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

Higher_Mathematics_Part_3

.pdf
Скачиваний:
304
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
9.11 Mб
Скачать

Definition. A function F(ω) presented by formula (4.7), is called Fourier transformation for the function f (x) . Formula (4.6) gives inverse Fourier transformation for the function F(ω) .

A function f (t) is called an original and a function F(ω) is called its

transform.

Fourier formula (4.5) can be written in symmetric form :

1) if a function

f (x)

is even then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

π

F

 

(ω) cos ωxdω,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

FC (ω) =

 

 

 

 

f (t) cos ωtdt;

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

f (x)

is odd then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) if a function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

f (x) =

π

F (ω) sin ωxdω,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

S

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

FS (ω) =

 

 

 

f (t) sin ωtdt.

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Definition. A function FC (ω)

is called Fourier cosine-transform and FS (ω)

is called Fourier sine-transform of a function f (x) .

Definition. Functions

F(ω) ,

FC (ω) ,

FS (ω) are called spectrum density of a

function f (x).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We can write a complex function F(ω) as

F(ω) = F(ω) eiϕ(ω) , − ∞ < ω < ∞ .

Definition. A modulus of spectrum density A (ω) = F(ω) is called an

amplitude spectrum and an argument of a conjugate function ϕ(ω) = arg F(ω) is called a phase spectrum of a function f (x) . They give an amplitude and a phase of a fluctuation with a frequency ω correspondently.

91

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Fourier transformation is used for many tasks solution in mathematical physics, electronics, digital processing of signals and so on.

Micromodule 4

EXAMPLES OF PROBLEMS SOLUTION

Write a function f (x) as a Fourier integral. Find the spectrum density, amplitude and a phase spectrum of a function f (x) . Sketch the graphs of a function f (x) , an amplitude and a phase spectrum.

 

e2x , if

x 0,

Example 1.

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

0, if

x < 0.

 

 

 

 

 

Solution. Fig. 4.1 gives the graph of the function f (x) . Let’s prove this function to be absolutely integrable:

0

 

e

2x

 

A

 

 

 

f (x)

 

dx = 0 dx + e2xdx = lim

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

−∞

 

 

 

−∞

0

A→∞

 

0

 

 

 

 

Let’s find the spectrum density using formula (4.7)

= 12 < ∞ .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(ω) = f (t)eiωt dt = e2t eiωt dt = e(2+iω)t dt =

−∞

 

0

 

 

 

 

 

0

 

=

lim

e(2+iω)t

 

A

=

 

1

 

=

2 iω

.

 

 

 

 

 

 

4 + ω2

 

A→∞ (2 + iω)

0

 

2

+ iω

 

 

We substitute the value of spectrum density in formula (4.6) and get the expansion of the given function in Fourier integral

 

1

2 iω

 

f (x) =

eiωx dω.

2π

2

 

−∞ 4 + ω

This equality is fulfilled for all real x except x = 0 . For x = 0 the following formula is true:

1

2 iω

 

1

 

eiωx dω =

.

2π

2

2

−∞ 4 + ω

 

 

Let’s find the amplitude and the phase spectrum:

F(ω) =

 

F(ω)

 

earg F (ω) ,

 

F(ω)

 

=

 

2 iω

 

 

2 iω

 

 

=

1

,

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 + ω2

4 + ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 + ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

92

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

 

 

 

2

 

ω

 

1

 

 

ω

arg F(ω) = arctg

−ω /(4 + ω )

= − arctg

, F(ω) =

 

ei arctg

2 ,

2 /(4 + ω2 )

2

4 + ω2

 

 

 

 

 

 

A(ω) = F(ω) =

 

1

is the amplitude spectrum (Fig. 4.2),

 

 

 

 

 

 

4 + ω2

ϕ(ω) = arg F(ω) = arctg ω2 is the phase spectrum (Fig. 4.3)

f(x)

 

А(ω)

 

φ(ω)

 

 

 

π/2

 

1

 

 

 

0,5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

ω

 

х

 

 

ω

 

 

О

 

 

О

–π/2

 

Fig. 4.1

 

 

Fig. 4.2

 

Fig. 4.3

 

Example 2.

