אנליזת פורייה ויישומים קיץ תשעב/סיכומים/תקציר

להבא, אלא אם צוין אחרת, נסמן:

• [math]\displaystyle{ f,g,h }[/math] פונקציות.
• בהנתן [math]\displaystyle{ a,b }[/math] נסמן [math]\displaystyle{ q=\frac2{b-a} }[/math] ו־[math]\displaystyle{ q_n=\pi nq }[/math].
• [math]\displaystyle{ a_n,b_n }[/math] הם מקדמי פורייה של [math]\displaystyle{ \cos(q_nx),\sin(q_nx) }[/math] (בהתאמה) בטור פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math], ו־[math]\displaystyle{ c_n }[/math] מקדמי פורייה של [math]\displaystyle{ \mathrm e^{\mathrm iq_nx} }[/math] בטור פורייה המרוכב.
• [math]\displaystyle{ n!! }[/math] היא העצרת הכפולה של [math]\displaystyle{ n }[/math], והיא שווה למכפלת כל המספרים האי־זוגיים (אם [math]\displaystyle{ n }[/math] אי־זוגי) מ־1 עד [math]\displaystyle{ n }[/math], או כל המספרים הזוגיים (אחרת). כלומר: [math]\displaystyle{ (2n-1)!!=\prod_{k=1}^n (2k-1) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ (2n)!!=\prod_{k=1}^n 2k=2^n n! }[/math].
• [math]\displaystyle{ \{\mathbf e_1,\dots,\mathbf e_n\} }[/math] אורתונורמלית ו־[math]\displaystyle{ \{\mathbf b_1,\dots,\mathbf b_n\} }[/math] אורתוגונלית.

תזכורות ותוספות לאלגברה לינארית

• אי־שוויון הולדר: אם [math]\displaystyle{ x\in\ell_p\ \and\ y\in\ell_q }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ \frac1p+\frac1q=1 }[/math] (כלומר, [math]\displaystyle{ \ell_p,\ell_q }[/math] צמודים) אזי [math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty|x_n\cdot y_n|\le\|x\|_p\cdot\|y\|_q }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ \mathbf u=\sum_{k=1}^n a_k\mathbf e_k }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \forall k:\ a_k=\langle\mathbf u,\mathbf e_k\rangle }[/math].
• ההיטל של [math]\displaystyle{ \mathbf u }[/math] על [math]\displaystyle{ \mathbf v }[/math] הוא [math]\displaystyle{ \mbox{proj}_{\mathbf v}(\mathbf u)=\frac{\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle}{\langle\mathbf v,\mathbf v\rangle}\mathbf v }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ S=\{\mathbf b_1,\dots,\mathbf b_n\} }[/math] בסיס אורתוגונלי אזי הקירוב הטוב ביותר ל־[math]\displaystyle{ \mathbf u }[/math] ב־[math]\displaystyle{ W=\mbox{span}(S) }[/math] הוא [math]\displaystyle{ \tilde\mathbf u=\sum_{k=1}^n\mbox{proj}_{\mathbf b_k}(\mathbf u) }[/math], כלומר [math]\displaystyle{ \min_{\mathbf v\in W}\|\mathbf u-\mathbf v\|=\|\mathbf u-\tilde\mathbf u\| }[/math].
• אי־שוויון בסל: [math]\displaystyle{ \|\mathbf u\|^2\ge\sum_{k=1}^n|\langle\mathbf u,\mathbf e_k\rangle|^2 }[/math].
• תהליך גרם–שמידט: בהנתן בסיס [math]\displaystyle{ \{\mathbf u_1,\dots,\mathbf u_n\} }[/math] נוכל להגדיר בסיס אורתוגונלי [math]\displaystyle{ \{\mathbf b_1,\dots,\mathbf b_n\} }[/math] ובסיס אורתונורמלי [math]\displaystyle{ \{\mathbf e_1,\dots,\mathbf e_n\} }[/math] באופן הבא:
  [math]\displaystyle{ \begin{array}{ll}\mathbf b_1:=\mathbf u_1,&\displaystyle\mathbf e_1:=\frac{\mathbf b_1}{\|\mathbf b_1\|}\\\mathbf b_2:=\mathbf u_2-\mbox{proj}_{\mathbf b_1}(\mathbf u_2),&\mathbf e_2:=\displaystyle\frac{\mathbf b_2}{\|\mathbf b_2\|}\\\vdots&\vdots\\\displaystyle\mathbf b_k:=\mathbf u_k-\sum_{i=1}^{k-1}\mbox{proj}_{\mathbf b_i}(\mathbf u_k),&\displaystyle\mathbf e_k:=\frac{\mathbf b_k}{\|\mathbf b_k\|}\\\vdots&\vdots\end{array} }[/math]
• מרחב הפולינומים ממעלה [math]\displaystyle{ n }[/math] או פחות מסומן [math]\displaystyle{ P_n[x] }[/math].
• פולינומי לז׳נדר: בהנתן המכפלה הפנימית [math]\displaystyle{ \langle f,g\rangle=\int\limits_{-1}^1 f(x)g(x)\mathrm dx }[/math] על מרחב הפולינומים [math]\displaystyle{ P_n[x] }[/math], הפולינומים האורתוגונליים הנוצרים בתהליך גרם–שמידט מהבסיס [math]\displaystyle{ \{1,x,x^2,\dots,x^n\} }[/math] הם
  [math]\displaystyle{ \begin{array}{l}P_0(x)=1\\P_1(x)=x\\\displaystyle P_2(x)=\frac{3x^2-1}2\\\displaystyle P_3(x)=\frac{5x^3-3x}2\\\vdots\end{array} }[/math]
  ניתן לחשב אותם גם ע״י [math]\displaystyle{ P_n(x)=\frac1{2^n\cdot n!}\frac{\mathrm d^n}{\mathrm dx^n}\left(x^2-1\right)^n }[/math] או [math]\displaystyle{ P_{n+1}(x)=\frac{(2n+1)x\cdot P_n(x)-n\cdot P_{n-1}(x)}{n+1} }[/math], והם מקיימים [math]\displaystyle{ \|P_n\|^2=\frac2{2n+1} }[/math].
• פולינומי צבישב: בהנתן המכפלה הפנימית [math]\displaystyle{ \langle f,g\rangle=\int\limits_{-1}^1\frac{f(x)g(x)}\sqrt{1-x^2}\mathrm dx }[/math] על מרחב הפולינומים [math]\displaystyle{ P_n[x] }[/math], הפולינומים האורתוגונליים הנוצרים בתהליך גרם–שמידט מהבסיס [math]\displaystyle{ \{1,x,x^2,\dots,x^n\} }[/math] הם
  [math]\displaystyle{ \begin{array}{l}T_0(x)=1\\T_1(x)=x\\T_2(x)=2x^2-1\\T_3(x)=4x^3-3x\\\vdots\end{array} }[/math]
  ניתן לחשב אותם גם ע״י [math]\displaystyle{ T_n(x)=\frac{\sqrt{1-x^2}}{(-1)^n(2n-1)!!}\frac{\mathrm d^n}{\mathrm dx^n}\left(1-x^2\right)^{n-\frac12} }[/math] (נוסחת רודריגז) או [math]\displaystyle{ T_{n+1}(x)=2x\cdot T_n(x)-T_{n-1}(x) }[/math], והם מקיימים [math]\displaystyle{ \|T_n\|^2=\begin{cases}\pi,&n=0\\\frac\pi2,&\text{else}\end{cases} }[/math].

