Fourier-sorok Horv ath G abor 1

Hasonló dokumentumok
Fourier sorok február 19.

Hatványsorok, Fourier sorok

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

Kalkulus I. gyakorlat Fizika BSc I/1.

Kalkulus S af ar Orsolya F uggv enyek S af ar Orsolya Kalkulus

Tartalomjegyzék. Tartalomjegyzék Valós változós valós értékű függvények... 2

Fourier-sorok. néhány esetben eltérhetnek az előadáson alkalmazottaktól. Vizsgán. k=1. 1 k = j.

SHk rövidítéssel fogunk hivatkozni.

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Függvények vizsgálata

Számsorok. 1. Definíció. Legyen adott valós számoknak egy (a n ) n=1 = (a 1, a 2,..., a n,...) végtelen sorozata. Az. a n

Függvény határérték összefoglalás

2. Fourier-elmélet Komplex trigonometrikus Fourier-sorok. 18 VEMIMAM244A előadásjegyzet, 2010/2011

VIK A1 Matematika BOSCH, Hatvan, 5. Gyakorlati anyag

Egyenletek, egyenlőtlenségek VII.

Gibbs-jelenség viselkedésének vizsgálata egyszer négyszögjel esetén

Függvények határértéke és folytonosság

9. Trigonometria. I. Nulladik ZH-ban láttuk: 1. Tegye nagyság szerint növekvő sorrendbe az alábbi értékeket! Megoldás:

y = y 0 exp (ax) Y (x) = exp (Ax)Y 0 A n x n 1 (n 1)! = A I + d exp (Ax) = A exp (Ax) exp (Ax)

Matematika A1a Analízis

Feladatok megoldásokkal a 9. gyakorlathoz (Newton-Leibniz formula, közelítő integrálás, az integrálszámítás alkalmazásai 1.

Numerikus integrálás

DIFFERENCIÁLEGYENLETEK. BSc. Matematika II. BGRMA2HNND, BGRMA2HNNC

1. Fourier-sorok. a 0 = 1. Ennek a fejezetnek a célja a 2π szerint periodikus. 1. Ha k l pozitív egészek, akkor. (a) cos kx cos lxdx = 1 2 +

1/1. Házi feladat. 1. Legyen p és q igaz vagy hamis matematikai kifejezés. Mutassuk meg, hogy

f(x) vagy f(x) a (x x 0 )-t használjuk. lim melyekre Mivel itt ɛ > 0 tetszőlegesen kicsi, így a a = 0, a = a, ami ellentmondás, bizonyítva

Integrálszámítás. a Matematika A1a-Analízis nevű tárgyhoz november

A fontosabb definíciók

Fourier transzformáció

n n (n n ), lim ln(2 + 3e x ) x 3 + 2x 2e x e x + 1, sin x 1 cos x, lim e x2 1 + x 2 lim sin x 1 )

Függvények folytonosságával kapcsolatos tételek és ellenpéldák

Példatár Lineáris algebra és többváltozós függvények

A sorozat fogalma. függvényeket sorozatoknak nevezzük. Amennyiben az értékkészlet. az értékkészlet a komplex számok halmaza, akkor komplex

Matematika A2 vizsga mgeoldása június 4.

2014. november 5-7. Dr. Vincze Szilvia

4. Laplace transzformáció és alkalmazása

Analízis ZH konzultáció

1. Folytonosság. 1. (A) Igaz-e, hogy ha D(f) = R, f folytonos és periodikus, akkor f korlátos és van maximuma és minimuma?

Határozatlan integrál, primitív függvény

Határozatlan integrál

Határozatlan integrál (2) First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit

Megoldott feladatok november 30. n+3 szigorúan monoton csökken, 5. n+3. lim a n = lim. n+3 = 2n+3 n+4 2n+1

Matematika I. NÉV:... FELADATOK:

Függvények határértéke, folytonossága

Elemi algebrai eszközökkel megoldható versenyfeladatok Ábrahám Gábor, Szeged

Analízis I. Vizsgatételsor

2. Reprezentáció-függvények, Erdős-Fuchs tétel

x 2 e x dx c) (3x 2 2x)e 2x dx x sin x dx f) x cosxdx (1 x 2 )(sin 2x 2 cos 3x) dx e 2x cos x dx k) e x sin x cosxdx x ln x dx n) (2x + 1) ln 2 x dx

Egészrészes feladatok

1.1. Feladatok. x 0 pontban! b) f(x) = 2x + 5, x 0 = 2. d) f(x) = 1 3x+4 = 1. e) f(x) = x 1. f) x 2 4x + 4 sin(x 2), x 0 = 2. általános pontban!

