Волков Интеграл и преобразование Фуре Учебно-методическое 2012
.pdf
Решение. Согласно (13) и (15), интегрируя по частям, имеем:
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
sin tx |
|
1 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
F (x) = |
|
|
|
|
|
|
t costx dt = |
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|||||||||||||
|
π ∫ |
|
|
|
π |
|
|
x |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
C |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|||||||||
1 |
sin tx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
sin tx |
|
|
|
|
|
costx |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
−∫ |
x |
dt |
|
= |
|
|
|
|
|
t |
|
|
x |
|
|
|
+ |
|
|
x |
2 |
|
|
|
|
|
= |
|||||||||||||
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
= |
|
|
2 sin x |
+ |
cos x −1 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
π |
|
|
x |
|
|
|
x |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
2 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
costx |
|
|
|
1 |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
F (x) = |
|
|
|
∫ |
t sin tx dt = |
|
|
|
|
|
|
|
−t |
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
+ |
||||||||||||||||
π |
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
S |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1 costx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
costx |
|
|
|
|
sin tx |
|
1 |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
+∫ |
x |
dt |
|
= |
|
|
|
|
|
|
−t |
|
|
x |
|
|
|
+ |
|
|
x |
2 |
|
|
= |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
π |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
sin x |
|
|
cos x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
− |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
π |
|
x |
2 |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
Пример 6. Найти функцию f (x) , если |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
+∞∫ f (t)sin tx dt = e−x (x > 0). |
|
|
|
|
|
(17) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Решение. Равенство (17) можно рассматривать как обратное си- нус-преобразование Фурье функции f (x) . Поэтому для поиска
f (x) можно воспользоваться прямым синус-преобразованием Фурье:
f(x) = 2 +∞∫e−t sin tx dt =
π0
|
2 |
+∞ |
|
|
= |
Im ∫et (ix−1) |
dt = |
||
π |
||||
|
|
|
||
|
|
0 |
|
11
|
2 |
|
|
t (ix−1) |
|
+∞ |
|
|
2 |
|
|
1 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
= |
|
e |
|
|
|
|
= |
|
= |
|||||||||||
|
|
|
Im |
|
|
|
|
|
|
|
Im |
|
|
|
|
|||||
π |
|
|
|
|
|
π |
|
|
||||||||||||
|
ix −1 |
|
0 |
|
|
|
|
|
1 |
−ix |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
2 |
1+ix |
|
|
= |
2 |
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
Im |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
x ≥ 0 . |
||||||
|
π |
|
|
π |
1+ x2 |
|
||||||||||||||
|
|
1+ x2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
Пример 7. Найти функцию f (x) , если
1 |
+∞∫ f (t)eitx dt = e−ax (x > 0, a > 0). |
(18) |
|
2π |
|||
−∞ |
|
Решение. Равенство (18) можно рассматривать как обратное преобразование Фурье функции f (x) . Поэтому для поиска f (x)
можно воспользоваться прямым преобразованием Фурье с учетом замечания 3 (с. 6):
f (x) = +∞∫e−at e−itx dt =
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
= +∞∫e−t (a+ix) dt = |
e−t (a+ix) |
|
|
+∞ = |
||||||||||||||||||||
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
−(a +ix) |
||||||||||||||||||||||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
= |
|
|
|
|
1 |
= |
a −ix |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
a +ix |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
a2 + x2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Пример 8. Найти функцию f (x) , если |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
1 |
+∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
sin |
|
x |
|
, |
|
|
x |
|
|
|
≤π; |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
∫ |
|
|
itx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
π |
f (t)e |
|
|
|
|
|
dt = |
|
|
x |
|
> π. |
|||||||||||||
−∞ |
|
|
|
|
|
|
|
|
0, |
|
|
|
|||||||||||||
Решение. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) = 1 |
∫π sin |
|
t |
|
|
e−itx dt = ∫π sin t costx dt = |
|||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
2 |
−π |
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
=1 ∫π[sin t (1+ x) +sin t (1− x)] dt = 2 0
12
|
= |
1 |
cost(x −1) |
− |
cost(x +1) |
|
|
π |
|
= |
|
||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
2 |
|
x −1 |
|
x +1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
= |
1 |
−cos πx −1 |
− |
−cos πx −1 |
= |
|
||||||||||||||
|
2 |
|
x −1 |
|
|
x +1 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
= |
1+cos πx 1 |
− |
|
|
|
1 |
= |
1+cos πx |
. |
||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
− x |
2 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
x +1 |
|
|
|
x −1 |
|
|
|
|
|||||||||||
§ 3. ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ
Представить интегралом Фурье следующие функции.
