傅立葉與調和分析

費耶爾核

如果傅立葉級數的部分和抖動、過衝,一個自然的補救是對它們取平均——取前 N 個部分和的滑動平均,而非生硬的第 N 個。產生這種平均和的核就是費耶爾核,而取平均之所以奏效,正是因為這個核不同於狄利克雷核,是非負的。

具體而言,F_N(t) = (1/(N+1)) 從 k = 0 到 N 求和 D_k(t) = (1/(N+1)) (sin((N+1) t/2) / sin(t/2))^2。因為它是平方,故 F_N(t) >= 0 處處成立;它(在 1/(2*pi) 因子後)積分為 1;並且隨 N 增大其質量集中於 t = 0 附近。這三條性質使 F_N 成為一個逼近恆等。

回報便是費耶爾定理:對任意連續的 2*pi 週期函數 f,其切薩羅平均(f 與 F_N 的卷積)一致收斂到 f。於是即使連續函數的普通傅立葉級數在某處發散,其平均和也總能恢復該函數。這就是可和性——一種更弱、更溫和的收斂,而麻煩的狄利克雷核無法給出它。

費耶爾定理給出魏爾斯特拉斯逼近定理的快捷證明:三角多項式(即切薩羅平均)一致逼近任意連續週期函數。