
- •§ 1 Понятие числового ряда.
- •§ 2 Числовые ряды с положительными
- •2. Второй признак сравнения (предельный)
- •3. Признак Даламбера.
- •4. Признак Коши (радикальный)
- •§ 3 Знакопеременные ряды.
- •2. Элементы функциональных рядов.
- •§ 1. Определение функционального ряда
- •§ 2 Степенные ряды.
- •§ 3. Ряд тейлора. Приложения степенных
- •3. Ряды фурье
- •§ 1. Вводные замечания
- •§ 2. Теорема единственности. Ряд фурье.
- •§ 3. Ряд фурье для чётных и нечётных функций.
- •§ 4. Ряд фурье для функции с произвольным
- •§ 5 Ряд фурье в комплексной форме.
- •§ 6. Приложения рядов фурье.
- •1. Задача о колебании струны.
- •§ 7 Преобразование фурье.
- •1 Интеграл Фурье
- •6. Приложения преобразований Фурье.
- •§ 1. Понятие числового ряда ………………………………… 3
§ 4. Ряд фурье для функции с произвольным
ПЕРИОДОМ.
Мы видели, что ряды вида
(1)
являются
хорошим аналитическим аппаратом для
представ- ления функций, заданных на
промежутке длины
.
Рассмотрим
теперь функции
заданные на отрезке длины
.
Пусть для определённости речь идёт
о функции
заданной и дифференцируемой на
отрезке
По- ложим
Тогда
будет заданной и дифференцируемой
уже на отрезке
Значит, к
применима теория, изложен -ная выше,
и потому при
будет
Положим
в этом равенстве
.
Тогда
для
получаем равенство
.
(2)
В
точках
сумма ряда равна
.
Остановимся на коэффициентах ряда (2). Например,
.
Подстановка
даёт
Аналогично,
Что
касается функций, заданных и
дифференцируемых на отрезке
то они допускают бесчисленное
множество разложений вида (2). В
частности, их можно разлагать по
косинусам и по синусам. Последнее
разложение имеет вид
,
где
(3)
ПРИМЕРЫ.
Найти разложение в ряд Фурье функции:
2
-2
0 2
Рис. 9
Найдём
коэффициенты Фурье.
тогда
Для
первого интеграла применим формулу
интегрирования по частям;
Для
первого интеграла применим формулу
интегрирования
по частям;
Следовательно,
на промежутке
ряд Фурье имеет вид
Найти ряд Фурье для чётной функции:
3
-3
0 3 6
Рис. 10
,
функция чётная, поэтому
.
Найдём остальные коэффициенты ряда,
учитывая, что при
Тогда
получаем:
Разложить функцию
в неполный ряд Фурье по
.
Дополним график функции нечётным образом.
1
-2
-1 0 1 2
-1
Рис. 11
В
данном примере
.
Коэффициенты
находим по формуле:
Второй интеграл снова интегрируем по частям:
Тогда:
§ 5 Ряд фурье в комплексной форме.
Пусть
дан ряд Фурье для функции
на отрезке
:
(1)
с коэффициентами
(2)
Обратимся к формуле Эйлера:
Отсюда
.
(3)
Используя формулы (3), получаем;
.
Подставим данные выражения в ряд (1)
Полученный ряд и является рядом Фурье в комплексной форме. При этом коэффициенты данного ряда вычисляются по формулам:
аналогично,
Такие
же формулы можно получить, преобразовав
ряд Фурье для случая произвольного
промежутка
:
,
(4) где
Или
Очевидно, что ряд Фурье в комплексной форме имеет более компактный вид.
В электротехнике и радиотехнике элементы ряда Фурье в комплексной форме
называются
гармониками,
коэффициенты
-комплексными
амплитудами,
-волновыми
числами
функции
.
ПРИМЕР. Построить ряд Фурье в комплексной форме для функции:
Для
данной функции
.
1
-2
-1 0 1 2 3
Рис. 12
При
,
для второго интеграла
При
Следовательно,
для всех точек непрерывности функции
имеет место равенство: