גרסה מ־12:47, 14 במרץ 2019

מבחנים לדוגמא

תקציר ההרצאות

ההרצאות מבוססות בחלקן על הספר המצויין 'טורי פוריה' של זעפרני ופינקוס.

הרצאה 1 - הקדמה ומקדמי פוריה

הקדמה - גלים

מבלי להגדיר גל במפורש, גל הוא תופעה מחזורית.
לגל שהוא פונקציה במשתנה אחד של ציר הזמן יש שלוש תכונות:
- תדר או אורך גל (אחד חלקי המחזור או המחזור)
- אמפליטודה (מרחק בין המקסימום למינימום)
- פאזה (מהי נק' ההתחלה של המחזור).
אנחנו נתרכז כמעט באופן בלעדי בפונקציות הטריגונומטריות סינוס וקוסינוס, ונקרא להם גלים טריגונומטריים.

מדוע דווקא סינוס וקוסינוס?
למדנו במד"ר על המשוואה [math]\displaystyle{ y''=-k^2y }[/math] המתארת תנועה על מסה המחוברת לקפיץ
זו למעשה תנועה כללית של גל - ככל שהוא מתרחק, גדל הכוח שמושך אותו למרכז. מיתר גיטרה הוא דוגמא טובה נוספת.
הפתרון הכללי למד"ר הוא [math]\displaystyle{ y=a\sin(kt)+b\cos(kt) }[/math].
הקבוע [math]\displaystyle{ k }[/math] קובע את התדר של כל גל.
הקבועים [math]\displaystyle{ a,b }[/math] קובעים את האמפליטודה של כל גל.
מה לגבי הפאזה?
- בפונקציה [math]\displaystyle{ a\sin(kt+t_0) }[/math], הקבוע [math]\displaystyle{ t_0 }[/math] קובע את הפאזה.
- ניתן להציג כל גל כזה באמצעות סינוס וקוסינוס ללא פאזה:
  - [math]\displaystyle{ a\sin(kt+t_0)=(a\sin(t_0))cos(kt)+(a\cos(t_0))sin(kt) }[/math]

האם גם ההפך נכון? כלומר האם כל צירוף לינארי [math]\displaystyle{ a\sin(kt)+b\cos(kt) }[/math] ניתן להציג כגל יחיד?
תשובה: כן.
הוכחה:
- נסמן [math]\displaystyle{ z=a+bi=rcis(\theta) }[/math]
- כלומר [math]\displaystyle{ a\sin(kt)+b\cos(kt)=r\sin(\theta)sin(kt)+r\cos(\theta)cos(kt)=rcos(kt-\theta) }[/math]
שימו לב:
- סכמנו שני גלים מאותו תדר עם פאזה אפס, וקיבלנו גל חדש.
- הגל החדש הוא מאותו תדר כמו שני הגלים.
- לגל החדש יש פאזה שאינה אפס.
- האפליטודה של הגל החדש היא [math]\displaystyle{ r=\sqrt{a^2+b^2} }[/math].

האם כל פונקציה היא סכום של גלים?
בהנתן פונקציה שהיא סכום של גלים, כיצד נמצא מיהם הגלים המרכיבים אותה?
האם יש דרך יחידה להרכיב פונקציה מגלים? (למעשה כבר ראינו שלא באופן כללי - הרי הצלחנו להציג גל אחד כסכום של שני גלים אחרים).
למה בכלל מעניין אותנו לפרק פונקציה לגלים?
במהלך ההרצאות נענה (לפחות חלקית) על השאלות הללו.

טורי פורייה ומקדמי פוריה

טור פורייה הוא טור מהצורה [math]\displaystyle{ f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty \left[a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx)\right] }[/math]

אם פונקציה שווה לטור פורייה שלה, מהם המקדמים [math]\displaystyle{ a_n,b_n }[/math]?

חישובים להקדמה

ראשית נזכור את הנוסחאות הטריגונומטריות:
- [math]\displaystyle{ \sin(a)\sin(b)=\frac{1}{2}\left[\cos(a-b)-\cos(a+b)\right] }[/math]
- [math]\displaystyle{ \cos(a)\cos(b)=\frac{1}{2}\left[\cos(a+b)+\cos(a-b)\right] }[/math]
כעת, לכל [math]\displaystyle{ 0\neq n\in\mathbb{N} }[/math] נקבל:
- [math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\sin(nx)\sin(nx)dx = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}(1-\cos(2nx))dx = \frac{1}{2\pi}\left[x-\frac{1}{2n}\sin(2nx)\right]_{-\pi}^{\pi}=1 }[/math]
עבור [math]\displaystyle{ n\neq k \in \mathbb{N} }[/math] נקבל:
- [math]\displaystyle{ \int_{-\pi}^{\pi}\sin(nx)\sin(kx)dx = \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi}(\cos((n-k)x)-\cos((n+k)x))dx = \frac{1}{2}\left[\frac{\sin((n-k)x)}{n-k}-\frac{\sin((n+k)x)}{n+k}\right]_{-\pi}^{\pi}=0 }[/math]
- שימו לב כי השתמשנו כאן בעובדה ש[math]\displaystyle{ n-k,n+k\neq 0 }[/math].
באופן דומה, לכל [math]\displaystyle{ 0\neq n\in\mathbb{N} }[/math] נקבל:
- [math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\cos(nx)\cos(nx)dx = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}(\cos(2nx)+1)dx = \frac{1}{2\pi}\left[\frac{1}{2n}\sin(2nx)+x\right]_{-\pi}^{\pi}=1 }[/math]
עבור [math]\displaystyle{ n\neq k \in \mathbb{N} }[/math] נקבל:
- [math]\displaystyle{ \int_{-\pi}^{\pi}\cos(nx)\cos(kx)dx = \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi}(\cos((n+k)x)+\cos((n-k)x))dx = \frac{1}{2}\left[\frac{\sin((n-k)x)}{n+k}+\frac{\sin((n-k)x)}{n+k}\right]_{-\pi}^{\pi}=0 }[/math]
- שימו לב כי השתמשנו כאן בעובדה ש[math]\displaystyle{ n-k,n+k\neq 0 }[/math].
עבור [math]\displaystyle{ n,k\in \mathbb{N} }[/math] נקבל:
- [math]\displaystyle{ \int_{-\pi}^{\pi}\cos(nx)\sin(kx)dx=0 }[/math] כיוון שמדובר באינטגרל בקטע סימטרי על פונקציה אי זוגית.
ולבסוף, עבור [math]\displaystyle{ n=0 }[/math] נקבל
- [math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\cos(0)\cos(0)dx=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}1dx=2 }[/math]
שימו לב שכאשר מציבים 0 בsin מקבלים אפס, ולכן אין צורך בבדיקה הזו.

