Скачиваний:
10
Добавлен:
10.12.2019
Размер:
74.85 Кб
Скачать

Fourier Series vs. Fourier Sine Series vs. Fourier Cosine Series

Find the Fourier series, the Fourier Sine series, and the Fourier Cosine series representations of the following function and sketch the functions to which the three series converges.

0, 0 ≤ x ≤ 1

f (x) =

x, 1 < x < 2

2

 

 

f (x)

 

 

1

 

 

0

 

 

0

1

2

 

x

 

 

Fourier Series

 

 

For 0 < x < 2, set

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

nπx

nπx

 

f (x) = F (x) =

 

 

 

 

i ,

2

+ n=1 han cos L + bn sin

L

where

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b − a

 

2 − 0

 

 

 

 

 

L =

=

= 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

The Fourier coe cients are calculated as follows.

 

1

 

b

 

1

 

2

1

2

3

a0 =

Za

f (x) dx

=

Z0

f (x) dx = Z0

0 dx + Z1

x dx = 0 +

 

 

 

L

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Za

b

 

nπx

 

 

 

 

1

Z0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an =

f (x) cos

dx =

f (x) cos(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

L

 

1

 

=

Z0

1

0 · cos(nπx) dx + Z1

2 x · cos(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integrate by parts:

u = x,

dv = cos(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

0 +

 

x sin(nπx) 1

 

Z1

 

sin(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

[2 sin(2nπ) − sin(nπ)] +

 

cos(nπx) 1

 

 

 

 

n2π2

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

n

 

=

 

 

[0 − 0]

[cos(2nπ) − cos(nπ)] =

− (−1)

 

since cos(2nπ) = 1

 

n2π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(nπ) = (−1)n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

=

1 − (−1)n

 

n = 1, 2, . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

Za

b

(x) sin

nπx

 

 

 

 

 

1

 

Z0

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn =

 

 

f

 

 

 

dx

=

 

 

 

f (x) sin(nπx) dx

 

 

 

 

L

 

L

1

 

 

 

=

Z0

1

0 · sin(nπx) dx + Z1

2 x · sin(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

integrate by parts: u = x,

dv = sin(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

1

 

 

2

 

1

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

0 −

 

 

x cos(nπx) 1

+

 

 

Z1

 

cos(nπx) dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

[2 cos(2nπ) − cos(nπ)] +

 

sin(nπx) 1

 

 

 

 

 

n2π2

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

− (−1)

n

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

[2

− (−1)

 

] +

 

 

[sin(2nπ) − sin(nπ)] =

 

 

 

+ 0

 

n2π2

 

 

 

bn = −

2 − (−1)n

n = 1, 2, . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then,

 

 

 

 

 

a0

 

nπx

 

 

nπx

 

 

f (x) =

F (x) =

 

+ n=1 han cos

+ bn sin

i

for 0 < x < 2

2

L

 

L

 

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

1

− (−1)n

 

 

 

2 − (−1)n

sin(nπx)

=

+ n=1

 

 

 

4

n2π2

cos(nπx)

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

4

+ π n=1 n "

1

cos(nπx) − [ 2 − (−1)n ] sin(nπx)#

0 < x < 2

 

3

1

1

 

− (−1)n

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier Series representation of f(x)

2

 

 

 

 

 

 

F(x)

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

-3

-2

-1

0

1

2

3

 

 

 

x

 

 

 

Fourier Sine Series

Odd extension of f(x)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

f0(x) =

x,

−2 < x < 1

fo(x)1

 

 

 

 

 

0, −1 ≤ x ≤ 1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x,

1 < x < 2

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

-1

0

1

2

 

 

 

 

 

 

x

 

 

Note that f (x) is defined on the interval [0,2), whereas fo(x) (the odd extension of f (x)) is defined on the interval (-2,2). The Fourier Sine series of f (x) on the interval [0,2) is equivalent to the Fourier series of fo(x) on the interval (-2,2). In this case, we have L = 2 and an = 0 for all n = 0, 1, 2, . . ..

For 0 < x < 2, set

nπx

 

 

f (x) = FS (x) = n=1 bn sin

,

with L = 2.

