Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

УМК

.PDF
Скачиваний:
79
Добавлен:
17.03.2015
Размер:
3 Мб
Скачать
☆

a n =

4 x

 

cos n π x

 

1

−

4

1

cos n π x dx =

 

4

(−1)n .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

n 2 π2

 

 

n 2 π2

 

 

 

 

 

0

 

n 2 π2 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Все коэффициенты bn

= 0, так как эта функция четная. Следовательно,

 

 

f (x) =

1

+

4

∑∞

(−1)n

cos n π x .

 

 

 

 

 

π

2

n

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

2.3.2. Разложение в ряд Фурье непериодической функции

Пусть функция f (x) задана на отрезке [0, l]. Дополняя определение этой

функции произвольным образом

на

 

отрезке [− l, 0]

можно разложить эту

функцию в ряд Фурье.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

чтобы при − l ≤ x < 0

а) дополним определение данной функции так,

было f (x) = f (− x), в результате получится четная функция. (В этом случае говорят, что функция f (x) «продолжена четным образом»). Полученную функцию разлагают в ряд Фурье, этот ряд имеет вид

 

 

 

 

f (x) =

a 0

∞

 

n π

x, x [0, l], где

 

 

 

 

+ ∑ a n

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

n=1

 

l

a n

=

2

∫l

f (x)cos

n π

x dx .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

0

 

l

 

 

 

 

б) продолжим определение f (x) при − l ≤ x < 0 так: f (x) = −f (− x), то получим нечетную функцию, которая разлагается в ряд Фурье по синусам, т.е.

∞

 

n π

 

x [0, l], где bn

 

2

 

n π

 

f (x) = ∑ bn

 

 

 

l

 

sin

x,

=

∫ f (x)sin

x dx .

 

 

 

n=1

 

l

 

 

l

0

l

В этом случае говорят, что f (x) «продолжение нечетным образом». ПРИМЕР 2.44. Разложить в ряд Фурье функцию f (x) = x на отрезке

[0, π] по синусам.

Решение. Продолжая эту функцию на отрезке нечетным образом, имеем

 

 

 

 

 

2

π

 

 

 

2

π

 

 

2

 

 

bn =

∫ f (x)sin n π x

=

∫ x sin n π x dx = (−1)n

+1

Тогда,

 

 

 

 

 

 

 

 

π 0

(−1)n+1

 

 

π 0

 

 

n

 

 

 

 

 

 

x = 2 ∑∞

sin n x,

x [0, l].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

n

 

 

 

 

 

f (x) = x

 

ПРИМЕР 2.45. Разложить в ряд Фурье функцию

на отрезке

[0, π] по косинусу.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Продолжая

эту

функцию четным

образом,

получим

f (x) =

 

x

 

, x (− π; π].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

π

f (x)dx =

2

π

a 0

=

∫

∫ x dx = π,

 

 

 

 

π 0

 

π 0

 

 

 

=

 

2

 

π

f (x)cos n x dx =

2

 

π

x cos n x dx = −

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a n

 

∫

 

∫

 

,

тогда

 

ряд Фурье

 

 

 

π

π

 

π n 2

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = π −

4

 

∞

 

cos n x

 

 

x [0, π].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

π n=1

n 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.3. Ряд Фурье в комплексной форме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.8. Если функция f (x) периодическая с периодом

T = 2π

на отрезке [− π, π]

удовлетворяют условиям разложимости в ряд, то

ряд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑ Cn ei n x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называется комплексной формой ряда Фурье, где

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сn

=

1

π∫ f (x)e−i n x dx,

n = 0, ±1, ± 2,K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π −π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cn

называется комплексным коэффициентом ряда Фурье функции f (x).

 

 

Если функция f (x) периодическая с периодом 2 l, то ряд Фурье в ком-

плексной форме имеет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

∞

 

i

n π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

Cn l l .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Коэффициенты ряда Cn выражаются формулами

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

l

 

 

 

 

−

i n π

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сn

=

 

 

 

 

 

 

 

∫ f (x)e

l

dx, n = 0, ±1, ± 2,K.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

x i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР2.46. Функцию e 2

 

 

разложить в ряд Фурье в комплексной

форме на интервале (− π, π).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

 

 

Согласно вышеприведенной формуле для коэффициента Cn

имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

1

 

 

 

 

 

 

π

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

x i

 

 

 

1

 

 

 

−n i x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cn

=

 

 

 

∫ f (x)e−i n x dx =

 