הערה חשובה:
- למעשה כלל החישובים שעשינו לעיל מוכיחים שהקבוצה [math]\displaystyle{ \{\frac{1}{\sqrt{2}},sin(x),cos(x),sin(2x),cos(2x),...\} }[/math] מהווה קבוצה אורתונורמלית לפי המכפלה הפנימית [math]\displaystyle{ \langle f,g\rangle=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}(f\cdot g) dx }[/math]

מקדמי הטור

כעת תהי פונקציה ששווה לטור פורייה, ועוד נניח שהטור מתכנס במ"ש.
[math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos(kx)dx = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\left(\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty \left[a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx)\right]\right)\cos(kx)dx= }[/math]
[math]\displaystyle{ =\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\left(\frac{a_0}{2}\cos(kx)+\sum_{n=1}^\infty \left[a_n\cos(nx)\cos(kx)+b_n\sin(nx)\cos(kx)\right]\right)dx= }[/math]
כיוון שהטור מתכנס במ"ש, מותר לנו לעשות אינטגרציה איבר איבר
[math]\displaystyle{ =\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\frac{a_0}{2}\cos(kx)dx + \sum_{n=1}^\infty \left[\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\left(a_n\cos(nx)\cos(kx)+b_n\sin(nx)\cos(kx)\right)dx\right] }[/math]
לפי חישובי האינטגרלים לעיל, כמעט הכל מתאפס וסה"כ נקבל:
[math]\displaystyle{ a_k=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\cos(kx)dx }[/math]
שימו לב שחישוב זה נכון בפרט עבור [math]\displaystyle{ k=0 }[/math].
באופן דומה נקבל כי [math]\displaystyle{ b_k=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\sin(kx)dx }[/math]

הוכחנו שאם פונקציה שווה לטור פורייה, והטור מתכנס במ"ש, אזי הוא יחיד והמקדמים שלו נקבעים על ידי הנוסחאות לעיל.
השאלה היא אילו פונקציות שוות לטור פורייה.
באופן מיידי, ברור שטור פורייה הוא פונקציה עם מחזור [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math].
לכן בדר"כ אנו שואלים האם ההמשך המחזורי של הפונקציה שווה לטור פורייה:
- תהי פונקציה [math]\displaystyle{ f }[/math], נגדיר את ההמשך המחזורי שלה [math]\displaystyle{ g }[/math] על ידי:
- לכל [math]\displaystyle{ k\in\mathbb{Z} }[/math] ולכל [math]\displaystyle{ x\in [-\pi+2\pi k,\pi+2\pi k) }[/math] נגדיר [math]\displaystyle{ g(x)=f(x-2\pi k) }[/math].
- ברור ש [math]\displaystyle{ g(x+2\pi) = g(x) }[/math], כלומר קיבלנו פונקציה מחזורית.
- ניתן גם לרשום בנוסחא מקוצרת [math]\displaystyle{ g(x)=f(x-2\pi\lfloor\frac{x+\pi}{2\pi}\rfloor) }[/math]

לדוגמא, ההמשך המחזורי של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math]:

דוגמא

נחשב את מקדמי הפורייה של ההמשך המחזורי של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math]
שימו לב, מקדמי הפורייה של פונקציה וההמשך המחזורי שלה זהים, כיוון שערך הפונקציה בנקודה אחת לא משפיע על האינטגרל.

[math]\displaystyle{ b_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2\sin(nx)dx=0 }[/math].

שימו לב: מקדמי הפורייה של הסינוסים תמיד יתאפסו עבור פונקציה זוגית, ומקדמי הפורייה של הקוסינוסים תמיד יתאפסו עבור פונקציה אי זוגית.

[math]\displaystyle{ a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2dx =\frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}x^2dx= \frac{2}{\pi}\left[\frac{1}{3}x^3\right]_{0}^{\pi} = \frac{2\pi^2}{3} }[/math]

[math]\displaystyle{ a_n=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}x^2\cos(nx)dx=\frac{2}{\pi}\int_{0}^{\pi}x^2\cos(nx)dx =\left\{\begin{array}{lr}f'=\cos(nx) & g=x^2\\ f= \frac{\sin(nx)}{n} & g'=2x\end{array}\right\}= }[/math]

[math]\displaystyle{ =\frac{2}{\pi}\left[\frac{x^2\sin(nx)}{n}\right]_0^{\pi} - \frac{4}{n\pi}\int_{0}^{\pi}x\sin(nx)dx = - \frac{4}{n\pi}\int_{0}^{\pi}x\sin(nx)dx= \left\{\begin{array}{lr}f'=\sin(nx) & g=x\\ f= -\frac{\cos(nx)}{n} & g'=1\end{array}\right\}= }[/math]

[math]\displaystyle{ - \frac{4}{n\pi}\left[\frac{-x\cos(nx)}{n}\right]_0^\pi + \frac{4}{n^2\pi}\int_0^\pi \cos(nx)dx=\frac{4\pi\cos(\pi n)}{n^2\pi}+\frac{4}{n^3\pi}\left[sin(nx)\right]_0^\pi = \frac{4(-1)^n}{n^2} }[/math]

שימו לב כי לכל [math]\displaystyle{ n\in\mathbb{N} }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ cos(n\pi)=(-1)^n }[/math]

סה"כ אם ההמשך המחזורי של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math] שווה לטור פורייה שמתכנס במ"ש, אזי טור זה הוא:

[math]\displaystyle{ \frac{\pi^2}{3} + \sum_{n=1}^\infty \frac{4(-1)^n}{n^2}cos(nx) }[/math]

נניח (ונוכיח בהמשך) שטור זה אכן שווה לפונקציה ונציב [math]\displaystyle{ \pi }[/math].
[math]\displaystyle{ \pi^2 = \frac{\pi^2}{3} + \sum_{n=1}^\infty \frac{4}{n^2} }[/math]
ונקבל את הסכום המפורסם

[math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^2}=\frac{\pi^2}{6} }[/math]

הרצאה 2 - למת רימן לבג, גרעין דיריכלה

מרחבי מכפלה פנימית שאינם ממימד סופי והיטלים

פונקציה נקראת רציפה למקוטעין בקטע סופי אם:
- 1. היא רציפה פרט אולי למספר סופי של נקודות.
- 2. הגבולות החד צדדיים הרלוונטיים בכל נקודה הם סופיים.
למעשה נקודות אי הרציפות היחידות של פונקציה רציפה למקוטעין הן ממין ראשון (קפיצתיות).
פונקציה נקראת רציפה למקוטעין בקטע כללי, אם ניתן לחלק אותו לקטעים סופיים בהן הפונקציה רציפה למקוטעין.