טורי פורייה

• פונקציה רציפה למקוטעין היא פונקציה רציפה למעט במספר סופי של נקודות אי־רציפות שאינן מסוג שני. הפונקציות הרציפות למקוטעין בקטע [math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] יוצרות מרחב מכפלה פנימית [math]\displaystyle{ E[a,b] }[/math] עם [math]\displaystyle{ \langle f,g\rangle=q\int\limits_a^b f(x)\overline{g(x)}\mathrm dx }[/math]. מכפלה פנימית שימושית נוספת היא [math]\displaystyle{ \tfrac12\langle\cdot,\cdot\rangle }[/math].

• [math]\displaystyle{ E }[/math] הוא סימון מקוצר ל־[math]\displaystyle{ E[-\pi,\pi] }[/math].

• מערכת סגורה: נתונה קבוצה אורתונורמלית אינסופית [math]\displaystyle{ \{\mathbf e_1,\mathbf e_2,\dots\} }[/math] במרחב מכפלה פנימית. המערכת תקרא סגורה אם היא מקיימת לכל וקטור [math]\displaystyle{ \mathbf u }[/math] את התנאי [math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\left\|\mathbf u-\sum_{k=1}^n\langle\mathbf u,\mathbf e_k\rangle\mathbf e_k\right\|=0 }[/math].
• המערכות [math]\displaystyle{ \left\{\frac1\sqrt2\right\}\cup\{\cos(q_nx)\}_{n=1}^\infty\cup\{\sin(q_nx)\}_{n=1}^\infty }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \left\{\mathrm e^{\mathrm iq_nx}\right\}_{n\to-\infty}^\infty }[/math] אורתונורמליות סגורות ב־[math]\displaystyle{ E[a,b] }[/math] לפי המכפלות הפנימיות [math]\displaystyle{ \langle\cdot,\cdot\rangle }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \tfrac12\langle\cdot,\cdot\rangle }[/math] בהתאמה.
• טור פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math] ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] הוא [math]\displaystyle{ \frac{a_0}2+\sum_{n=1}^\infty\Big(a_n\cos(q_nx)+b_n\sin(q_nx)\Big) }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ \forall n\in\mathbb N\cup\{0\}:\ a_n:=\langle f,\cos(q_nx)\rangle\ \and\ \forall n\in\mathbb N:\ b_n:=\langle f,\sin(q_nx)\rangle }[/math].

• אם [math]\displaystyle{ f }[/math] זוגית זה טור קוסינוסים, ואם היא אי־זוגית זה טור סינוסים.
• מתקיים [math]\displaystyle{ \frac{|a_0|^2}2+\sum_{n=1}^\infty\left(|a_n|^2+|b_n|^2\right)\le\|f\|^2 }[/math].

• טור פורייה המרוכב של [math]\displaystyle{ f }[/math] ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] הוא [math]\displaystyle{ \sum_{n\to-\infty}^\infty c_n\mathrm e^{\mathrm iq_nx} }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ \forall n\in\mathbb Z:\ c_n:=\tfrac12\left\langle f,\mathrm e^{\mathrm iq_nx}\right\rangle }[/math].

• מתקיים [math]\displaystyle{ \forall n\in\mathbb Z:\ c_n=\frac{a_{|n|}-\mathrm i\cdot\sgn(n)b_{|n|}}2 }[/math] וכן [math]\displaystyle{ a_n=c_n+c_{-n}\ \and\ b_n=\mathrm i(c_n-c_{-n}) }[/math].

