Ряды Фурье с примерами решений
Будут и задачи для самостоятельного решения, к которым можно посмотреть ответы.
Понятие ряда Фурье
Тригонометрическим рядом Фурье называется ряд вида
a0/2 + a1cosx + b1sinx + a2cos2x + b2sin2x + ... + ancosnx + bnsinnx + ...
где числа a0, a1, b1, a2, b2, ..., an, bn, ... - коэффициенты Фурье.
Более сжатая запись ряда Фурье с символом "сигма":
.
Как мы только что установили, в отличие от степенного ряда, в ряде Фурье вместо простейших функций
взяты тригонометрические функции
1/2, cosx, sinx, cos2x, sin2x, ..., cosnx, sinnx, ....
Коэффициенты Фурье вычисляются по следующим формулам:
,
,
.
Все вышеперечисленные функции в ряде Фурье являются периодическими функциями с периодом 2π. Каждый член тригонометрического ряда Фурье является периодической функцией с периодом 2π.
Поэтому и любая частичная сумма ряда Фурье имеет период 2π. Отсюда следует, что если ряд Фурье сходится на отрезке [-π, π], то он сходится на всей числовой прямой и его сумма, будучи пределом последовательности периодических частичных сумм, является периодической функцией с периодом 2π.
Вышеупомянутое свойство видно на графике внизу: здесь график суммы ряда для функции f(x) = x. Вне отрезка [-π, π] сумма ряда является периодическим продолжением данной функции: график функции бесконечно повторяется справа и слева.

Сходимость ряда Фурье и сумма ряда
Пусть функция F(x), определённая на всей числовой прямой и периодическая с периодом 2π, является периодическим продолжением функции f(x), если на отрезке [-π, π] имеет место F(x) = f(x)
Если на отрезке [-π, π] ряд Фурье сходится к функции f(x), то он сходится на всей числовой прямой к её периодическому продолжению.
Ответ на вопрос о том, при каких условиях ряд Фурье функции f(x) сходится к этой функции, даёт следующая теорема.
Теорема. Пусть функция f(x) и её производная f ' (x) - непрерывные на отрезке [-π, π] или же имеют на нём конечное число точек разрыва 1-го рода. Тогда ряд Фурье функции f(x) сходится на всей числовой прямой, причём в каждой точке x, принадлежащей отрезку [-π, π], в которой f(x) непрерывна, сумма ряда равна f(x), а в каждой точке x0 разрыва функции сумма ряда равна среднему арифметическому пределов функции f(x) справа и слева:
,
где
и
.
На концах отрезка [-π, π] сумма ряда равна среднему арифметическому значений функции в крайней левой и крайней правой точках периода разложения:
.
В любой точке x, принадлежащей отрезку [-π, π], сумма ряда Фурье равна F(x), если x - точка непрерывности F(x), и равна среднему арифметическому пределов F(x) слева и справа:
,
если x - точка разрыва F(x), где F(x) - периодическое продолжение f(x).
Пример 1. Периодическая функция f(x) с периодом 2π определена следующим образом:
Проще эта функция записывается как f(x) = |x|. Разложить функцию в ряд Фурье, определить сходимость ряда и сумму ряда.
Решение. Определим коэффициенты Фурье этой функции:
Теперь у нас есть всё, чтобы получить ряд Фурье данной функции:
Этот ряд сходится во всех точках, и его сумма равна данной функции.
Решить задачу на ряды Фурье самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 2. Дана периодическая функция с периодом 2π:
Определить коэффициенты Фурье.
Ряды Фурье для чётных и нечётных функций
Пусть функция f(x) определена на отрезке [-π, π] и является чётной, т. е. f(- x) = f(x). Тогда её коэффициенты bn равны нулю. А для коэффициентов an верны следующие формулы:
,
.
Пусть теперь функция f(x), определённая на отрезке [-π, π], нечётная, т.е. f(x) = - f( - x). Тогда коэффициенты Фурье an равны нулю, а коэффициенты bn определяется формулой
.
Как видно из формул, выведенных выше, если функция f(x) чётная, то ряд Фурье содержит только косинусы, а если нечётная, то только синусы.
Пример 3. Разложить в ряд Фурье функцию
.
Решение. Это нечётная функция, поэтому её коэффициенты
Фурье , а
чтобы найти
,
нужно вычислить определённый интеграл:
Получаем ряд Фурье данной функции:
.
Это равенство справедливо для любого
.
В точках
сумма ряда Фурье по приведённой во втором параграфе теореме не совпадает со значениями
функции
,
а равна
.
Вне отрезка
сумма ряда является периодическим продолжением функции
, её
график приводился выше в качестве иллюстрации суммы ряда.
Пример 4. Разложить в ряд Фурье функцию
.
Решение. Это чётная функция, поэтому её коэффициенты
Фурье , а
чтобы найти
,
нужно вычислить определённые интегралы:
Получаем ряд Фурье данной функции:
.
Это равенство справедливо для любого
, так как
в точках
сумма ряда Фурье в данном случае совпадает со значениями
функции
,
поскольку
.
Ряды Фурье с периодом 2l
Пусть функция f(x) определена на отрезке [- l, l] (l - произвольное положительное число). Тогда формула ряда Фурье этой функции принимает вид
,
где коэффициенты Фурье определяются по следующим формулам:
,
,
.
Пример 5. Разложить в ряд Фурье с периодом
2l функцию f(x), которая
на отрезке [- l, l] задаётся формулой
.
Решение. Это чётная функция, поэтому её коэффициент
Фурье , а
чтобы найти
,
нужно вычислить определённые интегралы:
Ряд Фурье данной функции:
.
Это равенство справедливо для любого
, а это
значит, что ряд сходится на всей числовой прямой.
Решить задачу на ряды Фурье самостоятельно, а затем посмотреть решение
Пример 6. Разложить в ряд Фурье с периодом 4
периодическую функцию ,
.
Назад<<< | Листать | Вперёд>>> |