实分析作业-第三周

第三周

  1. 证明:
    1. e i x ‾ = e − i x \overline{e^{ix}}=e^{-ix} eix=eix
      ∵ e i x = c o s x + i s i n x ∴ e i x ‾ = c o s x − i s i n x 又 e − i x = c o s ( − x ) + i s i n ( − x ) = c o s x − i s i n x ∴ e i x ‾ = e − i x \begin{aligned} &\because e^{ix}=cosx+isinx\\ &\therefore\overline{e^{ix}}=cosx-isinx\\ &又e^{-ix}=cos(-x)+isin(-x)=cosx-isinx\\ &\therefore \overline{e^{ix}}=e^{-ix} \end{aligned} eix=cosx+isinxeix=cosxisinxeix=cos(x)+isin(x)=cosxisinxeix=eix
    2. e i x e i y = e i ( x + y ) e^{ix}e^{iy}=e^{i(x+y)} eixeiy=ei(x+y)
      e i x e i y = ( c o s x + i s i n x ) ( c o s y + i s i n y ) = c o s x c o s y − s i n x s i n y + i ( s i n x c o s y + c o s x s i n y ) = c o s ( x + y ) + i s i n ( x + y ) = e i ( x + y ) \begin{aligned} &e^{ix}e^{iy}=(cosx+isinx)(cosy+isiny)\\&=cosxcosy-sinxsiny+i(sinxcosy+cosxsiny)\\&=cos(x+y)+isin(x+y)\\&=e^{i(x+y)}\\ \end{aligned} eixeiy=(cosx+isinx)(cosy+isiny)=cosxcosysinxsiny+i(sinxcosy+cosxsiny)=cos(x+y)+isin(x+y)=ei(x+y)
    3. e i λ x = e λ i x e^{i\lambda x}=e^{\lambda ix} eiλx=eλix
      e i λ x = c o s ( λ x ) + i s i n ( λ x ) e λ i x = ( c o s x + i s i n x ) λ 先 证 明 λ ∈ Z 时 设 A n : e i n x = e n i x 显 然 A 0 , A 1 为 真 则 A n , A n − 1 为 真 时 , e i ( n + 1 ) x = ( c o s n x c o s x − s i n n x s i n n x ) + i ( s i n n x c o s x + c o s n x s i n x ) e i ( n − 1 ) x = ( c o s n x c o s x + s i n n x s i n n x ) + i ( s i n n x c o s x − c o s n x s i n x ) ∴ e i ( n + 1 ) x + e i ( n − 1 ) x = 2 c o s n x c o s x + 2 i s i n n x c o s x = 2 c o s x ⋅ e i n x ∴ e i ( n + 1 ) x = 2 c o s x ( c o s x + i s i n x ) n − ( c o s x + i s i n x ) n − 1 = ( c o s x + i s i n x ) n − 1 [ 2 c o s 2 x + 2 i c o s x s i n x − 1 ] = ( c o s x + i s i n x ) n − 1 [ 2 c o s 2 x + 2 i c o s x s i n x + ( i s i n x ) 2 ] = ( c o s x + i s i n x ) n − 1 ( c o s x + i s i n x ) 2 = ( c o s x + i s i n x ) n + 1 证 毕 当 λ ∈ R 时 令 λ = n + c , n ∈ Z , 0 < c < 1 则 e i λ x = e i n x e i c x 由 于 e i n x = ( e i x ) n 只 需 证 明 e i c x = ( e i x ) c 即 可 \begin{aligned} &e^{i\lambda x}=cos(\lambda x)+isin(\lambda x)\\ &e^{\lambda ix}=(cosx+isinx)^\lambda\\ 先证明\lambda\in\mathbb Z时\\ &设A_n:e^{in x}=e^{n ix}\\ &显然A_0,A_1为真\\ &则A_n,A_{n-1}为真时,\\ &e^{i(n+1)x}=(cosnxcosx-sinnxsinnx)+i(sinnxcosx+cosnxsinx)\\ &e^{i(n-1)x}=(cosnxcosx+sinnxsinnx)+i(sinnxcosx-cosnxsinx)\\ \therefore&e^{i(n+1)x}+e^{i(n-1)x}\\ &=2cosnxcosx+2isinnxcosx=2cosx\cdot e^{inx}\\ \therefore&e^{i(n+1)x}=2cosx(cosx+isinx)^n-(cosx+isinx)^{n-1}\\ &=(cosx+isinx)^{n-1}[2cos^2x+2icosxsinx-1]\\ &=(cosx+isinx)^{n-1}[2cos^2x+2icosxsinx+(isinx)^2]\\ &=(cosx+isinx)^{n-1}(cosx+isinx)^2\\ &=(cosx+isinx)^{n+1}\\ 证毕\\ 当\lambda\in\mathbb R时\\ &令\lambda=n+c,n\in\mathbb Z,0λZλReiλx=cos(λx)+isin(λx)eλix=(cosx+isinx)λAn:einx=enixA0,A1An,An1ei(n+1)x=(cosnxcosxsinnxsinnx)+i(sinnxcosx+cosnxsinx)ei(n1)x=(cosnxcosx+sinnxsinnx)+i(sinnxcosxcosnxsinx)ei(n+1)x+ei(n1)x=2cosnxcosx+2isinnxcosx=2cosxeinxei(n+1)x=2cosx(cosx+isinx)n(cosx+isinx)n1=(cosx+isinx)n1[2cos2x+2icosxsinx1]=(cosx+isinx)n1[2cos2x+2icosxsinx+(isinx)2]=(cosx+isinx)n1(cosx+isinx)2=(cosx+isinx)n+1λ=n+c,nZ,0<c<1eiλx=einxeicxeinx=(eix)neicx=(eix)c
    4. ∫ a b e i x d x = 1 i ( e i b − e i a ) \int_a^be^{ix}dx=\frac1i(e^{ib}-e^{ia}) abeixdx=i1(eibeia)
      ∫ a b e i x d x = ∫ a b c o s x d x + i ∫ a b s i n x d x = s i n b − s i n a − i ( c o s b − c o s a ) = 1 i ( i s i n b − i s i n a + c o s b − c o s a ) = 1 i ( e i b − e i a ) \begin{aligned} \int_a^be^{ix}dx&=\int_a^bcosxdx+i\int_a^bsinxdx\\ &=sinb-sina-i(cosb-cosa)\\ &=\frac1i(isinb-isina+cosb-cosa)\\ &=\frac1i(e^{ib}-e^{ia}) \end{aligned} abeixdx=abcosxdx+iabsinxdx=sinbsinai(cosbcosa)=i1(isinbisina+cosbcosa)=i1(eibeia)
  2. 已知 l 2 = { ( ⋯   , a − n , ⋯   , a 0 , ⋯   , a n , ⋯   ) , ∀ n ∈ R , a n ∈ C , ∑ − ∞ + ∞ ∣ a n ∣ 2 < + ∞ } l^2=\{(\cdots,a_{-n},\cdots,a_0,\cdots,a_n,\cdots),\forall n\in\mathbb R,a_n\in\mathbb C,\sum\limits_{-\infty}^{+\infty}|a_n|^2<+\infty\} l2={(,an,,a0,,an,),nR,anC,+an2<+}
    证明:
    1. l 2 l^2 l2为给定加法和数乘下的向量空间
      容 易 看 出 给 定 加 法 满 足 交 换 性 和 结 合 性 加 法 零 元 为 0 = ( ⋯   , 0 , ⋯   ) a = ( ⋯   , a − n , ⋯   , a 0 , ⋯   , a n , ⋯   ) 的 加 法 逆 元 为 ( ⋯   , − a − n , ⋯   , − a 0 , ⋯   , − a n , ⋯   ) 对 于 给 定 数 乘 , 容 易 看 出 λ = 1 是 其 乘 法 单 位 元 根 据 给 定 加 法 和 数 乘 , 计 算 ( λ + μ ) a 和 λ a + μ a , 可 以 得 到 给 定 数 乘 满 足 结 合 律 ∴ 此 时 l 2 是 向 量 空 间 \begin{aligned} &容易看出给定加法满足交换性和结合性\\ &加法零元为\mathbf0=(\cdots,0,\cdots)\\ &\mathbf a=(\cdots,a_{-n},\cdots,a_0,\cdots,a_n,\cdots)的加法逆元为(\cdots,-a_{-n},\cdots,-a_0,\cdots,-a_n,\cdots)\\ &对于给定数乘,容易看出\lambda=1是其乘法单位元\\ &根据给定加法和数乘,计算(\lambda+\mu)\mathbf a和\lambda\mathbf a+\mu\mathbf a,可以得到给定数乘满足结合律\\ &\therefore此时l^2是向量空间 \end{aligned} 0=(,0,)a=(,an,,a0,,an,)(,an,,a0,,an,)λ=1(λ+μ)aλa+μal2
    2. 给定的运算构成 l 2 l^2 l2上的内积
