Basic Harmonic Analysis
Analysis on Unit Circle
设
其中展开系数为
现在任给
于是自然地
以上式中的最后一项作为
因为
首先我们来考察一下Fourier级数的部分和性质。注意到
其中
称为Dirichlet核,于是
此处的卷积定义为
- Young不等式:
; - 如果
共轭, 且 ,则通过改变一个零测集上的值, 可以被连续化到 中; - 任意
都有 。
更一般地,给定
可以验证
进而
另外,Dirichlet核
- 单位性:
; - 有界性:存在常数
使得 ; - 增长速度:存在常数
使得 。
从上面的性质其实可以看出,
Partial Sum of Fourier Series
Proof. 根据定义
注意到
因此将上式与原本定义合起来就有
当
一般地,当
所以
根据之前的分析可知当
Proof. 设当
注意到
可以验证其中的
于是
根据Riemann-Lebesgue引理可知
Proof. 由于
现在我们将积分区间拆成
又因为当
所以
另一方面,与Riemann局部化定理中的证明类似,构造
再次使用Riemann-Lebesgue引理可知
综上可知
Proof. 因为任意有界变差函数都可以被分解成两个单调函数,因此不妨假设
因此只需证明对于任意单调函数
下面要求
于是
再次将其中的第二部分重写为
可以验证
为了处理第一项,需要使用第二积分中值定理:存在
上的第二积分中值定理:
设与 是 上的两个实值函数,要求 是单调的右连续函数, 是连续函数,则存在 使得
(因此Jordan检验的证明中的右连续性是必要的)
因为
不难说明第一项有限,即
第二项和第三项可以被进一步估计,于是
因此
证毕。
下面简要给出上面使用到的第二积分中值定理的一个证明:
Proof of the Second Mean Value Theorem for Integrals on
根据Newton-Leibniz公式可知
因为
其中
根据介值定理可知存在
证毕。
Approximant Identities
稍后将看到
定义
是
其中
称为Fejér核,它具有如下性质:
- 紧致形式:
- Fourier变换:
- 非负有界性:
Fejér核是一种特殊的单位逼近,现在给出单位逼近的定义:
单位逼近 (Approximate Identities) 如果函数族
- 归一性:对于任意
都有 一致有界性:- 消失性:任给
都有
则称
除了Fejér核,常见的单位逼近还有box核:
特别需要注意的是Dirichlet核
-
:如果 ,则 -
,其中 :如果 ,则
Proof. 首先证明第一条结论。因为
于是
其中关于第二项可以使用
下面证明第二条结论。由于
于是使用Young不等式可知
证毕。
注意到
三角多项式空间在
进一步地,对于任意
Bessel’s Inequality 任意
上述不等式取等当且仅当
Parseval Identity 任给
Proof. 证明依赖于一致有界原理:
Uniformly Bounded Principle
给定Banach空间, 是从 到 的一族有界线性算子,则以下两种情形有且仅有其一为真:
1.;
2.存在使得 。
现在考虑如下线性算子
因为
所以
于是
所以
证毕。
Proof. 首先说明必要性(
因此
进而根据一致有界原理可知
下面说明充分性(
证毕。
借助以上定理,可以绘制出如下表格,其中总结了
False | True | False | |
首先考虑两个端点情形:
推论 如果
Proof. 根据上述定理,为了说明这一推论只需说明
而当
于是
中间情形中
Regularity of Fourier Series
Proof. 取de-la-Vallee-Poussin核
它满足以下性质:
对于任意 都成立;- 任给
都有 。
根据de-la-Vallee-Poussin核
再根据Young不等式可知
于是定理得证。
与Bernstein不等式相对应,如果
为了证明上述结论需要以下引理:
引理 如果
则存在
Proof of Inverse Bernstein’s Inequality. 为了使用上述引理,取
可以验证
根据卷积的性质:
现在Young不等式可知
证毕。
Proof. 由于
是一个周期为1的函数,且
注意到
又因为Fejér核是单位逼近,所以
于是
又注意到
因此
证毕。
借助上述定理,我们可以构造出一个不是某
推论 如果
不是一个Fourier级数,即不存在
该推论的证明只需注意到
因此如果上述级数是某个
然而又有
Smoothness and Fourier Coefficient Decay
一般地,函数的光滑性越好,它的Fourier系数的衰减越快:
- 如果
是Hölder连续的( ),则 - 如果
是绝对连续的,则 - 如果
是 次连续可微的,且 是绝对连续的,则 - 如果
是光滑的,则
Proof. (1) 的证明比较繁杂,这里略去。(2) 当
于是
进而根据Riemann-Lebesgue引理可知
(3) 当
于是
因此有
(4) 的证明完全类似于(3)。