L

X

 

 

 

The Fourier coe cients are calculated as follows.

bn

=

 

L Z0

L

f (x) sin

L

dx

=

2

 

Z0

2

 

f (x) sin

 

2

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

Z0

1

0 · sin

2

 

 

 

 

 

 

 

2

x · sin

 

 

2

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx + Z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

nπx

 

2

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

0 − x cos

 

 

 

1

 

 

 

 

integrate by parts:

 

 

u = x,

dv = sin

 

dx

 

 

=

 

2

+ Z1

cos

 

2

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

+

 

n2π2

sin

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos(nπ) − cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

h

 

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

h2(−1)

− cos

 

i +

 

 

hsin(nπ) − sin

 

 

 

i

 

 

 

 

2

n2π2

2

 

 

 

 

 

=

2

h2(−1)n − cos

i +

 

 

4

 

 

h0 − sin

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

n2π2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn

=

 

 

2

 

2(−1)n − cos

 

+

 

2

 

sin

 

 

 

 

n = 1, 2, . . .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

Then,

 

nπx

 

 

f (x) = FS (x) =

n=1 bn sin

 

for 0 < x < 2

L

 

X

 

 

 

f (x) =

 

2 1

2(−1)n − cos

 

2

 

 

sin

 

nπx

 

0 < x < 2

π n=1 n

2

+ sin

2

2

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier Sine Series representation of f(x)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FS (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

Fourier Cosine Series

Even extension of f(x)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

−x,

−2 < x < 1

fe(x)

 

 

 

 

fe(x) =

0, −1 ≤ x ≤ 1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x,

1 < x < 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

-2

-1

0

1

2

 

 

 

 

 

 

x

 

 

Note that f (x) is defined on the interval [0,2), whereas fe(x) (the even extension of f (x)) is defined on the

interval (-2,2). The Fourier Cosine series of f (x) on the interval [0,2) is equivalent to the Fourier

series of fe(x) on the interval (-2,2). In this case, we have L = 2 and bn = 0 for all n = 1, 2, . . ..

 

For 0 < x < 2, set

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

nπx

 

 

 

 

 

f (x) = FC (x) =

+ n=1 an cos

with L = 2.

 

 

 

 

2

L ,

 

 

 

 

 

 

X

 

 

 

 

The Fourier coe cients are calculated as follows.

 

 

 

 

2

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

3

 

 

 

a0 =

Z0

 

f (x) dx

=

 

Z0

f (x) dx = Z0

0 dx + Z1

x dx = 0 +

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

=

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

=

 

 

 

 

 

 

 

 

L

f (x) cos

L

 

dx

 

=

 

2

 

2

f (x) cos

 

2

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

L Z0

 

 

 

 

Z0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

1

0 · cos

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

x · cos

 

 

2

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Z0

 

2 dx + Z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

2

 

 

 

 

 

nπx

 

 

 

 

 

 

=

 

 

= cos

2

 

 

 

 

 

 

0 + x sin

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

integrate by parts:

 

u

 

 

 

x,

dv

 

 

 

 

 

dx

 

 

=

 

2

 

 

Z1

sin

 

2

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

nπx

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

cos

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2 sin(nπ) − sin

2

 

i

 

n2π2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

h0 − sin

 

 

 

i +

 

 

hcos(nπ) − cos

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

n2π2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

2

 

 

sin

+

 

 

4

 

h(−1)n − cos

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

n2π2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

=

 

 

 

 

 

 

(−1)n − cos

 

 

 

 

− sin

 

 

 

 

n = 1, 2, . . .

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

Then,

 

a0

nπx

 

 

f (x) = FC (x) =

+ n=1 an cos

 

for 0 < x < 2

2

L

 

 

X

 

 

 

f (x) =

3

+

2 1

2

(−1)n − cos

 

− sin

 

cos

 

nπx

 

0 < x < 2

4

π n=1 n

2

2

2

 

 

 

X

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier Cosine Series representation of f(x)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FC (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

Notice that all three series converge to f (x) over the interval (0, 2), except at the point of discontinuity. However, the convergence of the three series di er outside of this interval.

Соседние файлы в папке 2кр ряды фурье