∣1−(−1)n∣≤2이므로 ∣bn∣≤nπ2→0 (n→∞)입니다. 한편 an=π1∫0πcos(nx)dx=nπsin(nπ)=0 — 모든 n≥1에서 정확히 0입니다. 따라서 an→0, bn→0이 모두 증명되었습니다.
씬의 계단 모드는 이 공식을 수치 적분으로 재현합니다: 줄기 그림의 홀수 줄기는 2/(nπ) 곡선을 타고 내려가고, 짝수 줄기는 수치 오차 수준에서 0입니다. 불연속 함수의 계수는 1/n 속도로 갑니다 — 매끄러운 함수보다 느립니다 (텐트 모드와 비교해 보세요).
계단함수 s=∑k=1mck1[xk−1,xk) ([0,2π]의 분할 위)의 푸리에 계수에 대해 리만-르베그 보조정리를 증명하세요: an(s),bn(s)→0.
π1∫xk−1xksin(nx)dx≤nπ2n→∞0
계단 모드, n=24: 유한 개의 구간 각각이 ≤2/(nπ) 기여를 하므로 전체 ∣bn∣도 0으로 갑니다 — 일반 계단함수 증명의 수치 버전입니다.증명 보기
적분의 선형성에 의해 bn(s)=∑k=1mckbn(1[xk−1,xk))입니다. 각 구간 지시함수의 계수는 bn(1[xk−1,xk))=π1∫xk−1xksin(nx)dx=nπcos(nxk−1)−cos(nxk)입니다.
∣cos(nxk−1)−cos(nxk)∣≤2이므로 bn(1[xk−1,xk))≤nπ2 — 구간 위치와 무관한 uniform bound입니다. 따라서 ∣bn(s)∣≤∑k=1m∣ck∣nπ2=nC (여기서 C=π2∑∣ck∣는 n과 무관한 상수)이고, n→∞에서 0으로 갑니다. an(s)도 cos를 sin으로 바꾼 똑같은 계산으로 0으로 갑니다.
핵심은 유한성입니다: 구간의 개수가 유한하므로 각 구간의 O(1/n) 기여를 그냥 더해도 여전히 O(1/n)입니다. 이것이 연속 함수로의 밀도 논증(아래 문제 3)이 올라서는 발판입니다.
[0,2π] 위의 연속 함수 f를 계단함수로 균등 근사할 수 있음(균등연속성으로 증명)을 먼저 보이고, 이를 이용해 ε/3 논증으로 bn(f)→0 (및 an(f)→0)을 완전히 증명하세요.
∣bn(f)∣≤∣bn(f−s)∣+∣bn(s)∣≤2ε+∣bn(s)∣n→∞2ε
텐트 모드, n=24: 연속 함수는 계단함수로 균등 근사되므로 ∣an∣도 0으로 갑니다 — 여기서 ∣an∣=4/(π2n2) (홀수 n)로 더 빨리 가라앉습니다.증명 보기
보조정리 (계단함수 균등 근사): f가 [0,2π]에서 연속이면 균등연속이므로, ε>0마다 δ>0가 있어 ∣x−y∣<δ이면 ∣f(x)−f(y)∣<ε입니다. [0,2π]를 너비 <δ인 구간 I1,…,Im으로 나누고, 각 Ik에서 상수값 f(xk−1) (왼쪽 끝점 값)을 취하는 계단함수 s를 정의합니다. x∈Ik이면 ∣x−xk−1∣<δ이므로 ∣f(x)−s(x)∣<ε — 즉 ∥f−s∥∞<ε입니다. 보조정리 증명 완료.
이제 ε>0을 고정하고, 위 보조정리로 ∥f−s∥∞<ε인 계단함수 s를 택합니다. 삼각부등식으로 ∣bn(f)∣≤∣bn(f−s)∣+∣bn(s)∣입니다. 첫 항은 ∣bn(f−s)∣≤π1∫02π∣f−s∣∣sin(nx)∣dx≤π1ε⋅2π=2ε — n과 무관합니다.
둘째 항 ∣bn(s)∣는 문제 2에서 n→∞일 때 0으로 갑니다. 따라서 N을 크게 잡아 n≥N이면 ∣bn(s)∣<ε이 되게 할 수 있고, 그 n들에 대해 ∣bn(f)∣<2ε+ε=3ε입니다. ε이 임의이므로 bn(f)→0입니다. an(f)도 ∣cos(nx)∣≤1을 이용한 동일한 논증으로 0으로 갑니다. 모든 단계가 완성되었습니다 — 아이디어 수준 표기는 없습니다.