解析函数 (Analytic function) 如果定义在
解析函数是光滑函数的一个特例,它的Fourier系数的衰减速度更快,可以达到指数衰减:
-
是解析函数当且仅当 光滑且存在 使得 -
是解析函数当且仅当存在 和 使得
更一般地,如果定义在
则称
根据以上定义和之前的定理,我们有以下几个包含关系:
; 时, ; 时, 。
Sobolev Spaces
这里仅考察一类最简单的Sobolev空间,即
其中的范数
Proof. 证明一共分为四步:
Step 1. 根据上一节的结论可知
Step 2. 引入二进制级数(Dyadic partial sum)
说明证明定理的结论只需验证以下不等式成立:
Step 3. 证明(
因此原本的
于是只需说明
一种构造
令
其中
Step 4. 对
所以有
因为其中的第一部分满足
第二部分则有
所以合起来就得到了
即
证毕。
Fourier coefficients of Borel measure
记
定义
上述变换具有以下性质:
- 如果
,则当 时, ; - (Young Inequality) 对于任意的
,都有如下不等式
其中 是 的全变差范数; - (Riesz’s Representation)
; - 令
是一族单位逼近,则对于 有
进而
即对于任意的 都有
特别地, 若收敛到 。
下述定理是调和分析的一大核心结论。
Proof. 首先考虑多项式的情形,因为
又因为
最后一个等式使用到了
上述定理的一个推论是如下唯一性命题:
Proof. 因为
因此
与上面的唯一性命题相对应的是下述存在性命题:
-
存在
使得 对于任意的 成立; -
任意的三角多项式
都有
Proof. (1)
(2)
证毕。
推论 级数
其中
Proof. (
从而根据一致有界原理可知
(
因此根据上一个定理可知
Higher dimensional case
定义
其中
与一维情形类似,定义部分和为
其中
命题 如下结论成立:
- 三角多项式空间在
内稠密; - (Parseval’s Identity) 对于任意
, ; - 如果
,则 的Fourier级数一致收敛到 ,并且该收敛与部分和的选取方式无关。
Proof. 首先考虑第一条结论。构造
其中
第二条结论是平凡的。
最后考察第三条结论。对于
对于任意的
其中
于是
注意到
Analysis on Euclidean Space
沿用之前的记号,令
与之对应,定义
这里
现在引入标准的多重指标
Schwarz Space
Schwarz空间 如果
则称
显然
现在考察
则称
上述收敛性刻画中的
是
另外,
Proof. 对于任意
所以
接下来证明
证毕。
另外,直接根据Fourier变换的定义可知
从而
Winener Algebra
现在暂时回到
即
称这样的
可以验证
进一步,
注意上述嵌入要求嵌入映射不但是单射,同时也在相应的拓扑下是连续的。
Proof. 左侧第一个嵌入由Sobolev嵌入定理给出,因此这里只考虑第二个嵌入,为了说明该映射的连续性只需注意到
其中第二行使用到了Hölder不等式,记号
The Inversion Theorem and Plancherel Identity
为了简化记号,记
不加证明地给出下述Fourier逆变换的如下性质:给定
;- (Linearity)
; - (Communicative)
; - (Conjecture)
; - (Convolution)
。 - (Double Transform)
;
其中最后一条需要使用到下面的逆变换定理。
这一部分的主要定理如下:
Proof. 首先给出一个形式上的分析,在这一部分需要使用Fubini定理交换积分顺序,而这一步并不严格。根据定义直接计算可知
为了将上述分析严格化,需要经典的Gauss核
现在固定
可以验证
下面证明定理的第二部分,即积分恒等式,为此只需直接计算得到
类似地,对于第二个等式有
其中使用到了
现在使用逆变换公式说明
另一方面,由逆变换公式可知
因此
Temperated Distributions
缓增分布 记速降函数空间
换言之,缓增分布
对于任意的
关于缓增分布有如下事实:
,因为对于任意的 都可以定义 上的线性泛函 是连续的,即 当且仅当存在正整数 使得
为了说明这一点需要使用 。
Dirac测度 一个经典的缓增分布的例子是Dirac测度
因此
尽管缓增分布空间
反例 可以验证函数
现在定义
其中
- 如果
,则
对于任意的 成立。 - 通过定义
可知 ;类似地,通过定义
可知 。
我们以Dirac函数为例展示如何寻找缓增函数的Fourier变换。直接使用Fourier变换的定义可知
因此
因为任意的
- 对于
,定义
直接使用绝对值不等式可知 ,因此可以将 看作是 上的Fourier变换。 - 对于
,类似地可以定义 ,然而此时 的 可积性无法保证 不会发散,因此这种方式在 情形下不再适用。经典的 空间中的Fourier变换的定义方式是注意到 在 内稠密,因此存在一族 在 范数下收敛到 。根据Plancherel恒等式可知