 

∫

e 2

e−i n x dx

=

 

∫ e

 

 

dx =

 

 

2 π

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π

−π

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

sin

 

 

− n i

π. Тогда ряд Фурье имеет вид:

 

 

 

 

 

 

π(1

− 2 n)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

x i

 

 

∞

sin

 

− n

i π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

ei n x , x (− π, π).

e 2

=

∑

 

 

1 − 2 n

 

 

 

 

 

π n=−∞

 

 

2.3.4. Интеграл Фурье

Если функция f (x) удовлетворяет условиям разложимости в ряд Фурье и

∞

∫ f (x)dx − сходится, то

−∞

 

1

∞ ∞

 

f (x) =

 

∫

∫ f (u)cos z(u − x)du dz

 

 

π 0

−∞

 

называется интегралом Фурье для функции f (x).

 

2

∞ ∞

 

 

 

а) если f (x) − четная функция, то f (x) =

 

∫

∫ f (u)cos zudu cos z xdz ;

 

 

π 0

0

 

 

 

 

 

 

 

2

∞ ∞

 

б) если f (x) − нечетная функция, тогда f (x) =

 

∫

∫ f (x)sin zudu sin zxdz .

 

 

 

 

 

π 0

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

если

 

x

 

> 1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.47. Функцию f (x) =

1,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если

0 < x < 1,

представить ин-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 < x < 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1, если

 

 

 

 

тегралом Фурье.

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение.

Функция

 

 

является

 

 

 

 

нечетной,

поэтому

 

2

∞ ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

∫

 

∫ f (u)sin z u du sin z x dz . Отдельно вычислим внутренний инте-

π

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

грал, имеем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

(u)sin z u du =

2

1

 

 

 

 

 

2 cos z u

 

 

1

 

2

 

1 − cos z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ f

∫ sin z u du

= −

 

 

 

 

=

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

π

0

 

 

 

 

 

T

z

 

 

 

 

 

0

 

π

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тогда интеграл Фурье для этой функции имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

∞

 

 

 

 

 

4

∞

 

z

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dz

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

∫

1 − cos z

sin z x dz =

∫ sin 2

 

 

sin z x

.

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

z

 

 

 

 

π 0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

2.3.5. Интеграл Фурье в комплексной форме. Преобразование Фурье

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.9. Если

функция f (x) определена в

интервале

(− ∞, ∞) и удовлетворяет условиям разложимости в ряд Фурье и

∞∫

 

f (x)

 

dx ,

 

 

то

 

∞ ∞

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

f (x) =

 

∫ ∫ f (t)ei α(x−t ) dt dα

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π −∞ −∞

 

 

 

 

 

 

называется интегралом Фурье в комплексной форме или

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

1

 

 

 

 

∞

 

1

 

∞

f (t)e

−i α t

 

 

 

 

i α x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

∫

 

 

 

 

dα,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dt e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π

2 π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

а функция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(α) =

 

1

 

 

 

 

∞∫ f (t)e−i α t dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называется преобразованием Фурье функции f (x), тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

 

∫ F(α)ei α x dα

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

называется обратным преобразованием Фурье.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞ f (t)cos α t dt

 

а)

функция f (x) − четная,

то F (α) =

 

 

2

 

называется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

π

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

косинус -преобразованием Фурье функции f (t), а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

f (x) =

2

 

F (α)cos α xdx называется обратным преобразованием.

 

 

 

 

 

∫

 

 

π

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞ f (t)sin α t dt

 

б) функция f (x) − нечетная,

то F (α) =

 

2

 

называется

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

π

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

синус- преобразованием Фурье функции f (t), а функция

 

 

 

∞

 

f (x) =

 

2

F (α)sin α xdα называется обратным преобразованием.

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Преобразование Фурье обладает следующими основными свойствами

1)F (C f (t)) = C F(f (t)), C − const;

2)F(f1 (t) + f 2 (t)) = F(f1 (t)) + F(f 2 (t));

3)F(f ′(t)) = i α F(f (t)).

1,

если

 

x

 

< 1,

 

 

ПРИМЕР 2.48. Функцию f (x)=

 

 

 

 

 

 

представить интегра-

если

 

x

0,

 

 

> 1

 

 

 

 

 

 

 

 

лом Фурье в комплексной форме.