E הוא המרחב הוקטורי של כל הפונקציות הרציפות למקוטעין [math]\displaystyle{ f:[-\pi,\pi]\to\mathbb{C} }[/math] מעל השדה [math]\displaystyle{ \mathbb{C} }[/math], המקיימות בנוסף שבכל נקודה ערך הפונקציה שווה לממוצע בין הגבולות החד צדדיים שלה, ובקצוות ערך הנקודה שווה לגבול החד צדדי המוגדר.
- לא קשה להוכיח שאכן מדובר במרחב וקטורי. בעיקר יש לשים לב לכך שסכום פונקציות בקבוצה נשאר בקבוצה.
[math]\displaystyle{ \langle f,g\rangle=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\overline{g(x)}dx }[/math] היא מכפלה פנימית מעל E.
- [math]\displaystyle{ \langle g,f\rangle = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}g(x)\overline{f(x)}dx = \overline{\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\overline{g(x)}dx} = \overline{\langle f,g\rangle} }[/math]
- [math]\displaystyle{ \langle af+bg,h\rangle = a\langle f,h\rangle + b\langle g,h\rangle }[/math]
- [math]\displaystyle{ \langle f,f\rangle = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f(x)\overline{f(x)}dx = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}|f|^2dx }[/math]
  - בכל קטע רציפות האינטגרל על פונקציה חיובית הוא אפס אם ורק אם היא אפס.
  - כיוון שהפונקציה בכל נקודה שווה לאחד הגבולות החד צדדיים או לממוצע בניהם, נובע שאם האינטגרל לעיל מתאפס הפונקציה חייבת להתאפס לחלוטין.
נביט בנורמה המושרית [math]\displaystyle{ ||f||^2=\langle f,f\rangle }[/math]

כעת נוכיח מספר תכונות של היטלים במרחבי מכפלה פנימית.
יש לנקוט בזהירות מיוחדת בנושא זה, כיוון שאנו עוסקים במרחבים שאינם נוצרים סופית (אין להם בסיס סופי או מימד).
ייתכן שהוכחתם חלק מהמשפטים הבאים רק עבור מרחבים נוצרים סופית.

תהי קבוצה אורתונורמלית סופית [math]\displaystyle{ \{e_1,...,e_n\} }[/math], ונקרא למרחב שהיא פורשת W.
לכל וקטור [math]\displaystyle{ v\in V }[/math] נגדיר את ההיטל של [math]\displaystyle{ v }[/math] על W על ידי [math]\displaystyle{ \widetilde{v}=\sum_{i=1}^n\langle v,e_i\rangle e_i }[/math]
נוכיח מספר תכונות לגבי ההיטל הזה:

מתקיים כי [math]\displaystyle{ \langle v,\widetilde{v}\rangle = \langle \widetilde{v},\widetilde{v}\rangle=\sum_{i=1}^n |\langle v,e_i\rangle|^2 }[/math]
- הוכחה:
- [math]\displaystyle{ \langle v,\widetilde{v}\rangle = \langle v,\sum_{i=1}^n\langle v,e_i\rangle e_i\rangle = \sum_{i=1}^n \overline{\langle v,e_i\rangle}\langle v,e_i\rangle = \sum_{i=1}^n |\langle v,e_i\rangle|^2 }[/math]
- [math]\displaystyle{ \langle \widetilde{v},\widetilde{v}\rangle = \langle \sum_{i=1}^n\langle v,e_i\rangle e_i,\sum_{i=1}^n\langle v,e_i\rangle e_i\rangle = \sum_{i=1}^n |\langle v,e_i\rangle|^2 }[/math]
- המעבר האחרון נכון כיוון ש [math]\displaystyle{ \{e_1,...,e_n\} }[/math] אורתונורמלית.

מתקיים כי [math]\displaystyle{ ||v||^2=||v-\widetilde{v}||^2+||\widetilde{v}||^2 }[/math]
- הוכחה:
- [math]\displaystyle{ \langle v-\widetilde{v},v-\widetilde{v}\rangle = \langle v,v\rangle - \langle v,\widetilde{v}\rangle - \langle \widetilde{v},v\rangle + \langle \widetilde{v},\widetilde{v}\rangle }[/math]
- נזכור כי [math]\displaystyle{ \langle v,\widetilde{v}\rangle = \langle \widetilde{v},\widetilde{v}\rangle }[/math].
- לכן קיבלנו כי [math]\displaystyle{ ||v-\widetilde{v}||^2 = ||v||^2 - ||\widetilde{v}||^2 }[/math]

מסקנה מיידית: [math]\displaystyle{ ||\widetilde{v}||\leq ||v|| }[/math]

אי שיוויון בסל

כעת תהי קבוצה אורתונורמלית אינסופית [math]\displaystyle{ \{e_1,e_2,...\} }[/math].
לכל [math]\displaystyle{ v\in V }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ \sum_{i=1}^\infty |\langle v,e_i\rangle|^2 \leq ||v||^2 }[/math]
- הוכחה:
- ראינו שלכל n מתקיים כי [math]\displaystyle{ \sum_{i=1}^n |\langle v,e_i\rangle|^2 \leq ||v||^2 }[/math].
- כלומר סדרת הסכומים החלקיים של הטור החיובי חסומה על ידי [math]\displaystyle{ ||v||^2 }[/math] ולכן הטור מתכנס למספר שקטן או שווה לו.

בפרט נובע כי

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}|\langle v,e_i\rangle|=0 }[/math]

למת רימן לבג

ראינו כי [math]\displaystyle{ \{\sin(x),\cos(x),\sin(2x),\cos(2x),...\} }[/math] היא קבוצה אורתונורמלית ב[math]\displaystyle{ E }[/math] (כרגע אנו לא צריכים את הפונקציה הקבועה).
כמו כן לכל פונקציה f הגדרנו מקדמי פורייה ע"י:
לכל [math]\displaystyle{ 1\leq n\in \mathbb{N} }[/math] הגדרנו [math]\displaystyle{ a_n=\langle f,\cos(nx)\rangle }[/math], ו[math]\displaystyle{ b_n=\langle f,\sin(nx)\rangle }[/math]

נובע מאי שיוויון בסל כי המקדמים שואפים לאפס.
כלומר:

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos(nx)dx = 0 }[/math]

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin(nx)dx = 0 }[/math]

למת רימן-לבג: תהי [math]\displaystyle{ g }[/math] רציפה למקוטעין בקטע [math]\displaystyle{ [0,\pi] }[/math], אזי:

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\int_{0}^\pi g(t)\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right)dt = 0 }[/math]

הוכחה:
- [math]\displaystyle{ \int_{0}^\pi g(t)\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right)dt = \int_{0}^\pi g(t)\cos(\frac{t}{2})\sin(nt) dt+\int_{0}^\pi g(t)\sin(\frac{t}{2})\cos(nt) dt }[/math]
- נגדיר את שתי הפונקציות [math]\displaystyle{ h_s(t)=\begin{cases}g(t)\sin(\frac{t}{2}) & 0\leq t\leq \pi \\ 0 & -\pi\leq t \lt 0\end{cases} }[/math] ו [math]\displaystyle{ h_c(t)=\begin{cases}g(t)\cos(\frac{t}{2}) & 0\leq t\leq \pi \\ 0 & -\pi\leq t \lt 0\end{cases} }[/math]
- קל לראות כי שתי הפונקציות רציפות למקוטעין. לכן פרט לשינוי במספר סופי של נקודות שלא משפיע על האינטגרל, ניתן להניח כי [math]\displaystyle{ h_c,h_s\in E }[/math].
- ביחד נקבל כי [math]\displaystyle{ \int_{0}^\pi g(t)\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right)dt = \int_{-\pi}^\pi h_c(t)sin(nt)dt + \int_{-\pi}^\pi h_s(t)sin(nt)dt \to 0 }[/math]

