- •Передмова
- •Розділ І. Лінійна та векторна алгебра
- •§1.1. Матриці, дії над матрицями
- •§1.2. Визначники
- •§1.3. Ранг матриці та способи його обчислення
- •§ 1.4. Обернена матриця
- •§1.5. Системи лінійних рівнянь
- •§1.6. Вектори
- •§1.7. Власні числа та власні вектора
- •§1.8. Квадратичні форми
- •Розділ ІІ. Аналітична геометрія
- •§2.1. Прямокутні координати в просторі. Основні задачі
- •§2.2. Пряма лінія на площині
- •§2.3. Криві лінії другого порядку
- •§ 2.4. Задачі економічного змісту
- •§ 2.5. Площина та пряма в просторі
- •§ 2.6. Нерівності та їх геометричний зміст
- •§ 2.7. Поверхні другого порядку
- •Розділ ІІІ. Вступ до математичного аналізу
- •§4.6. Деякі основні теореми диференційного числення
- •§4.7. Економічний зміст похідної. Еластичність
- •§4.8. Дослідження функцій та побудова їх графіків
- •§5.1. Основні поняття
- •§5.2. Екстремум функції двох змінних
- •§5.3. Метод найменших квадратів
- •Розділ VI. Інтегральне числення
- •§ 6.2. Методи інтегрування
- •§ 6.4. Інтегрування тригонометричних виразів
- •§ 6.5. Інтегрування виразів, що містять ірраціональність
- •§6.8. Геометричні застосування визначенних інтегралів
- •§ 6.10. Наближені обчислення визначеного інтеграла
- •§ 6.11. Невласні інтеграли. Інтеграл ЕйлераAПуассона
- •§ 6.12. Поняття про подвійний інтеграл
- •Розділ VIІ. Диференційні рівняння
- •§ 7.1. Рівняння з відокремленими змінними
- •§ 7.2. Однорідні диференційні рівняння
- •§ 7.3. Лінійне диференціальне рівняння першого порядку
- •Розділ VІІІ. Ряди
- •§ 8.2. Ознаки збіжності рядів з додатними членами
- •§ 8.3. Знакозмінні ряди. Абсолютна та умовна збіжність
- •§ 8.5. Розклад функцій в ряди Тейлора і Маклорена
- •§8.6. Застосування рядів до наближених обчислень
- •§8.7. Ряди Фур’є
- •Відповіді до задач та прикладів
- •Список використаної літератури
Розділ VIII. Ряди
§8.7. Ряди Фур’є
8.7.1. Розклад в ряди Фур’є функції з періодом 2$
Нехай f(x) — функція з періодом 2$ , що інтегрується на [ $;$]. Ряд виду:
a0 |
(a |
cos x b sin x) (a |
2 |
cos 2x b |
sin 2x) (a |
cos 3x b |
sin 3x) |
|
|||||||
2 |
1 |
1 |
2 |
3 |
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ (an cos nx bn sin nx) + ... |
|
|
|
(8.34) |
називається тригонометричним рядом функції f(x). Числа а1, а2, ... , аn, ..., b1, b2, b3, … , bn, … називаються коефіцієнтами тригонометрич, ного ряду. Цей ряд в скороченому вигляді може бути записаний так:
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a0 |
/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(an cos nx bn sin nx) . |
(8.34) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
||
Тригонометричний ряд називається також рядом Фур’є, коефіці+ |
|||||||||||||
єнти якого визначаються за формулами: |
|
||||||||||||
|
|
1 |
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|||
а = |
$ |
|
|
H |
f (x)dx ; |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
а = |
|
$ |
|
|
|
H |
f (x)cosnxdx |
(n = 1, 2, 3, ...); |
(8.35) |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
||
bn = |
1 |
|
$H f (x)sin nxdx |
(n = 1, 2, 3, ...). |
|
||||||||
$ |
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
При цьому пишуть так: |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a0 |
|
/ |
|
|
|
f(x) # |
|
(an cos nx bn sin nx). |
(8.36) |
|||||||||
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
n 1 |
|
|
Ряд Фур’є функції f(x) не завжди своєю сумою має f(x), якщо навіть збігається. Найпростішими достатніми ознаками розкладу функції в ряд Фур’є є:
539
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
1. Якщо функція f(x) з періодом 2$ має на відрізку [ $ ;$ ]
скінчене число точок розриву першого роду і абсолютно інтегрована на цьому відрізку, то ця функція розкладається в свій ряд Фур’є в кожній точці, в якій вона диференційовна.