Решение. f (x)=

1

 

∞

∞

(t)e−i α t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∫

∫ f

dt ei α x dα =

 

 

2 π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞ −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

∞

 

1

 

−i α t

 

 

i α x

 

1

 

∞

 

i α

− e

−i α

i α x

 

=

 

 

f (t)e

 

dα =

 

 

e

 

 

 

dα =

 

 

∫

 

∫

 

 

dt e

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

e

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

i α

 

 

 

π −∞

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

2 π −∞

 

 

 

 

 

 

=

1

∞

sin α

ei α x dα итак

f (x)=

1

∞

sin α

ei α x dα.

∫

∫

π

 

 

 

 

−∞

α

 

π −∞

α

ПРИМЕР 2.49. Найти преобразование Фурье функции

f (x)= e−x ,

если x ≥ 0,

 

 

 

 

 

0, если x < 0.

 

 

 

 

 

Решение. Функция f (x) удовлетворяет условиям, при которых существует преобразование Фурье этой функции, тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

F(α)=

 

 

 

 

 

 

 

 

∫ f (x)e

−i α x dx =

 

 

 

 

 

 

∫ e−x e−i α x dx =

 

 

∫ e−(1+i α)x dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π 0

 

 

 

 

 

 

= −

1

 

 

 

 

 

 

e−(1+i α)x

 

∞

=

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

, итак, F(α)=

 

 

1 − i α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1 + α2 ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 + i α

 

 

 

 

 

 

(1 + i α)

 

 

 

 

 

 

2 π

 

 

 

 

0

 

2 π

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ПРИМЕР 2.50 Найти косинуспреобразование Фурье функции

 

 

 

 

 

2x − 3,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

если 0 ≤ x ≤

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

если

 

 

 

 

< x < ∞.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Решение. Согласно

формулы

 

 

косинуспреобразования

Фурье

имеем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞ f (x)cos α x dx =

 

 

 

 

 

 

3 2 (2x − 3) cos α x dx =

 

 

 

 

 

 

(2x − 3)×

F (α)=

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3α

 

 

sin α x

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos α x

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

 

−

 

 

∫ sin α x dx =

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

π α

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

α2

 

 

0

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

α2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos

 

a -1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

итак, F (a)=

 

×

 

2

 

.

 

 

 

p

 

 

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.6. Спектральные характеристики ряда и интеграла Фурье

Пусть функция f (x) периодическая с периодом T = l определена на ин-

 

-

l

l

 

 

 

 

 

 

 

тервале

 

,

 

и удовлетворяет условиям разложимости в ряд Фурье.

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.10. Спектральной функцией S(νn ) ряда Фурье или спектральной плотностью называется отношение коэффициента Фурье функции f (x) периода l

l

Cn = C(nn )=

1

 

∫2

f (x)× e−2 πi νn x dx, nn

=

n

,

n = 0, ±1, ± 2, к прира-

 

 

 

 

 

l

−

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

щению частоты Dnn

=

n +1

-

n

=

1

 

, т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

l l

 

 

 

 

 

 

C(nn )

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S(nn )=

 

= ∫2

 

f (x)× e−2 πi νn x dx.

 

 

 

 

D nn

 

 

 

 

 

 

 

 

−

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.11. Амплитудным спектром ρ(νn ) называется мо-

дуль спектральной функции,

а фазовым спектром

Φ(νn )− взятый с обрат-

ным знаком аргумент спектральной функции, т.е. r(nn )= S(nn ) = l C(nn )

и

Φ(νn )= −arg S(νn ).

ПРИМЕР 2.51. Найти спектральную функцию ряда Фурье и амплитудный

0

при

x Î (- 2, -1),

 

при

x Î (-1,1), и f (x + 4)= f (x).

и фазовый спектр функции f (x)= 1

0 при

x Î (1, 2)

 

 

 

Решение. Для взятой функции nn = n и 4

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

−2 π i νn x

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S(nn ) = ∫ f (x)e−2 π i νn dx = ∫ e−2 π i νn x dx =

 

 

 

 

 

 

 

=

- 2 pi nn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e2 π i νn

- e−2 π i νn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

1

 

 

=

1

 

 

 

sin 2 pnn ,

S(nn ) =

1

 

× sin 2pnn ,

 

pnn

 

 

 

 

pnn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

pnn

следовательно, r(nn ) =

 

S(nn )

 

=

 

 

sin 2 π ν n

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p

 

nn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

если sin 2pnn

> 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

F(nn ) = - arg S(nn ) =

 

 

 

если sin 2pnn

< 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- p,

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.12. Спектральной функцией интеграла Фурье

функции f (x) называется преобразование Фурье этой функции

 

 

 

 

 

 

S(n) = ∞∫ f (x)e−2 π i ν x dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ 2.13. Величина r(n) =

 

S(n)

 

называется амплитуд-

 

 

ным спектром, а величина Φ(ν) = − arg S(ν) − фазовым спектром.

