Изменения

<tex>a_n(f) = \frac1\pi \int\limits_{-\pi}^\pi f(x) \cos nx dx</tex> {{---}} существует для любого <tex>n</tex>, не только <tex>n \in \mathbb{N}</tex>натурального.

<tex>a_na(f, z) \ = \frac1\pi \int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \cos zt dt</tex> {{---}} косинусное преобразование <tex>f</tex>. <br /><tex>b_nb(f, z) \ = \frac1\pi \int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \sin zt dt</tex> {{---}} синусное преобразование <tex>f</tex>.

Выпишем ряд <tex>\sum\limits_{n=0}^\infty A_n(f, z)</tex>, где <tex>A_n (f, x) = a_n \cos nx + b_n \sin nx</tex>. Если мы будем рассматривать все вещественные значения <tex> n </tex>, а не только натуральные, то ряд перейдет в интеграл.

Предложение: рассмотрим интеграл <tex>\int\limits_0^{+\infty} (a(f, z) \cos zx + b(f, z) \sin zx) dz</tex>. Интеграл понимают не в смысле Лебега, а в смысле Римана {{---}} как предел частичных интегралов. Получившийся интеграл называют интегралом Фурье.

Этому Ему можно придать более удобную форму:

<tex>a(f, z) \cos zx + b(f, z) \sin zx = \frac1\pi \int\limits_{\mathbb{R}} f(t) [\cos zt \cdot \cos zx + \sin zt \cdot \sin zx] dt = \frac1\pi \int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \cos z(x - t) dt</tex>.

<tex>\frac1\pi \int\limits_0^{+\infty} \left(\int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \cos z(x - t) dt \right) dz</tex> {{---}} интеграл Фурье.

Далее мы установим, что выполняется знаменитая интегральная == Интегральная формула Фурье:==

|about=интегральная формула Фурье|statement=<tex>\frac1\pi \int\limits_0^{+\infty} \left(\int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \cos z(x - t) dt \right) dz = \frac{f(x+0)+f(x-0)}2</tex>

<tex>= \lim\limits_{A\to\infty} \frac1\pi \int\limits_0^A \frac1\pi \int\limits_0^A \left(\int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \cos z(x-t)dt \right) dz = I</tex>

Применим [[Теорема Фубини | теорему Фубини]]: <tex>gI(A) = \int\limits_0^A \left(\int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \cos z(x-t)dt \right) dz</tex> {{---}} частный случай интеграла Фурье.

<tex>= \lim\limits_{A\to\infty} \frac1\pi \int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \left( \int\limits_0^A \cos z(x-t) dz\right) dt = I</tex>.

Сделаем замену переменной: <tex>u=x-t-x</tex>

Так Рассмотрим первое слагаемое: так как, по условию, <tex>\int\limits_0^\Delta \frac{|\varphi_x(t)|}t dt < +\infty</tex>, то <tex>\forall\varepsilon>0 \exists\delta\in(0;\Delta) : \int\limits_0^\delta \frac{|\varphi_x(t)|}t dt < \varepsilon</tex>

<tex>|I(A)-s| \le \frac1\pi\left( \varepsilon + \left| \int\limits_\delta^{+\infty}\varphi_x(t)\frac{\sin At}t dt\right| \right)</tex>

Рассмотрим второе слагаемое: <tex>\int\limits_\delta^{+\infty} \varphi_x(t) \frac{\sin At}{t } dt = \int\limits_\delta^{+\infty} \frac{\sin Atf(x+t) +f(x-t)}{Att} d(\sin At) = dt - 2s \int\limits_{\delta A}^{+\infty} \frac{\sin At}{t}t dt</tex>, что, при <tex>A\to+\infty</tex>, стремится к <tex>0</tex>.

Для второго интеграла: <tex>\int\limits_\delta^{+\infty} \frac{\sin At}t dt = \int\limits_\delta^{+\infty} \frac{\sin At}{At} d(At) = \int\limits_{\delta A}^{+\infty} \frac{\sin t}t dt</tex>, что, при <tex>A\to+\infty</tex>, стремится к <tex>0</tex>. Значит, при <tex>A\to\infty</tex>, <tex>\int\limits_\delta^{+\infty} \frac{\sin At}{t} dt \to 0</tex>

В Для первого интеграла: в рядах Фурье была лемма Римана-Лебега, там было не принципиально, что было подставлены <tex>2\pi</tex>-периодические функции. Лемма верна и в общем случае: <tex>f</tex> {{---}} суммируема на оси <tex>\Rightarrow</tex> <tex>\int\limits_{\mathbb{R}} f(t) \sin pt dt \to_{xrightarrow[p\to\infty]{}0</tex>.

Тогда рассмотрим первый из интегралов: <tex>\int\limits_0limits_{\delta}^{+\infty} \frac{f(x+t)+f(x-t)}t \sin At dt</tex> и <tex>\left| \frac{f(x+t)+f(x-t)}{t}\right| \le \frac{|f(x+t)| + |f(x-t)|}{\delta}</tex> и <tex>f</tex> {{---}} суммируема.

Тогда <tex>\frac{|f(x+t)| + |f(x-t)|}{\delta}</tex> {{---}} суммируемая, а значит, и <tex>\left| \frac{f(x+t)+f(x-t)}{t}\right|</tex> {{---}} суммируемая. Возвращаясь к интегралу, по лемме Римана-Лебега, <tex>\int\to_{A\to\infty} 0</tex>.

Принимая это во внимание в оценке отклонения <tex>|I(A) - s| \le \frac2\pi \varepsilon</tex>, получаетсяполучаем, что <tex>s = \lim\limits_{A\to+\infty} I(A)</tex>, или, <tex>s = \frac1\pi\int\limits_0^{+\infty}\left(\int\limits_{\mathbb{R}}f(t)\cos z(x-t) dt\right)dz</tex> в условиях, когда <tex>\int\limits_0^\Delta \frac{|\varphi_x(t)|}{t} dt <+\infty</tex>.}}