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Fourier变换

Fourier Transform

Proof of Fourier Integral Formula

https://yannisparissis.wordpress.com/2011/03/10/dmat0101-notes-3-the-fourier-transform-on-l1/

If g(t) satisfy (I), (II) in $(-\infty, +\infty)$

(I) $\forall [a, b] \subset (-\infty, +\infty)$\
g(t) satisfy Dirichlet conditions for [a, b]:

  1. g(t) is continous $\forall t \in (a, b)$;

    or finite First type of discontinuitis $\in (a, b)$

  2. finite Peak values $\in (a, b)$

    • Cantor定理:f(x) 在[a, b]内定义且连续 => 在(a, b) 内一致连续
    • $||f(2ay+x)-f(x)|| e^{-ay^2} \to 0, \text{as } a\to 0$ 对连续区间内成立
    • 有界变差在连续区间内: 可以表示成两个非负单调增函数之差f(t)=f1(t) - f2(t), \
      而f1, f2均可应用Bonnet公式(微积分学教程第二卷P95)
      $\int_{a}^{b} f_1(x) g(x) d x=f_1(b) \int_{\xi}^{b} g(x) d x$\
      其中$a \leqslant \xi \leqslant b, g(x)$可积

(II) $\int_{-\infty}^{+\infty} g(t) dt < M$


Then $\Longrightarrow$

where, g*(t) && g(t):


Proof

preparation

where have

In special form

考虑

In 1st way

当$\lim_{a \to 0}$ 时

考虑 $||f(2ay+x)-f(x)||$, 因为

满足 Lebesgue’s Dominated Convergence Theorem

In 2nd way

考虑

满足 Lebesgue’s Dominated Convergence Theorem
https://en.wikipedia.org/wiki/Dominated_convergence_theorem

所以有


Sum Up

我们知道

此处 $a\to 0$, 一致收敛 $g(x, a) \to g(x)$\
<=> $\forall \epsilon$, 可以找到 $\delta$\
只要 $0<a<\delta$, 对 $\forall x, |g(x, a) - g(x)|<\epsilon$

一致收敛short proof\
因为 $\int_{-\infty}^{+\infty} |G(\omega)|d\omega < M$, 所以可以找到A\
$\int_{-\infty}^{-A} |G(\omega)|d\omega < \frac{\epsilon}{6}, \int_{A}^{+\infty} |G(\omega)|d\omega < \frac{\epsilon}{6}$\
把$|g(x, a) - g(x)|$分拆

只需合适的选取A, 满足

END一致收敛short proof

因为此处 $a\to 0$, 一致收敛 $g(x, a) \to g(x)$\
所以成立

进而有

而$2\pi f(x)$ 和 $g(x)$都是分段连续函数,\
$|2\pi f(x) - g(x)|$也是分段连续函数

So, 每一段x连续区间都有

定义g(x, a), g(x)

也就是,每一段x连续区间都有

END Proof

Appendix: G(w) 的性质

补充说明:间断点处

必须满足Dirichlet 条件:

$f(x+),f(x-)$存在

此时有
$\frac{f(x+) + f(x-)}{2} = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{+\infty} G(\omega) e^{j\omega x} d\omega$

参见微积分学教程第三卷P353, 354, 358, 359

Proof

一方面

另一方面

计算 $I_{K}(x)$

后一部分是

前一部分,考虑$\frac{f(x+u)-f\left(x^{+}\right)}{\pi u} \equiv G(u)$

将$\int_0^{\infty} G(u)\sin(Ku) du$拆成三部分
$\int_0^{\infty} = \int_0^{\delta} + \int_\delta^{A} + \int_A^{\infty}$

  • 第一部分, 因为f(t)有界变差,对f(t)=f1(t) - f2 (t), \
    而f1, f2均可应用Bonnet公式(微积分学教程第二卷P95)
    $\int_{a}^{b} f_1(x) g(x) d x=f_1(b) \int_{\xi}^{b} g(x) d x$\
    其中$a \leqslant \xi \leqslant b, g(x)$可积\
    此处$a=0, b=\delta, g(x) = \frac{\sin(Ku)}{u}$
    可以有\
    $\int_0^{\delta} =[f(x+\delta)-f\left(x^{+}\right)]\int_{\xi}^{\delta}\frac{\sin(Ku)}{u} du < \epsilon L$
  • 第二部分$\int_\delta^{A}$, 对$G(u)$在$[\delta, A]$绝对可积\
    $\int_\delta^{A}|G(u)|du \leq \int_\delta^{A}|\frac{f(x+u)}{\pi u}|du + \int_\delta^{A}|\frac{f\left(x^{+}\right)}{\pi u}|du
    \leq
    \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{|f(x+u)|}{\pi \delta}du + \int_\delta^{A}|\frac{f\left(x^{+}\right)}{\pi u}|du < M$

    应用Riemann–Lebesgue lemma
    $\lim_{K\to\infty} \int_\delta^{A} G(u) \sin(Ku) du = 0$

  • 第三部分与第二部分之和\
    $\lim_{K\to\infty}\int_\delta^{\infty} = \lim_{A\to \infty}\lim_{K\to\infty}\int_\delta^{A} = 0$

  • 综上,前一部分有\
    $\lim_{K\to\infty} \int_{0}^{\infty} \frac{f(x+u)-f\left(x^{+}\right)}{\pi u} \sin K u d u = 0$

所以,

同理

总之有

Conclusion

END Proof