Lema Riemann-Lebesgue mai este numită şi Teorema lui Mercer sau Lema lui Riemann .
Teorema 1 . (Lema lui Riemann )
Dacă
f
:
[
0
,
2
π
]
→
R
{\displaystyle f: [0, 2 \pi] \rightarrow \mathbb R \!}
este o funcție integrabilă Riemann , atunci șirurile :
(
∫
0
2
π
f
(
x
)
sin
n
x
d
x
)
n
∈
N
∗
{\displaystyle \bigg ( \int_0^{2 \pi} f(x) \sin nx \; dx \bigg )_{n \in \mathbb N^*} \!}
(
∫
0
2
π
f
(
x
)
cos
n
x
d
x
)
n
∈
N
∗
{\displaystyle \bigg ( \int_0^{2 \pi} f(x) \cos nx \; dx \bigg )_{n \in \mathbb N^*} \!}
sunt convergente şi avem:
lim
n
→
∞
∫
0
2
π
f
(
x
)
sin
n
x
d
x
=
0
=
lim
n
→
∞
∫
0
2
π
f
(
x
)
cos
n
x
d
x
.
{\displaystyle \lim_{n \to \infty} \int_0^{2 \pi} f(x) \sin nx \; dx = 0 =\lim_{n \to \infty} \int_0^{2 \pi} f(x) \cos nx \; dx. \!}
Generalizare [ ]
Vom face referire la câteva rezultate:
Teorema 2 .
Dacă
f
:
[
0
,
T
]
→
R
{\displaystyle f: [0, T] \rightarrow \mathbb R \!}
este o funcție continuă şi
g
:
[
0
,
∞
)
→
[
0
,
∞
)
{\displaystyle g: [0, \infty) \rightarrow [0, \infty) \!}
este o funcţie continuă şi periodică de perioadă T , atunci:
lim
n
→
∞
∫
0
T
f
(
x
)
g
(
n
x
)
d
x
=
1
T
(
∫
0
T
f
(
x
)
d
x
)
(
∫
0
T
g
(
x
)
d
x
)
.
{\displaystyle \lim_{n \to \infty} \int_0^T f(x) g(nx) dx = \frac 1 T \bigg ( \int_0^T f(x) dx \bigg ) \bigg ( \int_0^T g(x) dx \bigg ). \!}
Teorema 3 .
Dacă
f
:
[
a
,
b
]
→
R
{\displaystyle f: [a, b] \rightarrow \mathbb R \!}
este o funcţie integrabilă Riemann şi
φ
:
[
c
,
d
]
→
[
a
,
b
]
{\displaystyle \varphi : [c, d] \rightarrow [a, b] \!}
este o funcţie bijectivă, derivabilă şi cu derivata integrabilă Riemann, atunci funcţia
(
f
∘
φ
)
φ
′
{\displaystyle (f \circ \varphi) \varphi' \!}
este integrabilă Rimann şi are loc formula "schimbării de variabilă ":
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
=
∫
φ
−
1
(
a
)
φ
−
1
(
b
)
f
(
φ
(
t
)
)
φ
′
(
t
)
d
t
.
{\displaystyle \int_a^b f(x)dx= \int_{\varphi^{-1}(a)}^{\varphi^{-1}(b)} f(\varphi (t)) \varphi'(t) dt. \!}
Corolar .
Fie
α
∈
R
∗
{\displaystyle \alpha \in \mathbb R^* \!}
astfel încât funcţia de gradul întâi
φ
:
[
c
,
d
]
→
[
a
,
b
]
,
φ
(
x
)
=
α
x
+
β
{\displaystyle \varphi : [c, d] \rightarrow [a, b], \; \varphi(x) = \alpha x + \beta \!}
este o funcţie bijectivă.
Dacă
f
:
[
a
,
b
]
→
{\displaystyle f: [a, b] \rightarrow \mathbb \!}
este o funcţie integrabilă Riemann, atunci funcţia
f
∘
φ
{\displaystyle f \circ \varphi \!}
este integrabilă Riemann şi are loc formula:
∫
a
b
f
(
x
)
d
x
=
α
∫
φ
−
1
(
a
)
φ
−
1
(
b
)
f
(
φ
(
t
)
)
d
t
.
{\displaystyle \int_a^b f(x) dx = \alpha \int_{\varphi^{-1}(a)}^{\varphi^{-1}(b)} f(\varphi (t)) dt. \!}
Lema lui Riemann generalizată [ ]
Teorema 4. (lema lui Riemann generalizată ).
Dacă
f
:
[
0
,
T
]
→
R
{\displaystyle f: [0, T] \rightarrow \mathbb R \!}
este o funcţie integrabilă Riemann şi
g
:
[
0
,
∞
)
→
R
{\displaystyle g: [0, \infty) \rightarrow \mathbb R \!}
este o funcţie periodică de perioadă T , astfel încât restricţia
g
|
[
0
,
T
]
{\displaystyle g|_{[0, T]} \!}
este integrabilă Riemann, atunci avem:
lim
n
→
∞
∫
0
T
f
(
x
)
g
(
n
x
)
d
x
=
1
T
(
∫
0
T
f
(
x
)
d
x
)
(
∫
0
T
g
(
x
)
d
x
)
.
{\displaystyle \lim_{n \to \infty} \int_0^T f(x) g(nx) dx = \frac 1 T \bigg ( \int_0^T f(x) dx \bigg ) \bigg ( \int_0^T g(x) dx \bigg ). \!}
(1)
Demonstraţie .
Conform corolarului, funcţia dată de
g
→
g
(
n
x
)
,
x
∈
[
0
,
T
]
{\displaystyle g \rightarrow g(nx), \; x \in [0, T] \!}
este integrabilă Riemann.
Urmează că şirul
(
∫
0
T
f
(
x
)
g
(
n
x
)
d
x
)
n
∈
N
∗
{\displaystyle \bigg ( \int_0^T f(x) g(nx)dx \bigg )_{n \in \mathbb N^*} \!}
este corect definit.
Resurse [ ]