• אם [math]\displaystyle{ f\in E[a,b] }[/math] ו־[math]\displaystyle{ S_N }[/math] הסכום החלקי ה־[math]\displaystyle{ N }[/math]־י של טור פורייה (מרוכב או ממשי) של [math]\displaystyle{ f }[/math], אזי [math]\displaystyle{ \lim_{N\to\infty}\|f-S_N\|=0 }[/math].
• [math]\displaystyle{ E'[a,b] }[/math] הוא מרחב כל הפוקנציות ב־[math]\displaystyle{ E[a,b] }[/math] שקיימות להן הנגזרות החד־צדדיות בכל נקודה ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] למעט, אולי, בקצות הקטע.
• משפט ההתכנסות (משפט דיריכלה): תהי [math]\displaystyle{ f\in E'(\mathbb R) }[/math] אינטגרבילית בהחלט ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] ובעלת מחזור [math]\displaystyle{ b-a }[/math]. בכל נקודה בה הפונקציה רציפה טור פורייה ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] מתכנס ל־[math]\displaystyle{ f }[/math].

• אם [math]\displaystyle{ f\in E'[c,d] }[/math] אזי ניתן ליצור המשכה מחזורית שלה ב־[math]\displaystyle{ \mathbb R }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ x_0 }[/math] נקודת אי־רציפות אזי הטור מתכנס ל־[math]\displaystyle{ \displaystyle\lim_{x\to x_0^+}f(x)+\lim_{x\to x_0^-}f(x)\over2 }[/math].

• תופעת גיבס: נניח שבנוסף [math]\displaystyle{ f'\in E[a,b] }[/math] ו־[math]\displaystyle{ x_0 }[/math] נקודת אי־רציפות מסוג ראשון של [math]\displaystyle{ f }[/math] כך ש־[math]\displaystyle{ a\lt x_0\lt b }[/math]. כמו כן, [math]\displaystyle{ S_N }[/math] הסכום החלקי ה־[math]\displaystyle{ N }[/math]־י של טור פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math]. אזי קיימת סדרת נקודות [math]\displaystyle{ \{x_n\}_{n=1}^\infty }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ x_n\to x_0\ \and\ \forall n:\ x_n\gt x_0 }[/math] וכן [math]\displaystyle{ \lim_{N\to\infty}\frac{S_N(x_N)-f(x_N)}{\displaystyle\lim_{x\to x_0^+}f(x)-\lim_{x\to x_0^-}f(x)}\approx0.0895\dots }[/math], וזו השגיאה המקסימלית.

• למת רימן–לבג: אם [math]\displaystyle{ f }[/math] אינטגרבילית בהחלט אזי [math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\int\limits_a^b f(x)\sin(nx)\mathrm dx=\lim_{n\to\infty}\int\limits_a^b f(x)\cos(nx)\mathrm dx=0 }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ n\in\mathbb R }[/math] (זה גבול של פונקציה, ולא רק של סדרה).
• גרעין דיריכלה: [math]\displaystyle{ \frac12+\sum_{k=1}^n \cos(kx)=\frac{\sin\!\left(\left(n+\frac12\right)x\right)}{2\sin\!\left(\frac x2\right)} }[/math]. בנוסף, האינטגרל של הביטוי ב־[math]\displaystyle{ (-\pi,\pi) }[/math] שווה ל־[math]\displaystyle{ \pi }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f\in E'[a,b] }[/math] רציפה ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] ו־[math]\displaystyle{ f(a)=f(b) }[/math] אז טור פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math] יתכנס אליה במ״ש על הקטע.
• שוויון פרסבל: אם [math]\displaystyle{ f\in E[a,b] }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \|f\|^2=q\int\limits_a^b |f(x)|^2\mathrm dx=\frac{|a_0|^2}2+\sum_{n=1}^\infty\Big(|a_n|^2+|b_n|^2\Big) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \frac{\|f\|^2}2=\frac q2\int\limits_a^b |f(x)|^2\mathrm dx=\sum_{n\to-\infty}^\infty |c_n|^2 }[/math].

• שוויון פרסבל המוכלל: אם [math]\displaystyle{ f,g\in E[a,b] }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \langle f,g\rangle=q\int\limits_a^b f(x)\overline{g(x)}\mathrm dx=\frac{a_0\overline{c_0}}2+\sum_{n=1}^\infty\Big(a_n\overline{c_n}+b_n\overline{d_n}\Big) }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ g(x)\sim\frac{c_0}2+\sum_{n=1}^\infty\Big(c_n\cos(q_nx)+d_n\sin(q_nx)\Big) }[/math].