2. Якщо функція з періодом 2$ задовольняє умовам Дірихле на відрізку [ $ ;$ ] (якщо цей відрізок може бути розбитий на скінчене
число частин так, що всередині кожної частини функція монотонна і обмежена), то ця функція розкладається в свій ряд Фур’є в кожній точці неперервності, якщо ж х — точка розриву, ряд Фур’є збігається до числа:
f (x 0) f (x 0) . 2
Ряд Фур’є парної функції, тобто f(x) = f(–x), не містить членів з синусами; цей ряд має вигляд:
|
|
|
|
|
a0 |
/ |
|
|
|
|
|
f(x) # |
an cos nx , |
(8.37) |
|
|
|
|
|
2 |
|||
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
2 |
$ |
|
|
|
|
де |
а = |
|
H |
f (x)dx ; |
|
|
|
$ |
|
|
|
||||
|
0 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
2 |
$ |
|
|
|
|
|
а = |
$ |
H |
f (x)cos nxdx , (n = 1, 2, 3, ...). |
|
||
|
|
|
|
||||
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
Ряд Фур’є непарної функції, тобто f(–x)= –f(x), не містить вільного члена і членів з косинусами; цей ряд має вигляд:
|
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
f(x) # bn sin nx , |
(8.38) |
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
2 |
$ |
|
|
де |
b = |
|
H |
f (x)sin nxdx , (n = 1, 2, 3, ...). |
|
|
|
||||
|
n |
$ |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
0 |
|
|
540
Розділ VIII. Ряди
8.7.2. Розв’язання прикладів
Приклад 8.42. Розкласти в ряд Фур’є функцію
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
( $ , x , 0) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f (x) |
|
|
|
|
, |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1, |
|
|
|
|
(0 , x $ ) |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
Розв’язок. Обчислимо коефіцієнти Фур’є функції f(x): |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
1 |
$ |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
0 |
|
$ |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
H f(x)dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
а0 |
= |
|
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
|
dx H1dx |
= |
|
|
|
( |
|
х |
+ х |
|
) = |
||||||||||||||||||||||
$ |
|
$ |
|
|
|
|
|
|
$ |
|
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
$ |
|
|
|
2 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
0 |
||||||||||||||||||||||
= |
|
1 |
|
( |
1 |
$ + $ ) = |
1 |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
$ |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
0 |
|
1 |
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
||||||||||||||||
аn |
= |
|
|
|
|
|
|
H f(x)cosnxdx = |
|
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
cosnxdx H1cosnxdx = |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
$ |
|
$ |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
= |
|
1 |
|
( |
1 |
sin nx |
|
0 |
|
|
+ |
1 |
sin nx |
|
$ |
) = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
2n |
|
$ |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
1 |
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|||||||||||
bn |
= |
|
|
|
|
|
|
H f (x)sin nxdx = |
|
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
sin nxdx H1sin nxdx = |
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
$ |
|
$ |
|
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
3(1 ( 1)n ) |
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
= |
|
|
|
( |
|
cos nx |
$ – |
|
|
|
cos nx |
0 ) = |
|
|
|
|
|
; |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
$ |
|
2n |
|
n |
|
|
2$ n |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
так як cos $ n = (–1)n, то
b2k = 0, (k = 1, 2, 3, …),
b2k+1 |
= |
3 |
|
, (k = 1, 2, 3, …). |
|
$(2k |
1) |
||||
|
|
|
Функція f(x) задовольняє умовам Дирихле, а через це розкла+ дається в свій ряд Фур’є. Отже, в кожній точці неперервності:
541
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
|
1 |
|
3 |
/ |
sin(2k 1)x |
|
|
|
f(x) = |
+ |
|
. |
|
||||
|
|
|
|
|||||
4 |
$ |
k 0 |
2k 1 |
|
||||
Приклад 8.43. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) = x (–$ |
||||||||
Розв’язок. Задана функція задоволь+ |
|
|
Y |
|||||
няє умовам Дирихле і через це може |
|
|
||||||
|
|
|
||||||
бути розкладена в ряд Фур’є. На інтер+ |
|
|
|
|||||
валі (–$ < x <$ ) функція f(x) = x — |
|
|
|
|||||
непарна (див. рис. 8.1). Звідси слідує, що |
|
|
|
|||||
ряд Фур’є цієї функції буде містити |
$ |
0 |
||||||
тільки синуси. |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
Знайдемо bn.
