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

Higher Mathematics. Part 3

.pdf
Скачиваний:
201
Добавлен:
19.02.2016
Размер:
6.95 Mб
Скачать

 

2

 

 

2

 

cos nπ

 

2

 

sin nx

 

π

1

π

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

−π

 

 

 

+

 

x

 

 

 

sin nxdx

=

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

n

 

n

 

n

 

0

n

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

π2

 

n+1

 

 

2

 

π

 

 

2π

(1)

n+1

 

4

(1)

n

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

n (1)

 

 

+

 

 

cos nx

 

=

 

 

 

+

 

 

π

 

 

n3

 

n

 

πn3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

(1)n+1 sin nx +

 

(1)n 1 sin nx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

n

 

 

 

 

n=1

πn3

 

 

 

 

1 .

.

If п is even number then (1)n 1 = 0 .

Therefore

 

sin x

 

sin 2x

 

sin 3x

 

 

8 sin x

 

sin 3x

 

 

 

sin 5x

 

f (x) = 2π

 

 

 

 

 

 

+

 

 

...

 

 

 

 

 

+

 

 

 

+

 

 

 

+ ... .

 

1

 

2

 

 

 

3

 

3

 

3

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

1

 

 

3

 

 

 

 

 

5

 

This equality is fulfilled for

x [0;

π] ,

except point

x = π,

in which the

sum of series equals 0, but

f (π) = π2 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 5. Expand function

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

1, if

x (1; 0],

( f (x + 2)

= f (x)

 

(Fig. 3.6)) in Fourier series.

 

x (0; 1),

 

 

2x, if

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

у

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

О

 

π

 

 

x

 

 

 

 

 

–1

О

1

2

 

 

3

 

х

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 3.5

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 3.6

 

 

 

 

 

 

 

Solution. Function f (x) is piecewise monotone and periodic with period

2l = 2 . Therefore we can expand it in Fourier series. We find Fourier coefficients by formulas (3.13):

0

1

0

1

a0 = (1)dx + 2xdx = − x

+ x2

= −1+ 1 = 0;

1

0

1

0

81

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nπx

 

0

 

 

 

 

an

 

= (1) cos nπxdx + 2x cos nπxdx = −

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπ

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nπx

 

1

 

 

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin nπxdx =

 

 

 

 

 

 

 

cos nπx

=

 

 

 

 

 

 

 

nπ

 

 

 

 

0

 

nπ

n

2

π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

((1)

 

1)

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

 

 

if

n = 2k,

=

 

 

(cos nπ − 1) =

 

 

 

 

 

n

=

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

, if n = 2k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2

π2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k 1)

2

π

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos nπx

 

 

 

 

 

 

 

bn

= (1) sin nπxdx + 2x sin nπxdx =

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

nπ

 

 

 

 

 

1

 

 

cos nπx

 

1

 

 

1

 

 

 

 

cos nπx dx =

 

1

(1(1)n )

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2x

 

 

 

2

 

 

cos nπ +

 

 

 

nπ

 

 

 

 

 

 

 

nπ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

nπ

 

 

 

 

nπ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

,

 

 

 

if

 

n = 2k,

 

 

 

 

 

 

sin nπx

 

1

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

k

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+2

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

(1

3(1)

 

) =

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n2π2

 

 

 

 

nπ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(2k 1)π , if n = 2k 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Therefore Fourier series looks like

 

4

 

 

1

 

f (x) =

 

 

 

cos(2k 1)πx

sin 2kπx +

(

)

2

 

 

k =1

 

π2

k =1 kπ

 

2k 1

 

4

+k=1 (2k 1)π sin(2k 1) πx.

Sum of Fourier series S(x) is

f (x), if x (1+ 2k; 2k) (2k; 1

+ 2k),

 

0,5, if x = 2k,

k Z.