• אם [math]\displaystyle{ f }[/math] רציפה ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math], [math]\displaystyle{ f(a)=f(b) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ f'\in E[a,b] }[/math] אזי טור פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math] גזיר איבר־איבר ומתקיים [math]\displaystyle{ f'(x)\sim\sum_{n=1}^\infty\big(q_n b_n\cos(q_nx)-q_n a_n\sin(q_nx)\Big)=\sum_{n\to-\infty}^\infty \mathrm iq_nc_n\mathrm e^{\mathrm iq_nx} }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f\in E[a,b] }[/math] אזי ניתן לבצע אינטגרציה איבר־איבר על טור פורייה. בנוסף, לכל [math]\displaystyle{ x\in[a,b] }[/math] ולכל [math]\displaystyle{ m\in[a,b) }[/math] מתקיים
  [math]\displaystyle{ \begin{align}\int\limits_m^x f(t)\mathrm dt&=\frac{a_0}2(x-m)+\sum_{n=1}^\infty\left(\frac{a_n}{q_n}(\sin(q_nx)-\sin(q_nm))-\frac{b_n}{q_n}(\cos(q_nx)-\cos(q_nm))\right)\\&=c_0(x-m)+\sum_{n\ne0}\frac{c_n}{\mathrm iq_n}\left(\mathrm e^{\mathrm iq_nx}-\mathrm e^{\mathrm iq_nm}\right)\end{align} }[/math]
  והטורים מתכנסים במ״ש.

• אם [math]\displaystyle{ F }[/math] קדומה ל־[math]\displaystyle{ f }[/math] ב־[math]\displaystyle{ [a,b] }[/math] אזי [math]\displaystyle{ F(x)=\frac{a_0}2x+\sum_{n=1}^\infty\left(\frac{a_n}{q_n}\sin(q_nx)-\frac{b_n}{q_n}\cos(q_nx)\right)+\frac q2\int\limits_a^b F(x)\mathrm dx }[/math].

התמרות פורייה

• [math]\displaystyle{ G(\mathbb R) }[/math] הוא המרחב הלינארי של כל הפונקציות המוגדרות מ־[math]\displaystyle{ \mathbb R }[/math] ל־[math]\displaystyle{ \mathbb C }[/math] שהן רציפות למקוטעין ואינטגרביליות בהחלט ב־[math]\displaystyle{ \mathbb R }[/math].
• התמרת פורייה: [math]\displaystyle{ \hat f=\mathcal F[f]:\mathbb R\to\mathbb C }[/math] נקראת "התמרת פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math]" ומוגדרת ע״י [math]\displaystyle{ \hat f(\omega):=\frac1{2\pi}\int\limits_{-\infty}^\infty f(x)\mathrm e^{-\mathrm i\omega x}\mathrm dx }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f\in G(\mathbb R) }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \hat f }[/math] מוגדרת ורציפה בכל נקודה [math]\displaystyle{ \omega\in\mathbb R }[/math]. בנוסף, [math]\displaystyle{ \lim_{\omega\to\pm\infty}\hat f(\omega)=0 }[/math].
• לכל [math]\displaystyle{ f,g\in G(\mathbb R) }[/math] ולכל [math]\displaystyle{ a,b\in\mathbb C }[/math] מתקיים:

• [math]\displaystyle{ \mathcal F[af+bg]=a\mathcal F[f]+b\mathcal F[g] }[/math]
• אם [math]\displaystyle{ f }[/math] ממשית אזי [math]\displaystyle{ \hat f(-\omega)=\overline{\hat f(\omega)} }[/math].

• מקרה פרטי: אם [math]\displaystyle{ f }[/math] ממשית וזוגית אזי [math]\displaystyle{ \hat f(\omega)=\hat f(-\omega) }[/math] והיא פונקציה ממשית.
• מקרה פרטי: אם [math]\displaystyle{ f }[/math] ממשית ואי־זוגית אזי [math]\displaystyle{ \hat f(-\omega)=-\hat f(\omega) }[/math] והיא פונקציה מדומה.

• אם [math]\displaystyle{ f }[/math] מדומה אזי [math]\displaystyle{ \hat f(-\omega)=-\overline{\hat f(\omega)} }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ a\ne0 }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \mathcal F[f(ax+b)](\omega)=\frac1{|a|}\exp\!\left(\frac{\mathrm ib\omega}2\right)\mathcal F[f]\!\left(\frac\omega a\right) }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ a\in\mathbb R }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \mathcal F\!\left[\mathrm e^{\mathrm iax}f(x)\right]\!(\omega)=\mathcal F[f](\omega-a) }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ a\in\mathbb R }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \mathcal F[\cos(ax)f(x)](\omega)=\frac{\mathcal F[f](\omega-a)-\mathcal F[f](\omega+a)}2 }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ a\in\mathbb R }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \mathcal F[\sin(ax)f(x)](\omega)=\frac{\mathcal F[f](\omega-a)-\mathcal F[f](\omega+a)}{2\mathrm i} }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f,f',\dots,f^{(n)}\in G(\mathbb R) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \lim_{x\to\pm\infty}f(x)=0 }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \mathcal F\!\left[f^{(n)}\right]\!(\omega)=(\mathrm i\omega)^n\mathcal F[f](\omega) }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty\left|x^k f(x)\right|\mathrm dx }[/math] מתכנס לכל [math]\displaystyle{ k\in\{1,\dots,n\} }[/math] אזי [math]\displaystyle{ \hat f }[/math] גזירה ברציפות [math]\displaystyle{ n }[/math] פעמים ומתקיים [math]\displaystyle{ \mathcal F\!\left[x^n f(x)\right]\!(\omega)=\mathrm i^n\frac{\mathrm d^n}{\mathrm d\omega^n}\mathcal F[f](\omega) }[/math].

• התמרת פורייה ההפוכה: אם [math]\displaystyle{ f\in G(\mathbb R) }[/math] אזי בכל נקודה [math]\displaystyle{ x_0 }[/math] שבה קיימות הנגזרות החד־צדדיות מתקיים [math]\displaystyle{ \frac{\displaystyle\lim_{x\to x_0^+}f(x)+\lim_{x\to x_0^-}f(x)}2=\lim_{R\to\infty}\int\limits_{-R}^R\hat f(\omega)\mathrm e^{\mathrm i\omega x}\mathrm d\omega }[/math].