< x < $ ).
$X
|
|
|
|
2 |
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
bn = |
$ |
H |
f (x)sin nxdx |
= |
|
|
|
|
Рис. 8.1. |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
$ |
|
|
|
|
|
|
u x, |
du dx |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
= |
|
H0 x sinnxdx = |
dv sin nxdx, |
v Hsin nxdx |
1 |
cosnx |
= |
|||||||||||||||||
$ |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
1 |
|
|
$ |
|
1 |
$ |
|
2 |
|
1 |
|
|
$ |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
= |
( |
cos nx |
|
+ |
Hcosnxdx ) = |
( |
cos nx |
|
|
+ |
|
|||||||||||||
|
|
|
|
n |
|
|||||||||||||||||||
$ |
|
|
|
|
n |
|
0 |
|
0 |
$ |
|
n |
|
|
0 |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
$ |
|
|
2 1 |
|
$ |
2 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
+ |
|
sin nx |
|
0 ) = |
|
|
|
|
|
(–1)n = (–1)n+1 |
|
; |
|
|
||||
n2 |
|
$ |
|
n |
|
n |
|
|
||||||||||
b = (–1)n+1 |
2 |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
n |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Отже, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
/ |
|
|
|
|
2 |
|
/ |
|
|
sin nx |
|
|||||
|
|
x = ( 1)n 1 |
sin nx = 2 ( 1)n 1 |
. |
||||||||||||||
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
n |
|
n 1 |
|
n |
В розгорнутому вигляді, надаючи n значення 1, 2, 3, ... , одержуємо:
x = 2( |
sin x |
– |
sin 2x |
+ |
sin3x |
– |
sin 4x |
+ …). |
1 |
2 |
3 |
4 |
|
542
Розділ VIII. Ряди
Вінтервалі (–$ ;$ ) ця функція має місце в точках непервності
функції f(x), тобто в даному випадку у всіх внутрішніх точках інтер+ валу (–$ ;$ ). Поза інтервалом цей ряд зображає періодичне провод+ ження розглянутої функції.
Вточках же розриву, якими являються точки )$ , )3$ , ..., сума ряду дорівнює середньому арифметичному її лівосторонньої та пра+ восторонньої границі в цих точках.
Знайдемо ці границі. Наприклад, в точці х = $ .
lim f(x) = |
lim x = $ ; |
x9$ 0 |
x9$ 0 |
lim f(x) = |
lim x = –$ . |
x9$ 0 |
x9$ 0 |
Середнє арифметичне цих границь:
f ($ 0) f ($ 0) |
|
$ $ |
0. |
|
2 |
2 |
|||
|
|
У всіх точках розриву цієї функції одержуємо те ж саме. Таким чином, в точках розриву сума ряду буде дорівнювати нулю. Отже, одержаний розклад можна записати і так:
2( |
sin x |
|
sin 2x |
|
sin3x |
|
sin 4x |
x, |
якщо $ , x , $ |
||
|
– |
|
+ |
|
– |
|
+ …) = |
0, |
якщо x (2k 1)$ |
||
1 |
2 |
3 |
4 |
||||||||
|
|
|
|
|
де k — будь+яке ціле число.
