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定理Theorem

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。

形式陈述 ​

普通 Fourier 部分和可能放大旁瓣。若把前面的部分和一起平均,能否恢复对所有连续函数的稳定逼近?答案是肯定的。

在 2π 周期上使用 dm(t)=dt/(2π)。对Fourier 部分和 Sjf,本页取整数 N≥0,采用包含 S0 到 SN 的约定:

σNf=1N+1∑j=0NSjf.

对应的 Fejér 核为

FN(t)=1N+1∑j=0NDj(t)=1N+1|∑j=0Neijt|2.

因此

FN(t)=1N+1sin2⁡((N+1)t/2)sin2⁡(t/2),FN(0)=N+1,σNf=FN∗f.

Fejér 定理断言:对每个连续周期函数 f,‖σNf−f‖∞→0。对 f∈Lp(T)、1≤p<∞,也有 ‖σNf−f‖p→0。后一结论不要求为 f 的每个点指定连续代表。

直觉

第 k 个频率从 S|k| 开始,出现在随后全部部分和中。因此平均后,它不再得到“保留或删除”的二选一权重,而得到

σNf^(k)=(1−|k|N+1)f^(k),|k|≤N.

低频保留得多,高频逐渐衰减。这种三角形频率权重在空间中恰好变成一个平方模,所以核非负。输出于是成为真正的加权平均,而非用正负旁瓣修正出来的值。

若实值输入满足 a≤f≤b 几乎处处,则每个 N 都有 a≤σNf≤b。这个取值范围保证已经在有限阶成立,不必等到极限。

例子与边界

对方波算出前两次平均 ​

令 f(x)=sign(sin⁡x),在跳点取零。它的奇数正弦系数为 4/(πk),偶数系数为零。因此

S0f=0,S1f=S2f=4πsin⁡x.

按照本页的索引,

σ1f=2πsin⁡x,σ2f=83πsin⁡x.

两者最大值分别约为 0.637 和 0.849,都在原输入的 [−1,1] 内。增加阶数使平台逐渐更平,但不会因核的负旁瓣产生过冲,因为这里根本没有负权重。

方波不连续,所以本页的一致收敛结论不能套给它。每个 σNf 连续;连续函数的一致极限仍连续,不可能一致趋向方波。在跳点零处,偶核与奇函数相消,始终有 σNf(0)=0;在连续点则趋向 ±1。零正是左右极限的平均,而不是任意人为给跳点指定的值。

索引偏移要跟着公式一起改 ​

有的文献写 Fn=n−1∑j=0n−1Dj,其中心高度是 n。本页用 N+1 个部分和,所以中心高度是 N+1。两套记号等价,但若只替换字母而不改上限,就会把频率权重、核峰值和低阶例子错开一位。

推论与应用

核的三条性质 ​

Dirichlet 核的每个积分都等于一,故 ∫FNdm=1。平方模公式给出 FN≥0,于是 ‖FN‖1=1。

固定 0<δ≤π。在 δ≤|t|≤π 上,分母至少为 sin2⁡(δ/2),所以

0≤FN(t)≤1(N+1)sin2⁡(δ/2).

积分后,离零至少 δ 的质量趋零。因此 FN 是圆周上的近似恒等核。连续周期函数自动一致连续,范数和一致收敛随之得到。

也可以直接写出误差机制。若 |f(x−t)−f(x)|<η 对全部 x 和 |t|<δ 成立,则

|σNf(x)−f(x)|≤η+2‖f‖∞∫|t|≥δFN(t)dm(t).

右侧与 x 无关,先令 N→∞,再令 η→0。不需要知道普通部分和是否已经收敛。

跳点与唯一性 ​

若 f 有界,并在 x 有左右极限 f(x−)、f(x+),将卷积分成 t>0 与 t<0。偶性使两边核质量各为 1/2;靠近零时分别读取一个单侧极限,远处质量消失。因此

σNf(x)⟶f(x−)+f(x+)2.

这项结论需要所述单侧极限,不能从任意 L1 代表的单点值直接推得。

Fejér 定理还证明 Fourier 系数的唯一性。若 f∈L1(T) 的全部系数为零,则每个 σNf=0;但它们在 L1 中趋向 f,所以 f=0 几乎处处。也就是说,原级数是否逐点收敛,和全部系数是否唯一决定函数,是两个不同问题。

连续周期函数能由 σNf 这样的三角多项式一致逼近。若目标是保留取值范围或建立可靠逼近,这是比“多加几个原始 Fourier 模态”更直接的选择;若目标强调某些高频细节,则应同时承认平均对这些频率施加了衰减。

参考资料
关系图谱13 个相邻概念 · 2 类关系

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