• מקרה פרטי: אם [math]\displaystyle{ f'\in E(\mathbb R) }[/math] אזי [math]\displaystyle{ f(x)=\int\limits_{-\infty}^\infty\hat f(\omega)\mathrm e^{\mathrm i\omega x}\mathrm d\omega }[/math].

• עקרון הדואליות של ההתמרה וההתמרה ההפוכה: תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ f'\in E(\mathbb R) }[/math], ונרצה למצוא את התמרת פורייה של ההתמרה [math]\displaystyle{ \hat f }[/math] שלה. נוכל להציב [math]\displaystyle{ x:=-\omega,\ \omega:=x }[/math] ב־[math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty\hat f(\omega)\mathrm e^{\mathrm i\omega x}\mathrm d\omega=f(x) }[/math], לחלק את שני האגפים ב־[math]\displaystyle{ 2\pi }[/math] ולקבל [math]\displaystyle{ \hat\hat f(\omega)=\frac1{2\pi}\int\limits_{-\infty}^\infty\hat f(x)\mathrm e^{-\mathrm i\omega x}\mathrm dx=\frac{f(-\omega)}{2\pi} }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f,g\in G(\mathbb R) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty f(x)\overline{g(x)}\mathrm dx }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty\hat f(\omega)\overline{\hat g(\omega)}\mathrm d\omega }[/math] מתכנסים אזי [math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty f(x)\overline{g(x)}\mathrm dx=2\pi\int\limits_{-\infty}^\infty\hat f(\omega)\overline{\hat g(\omega)}\mathrm d\omega }[/math].

• מקרה פרטי: נוסחת פלנשרל (Plancherel): אם [math]\displaystyle{ f\in G(\mathbb R) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty |f(x)|^2\mathrm dx }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty \left|\hat f(\omega)\right|^2\mathrm d\omega }[/math] מתכנסים אזי [math]\displaystyle{ \int\limits_{-\infty}^\infty |f(x)|^2\mathrm dx=2\pi\int\limits_{-\infty}^\infty\left|\hat f(\omega)\right|^2\mathrm d\omega }[/math].

• קונבולוציה: יהיו [math]\displaystyle{ f,g:\mathbb R\to\mathbb R }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ \forall x\in\mathbb R:\ (f*g)(x)=\int\limits_{-\infty}^\infty f(x-t)g(t)\mathrm dt }[/math].
• [math]\displaystyle{ f*g=g*f }[/math]
• [math]\displaystyle{ (f*g)*h=f*(g*h) }[/math]
• [math]\displaystyle{ f*(g+h)=f*g+f*h }[/math]
• אם [math]\displaystyle{ f,g }[/math] אינטגרביליות בהחלט אז [math]\displaystyle{ f*g }[/math] מוגדרת עבורן בכל [math]\displaystyle{ \mathbb R }[/math] וגם היא אינטגרבילית בהחלט.
• משפט הקונבולוציה: [math]\displaystyle{ \forall f,g\in G(\mathbb R):\ \mathcal F[f*g]=2\pi\mathcal F[f]\mathcal F[g] }[/math].

• שימוש חשוב: נניח שידועות [math]\displaystyle{ f,g,\hat f,\hat g }[/math] ונרצה למצוא [math]\displaystyle{ h }[/math] כך ש־[math]\displaystyle{ \hat h=\hat f\cdot\hat g }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ h=\frac1{2\pi}f*g }[/math].

התמרות פורייה שימושיות

• [math]\displaystyle{ \mathcal F\!\left[\mathrm e^{-|x|}\right]\!(\omega)=\frac1{\pi(1+\omega^2)} }[/math]
• [math]\displaystyle{ \mathcal F\!\left[\mathrm e^{-x^2}\right]\!(\omega)=\frac{\mathrm e^{-\omega^2/4}}{2\sqrt\pi} }[/math] (הוכחה ע״י חישוב הנגזרת של האינטגרל שמגדיר את ההתמרה ופתרון המד״ר המתקבלת: [math]\displaystyle{ \hat f'(\omega)=-\frac\omega2\hat f(\omega) }[/math]).
• עבור [math]\displaystyle{ a\ge0 }[/math]: [math]\displaystyle{ \mathcal F[1_{[-a,a]}](\omega)=\frac{\sin(a\omega)}{\pi\omega} }[/math] (כאשר [math]\displaystyle{ 1_A }[/math] היא הפונקציה המציינת של קבוצה [math]\displaystyle{ A }[/math], ומוגדרת ע״י [math]\displaystyle{ 1_A(x)=\begin{cases}1,&x\in A\\0,&\text{else}\end{cases} }[/math]).