גרעין דיריכלה

גרעין דיריכלה הוא הפונקציה [math]\displaystyle{ D_n(x)= \frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right)}{2\sin(\frac{t}{2})} }[/math]

טענה: [math]\displaystyle{ D_n(x)=\frac{1}{2}+\sum_{k=1}^n \cos(kt) }[/math] בכל נקודה [math]\displaystyle{ t\neq 2\pi k }[/math]
- הוכחה:
- נכפל ב[math]\displaystyle{ 2\sin(\frac{t}{2}) }[/math] ונקבל בצד שמאל:
- [math]\displaystyle{ \sin(\frac{t}{2}) + 2\sin(\frac{t}{2})\cos(t) + 2\sin(\frac{t}{2})\cos(2t)+...+2\sin(\frac{t}{2})\cos(nt) }[/math]
- נבחין בזהות הטריגונומטרית [math]\displaystyle{ 2\sin(a)\cos(b) = \sin(b+a)-\sin(b-a) }[/math]
- ובפרט [math]\displaystyle{ 2\sin(\frac{t}{2})\cos(kt) = \sin(kt+\frac{t}{2}) - \sin(kt-\frac{t}{2}) }[/math]
- ביחד נקבל [math]\displaystyle{ \sin(\frac{t}{2}) + \sin(t+\frac{t}{2})-\sin(t-\frac{t}{2}) + \sin(2t+\frac{t}{2}) - \sin(2t-\frac{t}{2})+...+\sin(nt+\frac{t}{2}) - \sin(nt-\frac{t}{2}) = \sin(nt+\frac{t}{2}) = \sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right) }[/math]

נשים לב כי הפונקציה [math]\displaystyle{ 2\sin(\frac{t}{2}) }[/math] מתאפסת בנקודות [math]\displaystyle{ t=2\pi k }[/math], בנקודות אלו לגרעין דיריכלה יש אי רציפות סליקה.
זה נכון כיוון שפרט לנקודות אלו מדובר בפונקציה רציפה.
כמו כן, גרעין דיריכלה מחזורי [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math] כיוון שהוא סכום של פונקציות מחזוריות [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math].

נחשב את האינטגרל על גרעין דיריכלה:
ראשית, לכל [math]\displaystyle{ 1\leq k \in \mathbb{N} }[/math] מתקיים:

[math]\displaystyle{ \int_0^\pi \cos(kt)dt = \left[\frac{\sin(kt)}{k}\right]_0^\pi = 0 }[/math]

לכן נקבל:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_0^\pi D_n(t)dt = \frac{1}{\pi}\int_0^\pi \left[\frac{1}{2} + \cos(t) + \cos(2t)+...+\cos(nt)\right]dt = \frac{1}{\pi}\int_0^\pi \frac{1}{2}dt = \frac{1}{2} }[/math]

הסכומים החלקיים של טור פוריה

תהיה נקודה x, נביט בסדרת הסכומים החלקיים של טור הפוריה המתאים לפונקציה [math]\displaystyle{ f }[/math] שהיא מחזורית [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math]:

[math]\displaystyle{ S_n = \frac{a_0}{2} + \sum_{k=1}^n a_k\cos(kx)+b_k\sin(kx) }[/math]

נציב את מקדמי פוריה ונקבל כי:

[math]\displaystyle{ S_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \frac{1}{2}f(t)dt + \sum_{k=1}^n \left[\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(t)\cos(kt)dt\right]\cos(kx)+\left[\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(t)\sin(kt)dt\right]\sin(kx)= }[/math]

[math]\displaystyle{ = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi\left[\frac{1}{2}f(t)+\sum_{k=1}^n f(t)\left(\cos(kt)\cos(kx) + \sin(kt)\sin(kx)\right)\right]dt= }[/math]

[math]\displaystyle{ =\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(t)\left[\frac{1}{2}+\sum_{k=1}^n \cos(k(t-x))\right]dt }[/math]

זה בעצם גרעין דיריכלה, כלומר קיבלנו כי:

[math]\displaystyle{ S_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(t)D_n(t-x)dt }[/math]

שימו לב ששינוי מספר סופי של נקודות לא משפיע על האינטגרל, ולכן נקודות אי הרציפות הסליקות של גרעין דיריכלה לא פוגעות בהוכחה.

טענה: תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] פונקציה מחזורית [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math]. אזי לכל [math]\displaystyle{ a\in\mathbb{R} }[/math] מתקיים כי:

[math]\displaystyle{ \int_{-\pi}^\pi f(x)dx = \int_{-\pi+a}^{\pi+a} f(x)dx }[/math]

כלומר, השטח מתחת לגרף הפונקציה שווה על כל קטע באורך [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math].
- הוכחה:

[math]\displaystyle{ \int_{-\pi+a}^{\pi+a} f(x)dx = \int_{-\pi+a}^{\pi} f(x)dx + \int_{\pi}^{\pi+a} f(x)dx }[/math]

נבצע הצבה [math]\displaystyle{ t=x-2\pi }[/math] באינטגרל השני ונקבל:

[math]\displaystyle{ \int_{\pi}^{\pi+a} f(x)dx = \{t=x-2\pi, dt=dx\} = \int_{-\pi}^{-\pi+a}f(t+2\pi)dt = \int_{-\pi}^{-\pi+a}f(t)dt = \int_{-\pi}^{-\pi+a}f(x)dx }[/math]

ביחד נקבל כי:

[math]\displaystyle{ \int_{-\pi+a}^{\pi+a} f(x)dx=\int_{-\pi+a}^{\pi} f(x)dx + \int_{-\pi}^{-\pi+a}f(x)dx = \int_{-\pi}^\pi f(x)dx }[/math]

נחזור לסכומים החלקיים ונבצע הצבה:

[math]\displaystyle{ S_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(t)D_n(x-t)dt = \{ u=t-x, du=dt\} = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi-x}^{\pi-x} f(x+u)D_n(u)du }[/math]

כיוון שגרעין דיריכלה ו[math]\displaystyle{ f }[/math] הן מחזוריות, נקבל:

[math]\displaystyle{ S_n = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x+u)D_n(u)du=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x+t)D_n(t)dt }[/math]

הרצאה 3 התכנסות נקודתית של טורי פוריה

סימונים והגדרות

נסמן את הגבול החד צדדי מימין ב[math]\displaystyle{ f(d^+)=\lim_{x\to d^+}f(x) }[/math].
נסמן את הגבול החד צדדי משמאל ב[math]\displaystyle{ f(d^-)=\lim_{x\to d^-}f(x) }[/math].
שימו לב: אם הפונקציה רציפה למקוטעין, הערכים הללו תמיד מוגדרים.

נגדיר את הנגזרת הימנית ע"י [math]\displaystyle{ f'(x^+) = \lim_{t\to 0^+}\frac{f(x+t)-f(x^+)}{t} }[/math].
נגדיר את הנגזרת השמאלית ע"י [math]\displaystyle{ f'(x^-) = \lim_{t\to 0^-}\frac{f(x+t)-f(x^-)}{t} }[/math].
שימו לב: ייתכן ש[math]\displaystyle{ f'(d^+)=f'(d^-) }[/math] אך הפונקציה אינה גזירה בd. זה יקרה אם היא לא רציפה בנקודה.