S(x) =

 

0,5, if x = −1+ 2k,

 

 

 

1;

0 +

Example 6. Expand function (Fig. 3.7, а) in Fourier series on segment [1; 4] . Solution. Let’s write the given function analytically:

 

1, if

x [1;3),

f (x) =

4 x, if

x [3;4].

 

Let’s extend this function periodically with a period T = 2l = 3 . For calculation of Fourier coefficients we’ll use formulas (3.14). To simplify a calculation let’s consider a new function f1 (x) :

82

f1

 

1, if

x [0;3),

(Fig.3.7, b).

(x) =

4 x, if

x [3;4]

 

 

 

 

 

On the segment [1; 4]

 

the function

 

 

f1 (x)

 

coincides with the function

 

f (x) .

 

 

Let’s extend

f1 (x)

on the interval [4; 0) in an odd way (Fig. 3.7, c).

 

 

y

 

 

 

 

 

y = f(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

y = f1(x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

y = f1(x)

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О 1

 

 

3 4

 

 

x

 

 

 

 

О 1

 

 

 

 

3 4

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

–4

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

3 4

 

 

 

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

–1

c

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig. 3.7

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

On the segment [4; 4]

 

this new function is odd and its Fourier series does

not contain cosines: a0

= an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= 0 . That is f (x) = bn sin πnx , l = 4 .

 

 

 

 

 

 

 

Let’s find bn :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n=1

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 4

 

 

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

1

3

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

bn

=

 

 

 

 

f1 (x) sin

 

 

 

 

 

 

 

 

dx =

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

dx +

(4 x) sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 0

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 cos

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 cos

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

4

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

4

 

 

 

4

4

 

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

+ (4 x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

cos

 

 

 

 

 

 

dx

=

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

4

cos

3πn

1

 

 

4

 

 

 

 

 

3πn

 

 

 

 

16

 

sin πnx

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

+

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

π

n

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

4

 

 

 

 

 

3πn

 

 

 

 

4

 

 

 

 

3πn

 

 

 

16

 

 

 

 

 

 

3πn

 

 

1

 

4

 

 

 

 

 

16

 

 

 

3πn

=

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

1

+

 

 

 

 

 

 

 

cos

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

.

2

 

 

 

4

 

 

πn

 

 

4

 

 

π

2

n

2

4

 

2

πn

 

 

π

2

n

2

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

Therefore Fourier series is

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

8

 

 

 

 

 

 

3πn

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

sin

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

π

2

n

2

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This equality is fulfilled for all

x [4; 0) (0; 4] .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

83

Micromodule 3

CLASS AND HOME ASSIGNMENTS

 

Expand the given

 

2π -periodic functions defined on interval

 

(−π; π) in

Fourier series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3, if

 

x (−π;0),

 

 

 

 

1. f (x) = x.

 

 

 

 

 

2. f (x) = 1+

x

.

 

 

 

 

 

 

 

3. f (x) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [0;

 

π).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, if

 

 

 

 

 

 

 

Expand

the

given 2π -periodic

 

function

 

in

Fourier

series

 

f (x) = x ,

x (0; 2 π],

f (x + 2π) = f (x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Expand the given functions defined on interval (0; π) in cosine series:

 

 

 

 

5. f (x) = x

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, if

 

x (0;π / 2),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. f (x) =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0, if x [π / 2; π).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Expand the function

 

f (x) = π

x

 

defined on interval (0; π) in sine series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Expand the functions in Fourier series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

 

 

 

1, if

x [1; 0),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9. f (x) =

0, if

x [3;1),

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

 

x [0; 1).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x [1;3].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1, if

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x, if

 

 

 

 

 

 

10. Expand the function

 

 

f (x) = 2x defined on interval (0; 2)

 

in cosine

series.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Answers

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin kx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2x

 

 

 

sin 3x

 

 

 

 

sin 4x

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

sin(2k 1)x

 

 

1. 2(1)k

+1

.

2.1 + sin x

+

 

 

+ ….

3.