2012. október 2 és 4. Dr. Vincze Szilvia

86 MAM112M előadásjegyzet, 2008/2009

Függvények december 6. Határozza meg a következő határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. Megoldás: lim. 2. Feladat: lim.

3. Lineáris differenciálegyenletek

FELVÉTELI VIZSGA, szeptember 12.

Exponenciális és logaritmikus kifejezések Megoldások

minden x D esetén, akkor x 0 -at a függvény maximumhelyének mondjuk, f(x 0 )-at pedig az (abszolút) maximumértékének.

Határozatlan integrál

A Matematika I. előadás részletes tematikája

MODELLEK ÉS ALGORITMUSOK ELŐADÁS

Az Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny tanévi második fordulójának feladatmegoldásai. x 2 sin x cos (2x) < 1 x.

4. SOROK. a n. a k (n N) a n = s, azaz. a n := lim

Matematika I. Vektorok, egyenesek, síkok

Funkcionálanalízis. n=1. n=1. x n y n. n=1

Másodfokú egyenletek, egyenlőtlenségek

Analízis I. beugró vizsgakérdések

Az egyenlőtlenség mindkét oldalát szorozzuk meg 4 16-al:

IV. INTEGRÁLSZÁMÍTÁS Megoldások november

1. feladatsor: Vektorterek, lineáris kombináció, mátrixok, determináns (megoldás)

Másodfokú egyenletek, egyenlőtlenségek

Differenciálszámítás. 8. előadás. Farkas István. DE ATC Gazdaságelemzési és Statisztikai Tanszék. Differenciálszámítás p. 1/1

Gyakorló feladatok az II. konzultáció anyagához

Egyváltozós függvények 1.

Tanulási cél Szorzatfüggvényekre vonatkozó integrálási technikák megismerése és különböző típusokra való alkalmazása. 5), akkor

Numerikus módszerek 1.

Függvények július 13. Határozza meg a következ határértékeket! 1. Feladat: x 0 7x 15 x ) = lim. x 7 x 15 x ) = (2 + 0) = lim.

PTE PMMFK Levelező-távoktatás, villamosmérnök szak

SZÉLSŐÉRTÉKKEL KAPCSOLATOS TÉTELEK, PÉLDÁK, SZAKDOLGOZAT ELLENPÉLDÁK. TÉMAVEZETŐ: Gémes Margit. Matematika Bsc, tanári szakirány

6. Függvények. 1. Az alábbi függvények közül melyik szigorúan monoton növekvő a 0;1 intervallumban?

First Prev Next Last Go Back Full Screen Close Quit. (Derivált)

Bevezetés. 1. fejezet. Algebrai feladatok. Feladatok

1. Példa. A gamma függvény és a Fubini-tétel.

Valós függvények tulajdonságai és határérték-számítása

Matematika A1a Analízis

Függvények alkalmazása feladatokban. nemethj

1.9. B - SPLINEOK B - SPLINEOK EGZISZTENCIÁJA. numerikus analízis ii. 34. [ a, b] - n legfeljebb n darab gyöke lehet. = r (m 1) n = r m + n 1

Differenciálegyenletek. Vajda István március 4.

Trigonometria Megoldások. 1) Igazolja, hogy ha egy háromszög szögeire érvényes az alábbi összefüggés: sin : sin = cos + : cos +, ( ) ( )

Sorozatok, sorok, függvények határértéke és folytonossága Leindler Schipp - Analízis I. könyve + jegyzetek, kidolgozások alapján

Függvények hatványsorba fejtése, Maclaurin-sor, konvergenciatartomány

1. Számsorok, hatványsorok, Taylor-sor, Fourier-sor

Valószínűségi változók. Várható érték és szórás

Algebra es sz amelm elet 3 el oad as Nevezetes sz amelm eleti probl em ak Waldhauser Tam as 2014 oszi f el ev

Gyakorló feladatok I.

2010. október 12. Dr. Vincze Szilvia

Arany Dániel Matematikai Tanulóverseny 2014/2015-ös tanév első (iskolai) forduló Haladók II. kategória

MATEMATIKA ÉRETTSÉGI TÍPUSFELADATOK MEGOLDÁSAI EMELT SZINT Exponenciális és Logaritmikus kifejezések

Matematika II képletek. 1 sin xdx =, cos 2 x dx = sh 2 x dx = 1 + x 2 dx = 1 x. cos xdx =,

Taylor-polinomok. 1. Alapfeladatok április Feladat: Írjuk fel az f(x) = e 2x függvény másodfokú Maclaurinpolinomját!

