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불연속점에서 푸리에 급수의 수렴성 📂푸리에해석

불연속점에서 푸리에 급수의 수렴성

정리1

구간 [L, L)[-L,\ L)에서 정의된 함수 f(t)f(t)조각마다 연속이라고 하자. 불연속점을 ti (i=1, m)t_{i}\ (i=1,\ \cdots m )라고 하고 각 불연속점에서 좌미분계수 f(a)f(a-), 우미분계수 f(a+)f(a+) 를 가진다고 하자. 그러면 f(t)f(t)의 푸리에 급수는 불연속점 tit_{i}에서 좌극한와 우극한의 중간값으로 수렴한다.

a02+n=1(ancosnπtiL+bnsinnπtiL)=f(ti+)+f(ti)2 \dfrac{a_{0}}{2}+\sum \limits_{n=1}^{\infty}\left( a_{n} \cos \dfrac{n \pi t_{i} }{L} +b_{n}\sin\dfrac{n\pi t_{i}}{L} \right) = \dfrac{f(t_{i}+)+f(t_{i}-)}{2}


ff가 리만적분가능하면 ff의 푸리에급수는 연속인 점 tt에서 ff로 수렴한다. 불연속점에서는 위의 정리로부터 좌우미분계수의 중간값으로 수렴함을 알 수 있다.

증명

임의의 불연속 점을 ti=tt_{i}=t라고 하자.

푸리에 급수와 디리클레 커널의 관계

SNf(t)=1LLLf(x)DN(π(xt)L)dx S^{f}_{N}(t)=\dfrac{1}{L}\int_{-L}^{L}f(x)D_{N}\left(\dfrac{\pi (x-t)}{L}\right)dx

위 관계식을 통해 아래의 식을 얻는다.

limNSN(t)=limN1LLLf(x)DN(π(xt)L)dx=limN1LLtLtf(λ+t)DN(πλL)dλ=limN1LLLf(λ+t)DN(πλL)dλ=limN1LL0f(λ+t)DN(πλL)dλ+limN1L0Lf(λ+t)DN(πλL)dλ \begin{align} & \lim_{N \rightarrow \infty} S_{N} (t) \nonumber \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{L} f(x)D_{N}\left( \dfrac{\pi (x-t)}{L} \right) dx \nonumber \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L-t}^{L-t} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L} \right) d\lambda \nonumber \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{L} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L} \right) d\lambda \nonumber \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0} f(\lambda + t)D_{N}\left(\dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda +\lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} f(\lambda +t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda \end{align}

두번째 등호는 xt=λx-t=\lambda로 치환하면 성립한다. 세번째 등호가 성립하는 이유는 한 주기(2L)(2L)에 대한 적분이기만 하면 상관없기 때문이다.

디리클레 커널의 적분

1LLLDN(π(xt)L)dx=1 \dfrac{1}{L}\int_{-L}^{L}D_{N}\left( \dfrac{\pi (x-t)}{L} \right)dx = 1

디리클레 커널은 우함수이므로 위 식으로부터 다음의 식을 얻는다.

1L0LDN(πλL)dλ=1LL0DN(πλL)dλ=12 \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} D_{N} \left( \dfrac{\pi \lambda}{L} \right) d\lambda=\dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0} D_{N} \left( \dfrac{\pi \lambda}{L} \right) d\lambda=\dfrac{1}{2}

따라서 아래의 식이 성립한다.

12f(t+)=f(t+)1L0LDN(πλL)dλ=1L0Lf(t+)DN(πλL)dλ12f(t)=f(t)1LL0DN(πλL)dλ=1LL0f(t)DN(πλL)dλ \begin{equation} \begin{aligned} \dfrac{1}{2}f(t+) &= f(t+)\dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} D_{N} \left( \dfrac{\pi \lambda}{L} \right) d\lambda=\dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} f(t+)D_{N} \left( \dfrac{\pi \lambda}{L} \right) d\lambda \\ \dfrac{1}{2}f(t-) &= f(t-)\dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0} D_{N} \left( \dfrac{\pi \lambda}{L} \right) d\lambda=\dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0} f(t-)D_{N} \left( \dfrac{\pi \lambda }{L} \right) d\lambda \end{aligned} \end{equation}

(1)(1)의 두 항의 적분범위에 맞춰서 (2)(2)의 두 식을 각각 빼주면 다음과 같다.

limN1L0Lf(λ+t)DN(πλL)dλ12f(t+)=limN1L0L(f(λ+t)f(t+))DN(πλL)dλ=limN1L0L(f(λ+t)f(t+)))sin(N+12)πλL2sinπλ2Ldλ=limN1L0Lg+(λ)sin[(N+12)πλL]dλ \begin{align*} & \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda - \dfrac{1}{2}f(t+) \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L}\Big( f(\lambda + t) -f(t+) \Big) D_{N}\left(\dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L}\Big( f(\lambda + t) -f(t+)) \Big)\dfrac{\sin\left(N+\dfrac{1}{2}\right) \dfrac{\pi \lambda}{L}}{2\sin \dfrac{\pi \lambda}{2L}} d\lambda \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L}g_+(\lambda) \sin\left[ \left(N+\dfrac{1}{2}\right) \dfrac{\pi \lambda}{L}\right] d\lambda \end{align*}

이때, g+(λ)=f(λ+t)f(t+)λλ2sinπλ2Lg_+(\lambda) = \dfrac{ f(\lambda + t) -f(t+) }{\lambda}\dfrac{\lambda}{2\sin \dfrac{\pi \lambda}{2L}}이다. 두번째 등호는 아래의 식에 의해 성립한다.