      内 积 符 合 下 面 五 条 性 质 : ① : ⟨ v , v ⟩ ≥ 0 ② : ⟨ v , v ⟩ = 0 ⇆ v = 0 ③ : ⟨ u + w , v ⟩ = ⟨ u , v ⟩ + ⟨ w , v ⟩ ④ : ⟨ u , v ⟩ = ⟨ v , u ⟩ ‾ ⑤ : ⟨ λ u , v ⟩ = λ ⟨ u , v ⟩ 逐 条 进 行 证 明 令 v = ( ⋯   , a − n , ⋯   , a 0 , ⋯   , a n , ⋯   ) u = ( ⋯   , b − n , ⋯   , b 0 , ⋯   , b n , ⋯   ) w = ( ⋯   , c − n , ⋯   , c 0 , ⋯   , c n , ⋯   ) ① : 则 ⟨ v , v ⟩ = ∑ − ∞ + ∞ a n a n ‾ 已 知 a n a n ‾ ≥ 0 故 ⟨ v , v ⟩ = ∑ − ∞ + ∞ a n a n ‾ ≥ 0 ② : ⟨ v , v ⟩ = 0 ⇆ a n a n ‾ = 0 , ∀ n ∈ Z ⇆ a n = 0 , ∀ n ∈ Z ⇆ v = 0 ③ : ⟨ u + w , v ⟩ = ∑ − ∞ + ∞ ( b n + c n ) a n ‾ = ∑ − ∞ + ∞ b n a n ‾ + c n a n ‾ = ∑ − ∞ + ∞ b n a n ‾ + ∑ − ∞ + ∞ c n a n ‾ = ⟨ u , v ⟩ + ⟨ w , v ⟩ ④ : 易 得 对 c 1 , c 2 ∈ C 有 c 1 ⋅ c 2 ‾ = c 2 ‾ ⋅ c 1 c 1 ⋅ c 2 ‾ 与 c 1 ‾ ⋅ c 2 共 轭 c 1 + c 2 ‾ = c 1 ‾ + c 2 ‾ 故 ⟨ v , u ⟩ ‾ = ∑ − ∞ + ∞ b n a n ‾ ‾ = ∑ − ∞ + ∞ b n a n ‾ ‾ = ∑ − ∞ + ∞ b n ‾ a n = ∑ − ∞ + ∞ a n b n ‾ = ⟨ u , v ⟩ ⑤ : ⟨ λ u , v ⟩ = ∑ − ∞ + ∞ λ b n a n ‾ = λ ∑ − ∞ + ∞ b n a n ‾ = λ ⟨ u , v ⟩ 因 此 给 定 运 算 ⟨ v , u ⟩ = ∑ − ∞ + ∞ a n b n ‾ 可 以 构 成 l 2 上 的 内 积 \begin{aligned} 内积&符合下面五条性质:\\ &①:\langle\mathbf v,\mathbf v\rangle\ge0\\ &②:\langle\mathbf v,\mathbf v\rangle=0\leftrightarrows\mathbf v=\mathbf0\\ &③:\langle\mathbf u+\mathbf w,\mathbf v\rangle=\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle+\langle\mathbf w,\mathbf v\rangle\\ &④:\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle=\overline{\langle\mathbf v,\mathbf u\rangle}\\ &⑤:\langle\lambda\mathbf u,\mathbf v\rangle=\lambda\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle\\ &逐条进行证明\\ &令\mathbf v=(\cdots,a_{-n},\cdots,a_0,\cdots,a_n,\cdots)\\ &\mathbf u=(\cdots,b_{-n},\cdots,b_0,\cdots,b_n,\cdots)\\ &\mathbf w=(\cdots,c_{-n},\cdots,c_0,\cdots,c_n,\cdots)\\ ①:\\ &则\langle\mathbf v,\mathbf v\rangle=\sum_{-\infty}^{+\infty}a_n\overline{a_n}\\ &已知a_n\overline{a_n}\ge0\\ &故\langle\mathbf v,\mathbf v\rangle=\sum_{-\infty}^{+\infty}a_n\overline{a_n}\ge0\\ ② :\\ &\langle\mathbf v,\mathbf v\rangle=0\\ \leftrightarrows&a_n\overline{a_n}=0,\forall n\in\mathbb Z\\ \leftrightarrows&a_n=0,\forall n\in\mathbb Z\\ \leftrightarrows&\mathbf v=\mathbf0\\ ③:\\ &\langle\mathbf u+\mathbf w,\mathbf v\rangle\\ =&\sum_{-\infty}^{+\infty}(b_n+c_n)\overline{a_n}\\ =&\sum_{-\infty}^{+\infty}b_n\overline{a_n}+c_n\overline{a_n}\\ =&\sum_{-\infty}^{+\infty}b_n\overline{a_n}+\sum_{-\infty}^{+\infty}c_n\overline{a_n}\\ =&\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle+\langle\mathbf w,\mathbf v\rangle\\ ④:\\ &易得对c_1,c_2\in\mathbb C有\\ &c_1\cdot\overline{c_2}=\overline{c_2}\cdot c_1\\ &c_1\cdot\overline{c_2}与\overline{c_1}\cdot c_2共轭\\ &\overline{c_1+c_2}=\overline{c_1}+\overline{c_2}\\ 故&\overline{\langle\mathbf v,\mathbf u\rangle}=\overline{\sum_{-\infty}^{+\infty}b_n\overline{a_n}}=\sum_{-\infty}^{+\infty}\overline{b_n\overline{a_n}}=\sum_{-\infty}^{+\infty}\overline{b_n}a_n=\sum_{-\infty}^{+\infty}a_n\overline{b_n}=\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle\\ ⑤:\\ &\langle\lambda\mathbf u,\mathbf v\rangle\\ =&\sum_{-\infty}^{+\infty}\lambda b_n\overline{a_n}\\ =&\lambda\sum_{-\infty}^{+\infty} b_n\overline{a_n}\\ =&\lambda\langle\mathbf u,\mathbf v\rangle\\ &因此给定运算\langle\mathbf v,\mathbf u\rangle=\sum_{-\infty}^{+\infty}a_n\overline{b_n}可以构成l^2上的内积\\ \end{aligned} =======v,v0v,v=0v=0u+w,v=u,v+w,vu,v=v,uλu,v=λu,vv=(,an,,a0,,an,)u=(,bn,,b0,,bn,)w=(,cn,,c0,,cn,)v,v=+anananan0v,v=+anan0v,v=0anan=0,nZan=0,nZv=0u+w,v+(bn+cn)an+bnan+cnan+bnan++cnanu,v+w,vc1,c2Cc1c2=c2c1c1c2c1c2c1+c2=c1+c2v,u=+bnan=+bnan=+bnan=+anbn=u,vλu,v+λbnanλ+bnanλu,vv,u=+anbnl2
    3. 给定运算是 l 2 l^2 l2上的距离
      距 离 符 合 下 列 性 质 : ① : d ( u , v ) ≥ 0 , 当 且 仅 当 u = v 时 等 号 成 立 ② : d ( λ u , λ v ) = λ d ( u , v ) , λ > 0 ③ : d ( u , v ) ≤ d ( u , w ) + d ( w , v ) 下 面 逐 条 证 明 : ① : ∵ ∣ a n − b n ∣ 2 ≥ 0 , ∀ n ∈ Z , 当 且 仅 当 a n = b n 时 等 号 成 立 ∴ d ( u , v ) = 0 ⇆ ∑ − ∞ + ∞ ∣ a n − b n ∣ 2 = 0 ⇆ ∑ − ∞ + ∞ ∣ a n − b n ∣ 2 = 0 ⇆ ∣ a n − b n ∣ 2 = 0 , ∀ n ∈ Z ⇆ a n = b n , ∀ n ∈ Z ⇆ u = v ② : 首 先 ∣ λ a n − λ b n ∣ 2 = ∣ λ r a [ c o s θ a + i s i n θ a ] − λ r b [ c o s θ b + i s i n θ b ] ∣ 2 = [ λ r a c o s θ a − λ r b c o s θ b ] 2 + [ λ r a s i n θ a − λ r b s i n θ b ] 2 = λ 2 ∣ a n − b n ∣ 2 ∴ d ( λ u , λ v ) = ∑ − ∞ + ∞ ∣ λ a n − λ b n ∣ 2 = ∑ − ∞ + ∞ λ 2 ∣ a n − b n ∣ 2 = λ ∑ − ∞ + ∞ ∣ a n − b n ∣ 2 = λ d ( u , v ) \begin{aligned} 距离&符合下列性质:\\ &①:d(\mathbf u,\mathbf v)\ge0,当且仅当\mathbf u=\mathbf v时等号成立\\ &②:d(\lambda\mathbf u,\lambda\mathbf v)=\lambda d(\mathbf u,\mathbf v),\lambda >0\\ &③:d(\mathbf u,\mathbf v)\le d(\mathbf u,\mathbf w)+d(\mathbf w,\mathbf v)\\ 下面&逐条证明:\\ ①:\\ &\because|a_n-b_n|^2\ge0,\forall n\in\mathbb Z,当且仅当a_n=b_n时等号成立\\ &\therefore d(\mathbf u,\mathbf v)=0\\\leftrightarrows &\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_n-b_n|^2}=0\\\leftrightarrows &\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_n-b_n|^2=0\\\leftrightarrows &|a_n-b_n|^2=0,\forall n\in\mathbb Z\\\leftrightarrows &a_n=b_n,\forall n\in\mathbb Z\\\leftrightarrows &\mathbf u=\mathbf v\\ ②:\\ 首先&|\lambda a_n-\lambda b_n|^2\\ =&|\lambda r_a[cos\theta_a+isin\theta_a]-\lambda r_b[cos\theta_b+isin\theta_b]|^2\\ =&[\lambda r_acos\theta_a-\lambda r_bcos\theta_b]^2+[\lambda r_asin\theta_a-\lambda r_bsin\theta_b]^2\\ =&\lambda ^2|a_n-b_n|^2\\ &\therefore d(\lambda\mathbf u,\lambda\mathbf v)\\ =&\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|\lambda a_n-\lambda b_n|^2}\\ =&\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}\lambda ^2|a_n-b_n|^2}\\ =&\lambda \sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_n-b_n|^2}\\ =&\lambda d(\mathbf u,\mathbf v) \end{aligned} =======d(u,v)0u=vd(λu,λv)=λd(u,v),λ>0d(u,v)d(u,w)+d(w,v)anbn20,nZan=bnd(u,v)=0+anbn2 =0+anbn2=0anbn2=0,nZan=bn,nZu=vλanλbn2λra[cosθa+isinθa]λrb[cosθb+isinθb]2[λracosθaλrbcosθb]2+[λrasinθaλrbsinθb]2λ2anbn2d(λu,λv)+λanλbn2 +λ2anbn2 λ+anbn2 λd(u,v)
    4. 借助复数空间的完备性,证明 l 2 l^2 l2在上述定义下是完备的
      反 证 法 : 假 设 存 在 柯 西 列 { a i } i = 0 + ∞ 收 敛 于 x ∉ l 2 则 至 少 有 ∑ − ∞ + ∞ ∣ x n ∣ 2 = + ∞ ⋯ ⋯ ( ∗ ) 而 对 ∀ ϵ > 0 , ∃ M > 0 , s.t.   for   all   s > M d ( a s , x ) < ϵ 即 ∑ − ∞ + ∞ ∣ a s n − x n ∣ 2 < ϵ 不 妨 设 k n ∈ R , 使 得 ∑ − ∞ + ∞ k n 2 = 1 , 可 知 k = ( ⋯   , k n , ⋯   ) ∈ l 2 则 ∑ − ∞ + ∞ ∣ a s n − x n ∣ 2 ∑ − ∞ + ∞ k n 2 < ϵ ⇒ ∑ − ∞ + ∞ ∣ a s n − x n ∣ k n < ϵ ( 柯 西 − 施 瓦 茨 不 等 式 ) ⇒ ∑ − ∞ + ∞ ∣ a s n − x n ∣ < ϵ ( k n < 1 是 平 凡 的 ) ⇒ ∑ − ∞ + ∞ ∣ x n ∣ − ∑ − ∞ + ∞ ∣ a s n ∣ < ϵ ( 三 角 不 等 式 ) ⇒ ∑ − ∞ + ∞ ∣ x n ∣ < ϵ 2 + ∑ − ∞ + ∞ ∣ a s n ∣ < + ∞ ⇒ ∑ − ∞ + ∞ ∣ x n ∣ 2 < ∑ − ∞ + ∞ ∣ x n ∣ < + ∞ 与 ( ∗ ) 矛 盾 , 故 x ∈ l 2 故 l 2 在 给 定 距 离 定 义 下 是 完 备 的 \begin{aligned} 反证法:\\ &假设存在柯西列\{\mathbf a_i\}_{i=0}^{+\infty}收敛于\mathbf x\notin l^2\\ &则至少有\sum\limits_{-\infty}^{+\infty}|x_n|^2=+\infty\cdots\cdots(*)\\ 而&对\forall\epsilon>0,\exist M>0,\textbf{s.t. for all }s>M\\ &d(a_s,x)<\epsilon\\ &即\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_{sn}-x_n|^2}<\epsilon\\ &不妨设k_n\in\mathbb R,使得\sum_{-\infty}^{+\infty}k_n^2=1,可知\mathbf k=(\cdots,k_n,\cdots)\in l^2\\ 则&\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_{sn}-x_n|^2}\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}k_n^2}<\epsilon\\ \Rightarrow&\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_{sn}-x_n|k_n}<\epsilon(柯西-施瓦茨不等式)\\ \Rightarrow&\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_{sn}-x_n|}<\epsilon(k_n<1是平凡的)\\ \Rightarrow&\sqrt{\sum_{-\infty}^{+\infty}|x_n|-\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_{sn}|}<\epsilon(三角不等式)\\ \Rightarrow&\sum_{-\infty}^{+\infty}|x_n|<\epsilon^2+\sum_{-\infty}^{+\infty}|a_{sn}|<+\infty\\ \Rightarrow&\sum_{-\infty}^{+\infty}|x_n|^2<\sum_{-\infty}^{+\infty}|x_n|<+\infty\\ &与(*)矛盾,故\mathbf x\in l^2\\ &故l^2在给定距离定义下是完备的 \end{aligned} 西{ai}i=0+x/l2+xn2=+()ϵ>0,M>0,s.t. for all s>Md(as,x)<ϵ+asnxn2 <ϵknR使+kn2=1k=(,kn,)l2+asnxn2 +kn2 <ϵ+asnxnkn <ϵ西+asnxn <ϵkn<1+xn+asn <ϵ+xn<ϵ2++asn<++xn2<+xn<+()xl2l2
