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

Lektsii_po_matanu

.pdf
Скачиваний:
13
Добавлен:
27.03.2015
Размер:
796 Кб
Скачать
☆

Лекция 21

Ряды Фурье

b

f Î L2 [a, b], если ∫ ( f ( x ))2 dx < ¥

a

Определение :

b

( f , g ) = ∫ f ( x ) g ( x )dx;

a

Евклидово пространство - это такое линейное пространство,

в котором введено скалярное произведение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

 

 

 

=

 

( f , f )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

норма

скалярно f на f

Определение :

ϕn ( x ) Î L2 [a, b], n Î - ортогональная система на [a, b],

если

(ψ n ,ψ m ) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(ψ n ,ψ n ) ¹ 0

Определение :

ϕn ( x ) Î L2 [a, b] - ортонормированная система(ОНС) на [a, b],

если (ϕn ,ϕm ) = 0

(ϕn ,ϕn ) = 1

Если ψ n ( x ) - ортогональная система, то ϕn ( x ) =

ψ

 

 

 

n ( x

)

- ОНС

 

 

 

 

ψ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ряд Фурье функции f ( x ) по ОНС ϕn ( x ) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ( f ,ϕn )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ∑ Cnϕn ( x ), где Cn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

ψ

 

 

 

n ( x

)

 

Разложение ро ортогональной системе : f ∑ Cn

 

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ n

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

= ( f ,ϕ

 

) = f ,

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×( f ,ψ

 

)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

×( f ,ψ n ) ×ψ n ( x )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ψ n

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

коэффициент Фурье

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

91

Определение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x Î[-π ;π

]

 

1, cos x, sin x, cos 2x, sin 2x,..., cos nx, sin nx,...;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

тригонометрическая система

 

 

 

 

 

 

 

Система ортогональна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1, cos nx)

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

π−π = 0

 

 

 

 

 

 

 

= ∫ 1×cos nxdx =

sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1, sin nx) = ∫ 1×sin nxdx = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

π

 

 

 

 

 

 

(cos nx, cos mx) = ∫ cos nx ×cos mxdx =

 

∫ (cos (m + n) x + cos (n - m) x) dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 −π

 

π

 

 

 

 

 

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×sin (n + m) x +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×sin (n - m) x

 

 

 

= 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 n + n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

- m

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

(sin nx, cos mx) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(sin nx, sin mx) = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Cчитаем норму :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 = ∫ 1×1dx = 2π ;

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

1

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

(1+ cos 2nx)dx = π

 

 

 

 

cos nx

 

 

 

2

= ∫ cos2 nxdx =

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 −π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos nx

 

 

 

 

 

 

sin nx

=

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Определение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ∑ an cos nx + bn sin nx - тригонометрический ряд Фурье

2

 

 

 

 

 

n=0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

×( f ,1) =

1

 

 

 

 

(t ) dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

× ∫ f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

×( f , cos nx)

 

 

 

 

 

1

 

 

 

π

f (t )cos ntdt, n Î

 

 

an

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

× ∫

 

 

 

 

 

 

cos nx

 

 

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

×( f , sin nx) =

1

 

 

 

π

f (t )sin ntdt

 

 

 

 

 

 

bn

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nx

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если функция f является 2π - периодической, то

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

+ ∑(an cos nx + bn sin nx)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

π

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

× π f (t )sin ntdt

 

a

=

1

f (t ) dt; a

 

=

1

 

f

(t )cos ntdt;

b =

1

 

π

 

∫

 

π

π

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Если f ( x) - чётная, то

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

+ ∑ an cos nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

=

2

π f (t ) dt; a

 

=

2

×

π f

(t ) cos ntdt

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

π

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

92

 

 

 

 

Если f ( x) - нечётная, то

 

 

 

 

a0

∞

 

 

 

f

+ ∑bn sin nx

 

 

 

2

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

b =

2

 

× π f (t )sin ntdt

 

 

 

π

 

 

n

 

∫

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

Теорема

 

 

 

 

 

 

∞

( x) сходится равномерно к функции f ( x),

Пусть ϕn ( x) - ОНС. Если ∑Cnϕn

 

 

 

 

n=1

 

 

то он является рядом Фурье для f ( x)

 

Для ортогональной системы теорема тоже верна.