Приклад 8.44. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) = |x| (–$ < x $ ). Розв’язок. Це неперервна функція з періодом
умовам розкладу в ряд Фур’є, вона парна. Знаходимо:
2 |
|
$ |
|
2 |
|
$ |
|
|
2 x |
2 |
|
$ |
|
|
|||||||||
|
H f (x)dx |
|
|
Hxdx |
|
|
|
|
|
= $ ; |
|||||||||||||
a0 = |
|
|
= |
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
$ |
|
|
$ |
|
$ |
2 |
|
0 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
an = |
2 |
|
$H f (x)cos nxdx |
= |
2 |
$Hx cosnxdx |
= |
||||||||||||||||
$ |
|
$ |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
u x, |
|
du dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
dv cos nxdx, |
|
v Hcos nxdx |
1 |
sin nx |
||||||||||||||||||
|
n |
543
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
|
2 |
|
|
1 |
|
$ |
2 |
$ |
|
|
|
|
2 |
|
1 |
|
|
$ |
|
= |
(x |
sin nx |
– |
Hsin nxdx ) = |
(0 + |
cos nx |
) = |
||||||||||||
$ |
|
$ |
|
2 |
|||||||||||||||
|
|
|
n |
0 |
0 |
|
|
|
$ |
|
n |
|
0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
0, |
|
якщо n парне |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
= |
|
|
|
(cos np – 1) = |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
$ n2 |
|
|
|
|
|
|
|
, |
якщо n непарне |
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
$ n |
2 |
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Отже, |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|x| = |
$ |
– |
4 |
(cos x+ |
1 |
cos 3x+ |
1 |
cos 5x +…+ |
1 |
cos(2n +1)x + …). |
2 |
$ |
9 |
25 |
(2n 1)2 |
Приклад 8.45. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x)=x, що задана
на інтервалі (0; 2$ ).
Розв’язок. На рис. 8.2 показано графік заданої функції з її періо+ дичним продовженням. Аналітичний вираз функції співпадає з ана+ літичним виразом функції в задачі 8.43. проте між ними маємо істот+
ну відмінність. В задачі 8.43 |
Y |
функція f(x) = x задавалась |
|
на інтервалі (–$ ;$ ), а в цій |
|
задачі на інтервалі (0; 2$ ). Їх |
|
|
відмінність легко бачити із |
|
|
графіків функцій. Функція |
4$ 2$ |
|
f(x)= x на інтервалі (0; 2$ ) |
||
|
||
не належить а ні до класу |
|
|
парних, а ні до класу непар+ |
|
|
них. |
|
|
Якщо функція f(x) задана не в інтервалі |
0 2$ 4$ Х
Рис. 8.2.
