Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Vyscha_matematyka_v_prykladakh_i_zadachakh.pdf
Скачиваний:
63
Добавлен:
23.02.2016
Размер:
3.55 Mб
Скачать

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

2$ , задовольняє

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

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]