  3. 定义 d ( f , g ) = 1 2 π ∫ 0 2 π ∣ f ( x ) − g ( x ) ∣ 2 d x d(f,g)=\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}|f(x)-g(x)|^2dx d(f,g)=2π102πf(x)g(x)2dx,证明此定义下有函数列 { f n ( x ) } n = 1 + ∞ \{f_n(x)\}_{n=1}^{+\infty} {fn(x)}n=1+
    f n ( x ) = { 0 0 ≤ x ≤ 1 n − l n x 1 n < x ≤ 2 π f_n(x)=\left\{\begin{matrix}0&0\le x\le\frac1n\\ -lnx&\frac1nfn(x)={0lnx0xn1n1<x2π是柯西列,但不可积。
    证明:
    给 定 一 个 任 意 小 的 δ > 0 , 我 们 取 一 个 足 够 大 的 整 数 N , 使 得 当 m > n > N 时 d ( f m , f n ) = 1 2 π ∫ 0 2 π ∣ f m ( x ) − f n ( x ) ∣ 2 d x = 1 2 π [ ∫ 0 1 m ∣ 0 − 0 ∣ 2 d x + ∫ 1 m 1 n ∣ − l n x − 0 ∣ d x + ∫ 1 n 2 π ∣ − l n x + l n x ∣ d x ] = 1 2 π ∫ 1 m 1 n − l n x d x = 1 2 π [ x ( l n x − 1 ) ] 1 m 1 n = l n m + 1 m + l n n + 1 n , ( 不 妨 m = n + 1 , n = ⌈ e δ 2 / 2 − 1 ⌉ ) ≤ 2 l n n + 1 n ≤ 2 δ 2 / 2 − 1 + 1 δ = δ 故 { f n } 在 该 距 离 定 义 下 是 柯 西 列 , lim ⁡ n → + ∞ f n ( x ) = { 0 x = 0 − l n x 0 < x ≤ 2 π 易 知 ∫ 0 2 π − l n x d x 不 可 积 \begin{aligned} 给定&一个任意小的\delta>0,我们取一个足够大的整数N,使得当m>n>N时\\ &d(f_m,f_n)\\ =&\frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}|f_m(x)-f_n(x)|^2dx\\ =&\frac1{2\pi}[\int_0^{\frac1m}|0-0|^2dx+\int_{\frac1m}^{\frac1n}|-lnx-0|dx+\int_\frac1n^{2\pi}|-lnx+lnx|dx]\\ =&\frac1{2\pi}\int_{\frac1m}^{\frac1n}-lnxdx\\ =&\frac1{2\pi}[x(lnx-1)]^{\frac1n}_{\frac1m}\\ =&\frac{lnm+1}m+\frac{lnn+1}n,(不妨m=n+1,n=\left \lceil e^{\delta^2/2-1}\right \rceil)\\ \le&2\frac{lnn+1}n\le 2\frac{\delta^2/2-1+1}{\delta}=\delta\\ &故\{f_n\}在该距离定义下是柯西列,\lim_{n\to+\infty}f_n(x)=\left\{\begin{matrix}0&x=0\\ -lnx&0=====δ>0N使m>n>Nd(fm,fn)2π102πfm(x)fn(x)2dx2π1[0m1002dx+m1n1lnx0dx+n12πlnx+lnxdx]2π1m1n1lnxdx2π1[x(lnx1)]m1n1mlnm+1+nlnn+1m=n+1,n=eδ2/212nlnn+12δδ2/21+1=δ{fn}西n+limfn(x)={0lnxx=00<x2π02πlnxdx
  4. 证明命题2.1,特别地,证明 f ^ ( n ) = 0 , ∀ n ∈ Z ⇒ ∫ − π π ( ϵ + c o s x ) n f ( x ) d x = 0 \hat{f}(n)=0,\forall n\in\mathbb Z\Rightarrow\int_{-\pi}^{\pi}(\epsilon+cosx)^nf(x)dx=0 f^(n)=0,nZππ(ϵ+cosx)nf(x)dx=0
    证明
    反 证 法 : 假 设 f ( θ 0 ) > 0 不 妨 令 f 是 [ − π , π ] 上 的 周 期 函 数 , 记 ∣ f ( x ) ∣ ≤ B 设 p k ( θ ) = [ ϵ + c o s ( θ − θ 0 ) ] k = ∑ n = 0 k a k n c o s n ( θ − θ 0 ) = ∑ n = 0 k [ b k n c o s n ( θ − θ 0 ) + c k n s i n n ( θ − θ 0 ) ] 其 中 ϵ 满 足 : 1. p 1 ( θ ) < 1 − ϵ 2 , ∀ θ 满 足 f ( θ ) > f ( θ 0 ) 2 , 取 δ 满 足 ∣ θ ∣ < δ < π 2 + θ 0 2. p 1 ( θ ) ≥ 1 + ϵ 2 , ∀ θ 满 足 ∣ θ ∣ < η < δ , η 是 人 为 取 定 的 \begin{aligned} &反证法:假设f(\theta_0)>0\\ &不妨令f是[-\pi,\pi]上的周期函数,记|f(x)|\le B\\ &设p_k(\theta)=[\epsilon+cos(\theta-\theta_0)]^k=\sum_{n=0}^ka_{kn}cos^n(\theta-\theta_0)=\sum_{n=0}^k[b_{kn}cosn(\theta-\theta_0)+c_{kn}sinn(\theta-\theta_0)]\\ &其中\epsilon满足:\\ 1.&p_1(\theta)<1-\frac\epsilon2,\forall\theta满足f(\theta)>\frac{f(\theta_0)}2,取\delta满足|\theta|<\delta<\frac\pi2+\theta_0\\ 2.&p_1(\theta)\ge1+\frac\epsilon2,\forall\theta满足|\theta|<\eta<\delta,\eta是人为取定的\\\\ \end{aligned} 1.2.f(θ0)>0f[π,π]f(x)Bpk(θ)=[ϵ+cos(θθ0)]k=n=0kakncosn(θθ0)=n=0k[bkncosn(θθ0)+cknsinn(θθ0)]ϵ:p1(θ)<12ϵ,θf(θ)>2f(θ0)δθ<δ<2π+θ0p1(θ)1+2ϵ,θθ<η<δη