Átírás:

Fourier-sorok Horváth Gábor 1

Tartalomjegyzék

1 Bevezetés Szakdolgozatom során periodikus függvények egyfajta közelítésével fogunk foglalkozni. Amíg a Taylor-sornál a függvényeket hatványsor alakban állítjuk elő, addig a Fourier-sornál úgynevezett trigonometikus sor segítségével fogjuk ezt megtenni. 1.1 Történeti bevezetés A Fourier-sorok vizsgálata először a hőtan és a hangtan kapcsán indult fejlődésnek a XVIII. században. W. R. Wade amerikai professzortól idézném a következő gondolatokat: A klasszikus harmonikus analízis, a Fourier-analízis gyökerei mélyre nyúlnak. Mondhatnám, Isten volt az első, aki Fourier-analízist művelt, amikor fülünkbe beépített egy Fourier-analizátort. Ugyanis már a gyermek is képes arra, hogy különbséget tegyen például a hegedű és a harsona hangja között. Annak ellenére, hogy a hangjegyek, amelyekkel a dallamot leírjuk, ugyanazok. Mi akkor a különbség a két hang között? Az, hogy amikor megszólaltatunk egy hangot, az sosem csupán tiszta hang, hanem több felhangból álló együttes. Kissé általánosabban fogalmazva: minden függvényben, ami egy hangzásnak megfelel, sok rejtett információ van, amit észlelni kell, s fülünk észlelni is tudja 1. 1 https://hu.wikipedia.org/wiki/fourier-analízis 3

1. Nevezetes periodikus függvények 1.1 Definíció: Egy f(x függvényt periodikusnak mondunk, ha létezik olyan P konstans, hogy bármely x D(f-re x + P D(f, x P D(f, továbbá f(x + P = f(x (1 Ekkor P és P periódusa lesz az f függvénynek. Könnyen meggondolható, hogy két különböző, P szerint periodikus függvény összege, különbsége, szorzata és hányadosa is (ahol a nevező nem nulla P periódusú függvény lesz, továbbá ha egy függvénynek periódusa P, akkor P, P, P, 3P, 3P, 4P, 4P,... szintén periódusa. Térjünk át a π szerint periodikus függvényekre. Ezek közül a legismertebbek a sin x és a cos x. Vizsgáljuk a következő transzformáltját például a szinusz függvénynek: y = A sin (αx + β. ( A fenti formában sin x bármilyen transzformáltját felírhatjuk alkalmas α, β és A számok megválasztásával, ahol a periódus: π α. Egy jól ismert addíciós tétel alapján ezt továbbgondolva kapjuk a következőt: A sin (αx + β = A(cos αx sin β + sin αx cos β. (3 Legyen a = A sin β és b = A cos β. felírható a következő alakban: Ezek szerint sin x bármely transzformáltja a cos αx + b sin αx. (4 1.1 Példa: 5 sin (4x + π 6 = 5 cos 4x + 5 3 sin 4x Vezessük be a P periódust (4-be. Mivel P = π π, ezért α = α P. Így az új képletünk: a cos π π x + b sin x. (5 P P A következő alfejezetben látni fogjuk, hogy hogyan képezünk ebből trigonometrikus polinomokat, amivel már egyre közelebbhez jutunk a lényeghez: a Fourier-sorhoz. 4

1.3 Trigonometrikus polinomok és ezekből képezett végtelen trigonometrikus sorok Vizsgáljuk a következő trigonometrikus függvényeket (k=1,, 3,... a k cos π P kx + b k sin π kx (6 P Frekvenciájuk: α k = π P k, periódusuk: P k = π = π P α k πk = P k Az (1. alfejezetben leírtak alapján könnyen látható, hogy a (6 alakú trigonometrikus függvényeknek a P szám szintén egy periódusa. Végezzük el a következő helyettesítést: t = πx P Ekkor az a k cos kt + b k sin kt függvények π szerint is periodikusak. Legyen n S n (x = A + (a k cos kx + b k sin kx, (7 k=1 ahol A egy konstans. S n (x nyilván nem veszti el π szerinti periodikusságát, mivel az összeadott függvényeknek egyik periódusa, a π megegyezik (és egy A konstans hozzáadása sem rontja el a periodikusságot. A fenti S n (x-et hívjuk trigonometrikus polinomnak. A következő S(x-et végtelen trigonometrikus sornak hívjuk. S(x = A + (a k cos kx + b k sin kx (8 k=1 Meg fogjuk vizsgálni, hogy egy tetszőleges π szerint periodikus függvény előállíthatóe végtelen trigonometrikus sorként. Látni fogjuk, hogy függvényeknek egy nagyon széles skálájára meg tudjuk ezt valósítani. Továbbá, ha egy periodikus függvény előáll a (8-as alakban, akkor ez a függvénysor lesz a függvény Fourier-sora, az a k és b k együtthatókat pedig a függvény Fourier-együtthatóinak fogjuk nevezni. 5

