形式陈述
把平均窗口缩小,什么时候能保证恢复原函数?关键不只是“核越来越尖”,还要控制它的总质量、放大量和偏离中心的质量。
设 K ε ∈ L 1 ( R d ) ,ε > 0 。称它们是一族近似恒等核,如果
∫ R d K ε ( y ) d y = 1 , sup ε > 0 ‖ K ε ‖ 1 ≤ C < ∞ , 并且对每个固定 δ > 0 ,
∫ | y | > δ | K ε ( y ) | d y ⟶ 0 ( ε ↓ 0 ) . 第三条是绝对尾质量 集中;若核有正负部分,不能只要求带符号积分趋零。正核的第二条由第一条自动给出,但允许有符号核时必须单独检查。
对任意 f ∈ $L^p(\mathbb R^d)$ 公理库 L^p 空间 L-p space · Lebesgue space 按几乎处处相等取商的积分范数空间;从尖峰和完备性走到共轭指数的对偶表示,并证明有限测度下的反身性。 ,1 ≤ p < ∞ ,有
‖ K ε ∗ f − f ‖ p ⟶ 0. 这里的卷积 公理库 连续函数卷积 Continuous convolution · Function convolution 在欧氏空间中以平移乘积的 Lebesgue 积分定义函数卷积。 按几乎处处定义。若 f 有界且一致连续,则另有 ‖ K ε ∗ f − f ‖ ∞ → 0 。一般 L ∞ 函数不满足后一结论。
最常见的构造是选定 K ∈ L 1 、∫ K = 1 ,再令
K ε ( y ) = ε − d K ( y / ε ) . 换元给出质量不变和 ‖ K ε ‖ 1 = ‖ K ‖ 1 ;尾质量变成 ∫ | z | > δ / ε | K ( z ) | d z ,因 K 可积而趋零。核可以有无穷支撑,集中不等于支撑必须收缩为一个球。
直觉
在位置 x ,卷积读取周围的 f ( x − y ) ,再按 K ε ( y ) 加权。积分为一保证常数信号不被改变;绝对尾质量趋零保证远处的数值最终不再影响这个读数;一致的 L 1 界则防止正负权重虽相互抵消,却把微小输入误差放大。
“恒等”指最终接近不做任何变换的算子 f ↦ f 。有限 ε 时仍在平均,尖角可能被磨平;极限恢复的是所声明的范数意义,不是为每个被任意修改过的单点恢复原值。
例子与边界
盒核把跳跃涂成一条可算的斜坡
取 d = 1 、
K ε ( y ) = 1 2 ε 1 [ − ε , ε ] ( y ) , f = 1 [ 0 , 1 ] , 0 < ε < 1 2 . 卷积是区间 [ x − ε , x + ε ] 与 [ 0 , 1 ] 的重叠长度除以 2 ε 。因此它在 [ ε , 1 − ε ] 等于一,在外侧远处等于零,只在两个端点附近各宽 2 ε 的带中变化。左端斜坡为
( K ε ∗ f ) ( x ) = x + ε 2 ε , − ε ≤ x ≤ ε . 四个半边缘带的误差具有相同积分。直接计算,
‖ K ε ∗ f − f ‖ p p = 4 ∫ 0 ε ( u 2 ε ) p d u = 2 2 − p p + 1 ε . 所以每个有限 p 的误差都趋零,但 L ∞ 误差始终为 1 / 2 。即使把 f ( 0 ) 改成 1 / 2 ,紧邻零点两侧的误差仍任意接近 1 / 2 ;问题不只是端点赋值,而是连续斜坡无法一致逼近跳跃。
图片加载失败 只有总质量为一为什么不够
令 K ε = 1 [ 1 , 2 ] ,完全不随 ε 改变。其积分和 L 1 范数都是一,却一直读取离中心一到二个单位的位置。对 f = 1 [ 0 , 1 ] ,输出支撑落在 [ 1 , 3 ] ,不会趋向原函数。失败的正是原点附近的集中条件。
有符号核还可能把很大的正负质量放到远处,使其积分抵消为零。第三条使用绝对值,就是为了禁止这种“净质量很小、实际权重很大”的假集中。
推论与应用
证明:先控制小平移,再控制远尾
有限 p 下,平移在 L p 范数中连续:
‖ f ( ⋅ − y ) − f ‖ p ⟶ 0 ( y → 0 ) . 可以先对紧支撑连续函数用一致连续性证明,再以它们在 L p 中的稠密性推广。平移不改变范数,所以逼近误差不会因移动而扩大。
利用核积分为一,
K ε ∗ f − f = ∫ K ε ( y ) [ f ( ⋅ − y ) − f ] d y . Minkowski 不等式 公理库 Minkowski 不等式 Minkowski inequality $L^p$ 范数满足三角不等式。 的积分形式给出
‖ K ε ∗ f − f ‖ p ≤ ∫ | K ε ( y ) | ‖ f ( ⋅ − y ) − f ‖ p d y . 给定 η > 0 ,先选 δ 使 | y | ≤ δ 时平移误差小于 η ;然后拆积分:
‖ K ε ∗ f − f ‖ p ≤ C η + 2 ‖ f ‖ p ∫ | y | > δ | K ε ( y ) | d y . 固定这个 δ 让 ε ↓ 0 ,上极限至多为 C η ;最后让 η ↓ 0 。顺序不能反过来:先选可容许的平移尺度,再等待核质量进入这个尺度。
有界一致连续函数 公理库 一致连续 Uniform continuity 同一 δ 对定义域中所有点同时控制给定 ε。 的证明完全相同,只把平移的 L p 误差换成上确界误差。一般有界函数缺少这一小平移性质,盒核反例已准确显示缺口。
光滑紧支撑核还能让 K ε ∗ f 光滑,成为弱导数和分布理论中的正则化工具。圆周上将 Lebesgue 测度换成 d θ / ( 2 π ) 后,同一证明适用于 Fejér 核 公理库 Fejér 求和定理 Fejer theorem · Cesàro summation of Fourier series 对 Fourier 部分和作 Cesàro 平均得到非负单位质量核,从而对每个连续周期函数一致收敛。 与 Poisson 核 公理库 圆盘 Poisson 核 Poisson kernel on the disk · Poisson integral formula on the disk 用非负边界权重构造单位圆盘调和延拓的核,其频率权重按半径的幂次衰减。 。不过,仅凭本页的三个核条件,不能对任意局部可积函数直接宣称每个 Lebesgue 点都逐点收敛;点态恢复还需适合的核控制或最大函数估计。
参考资料
R. K. Srivastava,MA746: Fourier Analysis ,IIT Guwahati,§1.3 定义 1.22、§2.4 定理 2.26:核的绝对质量条件与逼近。本文把范数证明写在 R d 的 L p 上;盒核误差公式在正文直接计算。