Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 645572)
Контекстум

Методические указания и задания для домашней контрольной работы по теме "Ряды Фурье" (110,00 руб.)

0   0
АвторыВиноградова Галина Анатольевна, Половинкин Игорь Петрович, Украинский Павел Сергеевич, Шишкина Элина Леонидовна
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц28
ID603891
АннотацияУчебно-методическое пособие подготовлено на кафедре математического и прикладного анализа факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета.
Кому рекомендованоРекомендовано для студентов факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского госуниверситета всех форм обучения.
Методические указания и задания для домашней контрольной работы по теме "Ряды Фурье" / Г.А. Виноградова, И.П. Половинкин, П.С. Украинский, Э.Л. Шишкина .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2016 .— 28 с. — 28 с. — URL: https://rucont.ru/efd/603891 (дата обращения: 16.07.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ «РЯДЫ ФУРЬЕ» Учебно-методическое пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2016 Утверждено научно-методическим советом факультета прикладной математики, информатики и механики Составители: Г.А. Виноградова, И.П. Половинкин, П.С. Украинский, Э.Л. Шишкина Рецензент – доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой уравнений в частных производных и теории вероятностей Воронежского государственного университета А.В. Глушко Учебно-методическое пособие подготовлено на кафедре математического и прикладного анализа факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского государственного университета. <...> Рекомендовано для студентов факультета прикладной математики, информатики и механики Воронежского госуниверситета всех форм обучения. <...> Для специальностей: 01.03.02 – Прикладная математика и информатика; 02.03.02 – Фундаментальная информатика и информационные технологии; 02.03.03 – Математическое обеспечение и администрирование информационных систем; 02.04.03 – Механика и математическое моделирование 2 1. <...> Частичные суммы такого ряда () k coskt Bk sin kt + k=0 линейными комбинациями функций, входящими в систему функций {1,sin ,cos ,sin 2 ,cos2 ,sin3 , }t t и t ( )t . <...> Функция f ( )x называется абсолютно интегрируемой на . ( , )ba , если сходится интеграл  b a Пусть функция a a l+ , тогда интегралы  a+ l a f x( )cos k x l ≤ f x , f x( )sin k x l f ( )x абсолютно интегрируема на промежутке 2 f x( )cos ≤ f x k l dxx | ( ) | . и  a+ l 2 f x( )sin a k l dxx сходятся абсолютно (по признаку сравнения), так как справедливы неравенства | ( ) | Определение. <...> Тригонометрическая система функций (1) обладает свойОртогональность тригонометрической системы выражается сле0 . являются (1) , определенные на промежутке ( , )ba , называются ортогональными <...>
Методические_указания_и_задания_для_домашней_контрольной_работы_по_теме_Ряды_Фурье_.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ И ЗАДАНИЯ ДЛЯ ДОМАШНЕЙ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ «РЯДЫ ФУРЬЕ» Учебно-методическое пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2016
Стр.1