התמרות לפלס

• חסימות מעריכית: נאמר ש־[math]\displaystyle{ f }[/math] חסומה מעריכית אם קיימים [math]\displaystyle{ M\gt 0 }[/math] (חסם מעריכי) ו־[math]\displaystyle{ \alpha }[/math] (סדר מעריכי) שעבורם [math]\displaystyle{ \forall t:\ |f(t)|\le M\mathrm e^{\alpha t} }[/math].
• [math]\displaystyle{ \Lambda(\mathbb R) }[/math] הוא המרחב הלינארי של פונקציות [math]\displaystyle{ f:\mathbb R\to\mathbb C }[/math] חסומות מעריכית כך ש־[math]\displaystyle{ f\in E[0,\infty) }[/math] והן אינטגרביליות בהחלט ב־[math]\displaystyle{ [0,R] }[/math] לכל [math]\displaystyle{ 0\lt R\lt \infty }[/math].
• התמרת לפלס: תהי [math]\displaystyle{ f\in E[0,\infty) }[/math] המקבלת ערכים ב־[math]\displaystyle{ \mathbb C }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ \mathcal L[f]:\mathbb R\to\mathbb C }[/math] נקראת "התמרת לפלס של [math]\displaystyle{ f }[/math]" ומוגדרת ע״י [math]\displaystyle{ \mathcal L[f](s)=\int\limits_0^\infty f(t)\mathrm e^{-st}\mathrm dt }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f\in E[0,\infty) }[/math] וחסומה מעריכית אזי [math]\displaystyle{ \lim_{s\to\infty}\mathcal L[f](s)=0 }[/math].
• אם [math]\displaystyle{ f\in\Lambda(\mathbb R) }[/math] עם סדר מעריכי [math]\displaystyle{ \alpha }[/math] אז קיימת לה התמרת לפלס ב־[math]\displaystyle{ (\alpha,\infty) }[/math].
• [math]\displaystyle{ \forall a,b\in\mathbb C:\ \mathcal L[af+bg]=a\mathcal L[f]+b\mathcal L[g] }[/math]
• [math]\displaystyle{ \mathcal L\!\left[t^n f(t)\right]\!(s)=(-1)^n\frac{\mathrm d^n}{\mathrm ds^n}\mathcal L[f](s) }[/math]
• משפט התמורה של הנגזרת: תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] עם חסם מעריכי [math]\displaystyle{ \alpha }[/math] וכך ש־[math]\displaystyle{ f^{(n)}\in\Lambda(\mathbb R) }[/math]. אזי התמרת לפלס של [math]\displaystyle{ f^{(n)} }[/math] מוגדרת ב־[math]\displaystyle{ (\alpha,\infty) }[/math] ומתקיים [math]\displaystyle{ \mathcal L\!\left[f^{(n)}\right]\!(s)=s^n\mathcal L[f](s)-\sum_{k=0}^{n-1} s^{n-1-k}f^{(k)}(0) }[/math].
• קונבולוציה: יהיו [math]\displaystyle{ f,g\in\Lambda(\mathbb R) }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ \forall t\in[0,\infty):\ (f*g)(t)=\int\limits_0^t f(t-x)g(x)\mathrm dx }[/math].
• משפט הקונבולוציה: [math]\displaystyle{ \forall f,g\in\Lambda(\mathbb R):\ \mathcal L[f*g]=\mathcal L[f]\mathcal L[g] }[/math]. אם בנוסף [math]\displaystyle{ f,g }[/math] עם סדר מעריכי [math]\displaystyle{ \alpha }[/math] אז [math]\displaystyle{ \mathcal L[f*g](s) }[/math] מוגדר לכל [math]\displaystyle{ s\gt \alpha }[/math].
• תהא [math]\displaystyle{ f\in\Lambda(\mathbb R) }[/math] ונתונה [math]\displaystyle{ F(t)=\int\limits_0^t f(x)\mathrm dx }[/math]. ממשפט הקונבולוציה עם [math]\displaystyle{ g(t)\equiv1 }[/math] נקבל [math]\displaystyle{ \mathcal L[F](s)=\frac{\mathcal L[f](s)}s }[/math].
• פונקציית הביסייד (Heaviside) היא [math]\displaystyle{ H_c(t)=\begin{cases}0,&0\le t\lt c\\1,&t\ge c\end{cases} }[/math].
• [math]\displaystyle{ \mathcal L[H_c(t)f(t-c)](s)=\mathrm e^{-cs}\mathcal L[f](s) }[/math]

התמרות לפלס שימושיות

בהתמרות הבאות, [math]\displaystyle{ a }[/math] הוא מספר ממשי כרצוננו.

• [math]\displaystyle{ \mathcal L\!\left[\mathrm e^{at}\right]\!(s)=\frac1{s-a},\quad s\gt a }[/math]
• [math]\displaystyle{ \mathcal L\!\left[t\mathrm e^{at}\right]\!(s)=\frac1{(s-a)^2},\quad s\gt a }[/math]
• [math]\displaystyle{ \mathcal L[\sin(at)](s)=\frac a{s^2+a^2},\quad s\gt 0 }[/math]
• [math]\displaystyle{ \mathcal L[\cos(at)](s)=\frac s{s^2+a^2},\quad s\gt 0 }[/math]
• [math]\displaystyle{ \mathcal L[H_a](s)=\frac{\mathrm e^{-as}}s,\quad s\gt 0 }[/math]