    (粗糙地标注了 θ 0 = 0 \theta_0=0 θ0=0 η , δ \eta,\delta η,δ的可能取值)
    实分析作业-第三周_第1张图片

∵ f ^ ( n ) = 0 , ∀ n ∈ Z ∴ ∫ − π π f ( x ) e i n x d x = 0 ∴ ∫ − π π f ( x ) c o s x d x + i ∫ − π π f ( x ) s i n x d x = 0 ∴ ∫ − π π f ( x ) c o s n x d x = ∫ − π π f ( x ) s i n n x d x = 0 , 即 f ( x ) 与 三 角 多 项 式 的 积 分 为 0 ∴ ∫ − π π f ( θ ) p k ( θ ) d θ = 0 ⋯ ⋯ ( ∗ ) 又 有 ∣ ∫ − π π f ( θ ) p k ( θ ) d θ − ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ + ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ − 0 ∣ ≥ ∣ ∫ − π π f ( θ ) p k ( θ ) d θ − ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ − ∣ ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ = ∣ ∫ ∣ θ ∣ < δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ − ∣ ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ 而 ∣ ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ ≤ ∣ ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ B p k ( θ ) d θ ∣ ≤ ∣ ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ B [ 1 − ϵ 2 ] k d θ ∣ ≤ ∣ ∫ − π π B [ 1 − ϵ 2 ] k d θ ∣ = 2 π B ( 1 − ϵ 2 ) k 同 时 ∣ ∫ ∣ θ ∣ < δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ = ∣ ∫ η ≤ ∣ θ ∣ < δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ + ∫ ∣ θ ∣ < η f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ ≤ ∣ ∫ η ≤ ∣ θ ∣ < δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ + ∣ ∫ ∣ θ ∣ < η f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ 且 ∣ ∫ η ≤ ∣ θ ∣ < δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ ≥ 0 ∣ ∫ ∣ θ ∣ < η f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ ≥ ∣ ∫ ∣ θ ∣ < η f ( θ 0 ) 2 p k ( θ ) d θ ∣ ≥ ∣ ∫ ∣ θ ∣ < η f ( θ 0 ) 2 [ 1 + ϵ 2 ] k d θ ∣ = η f ( θ 0 ) ( 1 + ϵ 2 ) k 故 ∣ ∫ − π π f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ ≥ ∣ ∫ ∣ θ ∣ < η f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ − ∣ ∫ ∣ θ ∣ ≥ δ f ( θ ) p k ( θ ) d θ ∣ ≥ η f ( θ 0 ) ( 1 + ϵ 2 ) k − 2 π B ( 1 − ϵ 2 ) k ≥ η f ( θ 0 ) ( 1 + ϵ 2 ) k = + ∞ , ( k → + ∞ ) 与 结 论 ( ∗ ) 矛 盾 f ( θ 0 ) < 0 时 同 理 故 f ( θ 0 ) = 0 \begin{aligned} \because&\hat{f}(n)=0,\forall n\in\mathbb Z\\ \therefore&\int_{-\pi}^\pi f(x)e^{inx}dx=0\\ \therefore&\int_{-\pi}^\pi f(x)cosxdx+i\int_{-\pi}^\pi f(x)sinxdx=0\\ \therefore&\int_{-\pi}^\pi f(x)cosnxdx=\int_{-\pi}^\pi