(–$ ;$ ), а в інтервалі
(0; 2$ ), також довжиною 2$ , то її можна розкласти в ряд Фур’є того ж виду, що і (8.36), але коефіцієнти визначаються за форму+ лами:
1 2H$
а0 = $ 0 f (x)dx ;
544
Розділ VIII. Ряди
|
1 |
2$ |
|
а = |
$ |
H |
f (x)cosnxdx ; |
|
|
||
n |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
1 |
2$ |
|
b = |
$ |
H |
f (x)sin nxdx . |
|
|
||
n |
|
|
|
|
|
0 |
|
В нашому випадку маємо:
|
|
1 |
2$ |
|
|
|
|
|
1 |
|
x2 |
2$ |
|
|
|
|||
а = |
|
|
H |
xdx = |
|
|
|
|
|
= 2$ ; |
||||||||
$ |
$ |
2 |
|
|
||||||||||||||
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
2$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а = |
$ |
|
H |
x cosnxdx = 0; |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
2$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
||
|
bn = |
|
H |
x sin nxdx = |
|
. |
||||||||||||
|
$ |
|
||||||||||||||||
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
Підставляючи одержані значення в формулу (8.36), одержуємо:
x = $ |
– 2( |
sin x |
+ |
sin 2x |
+ |
sin3x |
+ |
sin 4x |
+ …). |
1 |
2 |
3 |
4 |
Так як на інтервалі (0; 2$ ) функція f(x) = x неперервна, то одер+ жаний ряд збігається до х у всіх точках цього інтервалу. В точках х
= 2$ n (n = 0, 1, 2, …), які являються точками розриву функції ряд збігається до середнього арифметичного ліво+ та правосторонніх гра+ ниць функції, тобто до числа
f (2$ 0) f (2$ 0) |
|
2$ 0 |
= $ . |
|
2 |
2 |
|||
|
|
Отже, в точках розриву сума ряду дорівнює $ .
545
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
8.7.3. Розклад в ряд Фур’є функцій, що задані на півперіоді
Функцію, що задана на півперіоді (0; $ ) можна розкласти (по бажанню) в ряд синусів або в ряд косинусів, продовжуючи на дру+ гий півперіод (–$ ; 0) відповідно непарним або парним чином.
а) Якщо потрібно розкласти таку функцію в ряд по косинусам, то із інтервалу (0; $ ) в сусідній інтервал (–$ ; 0) необхідно зробити парне продовження функції, а потім поза інтервалом (–$ ;$ ) вико+
нати її періодичне продовження з періодом 2$ . Ряд буде мати вигляд
|
a0 |
/ |
|
f(x) = |
+ an cosnx , |
||
2 |
|||
|
n 1 |
а коефіцієнти визначаються за формулою:
2 $
an = $ H0 f (x)cos nxdx .
б) Якщо ж потрібно функцію f(x), що задано в інтервалі (0; $ ) розкласти в ряд по синусам, то в сусідній інтервал (–$ ; 0) потрібно зробити її непарне продовження, а потім періодично продовжити її з
періодом 2$ .
В цьому випадку ряд буде мати вигляд:
|
|
|
|
/ |
|
|
|
|
|
f(x) = bn sin nx ; |
|||||||
|
|
|
|
n 1 |
|
|
|
|
а коефіцієнти bn визначаються за формулою: |
||||||||
|
|
2 |
$ |
|
|
|
|
|
b = |
|
H |
f (x)sin nxdx . |
|||||
$ |
||||||||
|
|
|||||||
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
8.7.4. Розв’язання прикладів |
|
|
|
|
||||
Приклад 8.46. Функцію f(x) = |
$ |
– |
x |
розкласти в ряд коси+ |
||||
4 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
2 |
|
нусів на інтервалі (0; $ ).
