| @@ -41,7 +41,7 @@ Hier betrachten wir deshalb nur $2\pi$-periodische Funktionen $f: \R \to \K$. We | |||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| \int_a^b e^{i\lambda x} \d x &= \int_a^b \cos(\lambda x)\d x + i \int_a^b \sin(\lambda x)\d x\\ | \int_a^b e^{i\lambda x} \d x &= \int_a^b \cos(\lambda x)\d x + i \int_a^b \sin(\lambda x)\d x\\ | ||||
| &= \frac{1}{\lambda} \sin(\lambda x)\bigg|_a^b - \frac{1}{\lambda} i \cos(\lambda x)\bigg|_a^b\\ | &= \frac{1}{\lambda} \sin(\lambda x)\bigg|_a^b - \frac{1}{\lambda} i \cos(\lambda x)\bigg|_a^b\\ | ||||
| &\stackrel{=}{\frac{1}{i} = -i} \frac{1}{\lambda i} (\cos(\lambda x) + i \sin(\lambda x)) \bigg |_a^b\\ | |||||
| &\stackrel{\frac{1}{i} = -i}{=}\quad \frac{1}{\lambda i} (\cos(\lambda x) + i \sin(\lambda x)) \bigg |_a^b\\ | |||||
| &= \frac{1}{\lambda i } e^{i\lambda x} \bigg|_a^b\\ | &= \frac{1}{\lambda i } e^{i\lambda x} \bigg|_a^b\\ | ||||
| \end{align*} | \end{align*} | ||||
| $$\implies \int_0^{2\pi} e^{ikx} \d x = 0\qquad \forall k \in \Z \setminus \{0\}$$ | $$\implies \int_0^{2\pi} e^{ikx} \d x = 0\qquad \forall k \in \Z \setminus \{0\}$$ | ||||
| @@ -72,7 +72,7 @@ Frage: Hat jede $2\pi$-periodische Funktion die Form $\sum_{k = -n}^{n}c_ke^{ixk | |||||
| $$\qnorm{f-s_n} = \qnorm{f} - 2\pi \sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2$$ | $$\qnorm{f-s_n} = \qnorm{f} - 2\pi \sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2$$ | ||||
| \end{satz} | \end{satz} | ||||
| \begin{proof} | \begin{proof} | ||||
| Notation $e_n(x) \coloneqq e^{ikx}$ | |||||
| Notation $e_n(x) \coloneqq e^{inx}$ | |||||
| \begin{align*} | \begin{align*} | ||||
| (e_k, e_l) &= \int_0^{2\pi} e_{ikx} e^{-ikx} \d x = \int_0^{2\pi} e^{i(k-l)x}\d x = \begin{cases} | (e_k, e_l) &= \int_0^{2\pi} e_{ikx} e^{-ikx} \d x = \int_0^{2\pi} e^{i(k-l)x}\d x = \begin{cases} | ||||
| 2\pi, & k = l\\ | 2\pi, & k = l\\ | ||||
| @@ -94,7 +94,7 @@ Frage: Hat jede $2\pi$-periodische Funktion die Form $\sum_{k = -n}^{n}c_ke^{ixk | |||||
| \end{align*} | \end{align*} | ||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| \begin{satz}[Besselsche Umgebung]\label{bessel} | \begin{satz}[Besselsche Umgebung]\label{bessel} | ||||
| Sei $f \in R[0, 2\pi]$ eine $2\pi$-periodische Funktion mit Fourier-Koeffizienten $c_k,\; k\in \Z$. Dann $$\exists \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2$$ und $$\sum_{k = -\infty}^{\infty} |c_k|^2 = \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2 \leq \qnorm{f}$$ | |||||
| Sei $f \in R[0, 2\pi]$ eine $2\pi$-periodische Funktion mit Fourier-Koeffizienten $c_k,\; k\in \Z$. Dann $$\exists \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2$$ und $$\sum_{k = -\infty}^{\infty} |c_k|^2 = \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2 \leq \frac{\qnorm{f}}{2\pi}$$ | |||||
| \end{satz} | \end{satz} | ||||
| \begin{proof} | \begin{proof} | ||||
| Aus Satz \ref{fourierungleichung} | Aus Satz \ref{fourierungleichung} | ||||
| @@ -102,7 +102,7 @@ Frage: Hat jede $2\pi$-periodische Funktion die Form $\sum_{k = -n}^{n}c_ke^{ixk | |||||
| Die Konvergenz folgt unter Beachtung der Monotonie und Beschränktheit der Folge $$\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2$$ | Die Konvergenz folgt unter Beachtung der Monotonie und Beschränktheit der Folge $$\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2$$ | ||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| \begin{bem} | \begin{bem} | ||||
| Sei $f\in R[0, 2\pi]$ $2\pi$-periodisch und $\qnorm{f-s_n} \underset{\to}{L^2} 0,\; n\to \infty$, d.h. die Fourier-Reihe konvergiert gegen $f$ in $L^2$. Das ist nach Satz \ref{fourierungleichung} äquivalent zu | |||||
| Sei $f\in R[0, 2\pi]$ $2\pi$-periodisch und $\qnorm{f-s_n} \overset{L^2}{\to} 0,\; n\to \infty$, d.h. die Fourier-Reihe konvergiert gegen $f$ in $L^2$. Das ist nach Satz \ref{fourierungleichung} äquivalent zu | |||||
| $$\qnorm{f} = 2\pi \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2 \Leftrightarrow 2 \pi \sum_{k = -\infty}^{\infty}|c_k|^2$$ | $$\qnorm{f} = 2\pi \lim\limits_{n\to\infty}\sum_{k = -n}^{n}|c_k|^2 \Leftrightarrow 2 \pi \sum_{k = -\infty}^{\infty}|c_k|^2$$ | ||||
| \end{bem} | \end{bem} | ||||
| \underline{Frage:} Unter welchen Bedingungen für $f$ gilt die Parsevalsche Gleichung | \underline{Frage:} Unter welchen Bedingungen für $f$ gilt die Parsevalsche Gleichung | ||||
| @@ -260,7 +260,7 @@ $$F_n(x) = \int_\pi^x \frac{1}{2 \sin\left(\frac{y}{2}\right)} \cdot \sin\left(\ | |||||
| $$\implies s_n(f) \xrightarrow{L^2} f, \; n \to \infty$$ | $$\implies s_n(f) \xrightarrow{L^2} f, \; n \to \infty$$ | ||||
| \end{proof} | \end{proof} | ||||
| \begin{bem} | \begin{bem} | ||||
| Konvergenz in $L^2$ ist \glqq sehr schwach \grqq\. Für \glqq glattere\grqq\ Funktionen konvergiert die Fourier-Reihe gleichmäßig. | |||||
| Konvergenz in $L^2$ ist \glqq sehr schwach\grqq\ Für \glqq glattere\grqq\ Funktionen konvergiert die Fourier-Reihe gleichmäßig. | |||||
| \end{bem} | \end{bem} | ||||
| \begin{satz} | \begin{satz} | ||||
| Sei $f: \R \to \C$ $2\pi$-periodisch, stetig und stückweise stetig differenzierbar, d.h. $\exists $ Unterteilung von $[0, 2\pi]$ | Sei $f: \R \to \C$ $2\pi$-periodisch, stetig und stückweise stetig differenzierbar, d.h. $\exists $ Unterteilung von $[0, 2\pi]$ | ||||