Fourier-sorok. Lengyelné Dr. Szilágyi Szilvia április 7.

Átírás

1 ME, Anaĺızis Tanszék 21. április 7.

2 A Taylor-polinom ill. Taylor-sor hátránya, hogy az adott függvényt csak a sorfejtés helyén ill. annak környezetében közeĺıti jól. A sorfejtés helyétől távolodva a közeĺıtés pontossága csökken Definíció A (a k cos kx +b k sin kx) = a +...+(a n cos nx +b n sin nx)+... (1) k= sort trigonometrikus sornak nevezzük, amelyben a, a k, b k (k = 1, 2,...) konstansok a sor együtthatói. A trigonometrikus sor tagjai periodikus függvények.

3 1.2. Definíció A a k cos kx = a + a 1 cos x + a 2 cos 2x a n cos nx +... k= sort tiszta koszinusz sornak, a b k sin kx = b + b 1 sin x + b 2 sin 2x b n sin nx +... k= sort tiszta szinusz sornak nevezzük. A Fourier-sor periodikus függvények trigonometrikus sorral való közeĺıtése, így periodikus jelenségek vizsgálatánál van nagy jelentősége. Ez a közeĺıtés nem egy pontban, vagy annak környezetében közeĺıti meg a függvényt, hanem egy intervallumban.

4 1.3. Feladat Legyen f a 2π hosszúságú intervallumban korlátos és integrálható függvény. Keressük azt az F n (x) = a + (a 1 cos x + b 1 sin x) (a n cos nx + b n sin nx) (2) polinomot, amelyre az 2π integrál a lehető legkisebb. [f (x) F n (x)] 2 dx Ebben a szélsőértékfeladatban az ismeretlenek az a, a 1, b 1, a 2, b 2,..., a n, b n együtthatók.

5 1.3. Feladat megoldása Annak a feltételnek, hogy az f függvény és az F n (x) trigonometrikus polinom eltéréseinek négyzetintegrálja minimális legyen a Fourier-együtthatók tesznek eleget: a = 1 2π f (x)dx, b =, 2π k = 1, 2, 3,..., n. a k = 1 π b k = 1 π 2π 2π f (x) cos kxdx, f (x) sin kxdx,

6 1.4. Definíció A Fourier-együtthatókkal előálĺıtott trigonometrikus sort Fourier-sornak nevezzük. Megjegyzések 1 Az F n (x) polinom nem egy pont közelében közeĺıt jól, hanem egy intervallumon. 2 Ha az adott f függvény 2π szerint periodikus függvény, akkor a Fourier-együtthatókban szereplő integrálok eredménye nem változik, ha az inteegrálás határai nem és 2π, hanem tetszőleges 2π hosszúságú intervallum. 3 Ha az f függvény a perióduson belül szakadásos, vagy a függvény folytonos ugyan, de a deriváltjának van szakadása, akkor a határozott integrálnál tanultak alapján az integrálás szakaszonként végzendő el és az eredmények összeadandóak.

7 Bizonyos esetekben a Fourier.együtthatókat könnyebben kiszámíthatjuk: Speciális esetek 1. Ha f páros függvény, azaz és integrálható [, 2π]-n, akkor f (x) = f ( x) a = 1 π π f (x)dx, a k = 2 π π f (x) cos kxdx, b k =, k = 1, 2, 3,...

8 Speciális esetek 2. Ha f páratlan függvény, azaz és integrálható [, 2π]-n, akkor b k = 1 π 2π f (x) = f ( x), a =, a k =, f (x) sin kxdx, k = 1, 2, 3,...

9 A konvergenciájára érényes tételeket nem bizonyítjuk. Fontosabb tulajdonságok Egy megadott f (x) periodikus függvényt mindig előálĺıtja a Fourier-sora, ha az f (x) függvényre az alábbi feltételek valamelyike teljesül: 1 a sorfejtési intervallum belsejében folytonos és korlátos, 2 ha véges számú hely kivételével folytonos és minden pontban létezik a jobb és a bal oldali differenciálhányados és ezek korlátosak, 3 elegendő kielégítenie az ún. Lipschitz-feltételt, azaz az intervallum belsejében levő két tetszőleges x 1 és x 2 pontra létezik olyan K tetszőleges pozitív konstans és p > szám, aelyekre: f (x 2 ) f (x 1 ) K x 2 x 1 p, < p 1.

10 Példák ra 1.6. Példa { x, ha π x < π Határozzuk meg az f (x) = f (x + 2π), egyébként Fourier-sorát! függvény Az f függvény páros, így b k =, k = 1, 2,..., azaz a sor tiszta koszinusz sor. A Fourier-együtthatók kiszámítása: a = 1 π π f (x)dx = 1 π π xdx = 1 [ x 2 π 2 ] π = π 2, továbbá

11 Példák ra a k = 2 π f (x) cos kxdx = 2 π π π x cos kxdx = 2 πk 2 ( ( 1) k 1 ), azaz k esetén: a k = {, ha k páros, 4 πk 2, ha k páratlan. A Fourier-sor tehát: f (x) = π 2 4 [ ] cos x cos 3x cos 5x cos(2k 1)x π (2k 1)

12 Példák ra Ha az x = helyettesítést elvégezzük, akkor a = π 2 4 [ 1 π ] (2k 1) sor adódik, amelyből π-re adódik, hogy: azaz π 2 8 = (2k 1) , ( 1 π 2 = ) (2k 1)

13 Példák ra Ábrázoljuk az f (x) függvény első néhány Fourier-polinomját! F 1 (x) = π 2 4 cos x, π F 2(x) = π 2 4 [ cos 3x cos x + π 9 ]

14 Példák ra 1.7. Példa Határozzuk meg az f (x) = f (x + 2π) = f (x) függvény Fourier-sorát! 1, ha π < x <, ha x =, x = π 1, ha < x < π, Az f függvény páratlan, így azaz a sor tiszta szinusz sor. A b k együtthatók számítása: b k = 1 π π π a k =, k =, 1, 2,..., f (x) sin kxdx = 1 π π ( 1) sin kxdx + 1 π = 2 π 1 ( 1)k, k = 1, 2,... k π sin kxdx =

15 Példák ra Innen néhány együttható értéke: b 1 = 4 π, b 3 = 4 π 1 3, b 5 = 4 π 1 5 A függvény Fourier-sora: f (x) = 4 ( sin 3x sin x + + π 3 sin 5x 5 ) +...

16 Példák ra 1 Igazolja, hogy az f (x) = x 2 4 π 2 x + π2, ha x < 2π 6 f (x + 2π), egyébként periodikus függvény Fourier-sora a n=1 cos nx n 2 sor! 2 Adott az π + x, ha π x < f (x) = 2 π, f (x + 2π) = f (x) 2 x, ha x < π függvény. Vázolja a függvény grafikonját! Adja meg az f függvény Fourier-sorát!