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

Examples of orthogonal functions:

1) system of functions

1, sin x, cos x, sin 2x, cos 2x, sin 3x, cos 3x, , sin nx, cos nx,

is orthogonal on a segment [−π; π] ; 2) systems of functions

1, cos x, cos 2x, cos 3x, , cos nx,

and

sin x, sin 2x, sin 3x, , sin nx,

are orthogonal on a segment [0; π] ; 3) system of functions

1, sin πlx , cos πlx , sin 2πl x , cos 2πl x , , sin nπl x , cos nπl x ,

is orthogonal on a segment [l; l] ; 4) systems of functions

1, cos πlx , cos lx , …, cos lx , …

and

sin πlx , sin 2πl x , , sin nπl x ,

are orthogonal on a segment [0; l] .

Let’s calculate the coefficients of trigonometric series (3.2). We integrate both sides of equality (3.2) from −π to π to calculate a0 .

π

Therefore,

Then

π

a0

π

π

 

f (x)dx =

 

dx + an cos nxdx + bn sin nxdx .

2

n=1

 

π

 

 

π

 

 

cos nxdx = 0;

sin nxdx = 0.

 

π

 

 

π

 

 

π

f (x)dx = π a0 .

− π

 

 

1

π

 

a0

=

f (x)dx .

(3.8)

 

 

 

π − π

 

To compute ak we multiply both sides of equality (3.2) by cos kx and integrate both sides from −π to π. To compute bk we multiply both sides of equality (3.2) by sin kx and integrate both sides from −π to π.

71

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

We receive

 

 

1

π

 

 

ak

=

f (x)cos kxdx,

(3.9)

π

 

 

− π

 

 

 

 

1

π

 

 

bk

=

 

f (x)sin kxdx.

(3.10)

 

 

 

π − π

 

 

Definition. The coefficients

a0 ,

an , bn obtained by formulas (3.8), (3.9) and

(3.10) are called Fourier coefficients. Trigonometric series with these coefficients is called Fourier series.

 

For integrable function f (x)

on a segment [−π; π] we write:

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

f (x) ~

 

+ (an cos nx + bn sin nx).

(3.11)

 

 

 

 

 

 

2

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The sign

(~) denotes that Fourier series corresponds the function f (x)

integrable on a segment [−π; π] .

 

 

 

 

 

 

 

Let’s consider sufficient conditions for representation of a function

f (x) by

Fourier series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Theorem

(Dirichlet’s). Suppose Dirichlet’s conditions are fulfilled for

 

1) f (x)

2π-periodic function f (x) on segment [−π; π] :

 

 

is a piecewise continuous (continuous or has finite number of

 

finite discontinuities),

 

 

 

 

 

 

 

2) f (x)

is a piecewise monotone.

 

 

 

 

 

Then Fourier series of a function f (x) is convergent everywhere and its

 

sum S(x) has the following properties:

 

 

 

 

 

1) S(x) = f (x) at points of continuity f (x) , that is

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

+ (an cos nx + bn sin nx) ;

 

 

 

 

 

 

2) if x0

2

 

 

n=1

 

 

 

f (x) ,

 

is a point of discontinuity of the first type of a function

 

then

 

 

 

 

 

f (x0 0) + f (x0

+ 0)

 

 

 

 

 

S(x0 ) =

,

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3) at the end points x = −π,

x = π of a segment [−π; π]

 

 

 

S(−π) = S(π) =

f (−π + 0) + f (π − 0)

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

72

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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

Remarks.

1. For any integrable 2π-periodic function ϕ(x) the following equality is true

 

 

 

π

 

 

 

 

a+ 2π

 

 

 

 

 

ϕ(x)dx =

 

ϕ(x)dx .

 

 

 

− π

 

 

 

 

a

 

 

 

Therefore we can calculate Fourier coefficients by the formulas

a =

1

a+ 2π

f

(x)dx, a

 

=

1

a+ 2π f (x) cos nxdx ,

π

 

π

0

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

b

=

1

a+ 2π

f (x)sin nxdx,

 

 

π

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

where a is an arbitrary real number.

