Эта статья находится в разработке!
В этом параграфе установим ряд (теорем?), гарантирующих, что [math]\lim\limits_{n\to\infty} \int\limits_0^\pi \varphi_x(t) D_n(t) dt = 0[/math], что равносильно [math]s_n(f, x) \to s[/math].
Теорема Дини
| Теорема (Дини): |
[math]f\in L_1[/math], [math]s \in \mathbb{R}[/math], [math]\int\limits_0^\pi \frac{\varphi_x(t)}{t} dt[/math] — конечен. Тогда [math]s = \lim\limits_{n\to\infty} s_n(f, x)[/math] |
| Доказательство: |
| [math]\triangleright[/math] |
|
[math]s_n(f, x) - s = \int\limits_0^\pi \varphi_x(t) \frac1{2\pi} \frac{\sin(n + 1/2)t}{\sin t/2} dt[/math]
[math]= \frac1{2\pi} \int\limits_0^\pi \varphi_x(t) \cos nt dt + \frac1{2\pi}\int\limits_0^\pi \varphi_x(t) \frac{\cos t/2}{\sin t/2} \sin nt dt[/math]
По лемме Римана-Лебега, так как [math]\varphi_x(t)[/math] — суммируемая, первое слагаемое при [math]n\to\infty[/math]
стремится к 0.
Так как, по условию, [math]\int\limits_0^\pi \frac{|\varphi_x(t)|}{t} dt \lt +\infty[/math],
[math]\forall \varepsilon \gt 0 \exists \delta \gt 0 : \int\limits_0^\delta \frac{|\varphi_x(t)|}{t} dt \lt \varepsilon[/math]
Тогда [math]\left|\int\limits_0^\pi \varphi_x(t) \frac{\cos t/2}{\sin t/2} \sin nt dt \right|[/math]
[math]\le \int\limits_0^{\delta} |\varphi_x(t)| \frac{1}{\sin t/2 [\ge t/\pi]} dt + \left| \int\limits_\delta^\pi \varphi_x(t) \frac{\cos t/2}{\sin t/2} \sin nt dt \right|[/math]
[math]\int\limits_0^\delta \le \pi \int\limits_0^\delta \frac{|\varphi_x(t)|}{t} dt[/math]
[math]\le \pi\varepsilon [/math] по выбору [math]\delta[/math] и по условиям теоремы.
[math]\int\limits_\delta^\pi \xrightarrow[n\to\infty]{} 0 [/math] по лемме Римана-Лебега, так как [math]\varphi_x(t)[/math] — суммируемая, а [math]\frac{\cos t/2}{\sin t/2}[/math] — ограниченная и суммируемая. |
| [math]\triangleleft[/math] |
Выведем некоторые следствия
Следствие о четырех пределах
| Утверждение (следствие 1 (о четырёх пределах)): |
Пусть в точке [math]x[/math] существует [math]f(x \pm 0)[/math] (левый и правый пределы) и [math]\exists\alpha=\lim\limits_{t\to +0} \frac{f(x+t) - f(x+0)}{t}[/math], [math]\exists\beta=\lim\limits_{t\to+0} \frac{f(x-t)-f(x-0)}{t}[/math]. Тогда в этой точке ряд Фурье сходится, его сумма равна [math]\frac{f(x+0)+f(x-0)}2[/math] |
| [math]\triangleright[/math] |
|
Примечание: Очевидно, что все четыре предела будут, если в точке [math]x[/math] у [math]f[/math] есть производная.
Доказательство сводится к проверке условий Дини для [math]s = \frac{f(x+0)-f(x-0)}{2}[/math]
[math]\frac{|\varphi_x(t)|}t \le \frac{|f(x + t) - f(x + 0)|}{t} + \frac{|f(x - t) - f(x - 0|}{t}[/math]
Первое слагаемое стремится на бесконечности к [math]\alpha[/math], второе — к [math]\beta[/math].
Значит, [math]\frac{|\varphi_x(t)|}t[/math] ограничена справа от нуля, а значит, суммируемая. |
| [math]\triangleleft[/math] |
Следствие 2
| Утверждение: |
Пусть [math]x[/math] — регулярная точка функции и [math]s_n(f, x) \to s[/math].
Тогда [math]s = \frac{f(x+0)-f(x-0)}2[/math] |
| [math]\triangleright[/math] |
|
[math]x[/math]— регулярная точка [math]\Rightarrow[/math] по следствию теоремы Фейера,
[math]\sigma_n(f, x) \to \frac{f(x+0)+f(x-0)}{2}[/math]
Но суммы Фейера — способ средних арифметических для сумм ряда Фурье.
Способ средних арифметических регулярен: то есть, если [math]s_n(f, x) \to s[/math], то и [math]\sigma_n(f, x) \to s[/math].
Тогда, по единственности предела, [math]s=\frac{f(x+0)-f(x-0)}{2}[/math] |
| [math]\triangleleft[/math] |
Следствие 3
| Утверждение: |
[math]f, g \in C[/math], [math]a_n(f)=a_n(g)[/math], [math]b_n(f) = b_n(g)[/math], тогда [math]f=g[/math] |
| [math]\triangleright[/math] |
|
Действительно, из совпадания коэффициентов Фурье вытекает совпадение сумм Фейера, но в силу принадлежности [math]C[/math], [math]\sigma_n(f) \to f[/math], [math]\sigma_n(g) \to g[/math]. Тогда, совпоставляя с равенством сумм, по единственности предела, f=g |
| [math]\triangleleft[/math] |