דגימה והתמרת פורייה בדידה

• [math]\displaystyle{ f\in G(\mathbb R) }[/math] נקראת "חסומה בתדר" אם [math]\displaystyle{ \exists L\gt 0:\ \forall |\omega|\gt L:\ \hat f(\omega)=0 }[/math]. ה־[math]\displaystyle{ L }[/math] המינימלי שמקיים זאת נקרא "רוחב הפס" של [math]\displaystyle{ f }[/math].
• נניח כי [math]\displaystyle{ f }[/math] חסומה בתדר ובעלת רוחב פס [math]\displaystyle{ L }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ \forall x\in\mathbb R:\ f(x)=\sum_{n\to-\infty}^\infty f\!\left(\frac{\pi n}L\right)\frac{\sin(Lx-\pi n)}{Lx-\pi n} }[/math].
• התמרת פורייה בדידה (DFT): בהינתן סדרה [math]\displaystyle{ x=\{x_0,x_1,\dots,x_{N-1}\} }[/math] של [math]\displaystyle{ N }[/math] נקודות, נגדיר את התמרת פורייה הבדידה שלה ע״י [math]\displaystyle{ \forall k:\ \mathcal F_N(x)_k=X_k=\frac1\sqrt N\sum_{m=0}^{N-1} x_m w^{mk} }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ w:=\mathrm e^{-2\pi\mathrm i/N} }[/math]. זו התמרה של [math]\displaystyle{ N }[/math] נקודות ל־[math]\displaystyle{ N }[/math] נקודות אחרות.
• ההתמרת פורייה הבדידה ההפוכה (IDFT) נותנת את ערכי הסדרה המקורית [math]\displaystyle{ x }[/math] לפי ערכי התמרת פורייה הבדידה [math]\displaystyle{ X }[/math] שלה: [math]\displaystyle{ \forall k:\ \mathcal F_N^{-1}(X)_k=\frac1\sqrt N\sum_{m=0}^{N-1} X_m w^{-mk} }[/math].
• [math]\displaystyle{ \mathcal F_N(ax+by)=a\mathcal F_N(x)+b\mathcal F_N(y) }[/math]
• [math]\displaystyle{ X_k=X_{k+N} }[/math]
• קונבולוציה: בהנתן שתי סדרות [math]\displaystyle{ x,y }[/math] בעלות מחזור [math]\displaystyle{ N }[/math] הקונבולוציה מוגדרת ע״י [math]\displaystyle{ (x*y)_k:=\frac1\sqrt N\sum_{m=0}^{N-1} x_m y_{k-m} }[/math].
• משפט הקונבולוציה: [math]\displaystyle{ \mathcal F_N(x*y)=\mathcal F_N(x)\cdot\mathcal F_N(y)=X\cdot Y }[/math] (כאשר הכפל מתבצע איבר־איבר).
• מטריצת DFT: התמרת פורייה הבדידה הינה לינארית, לכן קל להגדיר אותה באמצעות מטריצה [math]\displaystyle{ W }[/math] שתקיים [math]\displaystyle{ X=Wx }[/math]. המטריצה מוגדרת כ־[math]\displaystyle{ W=\frac1\sqrt N\begin{pmatrix}1&1&1&\cdots&1\\1&w&w^2&\dots&w^{N-1}\\1&w^2&w^{2\cdot2}&\cdots&w^{2(N-1)}\\\vdots&\vdots&\vdots&\ddots&\vdots\\1&w^{N-1}&w^{2(N-1)}&\cdots&w^{(N-1)^2}\end{pmatrix}=\left(\frac{w^{(i-1)\cdot(j-1)}}\sqrt N\right)_{1\le i,j\le N} }[/math], וזו מטריצה יוניטרית (כלומר [math]\displaystyle{ W^{-1}=\overline W^\top }[/math]) וסימטרית.
• FFT – Fast Fourier Transform: בעוד שחישוב על פי ההגדרה של התמרת פורייה בדידה הוא בעל סיבוכיות זמן ריצה [math]\displaystyle{ O(N^2) }[/math], תהליכי FFT עושים זאת ב־[math]\displaystyle{ O(N\log(N)) }[/math]. יש מספר שיטות כאלו, אנו למדנו רק את תהליך Cooley–Tukey. הפירוט אינו מופיע כאן, אלא בקישור הנ״ל לוויקפדיה.

מד״ח

• מעבר חום: נתונה המד״ח [math]\displaystyle{ \frac{\partial u}{\partial t}=k\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} }[/math] ([math]\displaystyle{ k }[/math] קבוע) עם תנאי ההתחלה [math]\displaystyle{ u(x,0)=f(x) }[/math].