1. Определение тригонометрического ряда Фурье Определение. Ряд вида () ∞ A0 2 k=0 + A k cos kt Bk sin kt + S t A0 n ( ) 2 = t n + t A называется тригонометрическим. Частичные суммы такого ряда () k coskt Bk sin kt + k=0 линейными комбинациями функций, входящими в систему функций {1,sin ,cos ,sin 2 ,cos2 ,sin3 , }t t и t ( )t . Система (1) называется тригонометрической системой функций. Определение. Функции )(t  ( ) ( ) = b t t dt a ством ортогональности на отрезке [− , ]. дующими равенствами: sin mt sin ntdt = 0, − −  cos cos ntdt = 0 , mt − sin mt cos ntdt = 0 ,  ⋅1 sin mtdt = 0, − промежутке ( , 2 ) − Определение. Функция f ( )x называется абсолютно интегрируемой на . ( , )ba , если сходится интеграл  b a Пусть функция a a l+ , тогда интегралы  a+ l a f x( )cos k x l ≤ f x , f x( )sin k x l f ( )x абсолютно интегрируема на промежутке 2 f x( )cos ≤ f x k l dxx | ( ) | . и  a+ l 2 f x( )sin a k l dxx сходятся абсолютно (по признаку сравнения), так как справедливы неравенства | ( ) | Определение. Тригонометрический ряд a0 2 k 1 +  ak cos ∞ =    k x l +bk sin k x  l   , коэффициенты которого определяются функцией f ( )x , абсолютно интег3 | f x dx|)( m, =n  ⋅1 cos mtdt = 0 , 1,2,3, , m =1,2,3, . m n≠ , Nnm ∈. Лемма 1. Тригонометрическая система функций (1) обладает свойОртогональность тригонометрической системы выражается сле0 . являются (1) , определенные на промежутке ( , )ba , называются ортогональными на этом промежутке, если интеграл от их произведения равен нулю, то есть ψ ϕ ϕ ψ ππ π π π π π π π π π π π π π π π π
Стр.3
l  f x dx =  f x dx + −l ( ) x −= t 0 ( ) ( ) −l и 0 (− ) l Доказательство. В силу свойства аддитивности интеграла имеем  0 l 0 используем l (− ) 0 f x dx . В первом интеграле сделаем замену переменной нечетность ( ) функции, l  f x dx = − f y dy =  f x dx = −  f x dx . −l ( ) 0 Лемма 4. Пусть f ( )x – четная, абсолютно интегрируемая на промеl l жутке ( , )ll− функция, тогда  f x dx =  f x dx . −l ( ) 2 ( ) 0 Последняя лемма доказывается аналогично лемме 3. Приведем свойства ядра Дирихле. Лемма 5. Ядро Дирихле 1) Четная, непрерывная, 2) 3) D = +n 1 n (0) n ( ) − 2 k n ( ) 2 1 ; D t dt = ; D t dt = ; 1 1 0 sin n 4) при t ≠ 2 , k = 0, 1, 2 ,...±± , D tn ( ) =    + 2 1 2sin 2 t Доказательство. Первое свойство вытекает автоматически из определения ядра Дирихле (3). Для доказательства второго свойства проинтегрируем равенство (3) по отрезку [− , ], получаем D t dt = − n ( ) −  cos ktdt = 0, для любого Nk ∈ . Третье свойство следует из второго в силу четности ядра Дирихле и леммы 4, поэтому D t dt = 2 D t dt . n ( ) − D t = +coskt = k=1 n 2 ( ) 1 2sin 2 1 t 0 Докажем четвертое свойство. n    sin 2 t +2sin 2 coskt n k=1 t 6  n ( )  =  2 1   cos ktdt = n dt + − k= − 1 , так как    t . 2 периодическая функция, причем получаем π π π π π π π π π ππ π π π π π π π π π π
Стр.6
= 2sin 2 1 t sin 2    t + sin 2 1  n k=1   Лемма доказана. Лемма 6. Пусть 2 k + − sin 2 1  k −  t 2     sin n  =    + 2 1 2sin 2 t f ( )x – абсолютно интегрируемая на промежутке (− , ) , 2 – периодическая функция, тогда частичная сумма ряда Фурье имеет следующие представления S x = S x = n ( ) 1 0 Доказательство. В интеграле Дирихле сделаем замену переменных t x y−= лемму 2. Получаем S x = n = 1 ( ) 1  − Таким образом, первое равенство доказано. Для доказательства второго равенства разобьем промежуток интегрирования и воспользуемся свойством аддитивности интеграла. Получаем S x = n ( ) 1 − D y f x y dy =. 