Математические байки

Давайте теперь вернёмся к вопросу плотности упаковок — и попробуем посмотреть, а как, хотя бы в принципе, можно было бы их оценивать? Вот хоть как-нибудь — учитывая, что пространство всех упаковок бесконечно-мерное (по n координат на каждый центр); и даже если ограничиться только решётками — работать в 8*8=64-мерном пространстве всех решёток вряд ли вызовет энтузиазм в исследовании функции на экстремум обычными методами...

Вот. Ну и — формула Пуассона замечательная как сама по себе, так и своими применениями. (По этой дороге я сейчас не пойду, но функциональное уравнение для дзета-функции Римана — которое связывает \zeta(s) с \zeta(1-s) — тоже вытаскивается отсюда, и это простая и короткая история.)

Как раз, если мы захотим устроить ряд Фурье на торе R^n/Λ, то условием, чтобы экспонента \exp(2πi * ) на нём была определена (то есть не менялась при сдвигах на Λ, и будет, что u принадлежит двойственной к Λ решётке).

Наконец, а что будет, если взять функцию не на прямой, а в пространстве, и суммировать её по решётке? Тогда в правой части в знаменателе будет кообъём решётки, а сумма там будет по двойственной решётке тех частот, с которыми может "звучать" тор-фактор:

А что будет, если мы в левой части будем суммировать не по Z, а по L*Z? Тогда, как несложно видеть, появится множитель (1/L) в правой части, а сумма там будет не по Z, а по (1/L)*Z — по тем частотам, которые укладываются на фактор-окружность длины L:

А сумма коэффициентов Фурье — это и есть значение F в нуле (потому что каждая из экспонент в нём даёт единицу). И вот всё и доказано:

Но если аккуратно посмотреть — то коэффициенты Фурье функции F это в точности значения преобразования Фурье исходной f в целых точках:

Получилась функция F на единичной окружности. У которой левая часть формулы Пуассона — это просто значение в нуле.

Давайте её докажем — и для этого давайте сдвинем f на все целые числа и просуммируем (собственно, мы такую "периодизацию" уже обсуждали чуть выше, только тогда сдвигали на кратные L):

И удивительным образом, хоть утверждение симметричное по функции и её преобразованию Фурье — симметричного доказательства я не знаю.

Вторая обещанная общая вещь — это формула суммирования Пуассона. Пусть опять на прямой задана достаточно хорошая (гладкая и хорошо убывающая) функция f. Оказывается, что сумма её значений в целых точках совпадает с суммой значений в целых точках её преобразования Фурье:

Собственно, тут есть различные конвенции — можно писать преобразование Фурье без 2π в экспоненте — но тогда придётся либо делить на корень из 2π при каждом из переходов, либо в одну сторону не делить вообще, а в другую делить на 2π. И я помню, как я в своё время удивлялся, "откуда же оно взялось". Ну вот один способ это 2π понять — вот такой. Да, и — на протяжении этого рассказа у нас 2π будет в экспоненте: для многих вещей тут так удобнее.

На всякий случай — это рассуждение пока на уровне "рукомахания". Его можно чуть-чуть доработать напильником — но мне хотелось его показать в таком виде, чтобы было видно, "откуда 2π".