Reelle Fourierreihe - Konvergenzbegriffe bei Funktionenfolgen Es sind drei Konvergenzbegriffe wichtig: punktweise Konvergenz, gleichmäßige Konvergenz und Konvergenz im quadratischen Mittel, wobei man bei der ersten noch zwischen Konvergenz in einem bestimmten Punkt und punktweiser Konvergenz schlechthin unterscheiden kann. Denken wir uns ein festes reelles τ > 0 vorgegeben und betrachten wir alle 2 -periodischen Funktion von ℝ nach ℝ. Sei f eine solche Funktion und 1, 2, 3 … eine Folge solcher Funktionen. Zur punktweisen Konvergenz. Punktweise Konvergenz: Sei t ∈ beliebig, aber fest. Wir sagen, N konvergiert im Punkt für → ∞ gegen f, falls ( t) konvergiert (im üblichen Sinne für Zahlenfolgen - eine solche ist ja 1 t), …). Konvergiert in allen Punkten f, so sagen wir kurz, sei punktweise konvergent (schlechthin) gegen f. Mit Konvergenz ist hier und auch in Zukunft Konvergenz für gemeint; diese Sprachvereinfachung ist möglich, da wir den Folgenindex immer mit bezeichnen und stets den Grenzprozess betrachten.
Wäre 〈 f, g 〉 ein echtes (positiv definites) Skalarprodukt, so würde die Eigenschaft (c) wieder für alle Vektoren gelten. Dies ist aber nicht der Fall, und deswegen erhalten wir nur eine Seminorm. Die Vektoren mit der 2-Seminorm 0 bilden einen Unterraum W von V. Wir können sie miteinander identifizieren und im Quotientenraum V/W arbeiten. Dadurch würde unser Skalarprodukt echt werden. Für unsere Absichten erscheint dieser technische Schritt aber verzichtbar. Die 2-Seminorm induziert den folgenden Konvergenzbegriff: Definition ( Konvergenz im quadratischen Mittel) Seien (f n) n ∈ ℕ eine Folge in V und f ∈ V. Dann konvergiert (f n) n ∈ ℕ im quadratischen Mittel gegen f, in Zeichen lim n f n = f (in 2-Seminorm), falls lim n ∥f − f n ∥ 2 = 0. Wir formulieren diesen Konvergenzbegriff nochmal explizit mit Hilfe von Integralen. Da lim n x n = 0 für reelle x n ≥ 0 genau dann gilt, wenn (x n) n ∈ ℕ eine Nullfolge ist, können wir die in der Seminorm verwendete Wurzel weglassen. Gleiches gilt für den Normierungsfaktor 1/(2π) der Definition des Skalarprodukts.
Damit erhalten wir: Satz (Formulierungen der Konvergenz im quadratischen Mittel) Seien (f n) n ∈ ℕ eine Folge in V und f ∈ V. Dann sind die folgenden Aussagen äquivalent: (a) lim n f n = f (in 2-Seminorm). (b) lim n ∫ 2π 0 (f n (x) − f (x)) (f n (x) − f (x)) dx = 0. (c) lim n ∫ 2π 0 | f n (x) − f (x) | 2 dx = 0. In der dritten Fassung wird die Bezeichnung als "Konvergenz im quadratischen Mittel" besonders deutlich. Wir mitteln die Quadrate der punktweisen Abstände zwischen f n und f und fordern, dass dieses Mittel gegen 0 konvergiert. Auf das Quadrieren im Integranden können wir hier nicht verzichten, wir erhielten sonst einen anderen Konvergenzbegriff. Gilt lim n f n = f in 2-Seminorm, und ist g an höchstens endlich vielen Stellen verschieden von f, so gilt auch lim n f n = g. Die Eindeutigkeit des Limes gilt aber in der oben angesprochenen Faktorisierung V/W. Wir wollen nun den neuen Konvergenzbegriff einordnen. Einfach zu sehen ist, dass die Konvergenz in der Supremumsnorm die Konvergenz in der 2-Seminorm nach sich zieht: Satz (Einordnung der quadratischen Konvergenz) Eine gleichmäßig gegen ein f ∈ V konvergente Folge (f n) n ∈ ℕ in V konvergiert im quadratischen Mittel gegen f: lim n ∥f − f n ∥ sup = 0 impliziert lim n ∥f − f n ∥ 2 = 0.
Für die Definitionen der punktweisen und der gleichmäßigen Konvergenz ist die Periodizität der Funktionen f, unerheblich. Die Definitionen können wörtlich für nichtperiodische Funktionen übernommen werden. Im Prinzip gilt dasselbe für die Konvergenz im quadratischen Mittel, nur ist bei nicht -periodischen Funktionen die Wahl des Integrationsgebietes von etwas willkürlich. Die Willkürlichkeit verschwindet, wenn man zu Funktionen übergeht, die nur auf diesem Intervall definiert sind (solche Funktionen sind eng mit den -periodischen Funktionen verwandt, wie man sich leicht überlegt). Der gleichmäßigen Konvergenz kommt insofern eine besondere Bedeutung zu, als sie hinreichende Voraussetzung für die Vertauschbarkeit von Grenzwert und Integral ist (eine in der Theorie der Fourierreihen häufig vorkommende Operation). Genauer gilt: Theorem Sind alle Funktionen von integrierbar und konvergiert gleichmäßig gegen f, dann ist auch integrierbar und lim = d. h., der Grenzwert auf der linken Seite existiert und ist gleich der rechten Seite (dass wir es hier tatsächlich mit einer Vertauschung von Grenzwert und Integral zu tun haben, sehen wir deutlicher, wenn wir Gleichung als schreiben, was möglich ist, da für jedes der Grenzwert von ist).
MA 33 Konvergenz im quadratischen Mittel - YouTube
Lexikon der Mathematik: Konvergenz im p -ten Mittel Konvergenz einer Folge ( X n) n ∈ℕ von auf einem Wahrscheinlichkeitsraum (Ω, 𝔄, P) definierten reellen Zufallsvariablen bezüglich der Halbnorm des Raumes ℒ p (Ω) der meßbaren, p -fach integrierbaren Abbildungen von Ω nach ℝ, 1 ≤ p <∞. Die Folge ( X n) n ∈ℕ der p -fach integrierbaren Zufallsvariablen Xn konvergiert also genau dann im p -ten Mittel gegen eine ebenfalls auf (Ω, 𝔄, P) definierte p -fach integrierbare reelle Zufallsvariable X, wenn \begin{eqnarray}\mathop{\mathrm{lim}}\limits_{n\to \infty}{\left(\displaystyle \mathop{\int}\limits_{\Omega}|{X}_{n}-X{|}^{p}dP|\right)}^{1/p}=0\end{eqnarray} gilt. Eine analoge Definition gilt für Funktionenfolgen. Im Falle p = 1 spricht man kurz von Konvergenz im Mittel und im Falle p = 2 von Konvergenz im quadratischen Mittel. Copyright Springer Verlag GmbH Deutschland 2017
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