|
|
1, |
|
|
|
|
|
x |
|
<1; |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
1. |
f (x) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
>1. |
|
|
|
||||||||||
|
|
0, |
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
h |
1− |
|
|
|
|
|
, |
x |
|
≤ a; |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
2. |
f (x) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
> a. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
3. |
f (x) = |
|
1 |
|
|
|
|
|
, |
|
|
|
a > 0 . |
||||||||
a2 |
+ x2 |
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
4. |
f (x) = e−α |
|
x |
|
|
cosβx , α > 0 . |
|||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||
5. |
f (x) = xe−x2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Найти преобразование Фурье следующих функций. 6. f (x) = e−α x , α > 0 .
7. f (x) = e−x2 /2 cos αx .
13
8. Найти косинус- и синус-преобразование Фурье функции
|
−1 ≤ x ≤ − |
1 |
|
||||||
−1, |
|
|
; |
||||||
2 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|||
|
− |
< x < |
; |
||||||
f (x) = 0, |
2 |
2 |
|||||||
|
1 |
|
|
|
|||||
|
≤ x ≤1. |
|
|
|
|
||||
1, |
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|||
9. Найти функцию f (x) , если выполняется равенство
+∞∫ f ( y)cos xy dy = |
1 |
|
, |
x ≥ 0 . |
1+ x |
2 |
|||
0 |
|
|
|
Ответы
1.f (x) = 2 +∞∫ sin t costx dt .
π 0 t
2.f (x) = 2h +∞∫1−costa costx dt . πa t2
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
3. |
f (x) = |
1 +∞∫e−at costx dt . |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
a |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
α +∞ |
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
||||
4. |
f (x) = |
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
|
|
costx dt . |
|
π |
(t −β) |
2 |
+α |
2 |
(t |
+β) |
2 |
+α |
2 |
||||||
|
|
∫0 |
|
|
|
|
|
|
|||||||
5. |
f (x) = |
|
1 |
+∞∫te−t2 /4 sin tx dt . |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
2 |
π |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6.F (x) = 2 α .
πx2 +α2
7.F (x) = e−( x2 +α2 )/2 ch αx .
8. |
F (x) = |
2 |
sin x −sin(x / 2) , |
F (x) = |
2 |
cos(x / 2) −cos x . |
|
|
|||||
|
C |
π |
x |
S |
π |
x |
|
|
|
||||
9. |
f (x) =e−x , |
x ≥ 0 . |
|
|
|
|
14
СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1.Демидович Б.П. Сборник задач и упражнений по математическому анализу. М.: Наука, 1990.
2.Сборник задач по математике для втузов. Специальные разделы математического анализа / Под ред. А.В. Ефимова, Б.П. Демидовича. М.: Наука, 1981.
15
СОДЕРЖАНИЕ
§ 1. |
Интеграл и преобразование Фурье. |
|
Синус- и косинус-преобразования Фурье............................................ |
3 |
|
§ 2. |
Примеры........................................................................................... |
8 |
§ 3. |
Задачи для самостоятельного решения....................................... |
13 |
Список рекомендуемой литературы................................................... |
15 |
|
16