דוגמא:

נביט בפונקציה [math]\displaystyle{ f(x)=\frac{x}{|x|} }[/math]
מתקיים כי [math]\displaystyle{ f(0^+)=1 }[/math], ו[math]\displaystyle{ f(0^-)=-1 }[/math].
כמו כן מתקיים כי [math]\displaystyle{ f'(0^+)=f'(0^-)=0 }[/math].

כמובן שהפונקציה אינה רציפה ואינה גזירה ב0.

משפט דיריכלה - התכנסות נקודתית של טור פוריה

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] פונקציה מחזורית [math]\displaystyle{ 2\pi }[/math], רציפה למקוטעין כך שבכל נקודה הנגזרות החד צדדיות שלה קיימות וסופיות.
אזי לכל [math]\displaystyle{ x\in\mathbb{R} }[/math] הטור עם מקדמי הפוריה של [math]\displaystyle{ f }[/math] מתכנס:

[math]\displaystyle{ \frac{f(x^+)+f(x^-)}{2}=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos(nx) + b_n\sin(nx) }[/math]

בפרט, בכל נקודה בה הפונקציה רציפה טור הפוריה מתכנס נקודתית לפונקציה, ובכל נקודה בה יש אי רציפות קפיצתית טור הפוריה מתכנס לממוצע הגבולות מימין ומשמאל.

הוכחה

תהי נקודה [math]\displaystyle{ x\in\mathbb{R} }[/math].
נביט בפונקציה [math]\displaystyle{ g(t) = \frac{f(x+t) - f(x^+)}{2\sin(\frac{t}{2})} }[/math]
[math]\displaystyle{ \lim_{t\to 0^+}g(t) = \lim_{t\to 0^+}\frac{f(x+t) - f(x^+)}{t}\frac{\frac{t}{2}}{\sin(\frac{t}{2})} = f'(x^+)\cdot 1 }[/math]
כיוון שהנגזרות החד צדדיות קיימות וסופיות, קיבלנו ש[math]\displaystyle{ g(t) }[/math] רציפה למקוטעין בקטע [math]\displaystyle{ [0,\pi] }[/math].
לפי למת רימן-לבג נובע כי:

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\int_0^\pi g(t)\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right)dt=0 }[/math]

כלומר:

[math]\displaystyle{ 0=\lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_0^\pi \left[f(x+t)-f(x^+)\right]\frac{\sin\left(\left(n+\frac{1}{2}\right)t\right)}{2\sin(\frac{t}{2})}dt= \lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_0^\pi \left[f(x+t)-f(x^+)\right]D_n(t)dt }[/math]

כיוון ש

[math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_0^\pi f(x^+)D_n(t)dt = \frac{f(x^+)}{2} }[/math]

נובע כי:

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_0^\pi f(x+t)D_n(t)dt = \frac{f(x^+)}{2} }[/math]

באופן דומה לחלוטין ניתן להוכיח כי:

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^0 f(x+t)D_n(t)dt = \frac{f(x^-)}{2} }[/math]

ולכן סה"כ נקבל כי:

[math]\displaystyle{ \lim_{n\to\infty} S_n(x)= \lim_{n\to\infty}\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(x+t)D_n(t)dt = \frac{f(x^-)+f(x^+)}{2} }[/math]

דוגמאות

דוגמא 1

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] ההמשך המחזורי של [math]\displaystyle{ x }[/math].

כיוון שf רציפה למקוטעין ובעלת נגזרות חד צדדיות קיימות (כולן שוות 1), תנאי משפט דיריכלה מתקיימים.
כיוון שf הינה אי-זוגית, לכל [math]\displaystyle{ n }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ a_n=0 }[/math].

כעת נחשב את המקדמים של הסינוסים:

[math]\displaystyle{ b_n=\langle f,sin(nx)\rangle = \frac{1}{\pi}\int_{\pi}^\pi x\sin(nx)dx =\frac{2}{\pi}\int_{0}^\pi x\sin(nx)dx= \frac{2}{n\pi}\left[-x\cos(nx)\right]_{0}^\pi + \frac{2}{n\pi}\int_{0}^{\pi}\cos(nx)dx = -\frac{2\pi\cos(\pi n)}{\pi n} = \frac{2(-1)^{n+1}}{n} }[/math]

לכן, בכל נקודת רציפות של f, כלומר בכל נקודה [math]\displaystyle{ x\neq \pi +2\pi k }[/math], מתקיים כי:

[math]\displaystyle{ f(x)=\sum_{n=1}^\infty\frac{2(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx) }[/math].

בפרט, לכל נקודה [math]\displaystyle{ x\in (-\pi,\pi) }[/math] מתקיים כי:

[math]\displaystyle{ x=\sum_{n=1}^\infty\frac{2(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx) }[/math]

עבור נקודות אי הרציפות (הקפיצתיות), מתקיים כי הממוצע בין הגבולות החד צדדיים הוא אפס.
קל לראות שאכן לכל [math]\displaystyle{ x=\pi+2\pi k }[/math] נקבל שטור הפורייה מתכנס לאפס (למעשה כל הסינוסים מתאפסים).

נציב לדוגמא [math]\displaystyle{ x=\frac{\pi}{2} }[/math] ונקבל:

[math]\displaystyle{ \frac{\pi}{2}=\sum_{n=1}^\infty\frac{2(-1)^{n+1}}{n}\sin(\frac{n\pi}{2}) }[/math]

לכל n זוגי הסינוס יתאפס, ולכן נקבל:

[math]\displaystyle{ \frac{\pi}{2}=\sum_{n=1}^\infty\frac{2}{2n-1}\sin(n\pi-\frac{\pi}{2}) =\sum_{n=1}^\infty\frac{-2}{2n-1}\cos(n\pi) = \sum_{n=1}^\infty\frac{2(-1)^{n+1}}{2n-1} }[/math]

שימו לב שהפעם לא קיבלנו טור חדש בזכות פורייה, כיוון שנקבל בדיוק את אותו הטור אם נציב 1 בטור הטיילור של [math]\displaystyle{ arctan(x) }[/math].

דוגמא 2

כעת, תהי [math]\displaystyle{ g }[/math] ההמשך המחזורי של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math].
הפונקציה g הינה רציפה בכל הממשיים.
הפונקציה g גזירה בכל הממשיים פרט לנקודות [math]\displaystyle{ x=\pi+2\pi k }[/math].
בנקודות אי הגזירות, הנגזרות החד צדדיות קיימות ושוות ל[math]\displaystyle{ \pm 2\pi }[/math] (כיוון שהנגזרת של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math] היא [math]\displaystyle{ 2x }[/math]).
סה"כ לפי משפט דיריכלה, טור הפוריה של g מתכנס אליה בכל הממשיים (כיוון שהיא רציפה בכל הממשיים).

