ディリクレ定理 (ディリクレていり、英:Dirichlet's theorem on Fourier series) は、ドイツの数学者ペーター・グスタフ・ディリクレが証明したディリクレの定理(Dirichlet's_theorem)と呼ばれる定理のひとつで、フーリエ級数の各点収束に関する定理である。

解説 周期 の周期関数 が、1周期の区間(例えば )において以下のディリクレ条件(Dirichlet conditions)を満たすとする。

1. は有界である。

2. は極値(極大値および極小値)を有限個しか持たない(あるいは区分的に単調である)。

3. は不連続点を有限個しか持たず、それらはすべて第1種不連続点(跳躍不連続点)である。

このとき、 のフーリエ級数

は、すべての実数 において のとき次のように収束する:

が で連続であれば、フーリエ級数は に収束する。 が で不連続であれば、フーリエ級数は左右極限の平均値

に収束する。(ここで , である。)

特に、 が全領域で連続であり、かつ各点で左右の微分可能性が保証される(区分的平滑である)ならば、フーリエ級数は に一様収束する。

証明の型 関数のフーリエ部分和 は、ディリクレ核 を用いた畳み込みとして表現できる:

ここでディリクレ核 は次のように定義される:

解析学においては、関数 の連続点および跳躍不連続点において、この積分表現にリーマン・ルベーグの補題を適用することで極限値を導出する。

証明

ディリクレ核を用いると、フーリエ級数の第 n 部分和は

と表される。 は偶関数なので、

となる。

ここで

とおく。 は の近傍で有界変動なので、

は の右側で有界変動で、

である。よって、

となる。

任意の ()をとり、積分を と に分ける。

後者については

が 上で可積分なので、リーマン・ルベーグの補題より、

となる。

前者について

とおく。 は の右側で有界変動で、

である。

有界変動関数は単調増加関数の差として表せるので、単調増加関数 をとり、

とする。

第二平均値定理より、 ある が存在して、

と

となる。

よって、

ディリクレ積分の評価から、右辺の積分は に関して一様有界である。

よって、

より、 と、

を得る。

例 周期 を持ち、 で次のように定義される矩形波関数 を考える:

この関数のフーリエ級数展開は次のようになる:

連続点における収束: において、 である。フーリエ級数はライプニッツの公式より、 となり、元の値に収束する。

不連続点における収束: において、, であり、関数自体は不連続である。ディリクレ定理によれば収束値は平均値である になるはずである。実際、フーリエ級数に を代入すると、すべての項が となり、総和は 0 に収束する。

脚注

参考文献 日本評論社編、エリアス・M. スタイン ラミ・シャカルチ 著、 新井仁之、杉本充、 高木啓行、 千原浩之 訳「フーリエ解析入門」2007年。