 

 

 

 

 

 

 

 

В частности для тригонометрической

 

Пример

1)Разложить y = x в ряд Фурье по косинусам на (0,π )

2)Доказать, что ряд сходится равномерно

∞

1

 

 

3) Вычислить ∑

 

с помощью полученного разбиения

 

 

(2k −1)

2

k =1

 

 

4) Нарисовать две первые различные частичные суммы ряда Фурье

Продолжаем функцию на промежутке от (−π , 0).

Дальше продолжаем 2π периодически на всю числовую прямую

f ( x) - чётное 2π - периодическое продолжение y = x; 0 < x < π

 

 

a0

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f

+ ∑an cos nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

=

 

2

π f (t ) dt =

2

π tdt =

2

× π 2

= π

 

 

 

 

 

 

 

 

π

π

π

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

∫

 

∫

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

π

 

 

 

 

 

2

π

 

 

 

2

π

2

 

 

π

 

 

an

=

 

∫ f (t )cos ntdt =

∫t cos ntdt =

∫td sin nt =

× t ×sin nt

π0

- ∫ sin ntdt

=

 

π

π

nπ

nπ

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

0

 

 

0

 

 

=

2

 

 

×cos nt

 

π =

2

 

 

(cosπ n -1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π n2

π n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cosπ n = (-1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

=

 

2

((-1)n -1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

93

 

f ( x) π

 

∞

 

 

 

2

((-1)n -1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×cos nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π n2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 2k

 

 

a2k = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n = 2k -1 a2k −1 = -

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π (2k -1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x) π -

4

 

 

∞

 

cos (2k -1) x

 

 

k Î ;

 

 

 

 

 

∑

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

k =1

 

(2k -1)2

 

 

 

2)

Докажем, что ряд сходится равномерно по признаку Вейерштрасса

 

cos (2k -1) x

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

£

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

∑

 

 

 

 

 

- сходится по признаку сравнения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k -1)2

 

 

 

(2k -1)2

 

 

(2k

-

1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

4

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π -

 

∑

cos (2k -1) x

 

 

сходится равномерно на

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

k =1

 

(2k -1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = π

 

 

4

 

∞

 

 

cos (2k -1) x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-

∑

;

 

0 £ x £ π

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

k =1

 

 

 

 

(2k -1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) Подставим 0; x = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 = π -

4

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

(2k -1)2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

=

π

 

 

 

 

4 ∑

 

1

 

 

 

 

 

 

 

=

 

π ;

∑

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

π

k =1

(2k -1)2

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

k =1

(2k -1)2

 

8

 

 

4) Sn ( f , x) =

a0

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ ∑ak cos kx + bk sin kx - частичная сумма порядка n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

= π ; S

 

= π -

4

cos x; S

 

( x) = S ( x)

 

 

 

 

0

 

2

 

1

 

 

2

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S3

= π -

4

cos x -

4

 

cos 3x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чем больше номер частичной суммы, тем лучше она приближает функцию

94

Ряд Фурье для функции произвольного периода

 

Пусть f ( x)

имеет период T = 2l

 

 

 

 

 

 

 

Замена t = π x ;

 

(-l £ x £ l )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t Î[-π ;π ]; x =

l ×t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l ×t

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x) =

f

 

 

= ϕ (t ) - 2π - периодическая функция

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ϕ (t )

a0

 

 

 

∞

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

∞

 

cos π nx + bn

sin π nx

 

+ ∑ an cos nt + bn sin nt =

+ ∑an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n=1

 

l

l

 

 

 

1

 

 

 

π

ϕ (t )cos ntdt =

1

 

π

l

π x

 

 

π nx

 

an

=

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

∫

 

×

 

∫ ϕ

 

 

×cos

 

dx

 

 

π

π

l

 

 

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−l

l

 

 

 

l

 

t = π x ; dt = π dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x) имеет период T = 2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f ( x)

a0

 

 

∞

π nx + bn sin

π nx

 

 

 

 

 

 

 

+

∑an cos

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

n=1

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

=

 

1

 

l

 

f

(t )dt;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

l −∫l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

=

1

l

 

f

(t )×cos π nt dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

l −∫l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

=

1

l

 

f

(t )×sin π nt dt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

l −∫l

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

95

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]