כלומר קיבלנו שלכל [math]\displaystyle{ x\in [-\pi,\pi] }[/math] מתקיים כי:

[math]\displaystyle{ x^2=\frac{\pi^2}{3} + \sum_{n=1}^\infty \frac{4(-1)^n}{n^2}cos(nx) }[/math]

שימו לב שאם נגזור איבר איבר את טור הפוריה של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math], נקבל את טור הפורייה של [math]\displaystyle{ 2x }[/math].
האם זה מפתיע?

דוגמא 3

תהי [math]\displaystyle{ h }[/math] ההמשך המחזורי של הפונקציה [math]\displaystyle{ \begin{cases}x & x\in [0,\pi]\\0 & x\in [-\pi,0)\end{cases} }[/math]

שוב, קיבלנו פונקציה רציפה למקוטעין עם נגזרות חד צדדיות קיימות וסופיות.

נחשב את מקדמי הפורייה:

[math]\displaystyle{ a_0=\frac{1}{\pi}\int_0^\pi xdx = \frac{\pi}{2} }[/math]

[math]\displaystyle{ a_n = \frac{1}{\pi}\int_0^\pi x\cos(nx)dx = \frac{1}{n\pi}\left[x\sin(nx)\right]_0^\pi - \frac{1}{n\pi}\int_0^\pi \sin(nx)dx = \frac{1}{n^2\pi}\left[\cos(nx)\right]_0^\pi= \frac{(-1)^n-1}{\pi n^2} }[/math]

[math]\displaystyle{ b_n = \frac{1}{\pi}\int_0^\pi x\sin(nx)dx = \frac{-1}{n\pi}\left[x\cos(nx)\right]_0^\pi + \frac{1}{n\pi}\int_0^\pi \cos(nx)dx = \frac{(-1)^{n+1}}{n} }[/math]

סה"כ שלכל [math]\displaystyle{ x\in (-\pi,\pi) }[/math] מתקיים כי:

[math]\displaystyle{ h(x) = \frac{\pi}{4} + \sum_{n=1}^\infty \left[\frac{(-1)^n-1}{\pi n^2}\cos(nx) + \frac{(-1)^{n+1}}{n}\sin(nx)\right] }[/math]

שימו לב: מצאנו שני טורי פורייה שמתכנסים ל[math]\displaystyle{ x }[/math] בקטע [math]\displaystyle{ (0,\pi) }[/math].
באופן דומה אפשר להראות שקיימים אינסוף טורי פורייה כאלה.

טור הנגזרת

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] רציפה בקטע [math]\displaystyle{ [-\pi,\pi] }[/math] כך שהנגזרת שלה [math]\displaystyle{ f' }[/math] רציפה למקוטעין בקטע.

שימוש בנוסחאת ניוטון לייבניץ לחישוב האינטגרל המסויים

שימו לב שמותר לנו להשתמש בנוסחאת ניוטון לייבניץ:
- כיוון שהנגזרת רציפה למקוטעין, אפשר להראות בעזרת לופיטל שהנגזרות החד צדדיות בנקודות אי הגזירות של f קיימות.
- בעצם, זה מראה שf גזירה בקטעים סגורים בהם אפשר להפעיל את נוסחאת ניוטון לייבניץ.
- אם נחשב את האינטגרל על הנגזרת בכל הקטעים הסגורים, ערכי f יצטמצמו, פרט לקצוות.
  - לדוגמא:
  - [math]\displaystyle{ \int_{-1}^1 \frac{x}{|x|}dx = \int_{-1}^0 (-1)dx + \int_{0}^1 (1)dx = (-x)|_{-1}^0+(x)|_0^1 = 0-1 + 1-0 = 1-1 }[/math]
  - כלומר קיבלנו כי [math]\displaystyle{ \int_{-1}^1 \frac{x}{|x|}dx = (|x|)_{-1}^{1} }[/math], כאשר [math]\displaystyle{ (|x|)' = \frac{x}{|x|} }[/math]

חישוב מקדמי טור הפורייה של הנגזרת

נסמן את מקדמי הפורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math] ב[math]\displaystyle{ a_n,b_n }[/math]
נחשב את מקדמי הפורייה של הנגזרת, נסמן אותם ב[math]\displaystyle{ \alpha_n,\beta_n }[/math]:

[math]\displaystyle{ \alpha_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi}f'(x)dx= \frac{f(\pi)-f(-\pi)}{\pi} }[/math]

[math]\displaystyle{ \alpha_n=\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi f'(x)\cos(nx)dx = \frac{1}{\pi}\left[f(x)\cos(nx)\right]_{-\pi}^\pi +\frac{n}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\sin(nx)dx = \frac{(-1)^n\left(f(\pi)-f(-\pi)\right)}{\pi}+n\cdot b_n = (-1)^n\alpha_0+nb_n }[/math]

[math]\displaystyle{ \beta_n=\frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi f'(x)\sin(nx)dx = \frac{1}{\pi}\left[f(x)\sin(nx)\right]_{-\pi}^\pi -\frac{n}{\pi}\int_{-\pi}^\pi f(x)\cos(nx)dx = -n\cdot a_n }[/math]

כלומר, בתנאים הנתונים, אם טור הפוריה של f הינו:

[math]\displaystyle{ f(x)=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx) }[/math]

אזי טור הפורייה של הנגזרת הינו:

[math]\displaystyle{ f'(x)=\frac{\alpha_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty \left((-1)^n\alpha_0+nb_n\right)\cos(nx)-n\cdot a_n\sin(nx) }[/math]

במקרה המיוחד בו [math]\displaystyle{ f(-\pi)=f(\pi) }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ \alpha_0=0 }[/math] ולכן נקבל את טור הפורייה הפשוט:

[math]\displaystyle{ f'(x)=\sum_{n=1}^\infty nb_n\cos(nx)-na_n\sin(nx) }[/math]

דוגמאות

דוגמא 1

נזכר בטור הפורייה של [math]\displaystyle{ x^2 }[/math]:

[math]\displaystyle{ \frac{\pi^2}{3} + \sum_{n=1}^\infty \frac{4(-1)^n}{n^2}cos(nx) }[/math]

נרצה למצוא את מקדמי הפוריה של [math]\displaystyle{ \frac{x^3}{3} }[/math], נסמנם ב[math]\displaystyle{ a_n,b_n }[/math].