• שיטת הפרדת משתנים: אם נתונים בנוסף תנאי השפה [math]\displaystyle{ \forall t\ge0:\ u(-L,t)=u(L,t)\ \and\ \frac{\partial u}{\partial x}(-L,t)=\frac{\partial u}{\partial x}(L,t) }[/math], נניח שניתן להציג את הפתרון [math]\displaystyle{ u(x,t) }[/math] כמכפלה [math]\displaystyle{ X(x)\cdot T(t) }[/math]. אזי [math]\displaystyle{ \frac{T'}{k T}=\frac{X''}X=:-\lambda }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ \lambda }[/math] מספר חיובי (אם אי־חיובי תנאי השפה לא יתקיימו). מקבלים שתי מד״ר נפרדות: [math]\displaystyle{ \begin{cases}X''+\lambda X=0\\T'+\lambda T=0\end{cases} }[/math]. לגבי המד״ר הראשונה, תנאי השפה דורשים ש־[math]\displaystyle{ \lambda=\frac{\pi^2n^2}{L^2} }[/math] עבור [math]\displaystyle{ n\in\mathbb N\cup\{0\} }[/math] ולכן, עבור [math]\displaystyle{ n }[/math] נתון, [math]\displaystyle{ X_n(x)=a_n\sin\!\left(\frac{\pi n}L x\right)+b_n\cos\!\left(\frac{\pi n}L x\right) }[/math] פתרון לכל [math]\displaystyle{ a_n,b_n }[/math]. לגבי המד״ר השנייה, [math]\displaystyle{ T_n(t)=\exp\!\left(-k\frac{\pi^2n^2}{L^2}t\right) }[/math] הוא פתרון עבור [math]\displaystyle{ n }[/math] נתון. הפתרון הכללי של [math]\displaystyle{ u }[/math] הוא צירוף לינארי של פתרונות הבסיס: [math]\displaystyle{ u(x,t)=\frac{a_0}2+\sum_{n=1}^\infty\exp\!\left(-k\frac{\pi^2n^2}{L^2}t\right)\left(a_n\cos\!\left(\frac{\pi n}L x\right)+b_n\sin\!\left(\frac{\pi n}L x\right)\right) }[/math], כאשר מתנאי ההתחלה נובע ש־[math]\displaystyle{ a_n,b_n }[/math] מקדמי טור פורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math] ב־[math]\displaystyle{ [-L,L] }[/math].
• שימוש בהתמרת פורייה: נסמן [math]\displaystyle{ \hat u(\omega,t)=\frac1{2\pi}\int\limits_{-\infty}^\infty u(x,t)\mathrm e^{-\mathrm i\omega x}\mathrm dx }[/math] (כלומר, זו התמרת פורייה של [math]\displaystyle{ u }[/math] לפי [math]\displaystyle{ x }[/math]). לפי המד״ח [math]\displaystyle{ \frac{\partial\hat u}{\partial t}(\omega,t)=\frac k{2\pi}\int\limits_{-\infty}^\infty \frac{\partial^2 u}{\partial x^2}(x,t)\mathrm e^{-\mathrm i\omega x}\mathrm dx=k\mathcal F\!\left[\frac{\partial^2u}{\partial x^2}\right]\!(\omega,t)=k(\mathrm i\omega)^2\hat u(\omega,t) }[/math]. פתרונה של המד״ר הזו הוא [math]\displaystyle{ \hat u(\omega,t)=A(\omega)\mathrm e^{-k\omega^2t} }[/math], והצבה של [math]\displaystyle{ t=0 }[/math] תתן [math]\displaystyle{ A(\omega)=\hat u(\omega,0)=\hat f(\omega) }[/math]. עתה נחפש פונקציה [math]\displaystyle{ g }[/math] כך שהתמרת פורייה שלה לפי [math]\displaystyle{ x }[/math] תהא [math]\displaystyle{ \hat g(\omega,t)=\mathrm e^{-k\omega^2 t} }[/math]. לפי ההתמרה של [math]\displaystyle{ \mathrm e^{-x^2} }[/math] וכמה מתכונות ההתמרה נקבל [math]\displaystyle{ g(x,t)=\sqrt\frac\pi{kt}\exp\!\left(-\frac{x^2}{4kt}\right) }[/math] ולכן, לפי משפט הקונבולוציה, [math]\displaystyle{ u(x,t)=\frac{g(x,t)*f(x)}{2\pi}=\frac1{2\pi}\int\limits_{-\infty}^\infty f(s)\sqrt\frac\pi{kt}\exp\!\left(-\frac{(x-s)^2}{4kt}\right)\mathrm ds }[/math].

• משוואות גלים: נתונה המד״ח [math]\displaystyle{ \frac{\partial^2 u}{\partial t^2}=k^2\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} }[/math] ([math]\displaystyle{ k\ne0 }[/math] קבוע) עם תנאי ההתחלה [math]\displaystyle{ u(x,0)=\varphi(x) }[/math] ו־[math]\displaystyle{ \frac{\partial u}{\partial t}(x,0)=\psi(x) }[/math] ותנאי שפה [math]\displaystyle{ u(0,t)=u(L,t)=0 }[/math]. נניח כי הפתרון מוצג כמכפלה [math]\displaystyle{ X(x)\cdot T(t) }[/math] (שיטת הפרדת משתנים) ולכן [math]\displaystyle{ \frac{T''}{k^2 T}=\frac{X''}X=:-\lambda }[/math] עבור [math]\displaystyle{ \lambda }[/math] מספר חיובי. נקבל שתי מד״ר נפרדות: [math]\displaystyle{ \begin{cases}X''+\lambda X=0\\T''+k^2\lambda T=0\end{cases} }[/math], ובאופן דומה למה שעשינו במשוואות מעבר חום נקבל [math]\displaystyle{ u(x,t)=\sum_{n=1}^\infty\left(a_n\cos\!\left(\frac{\pi kn}L t\right)+b_n\sin\!\left(\frac{\pi kn}L t\right)\right)\sin\!\left(\frac{\pi n}L x\right) }[/math] כאשר [math]\displaystyle{ a_n=\frac2L\int\limits_0^L\varphi(x)\sin\!\left(\frac{\pi n}L x\right)\mathrm dx\ \and\ b_n=\frac2{\pi kn}\int\limits_0^L\psi(x)\sin\!\left(\frac{\pi n}L x\right)\mathrm dx }[/math].
• נתונה מד״ר לינארית עם מקדמים קבועים. נפעיל התמרת לפלס על אגפי המד״ר, נבודד את [math]\displaystyle{ \mathcal L[y] }[/math] (תוך שימוש בהתמרת הנגזרת ובנוסחאות אחרות) ונמצא את ההתמרה ההפוכה שלה.