1 n ( ) ( − ) n ( )− = Sx D t f xt dt D t f xt dt D t f xt dt D t f xt dt 00 nn n() ( ) =− − + + () ( ) =+ + Лемма доказана. ) (   11 1 − − = − 0 ( ) , получаем ) D tnn n() ( − ) ( + ) 00 0 f x t dt D t fx t dt D t f x t fx t dt () ( − ) + 4. Сходимость ряда Фурье в точке Определение. Функция f ( )x называется кусочно-непрерывной на отрезке [ , ]ba , если она имеет конечное число точек разрыва, причем все точки разрыва первого рода. 7 11 1 () ( n ( ) ( + + ) 1  n ( )   []== ) 0 − D y f x y dy + n ( ) ( − ) 0 ( − = 1 D y f x y dy . 0 n ( ) ( − ) В первом интеграле сделаем замену переменной − y t= , а во втором y t= , учитывая, что D t D tn − и используем четность и периодичность ядра Дирихле, а также +x D t x f t dt = n ( − ) ( ) D y f x y dy . n ( ) ( − ) 1 − +x D y f x y dy = n (− ) ( − ) 1 − D y f x y dy = n (− ) ( − ) n ( ) 1 − D t f x t dt , n ( ) ( − )  []. D t f x t− + f x t dt n ( ) ( ) ( + )    t , t ≠ 2 , k = 0, 1, 2 ,...±± k . π π π π π π π π π ππ π π π π π π π π π π π π π π ππ π π π π π π π ππ π ππ π ππ
Стр.7
Для кусочно-непрерывной функции отрезок [ , ]ba рые мы обозначим x x→ +lim ( ) разбивается на конечное число промежутков, внутри которых функция непрерывна, а в каждой точке 0 x отрезка существуют односторонние конечные пределы, кото0 0 f x = f x0 + 0 ) для ∀x [ , )ba∈ ( Определение. Функция , В точках непрерывности очевидно f x0 + =0) x x→ −lim ( ) ( 0 0 f x = f x − 0 ) для ∀x ( , ]ba∈ ( 0 f x0 − = f x( ) . ( 0) 0 f ( )x называется кусочно-дифференцируемой на отрезке [ , ]ba , если она кусочно-непрерывна, и отрезок разбивается на конечное число промежутков, внутри которых функция дифференцируема, а на концах этих промежутков существуют односторонние производные. Обозначим односторонние производные f x′ = →+0 f x′ = →−0 h h f x′ = ′ = ′f x( ) . + ( ) − + ( ) lim (f x h f x +( 0) ) + − h − ( ) lim (f x h f x −( 0) ) + − h для ∀x [ , )ba∈ для ∀x ( , ]ba∈ Очевидно, что в тех точках, где функция f x( ) , . f ( )x дифференцируема, Замечание. Кусочно-непрерывные и кусочно-дифференцируемые на отрезке функции интегрируемы по Риману и, следовательно, являются абсолютно интегрируемыми на этом отрезке. Большое значение в теории рядов Фурье имеет следующая теорема интервале ( , )ba , тогда Теорема Римана. Пусть функция f ( )x абсолютно интегрируема на lim  f x( )sin xdx = lim  f x( )cos xdx = 0 . →∞ b a Теорема 1. Если функция a0 2 + ∞ k= 1    a cos k k x l f x + + f x − = ( 0) ( 0) 2 n ( ) ( ) 2 →∞ b a f ( )x – 2l-периодическая, кусочнодифференцируемая на отрезке [ , ]ll− , то ее ряд Фурье в каждой точке x сходится, причем + bk sin k x  l l = . В силу свойства 3) ядра Дирихле имеем  ( 0) 0 S x = ( + ) 8  =  f x + + f x −( 0) 2 ( 0) f x + + f x D t dt . − ( 0) 2 n ( ) ставление []D t f x t− + f x t dt . Тогда получаем в силу свойства 0 4) ядра Дирихле Для частичной суммы ряда Фурье в силу леммы 4 справедливо предn ( ) 1 . Доказательство. Докажем теорему (не умаляя общности) для случая . γ γ γ π γ π π π π π π
Стр.8
S x − n ( ) = 1 2 0 где g t = ( ) ( ) ( f x + + f x − = [] = ( 0) ( 0) 2 ( ) ( ) sin 2 t 1  f x t− + f x t+ − f x + − f x D t dt 0 ( ( 0) ) ( ) sin n    + ( 0) 2 1   =  tdt 1 2 ( 0) − 0 f x t+ + f x t− − f x + − f x −( 0) t ) sin 2 число точек разрыва первого рода на полуинтервале (0, ], так же как и функции f x t+ и f x t− . Точка t = 0 также является точкой разрыва первого рода, поскольку конечен предел ( tlim ( ) lim0 →+0 g t = →+ t t→+0   ) ) t ( )  f x t+ − f x − + ( ( 0) + 2 lim (f x t− − f x − = ) t + ( ) f x t− − f x −( 0)  t ( )   t sin 2 t = 2 lim (f x t+ − f x + + ) ( 0) t→+0 t ( 0) 2( f x′ − ′−f x( )) . Таким образом, функция g( )t