 

1

.

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

π

k =1

2k 1

 

 

 

 

 

 

sin kx

 

 

 

 

π2

 

 

 

 

 

 

 

 

coskx

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

cos(2k 1)x

 

 

 

sin 2kx

 

 

4. π − 2

 

 

 

.

5.

 

 

+ 4(1)k

 

 

 

 

 

 

.

 

6.

 

 

 

+

 

 

 

 

(1)k +1

 

 

 

 

 

 

. 7.

 

 

.

 

k

 

 

3

 

 

k

2

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

2k 1

 

 

2k

 

 

 

 

k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k 1

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

4

sin(2k 1)π x

 

 

 

 

 

2

 

1

 

 

 

3

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

9

 

 

 

 

n

 

 

πn

 

 

πnx

 

 

1

 

 

8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

9.

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

sin

 

 

 

+

 

 

 

 

 

 

 

 

(1)

 

 

cos

 

 

cos

 

 

+

×

 

 

 

 

2k 1

 

 

 

3

 

 

 

 

πn

3

π

2

n

2

 

 

 

 

3

 

 

π k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 n=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

3 n=1

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

9

 

 

 

πn

 

 

 

πnx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

 

cos

π(2k 1)x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

×

 

 

 

3(1)

 

+ cos

 

+

 

 

 

 

sin

 

 

 

sin

 

 

 

 

 

. 10.

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3

π

2

n

2

 

3

 

 

3

 

 

 

π

2

 

 

 

(2k 1)

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

πn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Micromodule 3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SELF-TEST ASSIGNMENTS

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1. Expand 2π -periodic function f (x) defined on interval (−π; π)

 

in Fourier

series. Sketch the graph of Fourier series sum.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

84

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

if x (−π; 0),

3.1.1. f (x) =

 

 

 

 

x [0; π).

 

x 1, if

 

0,

 

if

x (−π; 0),

3.1.3. f (x) =

 

 

 

 

 

x [0; π).

 

x + 2, if

 

3.1.5.

0,

 

if

x (−π; 0),

f (x) =

 

 

 

 

x [0; π).

 

x / 2, if

3.1.7.

3 x, if

x (−π; 0),

f (x) =

 

1,

 

if

 

x [0;π).

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

if

 

x (−π; 0),

3.1.9. f (x) =

 

 

 

 

 

x [0;π).

 

4x 3, if

3.1.11.

f (x) =

 

 

1,

if

x (−π; 0),

 

 

 

 

 

 

x [0;π).

 

 

2x 5, if

3.1.13.

f (x) =

 

 

1,

if

x (−π; 0),

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π − 2x, if x [0; π).

3.1.15.

f (x) =

 

 

 

0,

if

x (−π; 0),

 

 

 

 

 

 

x [0;π).

 

 

12x, if

3.1.17.

f (x) =

 

 

 

0,

if

x (−π; 0),

 

 

 

 

 

 

x [0;π).

 

 

4 2x, if

3.1.19.

f (x) =

 

 

 

0,

if

x (−π; 0),

 

 

 

 

 

 

x [0;π).

 

 

6x 5, if

 

 

 

 

 

0,

if

x (−π; 0),

3.1.21.

f (x) =

 

π

 

 

 

 

 

 

x, if

x [0; π).

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.23.

f (x) =

 

 

 

0,

if

x (−π; 0),

 

 

 

 

 

 

x [0; π).

 

 

2x 3, if

 

 

 

 

 

0,

 

if

x (−π; 0),

3.1.25.

f (x) =

 

π

 

 

 

 

 

 

+ 2x, if x [0; π).

 

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.2.

2x, if

 

x (−π; 0),

f (x) =

 

if

 

x [0;π).

 

1,

 

3.1.4.

1x, if

x (−π; 0),

f (x) =

 

 

 

if

x [0; π).

 

1,

 

 

 

 

0,

 

if

x (−π; 0),

3.1.6. f (x) =

 

 

 

 

 

 

x [0;π).