2. If Sn (x) is the n-th partial sum of Fourier series of a function f (x) then

f (x) Sn (x) = a0 + n (ak cos kx + bk sin kx). 2 k =1

3. Whereas an cos nx + bn sin nx = An sin(nx + ϕn ) then Fourier series of a

function

f (x) is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = A0 + (An sin(nx + ϕn )).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

Numbers

ωn = 0, 1, 2, ...

form

a discrete

spectrum of a function

f (x) ;

numbers

A

0

=

a0

, A

= a2

+ b2

( n = 1,

2,

3, ... ) form amplitude spectrum,

 

 

 

 

2

 

 

n

n

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

numbers ϕn = arctg

 

( n = 1,

2, 3, .... ) form phase spectrum of a function

f (x).

bn

4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nπ = 0,

cos nπ =

(

)

n ,

n = 0, 1, 2, ... .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

3.2. Fourier Series for Odd and Even Functions

If f (x) is either odd or even function we can simplify the calculation of Fourier coefficients. Fourier series for these functions are given in Table 3.1.

73

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

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 3.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Property of a function f (x)

f (x)

is an even function

f (x)

is an odd function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

Fourier series

 

+ an cos nx

 

bn sin nx

2

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

b = 0, a =

2

π f (x)dx ,

a = 0, a = 0,

 

 

 

n

 

0

π

 

0

 

n

 

 

 

 

 

 

Fourier coefficients

 

 

 

 

π

0

 

2 π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an =

2

f (x)cos nxdx

bn =

 

0

f (x)sin nxdx

 

π

 

π

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

3.3. Fourier Series for 2l-periodic Functions

It is possible to expand in Fourier series 2l-periodic functions (2l 2π). Suppose a function f (x) is defined on a segment [l; l] and has a period

2l ( l is an arbitrary positive real number). Suppose this function obeys all

conditions of Dirichlet’s theorem. Therefore Fourier series for

f (x) looks like

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πnx

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

f (x) =

 

+

an

cos

 

l

 

+ bn sin

 

l

,

 

(3.12)

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where Fourier coefficients are obtained by using the following formulas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 l

 

 

 

 

 

 

 

 

1 l

 

 

 

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

a =

 

l

f (x)dx,

 

a =

 

l

 

f (x)cos

l

 

dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.13)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 l

 

 

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

=

 

l

f (x) sin

 

 

 

l

 

dx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

We can obtain formulas (3.12), (3.13) for function

 

ϕ(t) using

formulas

(3.2), (3.8) — (3.10) and the connection between ϕ(t) and

 

f (x) .

 

 

x =

 

lt

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

lt

, t [−π;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, ϕ(t) = f (x) =

f

 

 

π].

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Remark. All theorems for Fourier series of 2π-periodic functions take place for Fourier series of 2l-periodic functions.

74

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

Fourier series and Fourier coefficients for even and odd functions defined on segment [l; l] are given in Table 3.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 3.2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Property of a

 

 

 

 

f (x)

 

is an even function

 

f (x)

is an odd function

function f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier series

 

 

 

 

 

 

+ an cos

 

 

 

bn sin πnx

 

 

 

 

 

 

2

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

n 1

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

b = 0, a =

2

l

f (x)dx,

 

 

a = 0, a = 0,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier

 

 

n

 

 

 

 

 

0

l 0

 

 

 

0

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

l

 

πnx

 

coefficients

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn

 

f (x)sin

dx

 

 

 

 

 

2

l

f (x) cos πnx dx

=

 

l

 

 

 

a

n

=

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

l

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.4. Fourier Series for Functions Defined on a Segment [0; l]

 

 

 

 

 

 

 

or on an Arbitrary Segment [a; b]

 

 

 

 

 

Suppose a function

 

f (x) is defined on a segment

[0; l] . Let’s extend this

function on an interval

(l; 0)

in arbitrary way and extend this function perio-

dically with period

2l . We can expand this function in Fourier series using

formulas (3.12), (3.13).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The most popular cases are:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. We extend a function

 

f (x) from a segment [0; l]

 

on interval

(l; 0) in

even way that is

f (x) = f (x) for

x (l; 0) (Fig. 3.1, а). Then we can consi-

der a function f (x)

as an even function on interval (l; l) . Therefore Fourier

series for this function contains only cosines.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. We extend a function

 

f (x)

from a segment [0; l]

 

on interval (l; 0) in

odd way that is

f (x) = − f (x)

for

x (l; 0) (Fig.

3.1, b). Then

we can

consider a function

f (x)

as an odd function on interval (l; l) . Therefore Fourier

series for this function contains only sines.

 

 

 

 

y у = f (x)

 

y у = f (x)

 

– l

O

l

x

– l O

l

x

 

a

 

 

 

b

 

 

 

 

Fig. 3.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

75

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

Suppose a piecewise monotone function f (x) is given on a segment [a; b],

where a < b.