所以由 在 内是Cauchy列可知 也是 内的Cauchy列,利用 空间的完备性定义
这样得到的 称为 上的Fourier变换,满足 。 - 对于
,存在 和 使得 ,此时定义 。
值得注意的是,在定义
这样定义的
Poisson Summation Formula
Proof. 给定
其中
又因为
由此得到
证毕。
Sobolev Spaces and Inequality
定义Sobolev空间
其中
仿照上述观点,可以进一步定义一个新的范数:
其中
更一般地,可以定义
此处
接下来给出两个引理:
弱Sobolev不等式 对于任意的
其中
Proof. 因为
因此根据
证毕。
Trace Lemma 对于任意的
其中
Proof. 注意到
现在借助上一条引理可知
证毕。
最后给出常用的Sobolev空间不等式的经典形式:
Sobolev不等式 对于任意的
其中
该不等式的证明将在下一节使用Littlewood-Palay理论给出。
Littlewood-Palay Theory
选取
现在定义
令
可以验证
Littlewood-Palay Operator
从定义中可以看出,Littlewood-Palay算子的作用是在频域中提取出某一指定频率的在时域中的分量,相应地,
形式上利用
由此得到了
对于任意的 成立; 对于任意的 成立。
Proof. 因为Fourier变换是
关于第二条结论,回忆起如下等式
于是
由此得到
根据第一条结论可知
证毕。
Properties of Littlewood-Palay Operator
-
时,如果 ,则 -
时,如果 ,则
Proof. 因为
其中
对于任意的
现在给出与之前章节中相对应的Bernstein不等式,这些不等式在估计函数的下降速度时非常有用:
- 低频估计
- 单频估计
- 低频项:快速下降换取正则性
-
- 高频项:正则性换取快速下降
Proof. 只给出简单的证明思路:
- 根据定义
,记 ,于是 。使用Young不等式可知
其中
- 仿照第一条结论可得。
- 因为
,并且根据之前的定义 ,所以
于是根据Young不等式以及
这里的
- 使用与上一条类似的技巧可知
在使用与之前类似地使用Young不等式即可得到最终结论。
- 注意到
因为
证毕。
Some Applications
下面给出几个基于Littlewood-Palay理论的应用。
GN Inequality
Proof. 该不等式的证明是Littlewood-Palay理论的一个经典应用。首先借助Littlewood-Palay算子可以将
下面使用Bernstein不等式分别估计这两项。一方面,使用Bernstein不等式的第三条结论可知第一部分中的低频项的估计为
而对于高频项,使用Bernstein不等式的第五条结论可知
现在通过选取合适的
这样就得到了Gagliardo-Niremberg不等式。
Sobolev Inequality
下面给出之前的Sobolev不等式的简要证明:
Proof of Sobolev Inequality. 在正式证明之前,回忆Sobolev不等式的表述:
其中
有以下观察:如果令
首先不难证明
然而我们需要的是
上述结论的证明不像前者那样直接,需要使用到调和分析中的平方函数估计,这里限于篇幅不再详细展开。如果承认该不等式的正确性,那么有
而根据Bernstein不等式的第一条结论可知
所以
证毕。
The Hilbert Transform
Hilbert变换是一个经典的分析工具,尽管它与Littlewood-Palay理论的联系不是很紧密,这里还是给出关于Hilber变换的一些基本事实,它的定义如下:
其中“P.V.”表示以Cauchy主值方式积分,即
所以
因此可以使用卷积形式表示Hilbert变换:
下面不加证明地给出Hilbert变换的一些基本性质:
是一个线性算子,其中 ; ; 是自反的,即 ,其中 , ;- 与微分算子交换:
; - 与Fourier变换的关系:
。
Product Estimates
Proof. 当
接下来分别估计这两项。对于第一项可以直接分析得到
对于第二项,注意到
其中
进而就有
而对于第二部分,我们有
其中倒数第二行使用了Hölder不等式,进而
证毕。
Hardy’s Inequality
应用部分最后给出另一个“硬分析”风格的不等式:
Stationary and Nonstationary Phases Method
最后简单介绍一下相位方法,这是一个在分析学中非常重要的技术,它的基本思想是通过相位函数的性质来估计积分的大小。设
- Title: Basic Harmonic Analysis
- Author: Gypsophila
- Created at : 2024-11-13 09:46:44
- Updated at : 2024-12-23 19:55:13
- Link: https://chenx.space/2024/11/13/HarmonicAnalysis/
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