 

2x + 3, if

3.1.8.

 

0,

 

if

x (−π; 0),

f (x) =

 

 

 

 

 

x [0; π).

 

x 2, if

3.1.10.

f (x) =

4 x, if

x (−π; 0),

 

1,

 

if

x [0; π).

 

 

 

 

3.1.12.

f (x) =

3 2x, if

x (−π; 0),

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

3.1.14.

f (x) =

5x + 1, if

x (−π; 0),

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

3.1.16.

f (x) =

3x + 2, if

x (−π; 0),

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

3.1.18.

f (x) =

x + π, if

x (−π; 0),

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

3.1.20.

f (x) =

π − 2x, if x (−π; 0),

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

3.1.22.

f (x) =

π + x, if

x (−π; 0),

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

 

 

π

2x, if

x (−π; 0),

3.1.24.

f (x) =

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

x (−π; 0),

3.1.26.

f (x) =

1

 

 

, if

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,

 

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

85

 

 

 

0,

if

x (−π; 0),

 

1+ 2x, if

x (−π; 0),

3.1.27.

 

 

 

 

 

3.1.28.

 

 

 

 

f (x) = x

1, if

x [0;π).

f (x) =

0,

if

x [0;π).

 

 

 

 

 

 

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.29.

 

 

0,

if

x (−π; 0),

3.1.30.

13x, if

x (−π; 0),

f (x) =

 

 

 

 

f (x) =

0,

if

x [0;π).

 

3x 5, if x [0; π).

 

 

3.2.Expand the function f (x) defined on segment [0;l] : а) in sine series;

b)in cosine series.

 

x

for x [0;1),

3.2.1. f (x) =

 

for x [1;2].

 

2

 

x 1 for x [0;2),

3.2.3. f (x) =

1

for x [2;4].

 

 

3.2.5.

1x

for x [0;1),

f (x) =

1

for x [1;2].

 

x

3.2.7.

2 x

for x [0;2),

f (x) =

0

 

for x [2;3].

 

 

 

3.2.9.

x 1

for x [0;1),

f (x) =

0

 

for x [1;4].

 

 

 

 

 

x

for x [0;1),

3.2.11.

f (x) =

 

 

for x [1;2],

1

 

 

 

 

for x (2;3].

 

 

2

3.2.13. f (x) =

2 x

for x [0; 4].

 

 

 

x

 

for x [0;1),

3.2.15.

f (x) =

 

1

 

for x [1;2],

 

 

 

 

3 x

for x (2;3].

 

 

 

 

 

 

3.2.17.

f (x) =

2 x for x [0;1),

 

1

 

for x [1;4].

 

 

 

 

 

 

 

0

 

for x [0;1),

3.2.19.

f (x) =

 

 

 

 

x 2 for x [1;2],

 

 

3 x

for x (2;3].

 

 

 

 

 

 

86

 

 

1

 

for x [0;2),

3.2.2. f (x) =

 

 

 

for x [2;3].

 

3 x

3.2.4.

1

 

for x [0;1),

f (x) =

x

for x [1;3].

 

2

3.2.6.

2

 

for x [0;2),

f (x) =

 

 

for x [2;5].

 

1

3.2.8.

 

x

 

for x [0;1),

f (x) =

x

for x [1;2].

 

2

3.2.10.

f (x) =

0

 

for x [0;2),

 

 

x

for x [2;4].

 

 

2

 

 

x

for x [0;1),

3.2.12.

f (x) =

 

1

for x [1; 2],

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 for x (2;3].

3.2.14.

f (x) = x

 

for x [0;6].

 

 

1

x

for x [0;1),

3.2.16.

f (x) =

 

 

0

 

for x [1; 2],

 

 

 

 

 

 

 

2

for x (2;3].

 

 

x

3.2.18.

f (x) =

x

for x [0;1),

 

 

2

for x [1;2].