Let’s consider a periodic extension of this function for all real axis

with period T = b a . That is we get a function f1 (x)

so that f1 (x) = f (x) for

x (a; b) and f1 (x + T ) = f1

(x) . We denote 2l = T = b a. Therefore l =

b a

.

 

The following equality is fulfilled for the function f1(x) :

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

a+ 2l

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1 (x)dx = f1 (x)dx = f (x)dx .

 

 

 

 

Then

 

 

l

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πnx

 

 

 

πnx

 

 

 

f1 (x) ~

 

 

 

 

+

an cos

 

 

l

 

+ bn sin

l

 

,

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where Fourier coefficients are obtained by formulas

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 b

 

 

 

 

 

 

 

 

1 b

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

a =

 

l

f

(x)dx,

 

a

=

 

l

f (x) cos

 

l

 

dx,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.14)

 

 

 

 

 

 

 

1 b

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

b

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

=

 

 

 

f (x) sin

 

 

dx

 

( l =

 

 

 

).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

l

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f1 (x) = f (x)

for x (a; b)

therefore the sum of Fourier series is equal to f (x)

at all points of continuity of segment [a; b] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.5. Complex Form of Fourier Series

Sometimes we use Fourier series in a complex form. We apply Euler’s formulas

cos nx =

einx + einx

, sin nx =

einx einx

.

2

2i

 

 

 

Then we can write Fourier series for 2π-periodic function f (x) as

 

 

n=∞

 

 

 

 

f (x) = cn einx .

 

(3.15)

 

 

n=−∞

 

 

Coefficients of this series are

 

 

 

 

 

π

 

 

cn = f (x)einx dx ( n = 0, ± 1, ± 2, ... ).

(3.16)

 

−π

 

76

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

Definition. An equality (3.15) is called a complex form of Fourier series of a function f (x) and numbers cn (3.16) are called the complex Fourier coefficients.

Micromodule 3

EXAMPLES OF PROBLEMS SOLUTION

Example 1. Expand 2π-periodic function

1, if

x [0; π],

f (x) =

2, if

x (−π;0),

 

( f (x + 2π) = f (x) ( Fig. 3.2)) into Fourier series.

 

у

 

 

 

2

 

 

–π

О

π

х

 

–1

 

 

Fig. 3.2

Solution. The given function is satisfied to all conditions of Dirichlet’s theorem. We can expand it in Fourier series. Let’s calculate coefficients a0 , an ,

bn using formulas (3.8) — (3.10). We get

 

 

 

 

 

 

1

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

1

 

 

 

 

0

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0

=

 

 

 

 

f (x)dx =

 

 

 

 

(1)dx +

 

 

 

 

 

x

 

+ 2x

 

 

 

= 1;

 

 

 

 

 

 

 

π −π

 

 

 

 

 

 

 

2dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π − π

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

π

 

 

 

 

−π

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

 

=

 

 

 

f (x) cos nxdx =

 

 

 

 

 

cos nxdx +

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

2 cos nxdx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

− π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π −π

 

 

 

π

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

sin nx

 

0

 

 

 

 

2 sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

−π

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

1 cosnx

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

1

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2cosnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn =

 

 

f (x)sin nxdx =

 

 

 

sin nxdx +

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

π

 

 

 

 

 

 

 

2sin nxdx

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π −π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

1

 

(cos 0 cos(−πn)

2cos πn + 2 cos 0) =

3(1(1)n )

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If we substitute values of coefficients a0 , an ,

bn

 

in formula (3.2) we get

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

3(1(1)n )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

sin nx.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

77

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

As

bn

 

0,

 

if

n = 2k,

 

6

 

 

 

=

,

if

n = 2k 1,

 

 

π(2k 1)

 

 

 

 

then expansion in Fourier series is

 

1

 

6

sin(2k 1)x

 

f (x) =

+

.

 

2

 

π k =1

2k 1

This equality is fulfilled for all points of continuity of the given function, that is for x ≠ πn . At points of discontinuity x = πn the sum of the series equals

arithmetic mean of one-sided limits at these points. Therefore S(πn) = 1+ 2 = 1 . 2 2

Remark. If f (x) = g(x) + C, is an odd function, C is a constant, then Fourier series for f (x) looks like

 

 

 

a0

 

 

f (x) =

+ bn sin nx.