 

2l

∞

(-1)n +1

 

npx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

 

n

sin

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

p n=1

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

УЧЕБНО - МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

РАЗДЕЛ 10 «ЧИСЛОВЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ РЯДЫ»

3. Материалы для самостоятельной работы студентов

3.1.КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Числовой ряд. Частичная сумма и его остаток. Определение сходимости числовых рядов. Свойства сходящихся числовых рядов. Необходимый признак сходимости.

2.Числовые ряды с неотрицательными членами. Признак сравнения.

3.Признаки сходимости: Даламбера, Коши. Интегральный признак сходимости. Обобщенный гармонический ряд и его сходимость.

4.Функциональные ряды. Частичная сумма, остаток, область сходимости.

5.Равномерная сходимость функциональных рядов. Признак Вейерштрасса.

6.Степенные ряды. Теорема Абеля. Радиус и интервал сходимости. Свойства степенных рядов внутри интервала сходимости.

7.Дифференцирование и интегрирование степенных рядов.

8.Ряды Тейлора и Маклорена. Достаточные условия разложимости функций в ряд Тейлора.

9.Разложение основных элементарных функций в ряд Маклорена.

10.Применение числовых и степенных рядов (приближенное вычисление значений функций, определенных интегралов, приближенное решение задачи Коши).

11.Тригонометрический ряд. Ряды Фурье. Разложение периодических функций в ряд Фурье. Теорема Дирихле.

12.Ряд Фурье для четных и нечетных функций.

13.Разложение произвольной функции в ряд Фурье. Четные и нечетные разложения.

14.Интеграл Фурье.

15.Интеграл Фурье для четной и нечетной функции. Косину и синус преобразования Фурье и их свойства.

16.Интеграл Фурье в комплексной форме. Преобразования Фурье и его

свойства.

17.Применение преобразования Фурье.

3.2. ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

3.2.1. Даны формулы общих членов рядов. Написать соответствующие

ряды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. a n

=

2n 2

−1

 

;

 

2. a n

= cos nπ sin

π

;

 

 

 

 

 

 

+1

 

 

 

 

 

2n

 

 

 

 

 

 

 

2n+1

 

3. a

 

=

3 + (−1)n

;

4. a n

=

2n

+ 1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

(n +1)!

 

 

n n n +1

 

 

3.2.2. Написать формулу общего члена ряда и проверить выполняется ли для него необходимый признак сходимости.

5. 1 +

 

1

+

1

+

1

+ K;

 

1

+

1

 

+

 

1

+

1

 

+ K;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

9

 

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

 

 

9

12

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 2

 

 

 

 

 

3

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 3

 

 

2 4

 

 

 

 

3 5

 

7.

 

+

 

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

 

+ K;

 

8. 1 +

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

+ K;

3

7

 

15

31

 

1 2

1 2 3

1 2 3 4

 

sin π

 

 

 

 

 

sin π

sin π

 

sin π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

 

 

 

2

 

−

 

 

 

 

4

+

 

 

 

 

6

−

 

8

+ K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

6

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.3. Найти сумму ряда по определению

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

∑

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1 3n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1 n(n +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

12.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

13.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

(4n − 3)(4n +1)

 

 

(2n

−1)(2n + 5)

 

 

n =1

 

 

 

 

 

 

n =1

 

 

 

 

 

3.2.4. Исследовать на сходимость числовые ряды

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

2n 2 +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

n

2

 

 

 

 

 

 

 

14.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

15.

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

(n

 

+1)(n +

 

 

 

 

 

 

(2n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1

 

2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1

 

 

−1)(2n + 5)

 

 

 

 

∞

 

 

3

 

 

+ n +1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

2n

 

 

−1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16.

 

 

 

 

;

 

17.

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1 n(n 2 +1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1 3n + 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.5. С помощью признака сравнения исследовать на сходимость следующие числовые ряды.

∞

n

2

 

∞

4

+ 2 n

2

 

18. ∑

 

;

19. ∑ ln

n

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

n 4 + 1

 

n =1 2 n 2 + 1

n =1

 

 

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]