- •Глава III ряды
- •§ 1. Числовые ряды
- •2. Если сходится ряд
- •273. Найти сумму ряда
- •Исследовать сходимость ряда
- •§ 2. Функциональные ряды
- •3. Степенные ряды
- •§ 4. Разложение функций в степенные ряды
- •§ 5. Приближенные вычисления значений функций с помощью степенных рядов
- •§ 6. Применение степенных рядов к вычислению пределов и определенных интегралов
- •428. Найти
- •§ 7. Комплексные числа и ряды с комплексными членами
- •3. Показательная и тригонометрические функции комплексного переменного.
- •§ 8. Ряд фурье
- •§ 9. Интеграл фурье
3. Показательная и тригонометрические функции комплексного переменного.
Показательная и тригонометрические функции комплексного переменного z определяются равенствами, верными для любого z:
Эти ряды сходятся во всей комплексной плоскости.
Между указанными функциями существуют следующие соотношения:
(1)
(2)
(3)
(4)
называемые формулами Эйлера.
C
помощью
формулы (1) комплексное число, заданное
в тригонометрической
форме
может быть представлено в показательной
форме
475.
Представить
в тригонометрической и показательной
формах
комплексное число
∆ Находим
Следовательно,
тригонометрическая
форма данного числа имеет вид
а показательная форма—вид
▲
476.
Представить
в показательной форме число
∆ Имеем
т. е.
▲
477.
Записать
в алгебраической форме
∆ Воспользуемся формулой (1):
С помощью формулы Эйлера доказать, что
∆ Так
как
то
▲
479.
Представить
в показательной форме число
480.
Представить
в показательной форме число
481.
Записать в алгебраической форме
482.
Показать,
что
Выразить
линейно через
и
.С помощью формулы Эйлера показать, что
имеет
бесчисленное множество значений,
которые все являются действительными.
§ 8. Ряд фурье
Рядом
Фурье периодической
функции f(х)
с
периодом 2π, определенной на сегменте
называется ряд
(1)
где
,
,
Если
ряд (1) сходится, то его сумма S
(х) есть
периодическая функция с периодом 2π, т.
е.
Теорема
Дирихле. Пусть
функция f(х)
на сегменте
имеет конечное
число экстремумов и является непрерывной
ва исключением конечного числа
точек разрыва I
рода
(т. е. удовлетворяет так называемым
условиям Дирихле).
Тогда ряд Фурье этой функции сходится
в каждой точке сегмента
и
сумма S (х) этого ряда:
1) S (x) = f(x) во всех точках непрерывности функции f(х), лежащих внутри сегмента
2)
где
x0—точка
разрыва I
рода функции f(х);
3)
на
концах промежутка, т.е. при
Если
функция f(х)
задана
на сегменте
,
где l—произвольное
число,
то при выполнении на этом сегменте
условий Дирихле указанная функция
может быть представлена в виде суммы
ряда Фурье
где
В случае, когда f(x) — четная функция, ее ряд Фурье содержит только свободный член и косинусы, т. е.
где
В случае, когда f(х)-нечетная функция, ее ряд Фурье содержит только синусы, т. е.
где
Если
функция
задана на сегменте [0,l],
то для разложения в ряд Фурье достаточно
доопределить ез на сегменте [— l,
0] произвольным способом, а
затем разложить в ряд Фурье, считая
ее заданной на сегменте [— l,
l].
Наиболее
целесообразно функцию доопределить
так, чтобы ее значения в
точках сегмента [— l,
0] находились из условия
=
f(—х)
или
= —
f(—
х).
В
первом случае функция
на
сегменте [— l,
l]
будет четной, а во втором—нечетной.
При этом коэффициенты разложения
такой функции (ат
в
первом случае
и bт
—
во втором) можно определить
по вышеприведенным формулам для
коэффициентов четных и нечетных функций.
485. Разложить в ряд Фурье периодическую функцию с периодом 2π, заданную в интервале (—π, π) у равнением f(х)= π +х.
∆ Графиком этой функции в интервале (—π, π) является отрезок, соединяющий точки (—π; 0) и (π;2π). На рис. 29 изображен график функции у=S(х), где S(x)—сумма ряда Фурье функции . Эта сумма является периодической функцией с периодом 2 π и совпадает с функцией f(х) на сегменте [—π, π].
Определяем коэффициенты ряда Фурье. Сначала находим
Второй интеграл равен нулю как интеграл от нечетной функции, взятый по интервалу, симметричному относительно начала координат. Таким образом, я
Далее,
находим коэффициенты ат.
Имеем
Нетрудно видеть, что оба интеграла равны нулю (подынтегральная функция второго интеграла является нечетной как произведение четной функции на нечетную). Итак, аm=0, т. е. а1 = а2 = а3= ... =0. Найдем теперь коэффициенты bт:
Первый интеграл равен нулю. Подынтегральная функция второго интеграла—четная как произведение двух нечетных функций. Таким образом,
Интегрируя
по частям, получим
,
т.
е.
Следовательно, разложение функции f(x) в ряд Фурье имеет вид
▲
486. Разложить в ряд Фурье периодическую функцию f(x) с периодом 2, заданную на сегменте [—1,1] уравнением f(х) = х2 (рис. 30).
∆ Рассматриваемая функция является четной. Ее график—дуга параболы, заключенная между точками (—1; 1) и (1; 1). Так как l=1, то
Здесь нужно дважды проинтегрировать по частям:
Так как рассматриваемая функция—четная, то bт = 0. Следовательно,
▲
487.
Разложить в ряд Фурье периодическую
функцию, заданную на полупериоде
[0,2]
уравнением
∆ Функция может быть разложена в ряд Фурье бесчисленным количеством способов. Рассмотрим два наиболее важных варианта разложения.
Доопределим функцию f(x) на сегменте [—2, 0] четным образом (рис. 31).
Имеем l= 2,
Интегрируем по частям:
Еще раз интегрируем по частям:
Итак,
Доопределим функцию f(х) на сегменте [—2,0] нечетным образом (рис. 32):
,
Итак,
▲
488. Разложить в ряд Фурье периодическую функцию с периодом 2l (рис. 33), заданную на сегменте [—l, l] следующим образом:
п
ри
-l
≤ x ≤ 0,
f(x)= x при 0≤ x≤ l/2,
l/2 при l/2 ≤x ≤ l.
∆ Находим
К первому интегралу применяем интегрирование по частям:
откуда
Определяем коэффициенты bm:
К первому интегралу применяем интегрирование по частям:
Имеем
Если
.
……………………………………………………
Следовательно,
Разложить в ряд Фурье периодическую функцию f(х) с периодом T, заданную на указанном сегменте.
f(х) = х; T= 2π; [—π, π ].
f(x) = |x|; Т = 2; [-1, 1].
f(x) = еx; Т = 2π; [— π, π].
f(х) = х3; Т = 2π; [— π, π].
f(х) = π —2x;; Т = 2π; [0, π]. Продолжить f(x) на сегмент [—π, 0]: 1) четным образом; 2) нечетным образом.
494.
495.
.
496. f(х) = х2 Т = 2 π; [0, π]. Продолжить f(x) на сегмент [—π, 0] нечетным образом.
497.
498. f(х) = соs 2х; T = 2 π; [0, π]. Разложить в ряд по синусам.
f(x) = x; Т = 2; [0, 1]. Разложить в ряд по синусам.
.
Разложить в ряд по косинусам.