 

 

 

 

 

2

n=1

Example 2. Expand 2π-periodic function

0, if

x (−π; 0),

( f (x + 2π) = f (x) (Fig. 3.3)) in Fourier series.

f (x) =

x [0; π],

x, if

 

 

 

Solution. The given function is piecewise monotone. Therefore it may be expanded in Fourier series. Let’s find Fourier coefficients for function f (x) :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

1 x2

 

 

 

π

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a0 =

 

 

 

 

0 dx

+

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

xdx

π 2

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π −π

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

π

 

 

 

 

 

an

=

 

 

 

 

0

cos nxdx +

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

x cos nxdx =

 

π

 

 

 

 

 

 

x cos nxdx

 

π

 

 

 

 

 

 

−π

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

u = x,

dv = cos nxdx

 

 

 

 

1

 

 

sin nx

 

 

π

 

π sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nx

 

=

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

du = dx,

v =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

(1)n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

cos nx

 

=

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πn2

 

 

 

0

 

 

πn2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

0

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

π

 

 

 

 

 

 

bn

=

 

 

 

 

0

sin nxdx +

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

x sin nxdx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x sin nxdx

 

π

 

 

 

 

 

 

π −π

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

78

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

 

 

 

u = x, dv = sin nxdx

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

cos nx

 

π

 

π cos nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos nx

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

dx

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

du = dx, v = −

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n+1 π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore Fourier series for the given function looks like

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos nx +

 

 

 

 

 

 

 

sin nx

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

πn

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

or

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x)

π

 

2

 

 

 

cos3x

 

 

 

 

cos5x

 

 

 

 

 

 

 

+

sin x

 

sin 2x

 

 

 

sin 3x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ …

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

− … .

4

 

π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

5

2

 

 

 

 

 

1

 

3

5

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

At all points of continuity of

 

 

 

f (x)

the sum of the series equals the value of

function

f (x) . At points of discontinuity

 

 

x = −π + 2πk, k Z

 

 

the sum of the

series equals

π .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x = 0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x), therefore

 

 

 

 

 

 

is a point of continuity of function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (0) =

π

2

 

1

+

 

1

 

 

+

 

1

 

+

 

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

π

 

 

2

 

 

2

 

 

 

5

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

But f (0) = 0,

then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

2 1

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0 =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+ …

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

5

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π 1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

+

1

 

 

+

 

 

 

1

 

 

 

+ …+

1

 

 

+ …=

π2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

 

32

 

 

 

52

 

 

n2

8

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conclusion. We can find the sum of numerical series using Fourier series. Example 3. Expand 2π -periodic function

f (x) = | x |, ( f (x + 2π) = f (x) (Fig. 3.4)) into Fourier series.

Solution. The given function is satisfied to all conditions of Dirichlet’s theorem. It is even function. Then Fourier series for this function looks like

 

a0

f (x) =

+ an cos nx .

 

2

n=1

79

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

Let’s find Fourier coefficients a0 and an (Table 3.1):

 

 

 

 

 

a

=

2 π

xdx =

 

2 x2

 

 

π

= π;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

π 2

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

sin nx

 

 

π

 

π sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

an

=

 

x cos nxdx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

π

 

 

 

x

 

 

n

 

 

 

 

 

 

 

n

dx

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

0

 

0

 

 

 

 

 

 

 

=

 

2 cos nx

 

π

=

 

2

 

 

 

((1)n 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

n2

 

 

0

πn2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

–2π –π О

π х

–2π –π О

π

х

Fig. 3.3 Fig. 3.4

That is Fourier series for the given function is

f (x) = π +

2

 

 

(1)

n

1

 

 

 

 

π

4

cos(2k 1)x

 

 

 

 

cos nx =

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

π n=1

n2

 

 

 

 

 

 

2

 

π k =1

(2k 1)2

 

 

π

 

4 cos x

 

 

cos 3x

 

 

cos 5x

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

+

 

 

 

 

+ … .

(3.17)

2

 

 

 

 

2

 

2

 

 

5

2

 

 

 

π

1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The given function f (x)

is continuous everywhere. Therefore formula (3.17) is

true for all x R .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 4. Expand function

 

f (x) = x2 ,

x [0; π]

in sine series.

 

Solution. Let’s extend

 

f (x)

in odd way on

 

[−π; 0) , and then extend it

periodically with period

2π on all numerical axis (Fig. 3.5). Function

f (x) is

odd on a segment [−π; π] . Therefore

a0 = an

= 0 . Let’s find a coefficient bn

2 π using formula bn = π 0

We get

b = 2 π x2

n π 0

f (x)sin nxdx .

 

2

 

2

 

cos nx

sin nxdx =

 

x

 

n

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

π

2

π

 

 

+

0

x cos nxdx

=

n

0

 

 

 

 

 

 

 

80

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]