f(x)sinnxdx=0,即f(x)与三角多项式的积分为0\\ \therefore&\int_{-\pi}^{\pi}f(\theta)p_k(\theta)d\theta=0\cdots\cdots(*)\\ &又有|\int_{-\pi}^{\pi}f(\theta)p_k(\theta)d\theta-\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta+\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta-0|\\ &\ge|\int_{-\pi}^{\pi}f(\theta)p_k(\theta)d\theta-\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|-|\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ &=|\int_{|\theta|<\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|-|\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ &而|\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ &\le|\int_{|\theta|\ge\delta}Bp_k(\theta)d\theta|\\ &\le|\int_{|\theta|\ge\delta}B[1-\frac\epsilon2]^kd\theta|\\ &\le|\int_{-\pi}^\pi B[1-\frac\epsilon2]^kd\theta|=2\pi B(1-\frac\epsilon2)^k\\ 同时&|\int_{|\theta|<\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ =&|\int_{\eta\le|\theta|<\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta+\int_{|\theta|<\eta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ \le&|\int_{\eta\le|\theta|<\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|+|\int_{|\theta|<\eta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ 且&|\int_{\eta\le|\theta|<\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\ge0\\ &|\int_{|\theta|<\eta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ \ge&|\int_{|\theta|<\eta}\frac{f(\theta_0)}2p_k(\theta)d\theta|\\ \ge&|\int_{|\theta|<\eta}\frac{f(\theta_0)}2[1+\frac\epsilon2]^kd\theta|\\ =&\eta f(\theta_0)(1+\frac\epsilon2)^k\\ 故&|\int_{-\pi}^{\pi}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ \ge&|\int_{|\theta|<\eta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|-|\int_{|\theta|\ge\delta}f(\theta)p_k(\theta)d\theta|\\ \ge&\eta f(\theta_0)(1+\frac\epsilon2)^k-2\pi B(1-\frac\epsilon2)^k\\ \ge&\eta f(\theta_0)(1+\frac\epsilon2)^k=+\infty,(k\to+\infty)\\ &与结论(*)矛盾\\ &f(\theta_0)<0时同理\\ &故f(\theta_0)=0\\ \end{aligned} ==f^(n)=0,nZππf(x)einxdx=0ππf(x)cosxdx+iππf(x)sinxdx=0ππf(x)cosnxdx=ππf(x)sinnxdx=0f(x)0ππf(θ)pk(θ)dθ=0()ππf(θ)pk(θ)dθθδf(θ)pk(θ)dθ+θδf(θ)pk(θ)dθ0ππf(θ)pk(θ)dθθδf(θ)pk(θ)dθθδf(θ)pk(θ)dθ=θ<δf(θ)pk(θ)dθθδf(θ)pk(θ)dθθδf(θ)pk(θ)dθθδBpk(θ)dθθδB[12ϵ]kdθππB[12ϵ]kdθ=2πB(12ϵ)kθ<δf(θ)pk(θ)dθηθ<δf(θ)pk(θ)dθ+θ<ηf(θ)pk(θ)dθηθ<δf(θ)pk(θ)dθ+θ<ηf(θ)pk(θ)dθηθ<δf(θ)pk(θ)dθ0θ<ηf(θ)pk(θ)dθθ<η2f(θ0)pk(θ)dθθ<η2f(θ0)[1+2ϵ]kdθηf(θ0)(1+2ϵ)kππf(θ)pk(θ)dθθ<ηf(θ)pk(θ)dθθδf(θ)pk(θ)dθηf(θ0)(1+2ϵ)k2πB(12ϵ)kηf(θ0)(1+2ϵ)k=+,(k+)()f(θ0)<0f(θ0)=0

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