546
Розділ VIII. Ряди
Розв’язок. Продовжуючи цю функцію парним чином, як показано на рис. 8.3 — пунктиром, будемо мати:
Y
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
$ |
|
|
|
0 |
$ |
|
|
|
$ |
X |
|
||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
$ |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.3. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
$H($ |
x )dx = |
2 |
|
$ |
х – x2 |
$ |
2 |
( $ 2 |
– $ 2 |
|
|
|
|||
а0 = |
( |
) = |
) = 0. |
|
||||||||||||||
|
|
$ 0 |
4 2 |
|
$ |
|
4 |
2 |
0 |
$ |
|
4 |
4 |
|
|
|
||
аn = |
|
2 |
$ |
$ |
x |
|
|
|
u $4 $2 , |
du 12 dx |
1 |
|
= |
|||||
|
$ |
H( |
4 |
2)cos nxdx = |
dv cosnxdx, v Hcosnxdx |
sinnx |
||||||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
= 2 |
(( |
$ |
– |
x ) sin nx |
$ |
– $H 1 sin nx dx ) = |
1 |
$Hsinnxdx = |
|
|||||||||
$ |
|
|
4 |
|
2 |
n |
0 |
|
0 |
2 n |
|
|
$ n 0 |
|
|
|
|
|
|
cosnx $ |
|
cos$ n |
|
1 |
1 |
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|||||
= – |
|
$ n2 |
0 |
= – |
$ n2 |
+ $ n2 |
= $ n2 |
– (–1)n |
$ n2 |
= |
$ n2 (1 – (– 1)n); |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a2k = 0; |
|
a2k+1 = $(2k 1)2 . |
|
|
|
|
|
Отже,
547
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
x |
|
|
|
2 |
|
/ |
cos(2k 1)x |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
2 |
|
$ |
|
|
|
|
(2k |
1) |
2 |
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
Приклад 8.47. Функцію f(x) = |
1 |
$ |
– |
1 |
x розкласти в ряд си+ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
нусів на інтервалі (0; $ ). |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Y |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
Розв’язок. Продовжуючи |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
цю функцію непарним чином, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
як показано на рис. 8.4. пунк+ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
тиром, будемо мати: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
$ X |
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
2 |
$ |
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|||||||
bn = |
|
H($ |
|
)sin nxdx = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
||||||||||||||||||||||||||
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
0 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.4. |
|
|
|||||||||||
|
|
|
u |
$ |
x |
, |
|
|
|
|
du |
|
1 |
dx |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
= |
|
|
dv sin nxdx, |
v Hsin nxdx |
cosnx |
= |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
x cos nx |
|
|
|
|
$ |
1 |
|
|
|
cos nx |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
$ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||
= |
|
|
|
(–( 2 |
– |
|
|
|
|
) |
|
|
|
|
|
|
– H0 |
|
|
( |
|
|
|
|
|
)dx) = |
||||||||||||||||||||||||||
$ |
|
|
|
2 |
|
n |
|
0 |
2 |
|
|
|
n |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
sin nx |
$ |
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
= |
|
|
|
|
– |
|
|
= |
. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
n |
|
$ n2 |
|
0 |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
Отже, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
sin 2x |
|
|
sin3x |
|
|
|
|
/ |
sin nx |
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
– |
x = sin x + |
+ |
+ … = |
. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
n 1 |
n |
548
Розділ VIII. Ряди
8.7.5. Розклад в ряд Фур’є функції з періодом 2l
Якщо період функції f(x) дорівнює не 2$ , а 2l, то її ряд Фур’є має вигляд:
|
a0 |
/ |
$ nx |
/ |
$ nx |
|
|
|
f(x) = |
+ an cos |
+ bn sin |
, |
(8.39) |
||||
2 |
l |
l |
||||||
|
n 1 |
n 1 |
|
|
а коефіцієнти цього ряду а0, аn, bn обчислюються за формулами:
|
1 |
l |
|
|
|
|
$ nx |
|
|
|
|
|||
а = |
|
|
H |
f (x)cos |
|
l |
dx , (n = 0, 1, 2, 3, …); |
|
||||||
|
l |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
l |
|
|
$ nx |
|
|
||
|
|
|
|
|
b = |
|
|
H |
f (x)sin |
l |
dx . |
(8.40) |
||
|
|
|
|
|
|
l |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
l