 

sin x, if

| x |≤ π,

 

 

 

f (x) =

 

 

 

0, if

| x |> 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Solution. The given function is absolutely integrable, bounded and piecewise monotone on a finite segment (Fig. 4.4). Therefore we can expand it in Fourier

integral. The function f (x) is odd. Then we find its Fourier sine-transform:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F (ω) =

 

π

f (t) sin

ωtdt =

 

π

sin t sin ωtdt =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

2

(cos(1− ω)t cos(1+ ω)t ) dt =

1

 

 

 

sin(1− ω)t

 

 

 

 

sin(1+ ω)t

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

2

 

 

π

 

 

2π

 

 

 

1

− ω

 

1+ ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

1

 

sin(1− ω)π

 

 

sin(1+ ω)π

1

 

 

sin ωπ

 

 

 

sin ωπ

 

2 sin ωπ

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

= =

 

 

 

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

1− ω

 

 

1+ ω

 

 

 

 

 

 

 

1

− ω

 

 

1+ ω

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

π 1− ω

 

where ω ≠ 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

For ω = 1 we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F

(1) =

 

2

π sin2 tdt =

1

 

2

π (1cos 2t)dt

=

1

 

 

 

2

t

sin 2t

 

 

π

=

 

 

π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

S

 

 

 

 

π 0

 

 

 

 

 

2 π 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 π

 

 

 

 

2

 

0

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Furthermore,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lim

F (1) =

 

2

 

lim

sin ωπ

=

 

2

 

lim π cos ωπ =

 

2

 

−π =

π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω→1

S

 

ω→1 1− ω2

 

 

 

ω→1

 

 

 

2ω

 

 

 

 

 

π −2

2

 

 

 

 

 

93

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

That is, Fourier sine-transform

FS (ω) is a continuous function on [0; )

(Fig. 4.5).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The expansion of the given function in Fourier integral looks like

 

 

 

 

 

2

 

sin ωπ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

sin ωxdω.

 

 

 

 

 

 

 

π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1− ω

 

 

 

 

 

 

 

 

This equality is fulfilled for all real x .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

FS(ω)

 

 

 

 

 

 

f(x)

 

 

 

 

 

 

π

1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

1 − ω2

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–π

О

π х

 

 

 

 

1 2

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

–1

 

 

 

 

 

 

О

3 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 4.4

 

 

 

 

 

 

Fig. 4.5

 

 

 

 

 

Let’s find the amplitude and the phase spectrum:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

if

 

sin ωπ

> 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

A(ω) =

 

FS (ω)

 

 

2

 

sin ωπ

 

 

 

 

 

 

 

1− ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

, ϕ(ω) =

 

 

sin ωπ

 

 

 

 

 

π

 

1− ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π,if

< 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1− ω

 

 

 

Let’s consider the graphs of functions

A(ω), ϕ(ω)

(Fig. 4.6 and 4.7).

А(ω)

 

 

 

 

 

 

 

 

φ(ω)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О 1

 

3 4

 

 

ω

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2 3 4 5 ω

 

 

Fig. 4.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 4.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Micromodule 4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

CLASS AND HOME ASSIGNMENTS

 

 

 

Write a function f (x)

as Fourier integral. Find the spectrum density,

amplitude and the phase spectrum of a function f (x).

 

Sketch the graphs of a

function f (x), amplitude and phase spectrum.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

94

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

x, if

| x |1,

cos πx, if | x |0,5,

1. f (x) =

| x |> 1.

2. f (x) =

0, if

0, if | x |> 0,5.

3. Find the amplitude and the phase spectrum of the function

1, if 1 x 2,

 

 

 

 

f (x) =

 

x < 1 або x > 2.

0, if

4. Find Fourier transformation of the function

cos(x / 2), if

| x |≤ π,

f (x) =

0,

if

| x |> 0.

 

5. Write the function f (x) as a Fourier integral

x, if

0 x < 1,

 

 

f (x) = 1, if 1 x < 2,

 

x 2.

0, if

Answers

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

sin2 ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2sin2 ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.

 

f (x) =

 

 

 

 

 

2

 

cos ωxdω, x R, FC (ω) = A(ω) =

 

 

 

2

 

,

ϕ(ω) = 0.

 

 

2. f (x) =

 

 

 

π

 

 

ω

2

 

 

π

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

,

якщо ω ≠ π,

 

 

 

 

 

 

 

cos 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

=

2

 

 

 

 

cos ωxdω,

 

x R, FC (ω) =

 

 

 

 

π

 

− ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A(ω) =

2π

 

 

 

,

π2

− ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π2 − ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

 

 

якщо ω = π,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, якщо

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π2 − ω2

3. A(ω) =

2

 

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

3ω

 

 

 

4.

F(ω) =

 

1

 

 

 

4cos πω

 

ϕ(ω) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

, ϕ(ω) =

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos

ω

 

 

ω

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

1 4ω2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π, якщо

 

 

 

 

 

 

 

< 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

2

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

sin ω

 

 

cos 2ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin ωxdω.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

2

 

 

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

ω

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

95

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Micromodule 4

SELF-TEST ASSIGNMENTS

Write a function f (x) as Fourier integral.

0, if x 0,

1.f (x) = sin x, if 0 < x < π,0, x ≥ π.if

0, if x 0,

3.f (x) = cos, if 0 < x < π,0, if x ≥ π.