לכל [math]\displaystyle{ 1\leq n }[/math] נקבל כי:

[math]\displaystyle{ \frac{2(-1)^n\pi^2}{3}+nb_n = \frac{4(-1)^n}{n^2} }[/math]

[math]\displaystyle{ -na_n = 0 }[/math]

כמו כן נחשב את המקדם הראשון:

[math]\displaystyle{ a_0=\frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^\pi \frac{x^3}{3}dx = 0 }[/math]

נחלץ את המקדמים ונקבל כי טור הפורייה של [math]\displaystyle{ \frac{x^3}{3} }[/math] הוא:

[math]\displaystyle{ \frac{x^3}{3} = \sum_{n=1}^\infty \frac{2(-1)^n}{n^3}\left(2-\frac{\pi^2 n^2}{3}\right)\sin(nx) }[/math]

דוגמא 2

נחשב את טור הפורייה של [math]\displaystyle{ e^x }[/math].
נסמן את טור הפורייה של [math]\displaystyle{ e^x }[/math] ב:

[math]\displaystyle{ \frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx) }[/math]

כמובן שהנגזרת במקרה הזה שווה לפונקציה, ולכן יש לה בדיוק אותו טור פורייה.
מצד שני, טור הפורייה של הנגזרת צריך להיות:

[math]\displaystyle{ \frac{\alpha_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty \left((-1)^n\alpha_0+nb_n\right)\cos(nx) -na_n\sin(nx) }[/math]

כאשר [math]\displaystyle{ \alpha_0=\frac{f(\pi)-f(-\pi)}{\pi}=\frac{e^\pi-e^{-\pi}}{\pi} }[/math]

ביחד נקבל את המשוואות:

[math]\displaystyle{ a_0=\alpha_0 }[/math]

[math]\displaystyle{ a_n=(-1)^n\alpha_0+nb_n }[/math]

[math]\displaystyle{ b_n=-na_n }[/math]

נציב את המשוואה השלישית בשנייה ונקבל:

[math]\displaystyle{ a_n=\frac{(-1)^n\alpha_0}{1+n^2} }[/math]

ולכן

[math]\displaystyle{ b_n=\frac{n(-1)^{n+1}\alpha_0}{1+n^2} }[/math]

סה"כ קיבלנו כי טור הפורייה של [math]\displaystyle{ e^x }[/math] הינו:

[math]\displaystyle{ \frac{\alpha_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty \frac{(-1)^n\alpha_0}{1+n^2}\cos(nx) + \frac{n(-1)^{n+1}\alpha_0}{1+n^2}\sin(nx) }[/math]

כיוון שלהמשך המחזורי של [math]\displaystyle{ e^x }[/math] יש אי רציפות קפיצתית ב[math]\displaystyle{ x=\pi }[/math], טור הפורייה שם מתכנס לממוצע [math]\displaystyle{ \frac{e^\pi+e^{-\pi}}{2} }[/math]
כלומר, אם נציב [math]\displaystyle{ x=\pi }[/math] נקבל:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{\alpha_0}\frac{e^\pi+e^{-\pi}}{2} = \frac{1}{2} +\sum_{n=1}^\infty \frac{1}{1+n^2} }[/math]

נפשט:

[math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{1+n^2}=\frac{\pi(e^\pi+e^{-\pi})}{2(e^\pi-e^{-\pi})}-\frac{1}{2} }[/math]

הרצאה 4 - התכנסות במ"ש ושיוויון פרסבל

תנאי להתכנסות במ"ש של טור פורייה

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] רציפה בקטע [math]\displaystyle{ [-\pi,\pi] }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ f(-\pi)=f(\pi) }[/math], כך ש [math]\displaystyle{ f' }[/math] רציפה למקוטעין.
אזי טור הפורייה של [math]\displaystyle{ f }[/math] מתכנס אליה במ"ש בכל הממשיים.

לפי משפט דיריכלה ידוע כי טור הפורייה של ההמשך המחזורי של f מתכנס אליה בכל נקודה.
נסמן את טור הפורייה ב

[math]\displaystyle{ \frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx) }[/math]

ברור כי

[math]\displaystyle{ \left|\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^\infty a_n\cos(nx)+b_n\sin(nx)\right|\leq \frac{|a_0|}{2} + \sum_{n=1}^\infty |a_n|+|b_n| }[/math]

לפי מבחן ה-M של ויירשטראס, מספיק להוכיח שטור המספרים מימין מתכנס על מנת להסיק שטור הפורייה מתכנס במ"ש.

נסמן את מקדמי פורייה של הנגזרת ב[math]\displaystyle{ \alpha_n,\beta_n }[/math].
כבר חישבנו ש:
- [math]\displaystyle{ \alpha_0=0 }[/math]
- [math]\displaystyle{ \alpha_n=nb_n }[/math]
- [math]\displaystyle{ \beta_n=-na_n }[/math]
לכן ביחד נקבל כי [math]\displaystyle{ \sqrt{|a_n|^2+|b_n|^2}=\frac{1}{n}\sqrt{|\alpha_n|^2+|\beta_n|^2} }[/math]
לפי אי שיוויון קושי שוורץ, נקבל כי לכל n מתקיים:

[math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^N \frac{\sqrt{|\alpha_n|^2+|\beta_n|^2}}{n} \leq \sqrt{\sum_{n=1}^N\frac{1}{n^2}}\sqrt{\sum_{n=1}^N |\alpha_n|^2+|\beta_n|^2} }[/math]

לפי אי שיוויון בסל, אנו יודעים כי הטור [math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty |\alpha_n|^2+|\beta_n|^2 }[/math] מתכנס, כיוון שמדובר במקדמי פורייה של [math]\displaystyle{ f'\in E }[/math].
- (זכרו שמותר להניח כי [math]\displaystyle{ f'\in E }[/math] על ידי שינוי מספר סופי של נקודות שלא משפיעות על חישוב מקדמי הפורייה.)
לכן [math]\displaystyle{ \left(\sum_{n=1}^N\frac{1}{n^2}\right),\left(\sum_{n=1}^N |\alpha_n|^2+|\beta_n|^2\right) }[/math] חסומות כסדרות סכומים חלקיים של טורים מתכנסים.
לכן סה"כ [math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^N \frac{\sqrt{|\alpha_n|^2+|\beta_n|^2}}{n} }[/math] חסומה, ולכן הטור האינסופי המתאים לה מתכנס.

סה"כ קיבלנו כי [math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty \sqrt{|a_n|^2+|b_n|^2} }[/math] מתכנס.
לכן בוודאי גם הטורים הקטנים יותר [math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty |a_n| }[/math] ו[math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty |b_n| }[/math] מתכנסים, כפי שרצינו.

שיוויון פרסבל

נביט במערכת האורתונורמלית [math]\displaystyle{ \{\frac{1}{\sqrt{2}},\cos(x),\sin(x),\cos(2x),\sin(2x),...\}\subseteq E }[/math], ותהי [math]\displaystyle{ f\in E }[/math].
ידוע לנו כי [math]\displaystyle{ a_0=\langle f,1\rangle }[/math], ולכן [math]\displaystyle{ \frac{a_0}{\sqrt{2}}=\langle f,\frac{1}{\sqrt{2}}\rangle }[/math]

נסמן את סדרת הסכומים החלקיים של טור הפורייה המתאים לפונקציה f ב [math]\displaystyle{ S_n }[/math].
[math]\displaystyle{ S_n }[/math] היא ההיטל של [math]\displaystyle{ f }[/math] על הקבוצה האורתונורמלית [math]\displaystyle{ \{\frac{1}{\sqrt{2}},\cos(x),\sin(x),\cos(2x),\sin(2x),...,\cos(nx),\sin(nx)\} }[/math]

נזכור כי [math]\displaystyle{ ||v||^2=||v-\widetilde{v}||^2+||\widetilde{v}||^2 }[/math]
- לכן [math]\displaystyle{ ||f-S_n||^2=||f||^2-||S_n||^2 }[/math].
כמו כן, נזכור כי [math]\displaystyle{ ||\widetilde{v}||^2 = \sum_{i=1}^{n}|\langle v,e_i\rangle|^2 }[/math]
- לכן [math]\displaystyle{ ||S_n||^2 = \frac{|a_0|^2}{2}+\sum_{k=1}^n |a_k|^2+|b_k|^2 }[/math]

אי שיוויון בסל אומר כי [math]\displaystyle{ \sum_{i=1}^\infty |\langle v,e_i\rangle|^2 \leq ||v||^2 }[/math]
כלומר:

[math]\displaystyle{ \frac{|a_0|^2}{2}+\sum_{n=1}^\infty |a_n|^2+|b_n|^2 \leq ||f||^2 = \langle f,f\rangle = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} |f(x)|^2dx }[/math]

משפט שיוויון פרסבל אומר שבעצם מתקיים שיוויון:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} |f(x)|^2dx=\frac{|a_0|^2}{2}+\sum_{n=1}^\infty |a_n|^2+|b_n|^2 }[/math]

אם נוכיח ש [math]\displaystyle{ ||f-S_n||^2\to 0 }[/math], נסיק כי [math]\displaystyle{ ||S_n||^2\to ||f||^2 }[/math] וזהו בדיוק שיוויון פרסבל.

הוכחת שיוויון פרסבל כאשר טור הפורייה מתכנס במ"ש

תהי [math]\displaystyle{ f }[/math] רציפה בקטע [math]\displaystyle{ [-\pi,\pi] }[/math] המקיימת [math]\displaystyle{ f(-\pi)=f(\pi) }[/math], כך שהנגזרת שלה [math]\displaystyle{ f' }[/math] רציפה למקוטעין.
נסמן [math]\displaystyle{ d_n=\sup_{[-\pi,\pi]}|f-S_n| }[/math]
הוכחנו כי טור הפורייה של f מתכנס אליה במ"ש, כלומר [math]\displaystyle{ d_n\to 0 }[/math].
לכן [math]\displaystyle{ ||f-S_n||^2 = \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} |f-S_n|^2dx \leq 2d_n^2 \to 0 }[/math]

דוגמא

הפונקציה [math]\displaystyle{ f(x)=x^2 }[/math] מקיימת את דרישות המשפט.
נזכור כי טור הפורייה שלה הוא:

[math]\displaystyle{ \frac{\pi^2}{3} + \sum_{n=1}^\infty \frac{4(-1)^n}{n^2}cos(nx) }[/math]

לכן לפי שיוויון פרסבל נקבל כי:

[math]\displaystyle{ \frac{1}{\pi}\int_{-\pi}^{\pi} x^4dx = \frac{4\pi^4}{18}+\sum_{n=1}^\infty \frac{16}{n^4} }[/math]

[math]\displaystyle{ \frac{2\pi^4}{5}-\frac{4\pi^4}{18} = \sum_{n=1}^\infty \frac{16}{n^4} }[/math]

ולכן:

[math]\displaystyle{ \sum_{n=1}^\infty \frac{1}{n^4} = \frac{\pi^4}{90} }[/math]

הוכחת שיוויון פרסבל במקרה הכללי

תהי [math]\displaystyle{ f \in E }[/math], אנחנו מעוניינים להוכיח כי [math]\displaystyle{ ||f-S_m||\to 0 }[/math].
נבנה סדרת פונקציות [math]\displaystyle{ f_n }[/math] רציפות בקטע [math]\displaystyle{ [-\pi,\pi] }[/math] המקיימות [math]\displaystyle{ f_n(-\pi)=f_n(\pi) }[/math], כך שהנגזרות שלהן [math]\displaystyle{ f_n' }[/math] רציפות למקוטעין, המקיימות:

[math]\displaystyle{ ||f-f_n||\to 0 }[/math]

יהי [math]\displaystyle{ \varepsilon }[/math], נבחר [math]\displaystyle{ n }[/math] כך ש [math]\displaystyle{ ||f-f_n||\lt \frac{\varepsilon}{2} }[/math].
נסמן ב[math]\displaystyle{ T_m }[/math] את סדרת הסכומים החלקיים של טור הפורייה של [math]\displaystyle{ f_n }[/math].
ראינו כי [math]\displaystyle{ \lim_{m\to\infty}||f_n-T_m||=0 }[/math].

כיוון שההיטל הוא הוקטור הקרוב ביותר, נקבל:
- [math]\displaystyle{ ||f-S_m||\leq ||f-T_m|| }[/math]
כמו כן, [math]\displaystyle{ ||f-T_m||\leq ||f-f_n||+||f_n-T_m|| }[/math]
קיים מקום החל ממנו לכל [math]\displaystyle{ m }[/math] מתקיים כי [math]\displaystyle{ ||f_n-T_m^n||\lt \frac{\varepsilon}{2} }[/math].
לכן החל ממקום זה [math]\displaystyle{ ||f-S_m||\lt \varepsilon }[/math] כפי שרצינו.

בניית סדרת הפונקציות

נתון כי [math]\displaystyle{ f }[/math] אינטגרבילית, ולכן קיים סכום דרבו כך ש[math]\displaystyle{ |\int_{-\pi}^{\pi} f(x)dx - S(f,P)|\lt \frac{1}{n} }[/math].
ניקח את פונקצית המדרגות g המוגדרת על ידי הגובה של המלבנים מסכום הדרבו.
- כמובן ש[math]\displaystyle{ \int_{-\pi}^{\pi} gdx = S(f,P) }[/math].
כעת נגדיר את [math]\displaystyle{ f_n }[/math] להיות g, פרט לשינויים הבאים:
- עבור [math]\displaystyle{ \delta }[/math] נבחר בקו ישר את המדרגות במקטעים [math]\displaystyle{ [x_i-\delta,x_i] }[/math].
- [math]\displaystyle{ f_n(-\pi)=g(\pi) }[/math].
- נחבר בקו ישר את הנקודות בקצה הקטע [math]\displaystyle{ [x_0,x_0+\delta] }[/math].
עבור [math]\displaystyle{ \delta }[/math] קטנה מספיק, [math]\displaystyle{ \int_{-\pi}^{\pi}|f_n-g|dx \lt \frac{1}{n} }[/math].

סה"כ נקבל כי
- [math]\displaystyle{ f_n }[/math] מורכבת מקטעים ישרים המחוברים זה לזה, ולכן מדובר בפונקציה רציפה למקוטעין, בעלת נגזרת רציפה למקוטעין.
- [math]\displaystyle{ f_n(-\pi)=f_n(\pi) }[/math]
- אכן מתקיים כי [math]\displaystyle{ ||f-f_n||\to 0 }[/math]

@@ שורה 597: / שורה 597: @@
 **<math>f_n(-\pi)=f_n(\pi)</math>
 **אכן מתקיים כי <math>||f-f_n||\to 0</math>
+===יחידות טור פורייה===
+====הם ישנן שתי פונקציות שונות בעלות אותו טור פורייה?====
+====האם תתכן פונקציה אחת, בעלת שני טורים טריגונומטריים?====