 

 

x

 

 

 

 

1

for x [0;1),

3.2.20.

f (x) =

 

 

 

 

 

2 x for x [1; 2],

 

 

 

 

0

 

for x (2;3].

 

 

 

 

 

3.2.21. f (x)

3.2.23. f (x)

3.2.25. f (x)

3.2.27. f (x)

3.2.29. f (x)

1 for x [0;1),

=x 2 for x [1;2].

2 for x [0;1),

=1 for x [1;2],0 for x (2;3].

1

for x [0;1),

 

x

for x [1;2],

=

 

2

for x (2;3].

 

= x 3

for x [0;6].

= 2

for x [0; 2),

3

for x [2; 3].

3.2.22.

2 for x [0; 2),

f (x) =

1

for x [2;4].

 

 

 

1

for x [0;1),

3.2.24.

 

0

for x [1;3],

f (x) =

 

 

2

for x (3; 4].

 

 

 

x

for x [0;1),

3.2.26.

 

0

for x [1;3],

f (x) =

 

 

 

for x (3;4].

 

x

3.2.28.

f (x) = − x

for x [0;4].

3.2.30.

f (x) = 3

for x [0; 3),

 

1

for x [3; 5].

Micromodule 4

BASIC THEORETICAL INFORMATION. FOURIER INTEGRAL

Fourier integral. Fourier integral for odd and even functions. Complex form of Fourier integral. Fourier transformation.

Key words: amplitude spectrum — амплітудний спектр, phase spectrum —

фазовий спектр, Fourier cosine-transform — косинус-перетворення Фур’є, Fourier sine-transform — синус-перетворення Фур’є, wave numbers — хви-

льові числа, spectrum density — спектральна щільність.

Literature: [9, chapter 9, §4], [14, chapter 3, §5], [15, chapter 13, part 13.5], [16, chapter 17, §12–14], [17, chapter 6, §22].

4.1. Fourier Integral. Fourier Transformation

Any piecewise monotone function f (x) defined on interval (a; b) may be represented as a Fourier series. Fourier integral is the analog of Fourier series for functions defined on (−∞; ) .

Suppose a non-periodic function f (x) defined on (−∞; )

obeys all con-

ditions of Dirichlet’s theorem on any finite segment [l; l] . Let

f (x) be abso-

lutely integrable. That is,

 

 

 

f (x)

 

dx < ∞ .

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

87

Then we can expand this function in Fourier series (3.12) on a segment [l; l] . If we substitute values of coefficients obtained in (3.13), we receive

 

1

l

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

f (t)dt + 1

f (t)(cosωnt cosωn x + sin ωnt sin ωn x)dt =

2l

 

l

 

 

 

 

 

 

l

n=1

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

l

 

 

 

 

1

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

f (t)dt +

f (t)cosωn (t x)dt.

(4.1)

 

 

 

2l

l

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

n=1

l

 

 

 

 

 

 

 

Here ω = πn ( n = 1, 2,... ) are the wave numbers of a function

f (x) .

n

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let’s denote

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ω

− ω

= Δω

n

( n = 1, 2,... ).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n+1

 

n

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Then formula (4.1) will be

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

l

 

 

 

 

1

l

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

f (t)dt +

f (t)cosωn (t x)dt π ,

 

 

 

2l

 

 

or

 

 

 

l

 

 

 

 

π n=1

l

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

l

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

f (t)dt +

 

f

(t)cosω (t x)dt Δω .

 

 

 

 

 

 

 

 

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

n

 

 

 

l

 

 

 

 

 

π n=1

 

l

 

 

 

 

 

 

 

Let’s consider a limit as l → ∞ . The first term tends to zero because

 

 

 

 

1

 

 

l

 

 

 

 

 

 

1

 

l

 

 

 

 

M

 

 

 

 

lim

 

f (t)dt lim

 

 

f (t)

 

dt < lim

= 0.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

l→∞

2l

l

 

 

l

→∞

2l l

 

 

 

 

l→∞

2l

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let’s denote

Then

l

ϕ(ωn ) =

l

f (

f (t)cosωn (t x)dt.