 

2, if

0 < x < 3,

5.

 

1, if

x = 3,

f (x) =

 

 

 

x > 3.

 

0, if

 

 

0,

if x < 0,

7.

 

1x, if 0 x 1,

f (x) =

 

 

0,

if x > 1.

 

 

 

0, if

x < 0,

9.

 

 

 

f (x) = x, if 0 x 1,

 

 

 

x > 1.

 

0, if

 

 

 

 

 

1+ x, if 1 < x < 0,

2.

 

 

 

f (x) = 1x, if 0 x < 1,

 

 

0, if | x |1.

 

 

 

0, if

x < −1,

4.

 

1, if

1 x 0,

f (x) =

 

 

 

x > 0.

 

0, if

 

4, if

0 < x < 2,

6.

 

 

x = 2,

f (x) = 2, if

 

 

 

x > 2.

 

0, if

 

 

0,

if x < 0,

8.

 

πx, if 0 x 1,

f (x) =

 

 

0,

if x > 1.

 

 

 

 

6, if

0 < x < 4,

10. f (x) =

 

x = 4,

3, if

 

 

 

x > 4.

 

 

0, if

Find the Fourier sine-transform of the function f (x) .

11. f (x)

13. f (x)

15. f (x)

 

0 x 2,

 

 

x, if

0 x 1,

1, if

12.

f (x) =

=

x > 2.

 

x > 1.

0, if

 

0, if

2, if 0 x 3,

14.

2x, if 0 x 1,

=

x > 3.

f (x) =

 

x > 1.

0, if

 

0, if

2x + 1, if 0 x 1,

16.

x 1, if 0 x 2,

=

x > 1.

f (x) =

 

x > 2.

0, if

 

0, if

Find the Fourier cosine-transform of the function f (x) .

 

 

0 x 4,

 

 

x, if

0 x 1,

17.

1, if

18.

f (x) =

f (x) =

x > 4.

 

x > 1.

 

0, if

 

0, if

96

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

19. f (x)

21.f (x)

23.f (x)

2, if

0 x 2,

=

x > 2.

0, if

 

 

sin x, if 0 x ≤ π,

=

x > π.

0, if

1,

if 0 x 1,

=2 x, if 1 < x < 2,0, if x 2.

20.

x + 1, if

0 x 1,

f (x) =

0, if

x > 1.

 

 

=ex , if 0 x 1,

22.f (x)

0, if x > 1.

2, if 0 x 1,

24.f (x) = 3 x,if 1 < x < 3,0, if x 3.

Find the amplitude and the phase spectrum of the function f (x).

 

0, if

x < 0,

25.

f (x) = 1, if

0 ≤ x ≤ 2,

 

0, if

x > 2.

 

0, if

x ≤ 1,

27.

f (x) = 1, if

1 < x ≤ 2,

 

0, if

x > 2.

 

0, if

x < 2,

29.

f (x) = 1, if

2 ≤ x ≤ 3,

 

0, if

x > 3.

 

0, if

x < 0,

26.

f (x) = 2, if

0 ≤ x ≤1,

 

0, if

x >1.

 

0, if

x <1,

28.

f (x) = 2, if

1 ≤ x ≤ 3,

 

0, if

x > 3.

 

0, if

x < 4,

30.

f (x) = 3, if

4 ≤ x ≤ 5,

 

0, if

x > 5.

97

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Моdule

2

MULTIPLE INTEGRALS. LINE AND SURFACE INTEGRALS.

FIELD THEORY

MODULE STRUCTURE

Micromodule 5. Double integral. Principal concepts and definitions. Conditions of the existence and properties of calculation. Change of variable in double integral. Application of double integrals.

Micromodule 6. Triple Integrals. Principal concepts and definitions. Conditions of the existence and properties. Cylindrical and Spherical coordinates. Change of variable in double integral. Application of double integrals.

Micromodule 7. Line integrals of the first and second type. Properties and evaluation. Green’s formula. Conditions for a line integral being pathindependent. Integration of total differentials. Application.

Micromodule 8. Surface integrals of the first and of the second type. Properties and evaluation. Gauss — Ostrogradsky’s formula. Stokes formula.

Micromodule 9. Field theory. Scalar and vector fields. Gradient of a scalar field. Directional derivative. Flux, circulation, divergence, rotation of the vector field. Gauss — Ostrogradsky’s formula. Stokes’ formula. Hamiltonian operator. Potential, solenoidal, harmonic fields. Differential operations of the first and second orders.

Micromodule 5

BASIC THEORETICAL INFORMATION. DOUBLE INTEGRALS

Double integral. Principal concepts and definitions. Conditions of the existence and properties of calculation. Change of variable in double integral. Application of double integrals.