푸리에 급수와 디리클레 커널의 관계

SNf(t)=1LLLf(x)Dn(π(xt)L)dx S_{N}^{f} (t)=\dfrac{1}{L}\int_{-L}^{L}f(x)D_{n}\left(\dfrac{\pi (x-t)}{L}\right)dx

같은 방법으로 계산하면 다음과 같다.

limN1LL0f(λ+t)DN(πλL)dλ12f(t)=limN1LL0g(λ)sin[(N+12)πλL]dλ \begin{align*} & \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda - \dfrac{1}{2}f(t-) \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0}g_-(\lambda) \sin\left[ \left(N+\dfrac{1}{2}\right) \dfrac{\pi \lambda}{L}\right] d\lambda \end{align*}

이때, g(λ)=f(λ+t)f(t)λλ2sinπλ2Lg_-(\lambda) = \dfrac{ f(\lambda + t) -f(t-) }{\lambda}\dfrac{\lambda}{2\sin \dfrac{\pi \lambda}{2L}}이다. 이제 g±(λ)g_\pm(\lambda)가 조각마다 연속임을 보이려한다. 사인함수의 극한의 성질에 의해

limλ0λ2sinπλ2L=limλ0πλ2Lsinπλ2LLπ=Lπ \lim \limits_{\lambda \rightarrow 0} \dfrac{\lambda}{2\sin \dfrac{\pi \lambda}{2L}} =\lim \limits_{\lambda \rightarrow 0} \dfrac{\dfrac{\pi \lambda}{2L}}{\sin \dfrac{\pi \lambda}{2L}} \dfrac{L}{\pi}=\dfrac{L}{\pi}

이므로 임의의 λ[L, L)\lambda \in [-L,\ L)에서 아래의 식을 만족하는 M1>0M_{1}>0이 존재한다.

λ2sinπλ2LM1< \left| \dfrac{\lambda}{2\sin \dfrac{\pi \lambda}{2L}}\right| \le M_{1} <\infty

00이 아닌 곳에서는 발산하지 않음이 확실하고 00에서도 발산하지 않음을 보였기 때문에 유계라는 말이다. 즉, 구간 내에 유한 개의 불연속점이 있고 불연속점의 좌/우 극한이 모두 존재한다. 따라서 구간 내에서 조각마다 연속이 된다. 연속이면 리만적분가능하고, 리만적분가능하면 유계이고 fftt에서 우미분계수를 가지므로 임의의 λ(0, L)\lambda \in (0,\ L)에서 아래의 식을 만족하는 M2M_2가 존재한다.

f(λ+t)f(t+)λM2< \left| \dfrac{f(\lambda+t) -f(t+)}{\lambda} \right| \le M_2 <\infty

마찬가지로 구간 내에서 조각마다 연속이다.위의 두 사실에 의해 g+(λ)g_+(\lambda)[0, L)[0,\ L)에서 조각마다 연속이고 또한 리만적분가능하다.따라서

limN1L0Lf(λ+t)DN(πλL)dλ12f(t+)=limN1L0Lg+(λ)sin[(N+12)πλL]dλ= 0 \begin{align*} & \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda - \dfrac{1}{2}f(t+) \\ =& \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L}g_+(\lambda) \sin\left[ \left(N+\dfrac{1}{2}\right) \dfrac{\pi \lambda}{L} \right]d\lambda \\ =&\ 0 \end{align*}

g+(λ)g_+(\lambda)가 구간 내에서 조각마다 연속이므로 리만-르벡 보조정리에 의해서 두번째 등호가 성립한다.

리만-르벡 보조정리

함수 f(t)f(t)가 구간 [L, L)[-L,\ L)에서 조각마다 연속이면 아래의 식이 성립한다.

limnan=limn1LLLf(t)cosnπLtdt=0 \lim \limits_{n \rightarrow \infty} a_{n} = \lim \limits_{n \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{L} f(t) \cos \dfrac{n \pi}{L}t dt=0

limnbn=limn1LLLf(t)sinnπLtdt=0 \lim \limits_{n \rightarrow \infty} b_{n} = \lim \limits_{n \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{L} f(t) \sin \dfrac{n \pi}{L}t dt=0

따라서

limN1L0Lf(λ+t)DN(πλL)dλ=12f(t+) \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{0}^{L} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda=\dfrac{1}{2}f(t+)

같은 방법으로 아래의 식을 얻을 수 있다.

limN1LL0f(λ+t)DN(πλL)dλ=12f(t) \lim \limits_{N \rightarrow \infty} \dfrac{1}{L} \int_{-L}^{0} f(\lambda + t)D_{N}\left( \dfrac{\pi \lambda }{L}\right) d\lambda=\dfrac{1}{2}f(t-)

두 식을 합치면

limNSN(t)=12(f(t+)+f(t)) \lim \limits_{N \rightarrow \infty} S_{N}(t) = \dfrac{1}{2}\big(f(t+)+f(t-)\big)


  1. 최병선, Fourier 해석 입문 (2002), p65-67 ↩︎