 

1 lim

 

x) =

ϕ(ωn )Δωn .

(4.2)

 

π l→∞ n=1

 

The right side of formula (4.2) is the integral sum of the function

l

ϕ(ω) = f (t)cosω(t x)dt, ω (0; ).

l

Suppose l → ∞ Δωn 0, that is, wave numbers ωn get all possible values from 0 to +∞ . Then point spectrum is continuous. Formula (4.2) looks like

f (x) 1 ϕ( )d

= π 0 ω ω

88

or

 

1

∞ ∞

 

 

f (x) =

 

∫ ∫

f (t) cos ω(t x)dt dω.

(4.3)

 

 

π 0 −∞

 

 

Definition. Formula (4.3) is called a Fourier formula. The right side of it is

called Fourier integral of a function f (x) .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

This formula is true for all points of continuity of a function f (x) . If

x0 is a

point of discontinuity then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 ∞ ∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x + 0) + f (x 0)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (t) cos ω(t x)dt dω =

 

 

0

 

0

 

.

 

 

 

 

 

 

 

π

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

0

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Let’s write Fourier integral as

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

 

 

 

f (t) cos(ωt − ωx)dt dω =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

0 −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

f (t)(cos ωt cos ωx

+ sin ωt sin ωx)dt dω =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

0 −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

 

 

 

 

 

 

 

f

(t) cos ωtdt cos ωxdω +

 

 

 

 

 

 

f (t) sin ωtdt sin

ωxdω.

 

π

0 −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

π

 

0 −∞

 

 

 

 

 

Let’s denote

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a(ω) =

f (t) cos ωtdt, b(ω) =

f (t) sin ωtdt,

 

 

(4.4)

 

 

 

 

 

π

 

π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) = (a(ω) cos ωx + b(ω) sin ωx)dω.

 

 

(4.5)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2. Fourier Integral for Odd and Even Functions

 

 

Suppose f (x)

is an even function then

f (t) cos ωt

is an even function too and

f (t) sin ωt

is an odd function.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Suppose f (x)

 

is an odd function then

 

 

f (t) cos ωt is an odd function too

and f (t) sin ωt

is an even function.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

89

In these cases formulas (4.4), (4.5) look like those in Table 4.1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Table 4.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Property of

f (x) is an even function

f (x)

is an odd function

a function f (x)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fourier integral

f (x) = a(ω) cos ωxdω

f (x) = b(ω) sin ωxdω

 

0

 

 

 

0

 

 

 

 

 

2

a(ω) = 0,

 

 

Fourier

a(ω) =

 

f (t) cos ωtdt ,

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

coefficients

 

π

0

b(ω) =

 

f (t) sin ωtdt

 

B(ω) = 0.

 

π

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.3. Complex Form of Fourier Integral.

Fourier Transformation

Suppose a function f (x) is presented by Fourier integral (4.5). We use formulas

cos ωx =

 

eiωx

+ eiωx

, sin ωx =

eiωx eiωx

.

 

 

 

2

 

 

 

 

 

2i

Then

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (x) =

 

F(ω)eiωx dω,

 

 

 

 

(4.6)

 

 

 

2π

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

where

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

F(ω) =

f (t)eiωt dt.

 

 

 

 

 

(4.7)

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

It follows from formulas (4.6) and (4.7) that

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

iωx

 

 

iωx

 

 

 

 

f (x) =

 

 

f (t)e

 

 

 

 

 

dω.

 

(4.8)

 

2π

 

 

 

 

 

dt e

 

 

 

 

 

 

 

 

−∞ −∞

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Definition. The right side of a formula (4.8) is called a Fourier integral in complex form for the function f (x) .

90

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]