Key words: double integral — подвійний інтеграл; integral sum — інтегральна сума; iterated (repeated) integral — повторний інтеграл, directrix — директриса, generatrices — твірні, nonhomogeneous material plate — неод-

норідна матеріальна пластина, mass of a planar figure — маса плоскої фігури; moment of inertia — момент інерції; static moment of inertia — статичний момент інерції.

Literature: [3, chapter 2, section 2.3], [9, chapter 10, § 1], [15, chapter 12, п. 12.1], [16, chapter 14, § 1—10], [17, chapter 2, § 7].

98

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

5.1. Problem Leading to the Concept of Double Integral

In this chapter we shall discuss the main problems connected with the integration of functions of two variables. The definitions and results obtained can be extended functions of three and more variables.

a) Problem of computing the volume of a cylindrical body

Let a body in space be bounded from above by the graph of a continuous and nonnegative function z = f (x, y), which is defined in the domain D,

from the sides by a cylindrical surface whose directrix is the boundary of the domain D and whose generatrices are parallel to the z-axis, and from below by the domain D lying in the ху-plane. A body of this shape is a curvilinear cylinder (Fig. 5.1).

 

z

 

 

Δδi

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z = z(f(x, y))

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f(Pi)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Si

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

Pi

 

D

 

Fig. 5.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

A domain D is called the base of the cylindrical body. This is the orthogonal projection on the ху-plane of the surface that bounds the cylindrical body. We have closed bounded domain D. We denote the volume of the cylindrical body

by V. Let’s find volume V.

Now we break the base D of the cylindrical body into n nonintersecting

squarable domains Di ,

(i = 1, 2, ...n) of arbitrary shape such that they have no

common internal points. We call them partial domains or regions. Let their areas

be Si , i = 1, 2...n.

 

 

In every regions Di

we take arbitrary points

Pi (ξi ,ηi ) . Find the value of a

function at these points

f (Pi ) = f (ξi , ηi ).

 

We can consider the volume Vi of each Di

to be approximately equal to

f (ξi , ηi ) Si

= Vi . It is the volume of cylindrical pillar, where its generatrix is a

parallel to the

z — axis, the base is Di and the altitude h = f (Pi ). There exists

n pieces of pillars.

 

 

Then the volume of the whole cylinder is to be approximately equal to the sum

99

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

n

n

 

Vn = Vi = f (ξi , ηi ) Si

(5.1)

i=1

i=1

 

It is intuitively clear that Vn V.

The diameter λ(D) of a bounded closed domain D is the largest distance between two points of a boundary of this domain. Let denote λ as the largest diameter of Di ,

 

 

 

 

 

 

λ = max λ(Di )

 

 

 

 

 

(5.2)

 

 

 

 

 

 

 

1in

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then the volume V is a limit, as λ → 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V = limVn

= lim

f (ξi , ηi ) Si .

 

 

 

 

(5.3)

 

 

 

 

 

 

λ →0

λ →0

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b) Problem of computing the mass of a plate

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

Let’s

consider,

on the

xy

plane, a

 

 

 

 

nonhomogeneous material plate. A domain D

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

has the mass m. γ(x,

y) is the density. Proceeding

 

 

 

 

 

 

 

from the density γ(x, y), we calculate the mass

 

 

 

 

Pi

 

m of the plate assuming that

γ(x,

y)

is a

 

 

 

 

Di

 

continuous function.

divide

D

into

n

parts

 

 

 

 

 

 

 

We

arbitrarily

 

 

 

 

D

 

Di , i = 1, 2, ...n, so that they have no common

 

 

 

 

 

 

x

internal points. The masses of the subdomains

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

are mi .

Their areas are equal to

Si .

In each

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 5.2

 

region Di we arbitrarily take a point Pi (ξi , ηi ).

 

 

 

 

 

 

 

Find density at the points γ(ξi , ηi ).

 

 

 

We may consider the mass

mi of each Di to be approximately equal to

γ(ξi , ηi ) Si = mi .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The mass m of the whole plate is approximately equal to the sum

 

 

 

 

 

 

 

 

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

mn

= mi =γ(ξi , ηi ) Si ,

 

 

 

 

 

(5.4)

 

 

 

 

 

 

i=1

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

which is the integral sum for the continuous function γ(x, y)

in the domain D.

Passing to the limit, as λ → 0,

we shall evidently get the exact value of the mass

of the plate

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

m = lim mn

= lim γ(ξi , ηi ) Si .

 

(5.5)

 

λ →0

 

λ →0

i=1

 

 

 

 

 

 

 

 

100

 

 

 

 

 

 

http://vk.com/studentu_tk, http://studentu.tk/

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]