Якщо функція f(x) на інтервалі (–l; l) парна, то всі коефіцієнти bn = 0, її розклад в ряд Фур’є містить тільки сталу і косинуси і має
вигляд:
f(x) = a0
2
/$ nx
+an cos l .n 1
Коефіцієнти розкладу аn дорівнюють в цьому випадку:
|
2 |
l |
|
$ nx |
|
а = |
l |
H |
f (x)cos |
l |
dx , (n = 0, 1, 2, 3, …). |
|
|
|
|||
n |
|
|
|
|
|
|
|
l |
|
|
|
Якщо ж на інтервалі (–l; l) функція f(x) — непарна, то а0 = аn = 0, її ряд Фур’є містить тільки синуси та має вигляд:
|
|
|
|
/ |
|
$ nx |
|
|
|
f(x) = bn sin |
, |
||||||
|
|
|
|
n 1 |
|
l |
|
|
а коефіцієнти |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
l |
|
$ nx |
|
|
|
b = |
l |
H |
f (x)sin |
|
l |
dx . |
||
|
|
|
|
|||||
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
l
549
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
8.7.6. Розв’язання прикладів
Приклад 8.48. Розкласти в ряд Фур’є функцію
6, |
якщо 0 , x , 2, |
f (x) |
якщо 2 , x , 4. |
3x, |
Розв’язок. Користуючись формулами (8.40), маючи l = 2 та роз+ биваючи інтервал інтегрування (0; 4) точкою х = 2 на дві частини, так як в кожній із них функцію задано різними формулами, одер+ жуємо:
an = |
|
1 |
|
|
H4 |
f (x)cos |
$ nxdx |
= |
|
1 |
|
( H2 |
6cos |
$ nxdx |
+ |
|
H4 |
3x cos $ nxdx ) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
= |
|
1 |
|
( |
12 |
sin |
$ nx |
|
+ 3( |
2x |
sin |
$ nx + |
|
|
4 |
|
|
|
|
cos |
|
$ nx ) |
|
4 ) = |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
$ n |
2 |
|
0 |
|
|
|
$ n |
|
|
2 |
|
|
$ 2n2 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
= |
6 |
|
|
|
|
(1– cos pn), |
|
n 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
$ 2n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
Якщо n парне: cos pn = 1 і an = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||
|
Якщо n непарне: cos pn = –1 і an = |
|
12 |
|
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
$ 2n2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Якщо n = 0 за формулою (8.40) одержуємо: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
4 |
|
|
|
|
|
|
1 |
( 2 |
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
3x2 |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
4 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
a = |
|
f (x)dx |
= |
6dx + |
3xdx ) = |
|
(6x |
|
|
+ |
|
|
) = 15. |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
|
|
|
2 |
|
|
H |
|
|
|
|
|
2 |
H |
|
|
|
|
|
|
H |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
0 |
|
|
2 |
|
|
2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
bn = |
|
1 |
|
|
H f (x)sin |
|
$ nxdx |
= |
|
|
1 |
( H6sin |
$ nxdx |
+ |
H3x sin $ nxdx ) = |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||
2 |
|
|
|
2 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
2 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|||||||||||||||||
|
|
1 |
|
( |
12 |
cos $ nx |
|
2 |
|
|
4 |
|
|
sin $ nx |
|
|
|
2x |
cos $ nx ) |
|
4 |
||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
= |
|
|
+ 3( |
|
|
– |
|
|
|
) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
$ n |
2 |
|
0 |
|
|
$ 2n2 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
$ n |
|
|
|
2 |
|
|
|
2 |
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
550
Розділ VIII. Ряди
= 2$1n (12(1 – cos np) + 3(4cos np – 8)) = n6$ . Шуканий розклад заданої функції має вигляд:
f(x) = |
15 |
+ |
12 |
(cos |
$ x |
+ |
|
1 |
cos |
3$ x |
|
+ |
|
1 |
cos |
5$ x |
+ …) – |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
9 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
2 |
|
$ 2 |
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
25 |
|
2 |
|
||||||
– |
6 |
(sin $ x |
|
+ |
1 |
sin |
2$ x |
|
+ |
|
1 |
sin |
|
3$ x |
|
+ …). |
|
|
||||||||||||
|
$ |
|
|
|
2 |
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
3 |
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
Цей розклад справедливий на всій області визначення даної функції: в інтервалі (0; 2) сума ряду S(x) = 6, а в інтервалі (2; 4) S(x) = 3х. В точці розриву х = 2, де функція не визначена
S(2) = |
1 |
( lim f(x) + |
lim f(x)) = 6. |
|
2 |
||||
|
x92 0 |
x92 0 |
Приклад 8.49. Розкласти функцію в ряд Фур’є f(x)
інтервалі –1< x 1.
