1.5 Разложение в ряд Фурье непериодической функции
Пусть функция f(x) задана на отрезке [a, b] и является на этом отрезке кусочно–монотонной. Рассмотрим произвольную периодическую кусочно–монотонную функцию f1(x) c периодом 2Т , совпадающую с функцией f(x) на отрезке [a, b].
Таким образом, функция f(x) была дополнена. Теперь функция f1(x) разлагается в ряд Фурье.
Сумма этого ряда во всех точках отрезка [a,b] совпадает с функцией f(x), т.е. можно считать, что функция f(x) разложена в ряд Фурье на отрезке [a,b].
Таким
образом, если функция f(x)
задана на отрезке, равном
ничем не отличается от разложения в ряд
периодической функции. Если же отрезок,
на котором задана функция, меньше,
чем
,
то функция продолжается на интервал
(b,
a
+
)
так, что условия разложимости в ряд
Фурье сохранялись.
Замечание Продолжение заданной функции на отрезок (интервал) длиной может быть произведено бесконечным количеством способов, поэтому суммы получившихся рядов будут различны, но они будут совпадать с заданной функцией f(x) на отрезке [a,b].
1.6 Ряд Фурье для четных и нечетных функций
Отметим следующие свойства четных и нечетных функций:
Лемма1
1) 
Доказательство
можно получить из интерпретации интеграла как площади для четной и нечетной функции
Лемма 2 Произведение двух четных и нечетных функций является четной функцией.
Лемма 3 Произведение четной и нечетной функций – нечетная функция.
Справедливость этих свойств может быть легко доказана исходя из определения четности и нечетности функций.
Функция
- четная функция , если
-
четная, то
- четная, а
- нечетная.
Если f(x) – четная периодическая функция с периодом , удовлетворяющая условиям разложимости в ряд Фурье, то можно записать:
Таким образом, для четной функции ряд Фурье записывается:
Аналогично получаем разложение в ряд Фурье для нечетной функции:
.
Пример. Разложить в ряд Фурье периодическую функцию
с
периодом T
=
на отрезке
.
Решение
Заданная функция является нечетной, следовательно, коэффициенты Фурье ищем в виде:
Получаем:
.
Построим графики заданной функции и ее разложения в ряд Фурье, ограничившись первыми четырьмя членами ряда.
1.7 Ряды Фурье для функций любого периода
Предположим, что функция f задана в промежутке [-l,l], где l -- некоторое положительное число. Сделав подстановку
получим функцию
,определенную
в промежутке
Функции g соответствует (формальный) ряд Фурье
коэффициенты которого находятся по формулам Эйлера -- Фурье:
Возвращаясь к
старой переменной, т.е. полагая в
выписанных формулах
,мы
получим для функции f
тригонометрический ряд несколько
измененного вида:
где
Ряд Фурье для функции f(x) периода Т = 2l, непрерывной или имеющей конечное число точек разрыва первого рода на отрезке [-l, l] .
Для четной функции произвольного периода разложение в ряд Фурье имеет вид:
Для нечетной функции:
Замечание. Если непериодическая кусочно-гладкая функция
задана
лишь в интервале
,
ее тоже можно разложить в ряд Фурье.
Полученный ряд будет сходиться на всей
числовой оси, но к функции
только
в тех точках интервала
,
в которых функция
непрерывна.
Суммой ряда будет периодическое продолжение функции на всю ось Ox. А в точках разрыва сумма ряда будет равна среднему арифметическому правого и левого пределов периодического продолжения данной функции.
В
случае, когда
задана
на произвольном интервале (a;
b),
обозначим
,
зададим конкретное значение функции
на одном из концов интервала (например,
при x
= b)
и продолжим данную функцию периодически,
с периодом T
= 2L
на всю числовую ось. Полученная функция
будет удовлетворять условиям теоремы
Дирихле.
Коэффициенты ряда Фурье в этом случае можно определить следующим образом:
|
|
тогда ряд Фурье принимает вид
|
Пример. Разложить функцию
в
ряд Фурье в интервале (2;
6).
Решение
Данная
функция является кусочно-монотонной и
непрерывной в заданном интервале.
Доопределим ее
и
продолжим функцию
,
заданную для
периодически,
с периодом T
= 2L = 4
на всю числовую ось. Полученная функция
будет удовлетворять условиям теоремы
Дирихле.
Коэффициенты ряда Фурье можно определить следующим образом:
;
;
;
Тогда ряд Фурье
для данной функции имеет вид:
.
Полученный
ряд будет сходиться на всей числовой
оси, но к функции
только
в точках
.
Суммой ряда
будет
периодическое продолжение функции
на
всю ось Ox.
А в точках разрыва сумма ряда
,
где
-
точки разрыва функции
.
Ответ:
.
Пример Разложить в ряд Фурье функцию с периодом 2π, если
в
интервале
,
продолжив ее на интервале
четным
или нечетным образом.
Решение
Найдём разложение функции в ряд Фурье для различных продолжений исходной функции:
а)
доопределим функцию
на
интервале
.
Полученная функция будет четной.
Продолжим её периодически, с периодом
T
= 2L = 2π
на всю числовую ось. В результате
полученная функция будет удовлетворять
условиям теоремы Дирихле.
Таким образом, для полученной четной функции:
;
;
Отличны
от нуля только коэффициенты с нечетными
индексами
.
Тогда ряд Фурье для данной функции имеет вид:
.
Найденное
разложение имеет место при всех значениях
,
однако ряд, стоящий справа, сходится
при всех x.
Суммой ряда
будет
периодическое продолжение функции
на
всю ось Ox
.
Ответ:
;
б)
аналогично предыдущему случаю строим
нечетное, 2π
- периодическое продолжение исходной
функции. Доопределим функцию
на
интервале
.
Положим для простоты
.
Коэффициенты Фурье:
;
.
Для
всех x
= π + 2πn
.
Тогда ряд Фурье для данной функции имеет вид:
.
Найденное разложение имеет место при всех значениях , однако ряд, стоящий справа, сходится при всех x. Суммой ряда будет периодическое продолжение функции на всю ось Ox. А в точках разрыва сумма ряда
,
где - точки разрыва функции .
Ответ: .