoon α = ej . Koska f on nopeasti vähenevä, on Z Z ∂ 1 1 −iξ·x f (x) (−ixj ) e−iξ·x dx. ∂j (Ff )(ξ) = (f (x) e ) dx = (2π)n/2 Rn ∂ξj (2π)n/2 Rn Yleinen tulos seuraa induktiolla. 1Tarkkaan ottaen S on Schwartzin avaruus vasta, kun siihen määritellään sopiva topologia. 2 Vastaavalla tavalla kuin edellä Z 1 F(∂j f )(ξ) = ∂j f (x) e−iξ·x dx (2π)n/2 Rn Z 1 f (x) iξj e−iξ·x dx = (2π)n/2 Rn osittaisintegroidaan xj :n suhteen ja käytetään Fubinin lausetta sijoitustermin raja-arvot, kun xj → ±∞, häviävät Yleinen tulos seuraa jälleen induktiolla. Seuraus 4.3. F(S) ⊂ S. 1 Lause 4.4. Kaikille f ∈ S on (2π)n/2 Z fˆ(ξ) eix·ξ dξ = f (x). Rn Todistus. Osoitetaan aluksi, että kaikille f , g ∈ S on Z Z ix·ξ ˆ (2) g(ξ) f (ξ) e dξ = ĝ(y) f (x + y) dy. Rn Rn Yhtälön vasen puoli on Z Z ix·ξ ˆ g(ξ) f (ξ) e dξ = Z 1 −iξ·y f (y) e dy eix·ξ dξ g(ξ) n/2 (2π) Rn Rn Z Z 1 (∗) −iξ·(y−x) g(ξ) e dξ f (y) dy = (2π)n/2 Rn Rn Z ĝ(y − x) f (y) dy, = Rn Rn josta muuttujanvaihdolla y − x = z saadaan kaavan (2) oikea puoli. Kohdassa (∗) on käytetty Fubinin lausetta, mikä on sallittua, koska funktio (y, ξ) 7→ g(ξ) f (y) e−iξ·y eix·ξ on integroituva joukossa Rn × Rn . Sijoitetaan kaavaan (2) g(ξ) := h(ε ξ), missä ε > 0 ja h valitaan tarkemmin myöhemmin. Muuttujanvaihdolla ε ξ =: z saadaan Z Z 1 1 −iξ·y −n ĝ(y) = h(ε ξ) e dξ = ε h(z) e−iz·y/ε dz = ε−n ĥ(y/ε). (2π)n/2 Rn (2π)n/2 Rn Kaavasta (2) saadaan muuttujanvaihdolla y/ε =: z Z Z Z ix·ξ −n ˆ h(ε ξ) f (ξ) e dξ = ε ĥ(y/ε) f (x + y) dy = ĥ(z) f (x + ε z) dz. Rn Rn Rn −kzk2 /2 . Kun ε → 0+, saadaan dominoidun konvergenssin Z ix·ξ ˆ f (ξ) e dξ = f (x) ĥ(z) dz. Rn Rn R Tässä h(0) = 1 ja ĥ(z) = h(z). Lisäksi Rn h(z) dz = 1.2 Valitaan nyt h(z) := e lauseen nojalla Z h(0) Seuraus 4.5. F on bijektio S → S ja (F−1 g)(x) = Fg(−x). 2Todistus jää harjoitustehtäväksi. Vihjeitä: laske ensin √ tapaus n = 1; derivoi ĥ(z) z:n suhteen; R 0 saat differentiaaliyhtälön ĥ (z) = −z ĥ(z). Rn h(z) dz = 2π on ”What every young mathematician should know”. Siinäpä se. 3 Seuraus 4.6 (Parseval/Plancherel). Kaikille f , g ∈ S on Z Z ˆ (3) g(ξ) f (ξ) dξ = ĝ(y) f (y) dy Rn Rn Z Z f (x) g(x) dx = (4) fˆ(−ξ) ĝ(−ξ) dξ Rn Rn Todistus. Kaava (3) seuraa kaavasta (2) sijoittamalla x = 0. Kaava (4) seuraa kaavasta (3), koska F g(ξ) = Fg(−ξ). Lause 4.7. Fourier’n integraalimuunnos F : S → S laajenee isometrisesksi isomorfismiksi F2 : L2 (Rn ) → L2 (Rn ). Todistus. Osoitetaan aluksi, että S on tiheä avaruudessa L2 (Rn ), Osoitetaan yleisemmin: n p n Lemma. Kun 1 ≤ p < ∞, joukko C∞ c (R ) on tiheä avaruudessa L (R ). Tässä n ∞ n C∞ c (R ) := {u ∈ C (R ) | supp u on kompakti} ja jatkuvan funktion u kantaja supp u := {x | u(x) 6= 0}. Olkoon f ∈ Lp (Rn ). Voidaan olettaa, että riittävän isolle R > 0 on f (x) = 0, kun kxk > R. Nimittäin, jos g(x) := f (x), kun kxk ≤ R, ja g(x) := 0, kun kxk > R, on R kf − gkpp = kxk>R |f (x)|p dx → 0, kun R → ∞, koska |f |p ∈ L1 (Rn ). ∞ n R Olkoon nyt ϕ3 ∈ C (R ) sellainen, että ϕ ≥−n 0, ϕ(x) = 0, kun kxk > 1, ja ϕ(x) dx R= 1. Kun ε > 0, olkoon ϕε (x) := ε ϕ(x/ε). Tällöin ϕε (x) = 0, kun Rn kxk > ε, ja Rn ϕε (x) dx = 1. R R Asetetaan fε (x) := (f ∗ ϕε )(x) = Rn f (x − y) ϕε (y) dy = Rn f (z) ϕε (z − x) dz. Jos nyt f (x) = 0, kun kxk > R, on fε (x) = 0, kun kxk > R + ε. Parametrista n riippuvan integraalin differentiointilauseen nojalla fε ∈ C∞ (Rn ). Siis fε ∈ C∞ c (R ). 