Розв’язок. Графік функції зображено на рис. 8.5.
Y
= x – 1 на
X
–3 |
–2 |
–1 |
0 |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
|
|
|
–1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
–2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.5. |
|
|
|
|
|||
Знаходимо коефіцієнти Фур’є, знаючи, що l = 1. |
|
|||||||||
a0 = H1 |
(x 1)dx = |
(x 1)2 1 |
= –2; |
|
|
|
|
|||
1 |
|
|
2 |
1 |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
||||
an = H1 |
(x 1)cos n$ xdx = H1 |
x cosn$ xdx – H1 |
cosn$ xdx = |
|||||||
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
551
Клепко В.Ю., Голець В.Л. «Вища математика в прикладах і задачах»
|
x sin$ nx |
|
1 |
|
1 sin n$ x |
|
|
sin$ nx |
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
= |
|
|
|
|
|
|
|
– |
H |
|
|
|
dx – |
|
|
|
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
cos npx |
|
||||||
$ n |
|
|
|
|
|
n$ |
|
|
$ n |
2 |
|
|
2 |
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
1 |
1 |
|
|
|
|
1 |
n $ |
|
|
|
|
|
1 |
|||||||||||||||
|
bn = H1 |
(x 1)sin n$ xdx = H1 |
x sin n$ xdx – H1 |
sin n$ xdx = |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
x cos$ nx |
|
|
|
+ H1 |
cos n$ x |
dx + |
cos$ nx |
|
1 |
|
|
= |
|
|||||||||||||||||
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
$ n |
1 |
1 |
n$ |
|
|
|
|
|
|
$ n |
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
= |
1 |
|
(cos n$ |
+ cos( n$ )) + |
sin n$ x |
1 |
+ |
|
|
1 |
|
|
(cos n$ |
|||||||||||||||||||
|
|
|
n2$ 2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
n$ |
|
|
1 |
|
n$ |
|
||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– cos( n$ )) = 2( 1)n . n$
Зокрема,
b = |
|
2 |
, b = |
2 |
, |
b = |
2 |
, … |
|
$ |
2$ |
3$ |
|||||||
1 |
2 |
|
3 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
= 0;
–
Ряд Фур’є для функції f(x) має вигляд:
2 |
|
sin x |
|
sin2x |
|
sin3x |
|
sin nx |
|
|
x – 1 = –1 + |
|
( |
|
– |
|
+ |
|
– ... + (–1)n+1 |
|
+ …). |
$ |
1 |
2 |
3 |
n |
8.7.7. Приклади для самостійного розв’язку
Приклад 8.50. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) = х2 для зна+ чень х на відрізку [ $ ;$ ] .
$ x
Приклад 8.51. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) = 2 |
в |
інтервалі ( $ ;$ ) . |
|
552
Розділ VIII. Ряди
Приклад 8.52. Розкласти в ряд Фур’є функцію
2, |
якщо |
$ , x , 0, |
|
|
f (x) |
якщо |
0 х , $. |
|
|
1, |
|
|
||
Приклад 8.53. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) = |
x |
в інтер+ |
||
|
||||
2 |
валі (0; 2$ ).
Приклад 8.54. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) = 2х – 3 в інтервалі (–3; 3).
Приклад 8.55. Розкласти в ряд Фур’є функцію
1, |
якщо |
3 , x , 0, |
|
f (x) |
2, |
якщо |
0 х , 3. |
|
Приклад 8.56. Розкласти в ряд Фур’є функцію f(x) =|х| – 1 в інтервалі (–2; 2).
Приклад 8.57. Розкласти в ряд Фур’є функцію
0, |
якщо |
2 x 0, |
|
f (x) |
x, |
якщо |
0 х 2. |
|
553