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© 2001-2007 Prof. Dr. Hans Wilhelm Alt, University Bonn, Germany

Examples of DIRAC sequences

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Remark    [remark:transformations]

Im Folgenden werden wir einige elementare Transformationseigenschaften benutzen, die Spezialfälle des Transformationssatzes sind, den wir im nächsten Abschnitt (siehe Satz satz:4-12) beweisen werden: Wie man sofort aus der Definition sieht, ist das elementare LEBESGUE-Maß invariant unter Translationen und Spiegelungen, da sich das Volumen eines Quaders unter Translationen und Spiegelungen nicht ändert. Ebenso elementar skaliert das elementare LEBESGUE-Maß mit dem Faktor  r-n  bei einer Streckung mit dem Faktor  r>0 . Wie man sich leicht überlegt, überträgt sich dies auf das LEBESGUE-Maß im  Rn  (siehe dazu Übungsaufgabe aufgabe:13). Es gilt also für alle  f∈L1(Rn;Y) 
 
 
Rn
f(x)dLn(x) =
 
 
Rn
f(x0+y)dLn(y)     für alle x0Rn ,
 
 
Rn
f(x)dLn(x) =
 
 
Rn
f(-y)dLn(y) ,
 
 
Rn
f(x)dLn(x) = r-n
 
 
Rn
f(
y
r
)dLn(y)     für alle r>0 .

Wir werden nun sehen, wie aus einer nichtnegativen  L1 -Funktion  ϕ  eine DIRAC-Folge konstruiert werden kann.

Beispiele von DIRAC-Folgen    [examples:dirac]

  • [examples:dirac-(i)] Sei  ϕ∈L1(Rn;R) ,  ϕ≧0 ,  ∫ RnϕdLn=1 . Für  ε> 0  sei
    ϕε(x) :=
    1
     
    εn
    ϕ(
    x
    ε
    ) .
    Für jede Nullfolge  (εk)k ∈N  ist dann  (ϕεk)k ∈N  eine DIRAC-Folge.
  • [examples:dirac-(ii)] Sei  E⊂Rn  eine LEBESGUEmessbare Menge mit  0<Ln(E)<∞  und setze in examples:dirac-(i)
    ϕ(x) :=
    1
     
    Ln(E)
    ΧE (x) .
    Mit den gespiegelten skalierten Mengen  Ẽε:= {y∈Rn  ;  -1/εy∈E }  ergibt dies
    ε ∗ f)(x) =
    1
     
    Ln(Ẽε)
     
     
    ε
    f(x+y)dLn(y) .
  • [examples:dirac-(iii)] Betrachte speziell in examples:dirac-(ii) die Einheitskugel  E := B1(0)⊂Rn . Dann ist
    ε ∗ f)(x) =
    1
     
    εnκn
     
     
    Bε(x)
    f(y)dLn(y)
    der Mittelwert von  f  über die Kugel  Bε(x)⊂Rn .
  • [examples:dirac-(iv)] Betrachte den eindimensionalen Fall  n=1  und setze  E := [-1,0]⊂R  in examples:dirac-(ii). Dann ist
    ε ∗ f)(x) =
    1
    ε
    x+ε
    x
    f(y)dLn(y)
    der Vorwärtsmittelwert von  f  im Punkte  x  mit Schrittweite  ε .
  • [examples:dirac-(v)] Betrachte den eindimensionalen Fall  n=1  und setze  E := [0,1]⊂R  in examples:dirac-(ii). Dann ist
    ε ∗ f)(x) =
    1
    ε
    x
    x-ε
    f(y)dLn(y)
    der Rückwärtsmittelwert von  f  im Punkte  x  mit Schrittweite  ε .
  • [examples:dirac-(vi)] Oft wird  ϕ  in examples:dirac-(i) als unendlich oft differenzierbare Funktion gewählt. Ein Beispiel ist
    ϕ(x) :=
    1
    c
    e-|x|2 ,     c :=
     
     
    Rn
    e-|x|2 dx .
    Diese Funktion hat die Eigenschaften in examples:dirac-(i), ist aber eine Funktion ohne kompakten Träger.
  • [examples:dirac-(vii)] Ein Beispiel von  ϕ  in examples:dirac-(i) mit einer unendlich oft differenzierbaren Funktion, die kompakten Träger hat, ist
    ϕ(x) :=
    1
    c
    e-1/1-|x|2
        für |x|≦1
    0
        sonst.
    Dabei ist
    c :=
     
     
    B1(0)
    e-1/1-|x|2 dx .
    Es gilt  ϕ∈L1(Rn) ∩C0(Rn) ,  ϕ≧0 .

Proof examples:dirac-(i). Aufgrund von Übungsaufgabe aufgabe:13 (siehe remark:transformations) gilt
 
 
Rn
ϕε(x) dLn(x) =
1
 
εn
 
 
Rn
ϕ (
x
ε
)  dLn(x) =
 
 
Rn
ϕ(x) dLn(x)=1.
Also sind definition:3-12-(i) und definition:3-12-(ii) erfüllt. Nun gilt für alle  r >0  (wieder mit Übungsaufgabe aufgabe:13)
 
 
RnBr(0)
ϕε(x) dLn(x) =
 
 
Rn
ΧRnBr(0) (x)ϕε(x) dLn(x)
=
1
 
εn
 
 
Rn
ΧRnBr/ε(0) (
x
ε
) ϕ (
x
ε
)  dLn(x) =
 
 
Rn
( ΧRnBr/ε(0) ϕ ) (x)  dLn(x),
wobei der Integrand nichtnegativ und punktweise kleiner gleich  ϕ  ist und für  ε → 0  punktweise gegen  0  geht. Also folgt mit dem LEBESGUE'schen Konvergenzsatz satz:lebesgue, dass auch die Integrale für  ε → 0  gegen  0  gehen.

Proof examples:dirac-(ii). Offensichtlich hat  ϕ  die Eigenschaften in examples:dirac-(i). Außerdem ist
ε ∗ f)(x) =
 
 
Rn
ϕε(x-y) f(y)dLn(y) =
1
 
εn
 
 
Rn
ϕ(
x-y
ε
) f(y)dLn(y).
Mit der Variablentransformation  z=y-x  ist dies nach remark:transformations
=
1
 
εn
 
 
Rn
ϕ(-
z
ε
) f(x+z)dLn(z) =
1
 
εnLn(E)
 
 
ε
f(x+z)dLn(z),
und ebenfalls nach remark:transformations ist  εnLn(E)=Ln(Ẽε) .

Proof examples:dirac-(vi). Die Konstante  c  werden wir in sect:4-15 berechnen.
Proof examples:dirac-(vii). Zum Beweis siehe Übungsaufgabe aufgabe:22.


Version 1.7
H.W. Alt - 02.01.2007

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