0 Olkoon p luvun p konjugaattieksponentti. Oletetaan, että 1 < p < ∞, jolloin 1 < p < ∞ ja p1 + p10 = 1. Tapaus p = 1, p0 = ∞ on hieman helpompi ja jää lukijan tehtäväksi. Nyt Z 1/p 1/p0 |fε (x)| = f (z) ϕε (z − x) ϕε (z − x) dz Rn Z 1/p Z 1/p0 Hölder p ≤ |f (z)| ϕε (z − x) dz ϕε (z − x) dz . Rn Siis Z p |fε (x)| dx ≤ Rn Koska Rn Z Z Rn Rn p Fubini |f (z)| ϕε (z − x) dz dx = kf kpp . R ϕε (y) dy = 1, on Z Z fε (x) − f (x) = (f (x − y) − f (x)) ϕε (y) dy = (Ty f (x) − f (x)) ϕε (y) dy, Rn Rn 3Tällaisia Rn on olemassa: esimerkiksi ϕ(x) := c ψ(1 − kxk2 ), missä ψ(t) := e−1/t , kun t > 0, ja ψ(t) := 0, kun t ≤ 0, ja c valitaan sopivasti. 4 missä Ty f (x) := f (x − y). Kuten edellä saadaan Z p kfε − f kp ≤ kTy f − f kpp ϕε (y) dy. Rn Voidaan osoittaa, että kTy f −f kp → 0, kun y → 0 (ks. [3, Theorem 9.5]). Jokaiselle η > 0 voidaan valita ε > 0 siten, että kTy f − f kp ≤ η, kun kyk ≤ ε. Koska ϕε (y) = 0, kun kyk > ε, on Z Z p p η p ϕε (y) dy = η p . kTy f − f kp ϕε (y) dy ≤ kfε − f kp ≤ Rn kyk≤ε Erityisesti, joukko S on tiheä avaruudessa L (R ). 2 n Lemma Kun F : S → S on L2 -normin suhteen isometrinen bijektio ja S on tiheä avaruudessa L2 (Rn ), on suhteellisen helppoa määritellä laajennus F2 ja osoittaa se isometriseksi bijektioksi L2 (Rn ) → L2 (Rn ). Tämä tehdään myöhemmin yleisemmin. Lause Huomautus 4.8. Koska L2 (Rn ) 6⊂ L1 (Rn ), funktion f ∈ L2 (Rn ) Fourier’n muunnosta ei voi laskea integraalina (1). Koska S on tiheä yhtälailla avaruudessa L1 (Rn ), on helppo osoittaa, että jos g ∈ L2 (Rn ) ∩ L1 (Rn ), on F2 g = F1 g. Erityisesti, jos funktiolle f ∈ L2 (Rn ) asetetaan fR (x) := f (x), kun kxk ≤ R, ja fR (x) := 0, kun kxk > R, on fR ∈ L2 (Rn ) ∩ L1 (Rn ) ja F1 fR → F2 f avaruudessa L2 (Rn ). Kirjallisuutta [1] Lauri Kahanpää: Funktionaalianalyysi. Suoraviivaista ajattelua – osa II, Jyväskylän yliopisto, Matematiikan ja tilastotieteen laitos, luentomoniste 51, 2004. [2] Serge Lang: Real and functional analysis, kolmas laitos, Graduate Texts in Mathematics 142, Springer-Verlag, 1993. Aiemman laitokset ovat nimiltään Analysis II, Addison-Wesley, 1969; Real analysis, Addison-Wesley, 1983. [3] Walter Rudin: Real and complex analysis, toinen laitos, Tata McGraw-Hill, 1979. [4] Laurent Schwartz : Méthodes mathématiques pour les sciences physiques, Collection Enseignement des Sciences 3. Hermann, 1998. [5] Dirk Werner: Funktionalanalysis, 4., überarbeitete auflage, Springer, 2002. [6] Kôsaku Yosida: Functional analysis, neljäs laitos, Grundlehren der mathematischen Wissenschaften in Einzeldarstellungen mit besonderer Berücksichtigung der Anwendungsgebiete Band 123, Springer-Verlag, 1974. Kirjan kuudes laitos vuodelta 1980 uudelleenjulkaistu sarjassa Classics in Mathematics, 1995.