является кусочно-непрерывной, а, следовательно, и абсолютно интегрируемой на отрезке то есть lim S x −  n→∞   n ( ) lim ( ) 2 n n→∞ S x a f x + + f x −( 0)  2 ( 0) = + ∞ k=1 a  =  lim  g t( )sin n 0 n→∞ k cos kx bk sin kx =    + 0 () 2 + ( 0) Следствие 1. Если функция 2 + ∞ k= 1    a cos k k x l + bk sin k x  l  =  f x . ( ) 2 1   =  dt 0 . Отсюда получаем f x + + f x −( 0) . Теорема доказана. f ( )x – l2 -периодическая, кусочнодифференцируемая на отрезке [ , ]ll− , непрерывна в точке x , то ее ряд Фурье в этой точке сходится к значению a0 ности односторонних пределов f x + = f x − = f x( ) . Отсюда имеем ( 0) ( 0) Следствие 2. Если то f ( )x , то есть Доказательство следствия 1 вытекает из равенства в точке непрерывзначению функции, есть f x + + f x − = ( 0) ( 0) 2 имеющая кусочно-непрерывную на отрезке [ , ]ll− a0 2 + ∞ k= 1    a cos k k x l + bk sin 9 k x  l f x + f x( ) 2 ( ) = f x( ) . f ( )x – 2l-периодическая, непрерывная функция, производную, то ее ряд Фурье сходится к значению f ( )x на всей числовой оси, то есть для любого x R∈  =  f x . ( ) [0, ]. По теореме Римана интеграл (5) стремится к нулю при n→ ∞, ( 0) n ( )  []  g t( )sin n f x t+ + f x t− − f x + − f x −( 0)    + 2 1    dt , (5) – функция, имеющая конечное π π π π π π π π π π π π π
Стр.9
Определение. Если ряд Фурье сходится к функции на промежутке, будем говорить, что функция раскладывается на этом промежутке в ряд Фурье. Теорема 2. Если функция f ( )x – кусочно-дифференцируемая на отрезке [ , ]ll− , то ее ряд Фурье в каждой точке x сходится, причем 0 a 2 ab flll f l cos  ++ =  −+ − + k 1 ∞ =   Доказательство. Пусть kksin kx kx  2 (0) ( 0) 2 , если 2 )  ++ − 0) , если ( , ) fx fx(0) ( x∈−ll .. x =±l f ( )x – периодическое продолжение функции f ( )x , рассмотренной на полуинтервале [ , )ll− . Отметим, что ряд Фурье функции, абсолютно интегрируемой на промежутке ( ,a a l+ , совпадает с рядом Фурье ее периодического продолжения. В самом деле, пусть ka , k коэффициенты Фурье функции f ( )x , а k b – a , k a = k 1 ( )cos l  f x l −l l dx l k x = 1 a l a  для любого x a a l+∈( , имеем x ±= l f l + + f l − = − + + − − = − + +0) f ( ( 0) ( 0) ( 0) 2 l 0) 2 Следствие 1. Если a0 2 + ∞ k= 1    a cos k f ( l 0) f ( l 2 f l + = − +l f ( 0 ) , f l −( 0) . f ( )x – непрерывная на отрезке [ , ]ll− f ( )x на ( , )ll− , то есть для любого x ( , )ll−∈ k x l + bk sin k x  l функция f x = ( ) x l k + = (2 1 ),    f x( ),  =  f x . ( ) Доказательство следствия основано на том факте, что периодическим продолжением непрерывной на полуинтервале [ , )ll− функции f ( )x является x∈ −l l f x − lk k = ± ± ( 2 ), если x∈ − + kl l + если [ l [ , ) 2 , 2 ),kl k = ± ±1, 2,... непрерывная на всей числовой оси, за исключением, Возможно, точек 0, 1, 2,  f ( )x сходится к самой функции во всех точках непрерывности, то есть 10 . По следствию 1 к теореме 1 ряд Фурье функции функция, имеющая кусочно-непрерывную производную, то ее ряд Фурье сходится к значению f x( )cos l dx l k x = k 1 a l a +2  Аналогично показывается, что b b= . k Так как по определению периодического продолжения f x + + f x − = − f (− − = lf ( 0 ) , 2 ) , то l 0) ( 0) 2 ( 0) ( 0) f x + + f x −( 0) 2 ( 0) f l − = lf ( 0 ) , − l f x = f x( ) ( ) f (− + = − +l 0) f ( , а для точек 0 ) , поэтому b – коэффициенты Фурье периодического ее продолжения f ( )x , тогда в силу леммы 2 +2 f x( )cos l dx a k x = k , k = 0,1,2 ,... . ππ π π π π π
Стр.10