|
1 |
|
|
|
|
|
|
f x |
|
|
f t cos tdt |
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
cos xd |
||||
|
|
|
|
0 |
|
||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
f t sin tdt |
||||
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
sin xd . |
|||
|
|
|
|
0 |
|
||
(8)
Каждый из интегралов по t, стоящих в скобках, существует, т.к. функция f t абсолютно интегрируема в интервале , , а следовательно, абсолютно интегрируемы и функции f t cos t и f t sin t.
Рассмотрим частные случаи формулы (8).
1. Пусть f x – четная. В этом случае f t cos t – функция четная, а f t sin t – нечетная, и мы получаем
|
|
|
|
f t cos tdt 2 f t cos tdt, |
f t sin tdt 0. |
|
0 |
|
Формула (8) примет вид:
f x |
2 |
|
|
|
|
|
|
f t cos |
|||
|
|
|
0 0 |
(9)
tdt cos xd .
2. f x – нечетная. Тогда по аналогии получим
f x |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
f t sin tdt |
sin xd . |
|||
|
|
|
0 0 |
|
(10)
Если функция f x определена только в интервале 0, , то её можно представить при x 0 как формулой (9), так и формулой (10). В первом случае доопределим на интервале , 0 четным образом, а во втором – нечетным.
Вернемся к формуле (8). Интегралы, стоящие в скобках, являются функциями от . Введем обозначения:
|
1 |
|
|
1 |
|
||
A |
|
|
|
f t cos t dt; B |
|
|
f t sin tdt. |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
Тогда формулу (8) можно переписать так:
f x A cos x B sin x d .
0
(11)
Говорят, что формула (11) дает разложение функции f x на гармоники с непрерывно меняющейся от 0 до частотой . Закон распределения амплитуд и начальных фаз в зависимости от частоты выражается через функции A и B .
Если в формуле (9) положить
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
F |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f t cos tdt, |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
(12) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
то она примет вид |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
f x |
|
|
|
|
|
|
|
|
F cos xd . |
|||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
(13) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Функция F |
называется косинус – преобразованием Фурье |
||||||||||||||||||||||||
для функции f x . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Аналогично на основании формулы (10) можно записать |
|||||||||||||||||||||||||
следующие равенства: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f t sin tdt; |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
(14) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
f x |
|
|
|
|
|
sin xd . |
||||||||||||||||
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
(15) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Функция – синус преобразование Фурье |
|||||||||||||||||||||||||
Пример. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть f x e x , |
|
0; x 0 . По формуле (9) определим |
|||||||||||||||||||||||
косинус преобразование Фурье: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
F |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
e t cos tdt |
|
|
|
|
|
|
. |
||||||||||||||
|
|
|
2 |
2 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
По формуле (14) определим синус – преобразование Фурье:
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
2 |
|
2 |
|
||||||
|
|
|
e t sin tdt |
|
|
|
|
|
. |
|
|
|
2 2 |
||||||||
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
Ряд Фурье по ортогональной системе функций
Определение. Бесконечная система функций
1 x , 2 x , , n x ,
(16)
называется ортогональной на отрезке a, b , если при любом n k выполняется равенство
b
n x k x dx 0.
a
(17)
При этом предполагается, что
b
k x 2 dx 0.
a
Примеры. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1. |
Система |
|
|
|
|
функций |
|||||
1,cos x,sin x,cos2x,sin 2x, ,cosnx, sinnx, |
ортогональна |
на |
|||||||||
отрезке , . |
|
|
|
|
|
n |
|
n |
|
||
2. |
Система функций 1,cos |
|
x,sin |
|
x, ,cos |
x, sin |
x, |
||||
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
на ортогональна отрезке , .
3.Система функций 1,cos x,cos2x,cos3x, ортогональная на отрезке 0, .
4.Система функций sin x,sin2x, ,sinnx, ортогональная на отрезке 0, .
5.Система ортогональных многочленов Лежандра, которые определяются так:
|
|
1 |
|
dn x2 |
12 |
|
|
|
|
|
|
|
|
P x 1, |
P x |
|
|
|
|
n 1,2, , |
|
|
|
|
|||
0 |
n |
2n n! |
dxn |
|
||
|
|
|
||||
они удовлетворяют уравнениям
Учебное издание
Завьялов Александр Михайлович
КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ВЫСШЕЙ МАТЕМАТИКЕ
Учебное пособие
Часть 4
Редактор Т.И. Калинина
Подписано в печать |
2008 |
Формат 60x901/16. Бумага писчая Гарнитура Таймс
Оперативный способ печати Усл.п.л.11,5, уч.-изд.л. 11,5
Тираж 150 экз. Заказ № Цена договорная
Издательство СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10
Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ 644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10