비르팅거 부등식(Wirtinger's inequality)이란 푸리에 해석(Fourier analysis) 분야에서 자주 쓰이는 부등식으로, 특정한 형태의 주기함수에 대하여 성립하는 다음의 부등식을 말한다.
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증명. $f$가 주기함수이므로 $f$의 푸리에 급수(Fourier series)가 존재한다. 즉,
와 같이 나타낼 수 있다. 여기서
로 주어진다. 또한 $\int_{0}^{2\pi} f(t) \,dt = 0$이므로 $a_0 = 0$임을 알 수 있다. 이제 식 $(\ast)$의 양변을 미분하면
를 얻는다. 따라서 $\{ \cos(kt),\, \sin(kt) : k \geq 1 \}$의 직교성(orthogonality)에 의해, 식 $(\ast)$로부터
\begin{align*} \int_{0}^{2\pi} (f(t))^2 \,dt &= \int_{0}^{2\pi} \left[ \sum_{k=1}^{\infty} (a_k \cos(kt) + b_k \sin(kt)) \right]^2 dt \\[5px] &= \int_{0}^{2\pi} \left[ \sum_{k=1}^{\infty} \left( a_k^2 \cos^2(kt) + b_k^2 \sin^2(kt) \right) \right] dt \\[5px] &= \sum_{k=1}^{\infty} \left[ a_k^2 \int_{0}^{2\pi} \cos^2(kt) \,dt + b_k^2 \int_{0}^{2\pi} \sin^2(kt) \,dt \right] \\[5px] &= \sum_{k=1}^{\infty} \pi (a_k^2 + b_k^2) \end{align*}
를 얻는다. (이 등식을 파세발 항등식(Parseval's identity)이라 부른다.) 마찬가지 방법으로 식 $(\ast\ast)$로부터
를 얻는다. 그러므로 부등식
이 성립한다. 위 부등식에서 등식이 성립할 조건은 모든 $k \geq 2$에 대하여 $a_k = b_k = 0$인 것이므로 주어진 함수가
의 형태일 때 등식이 성립한다..