A Fourier-együtthatók meghatározása.1 A módszer levezetése Tegyük fel, hogy az f(x = (a n cos nx + b n sin nx (9 n= függvénysor egyenletesen konvergens, majd rögzítsük le a k nemnegatív egész számot. Ezután szorozzuk végig (9-et cos kx-szel. Így a következőt kapjuk. f(x cos kx = n= ( a n cos nx cos kx + b n sin nx cos kx Mivel a sin x és cos x integrálható függvények és a függvénysor egyenletesen konvergens, a fenti kifejezést integrálhatjuk a [, π] tartományon, továbbá az integráljelet bevihetjük a szummajel mögé: f(x cos kxdx = (a n cos nx cos kxdx + b n sin nx cos kxdx (1 n= Vizsgáljuk meg a kifejezés jobb oldalát. Könnyen adódik,hogy sin nx cos kxdx =, mivel páratlan függvényt integrálunk egy origóra szimmetrikus tartományon. Tegyük fel, hogy n = k. Ekkor cos kxdx = 1 (cos kx + 1dx = 1 Viszont ha n = k =, akkor cos kx = cos = 1, tehát cos kxdx = [ sin kx 1dx = π. k ] π + x = π. Bátkai András jegyzete (http://www.cs.elte.hu/ batka/oktatas/fouriersor.pdf alapján. 6

Már csak azt az esetet kell megvizsgálnunk, ha n k. azonosságot használjuk: Ez alapján kapjuk: cos αx cos βx = cos (α + β + cos (α β Ehhez a következő cos nx cos kxdx = 1 [ ] cos (nx + kx + cos (nx kx dx = = 1 [ ] π sin [(n + kx] sin [(n kx] + =. n + k n k Tehát összefoglalva az eddigieket, a (1 egyenlet jobb oldala mindenhol nulla, kivéve k esetén továbbá k = esetén f(x cos kxdx = a k π, f(xdx = a π. A b n együttható kiszámolása a fentiekhez teljesen analóg módon történik azzal a különbséggel, hogy (9-et sin kx-szel szorozzuk végig, továbbá, hogy b bármi lehet, mivel az azonosan nulla függvény szorzótényezője (mert sin =. A kényelem kedvéért legyen b =. Így az előző számolást megismételve kapjuk minden k természetes számra, hogy.1 Definíció: Legyen f R[, π], továbbá legyen az a f(x sin kxdx = b k π + (a n cos nx + b n sin nx függvénysor egyenletesen konvergens. Ekkor a fenti függvénysort f Fourier-sorának nevezzük, ahol a n = 1 π a = 1 π f(x cos nxdx, b n = 1 π f(xdx, f(x sin nxdx, n N. Bátkai András jegyzete (http://www.cs.elte.hu/ batka/oktatas/fouriersor.pdf alapján. 7

. Példák a Fourier-együtthatók meghatározára Hangsúlyoznám, hogy még csak nagyon speciális esetekben definiáltuk egy függvény Fourier-sorát. Teljesülnie kell a.1 definícióban leírt feltételeknek, illetve f-nek a π periódusa kell, hogy legyen. Emiatt az adott függvényt le kell szűkítenünk például a (, π tartományra, majd ezt a függvénytartományt kiterjeszteni az egész x tengelyre. Továbbá, (l + 1π, l Z-ben a függvény értéke legyen az ezekben a pontokban vett két féloldali határértékének számtani közepe. Ezzel a módszerrel egy π szerint periodikus függvényt kapunk.. Példa (Lazkovich Miklós T. Sós Vera - Valós analízis II. 7.8/a feladat: f(x = x ( < x < π f(π = Ennek a függvénynek a periodikus kiterjesztését mutatja az alábbi ábra. Mivel nem minden függvényre igaz, hogy a Fourier-sora egyenletesen konvergens, ráadásul a fenti függvényünk még csak nem is folytonos, be kell vezetnünk egy tételt, amihez az alábbi definíció szükséges..3 Definíció: Egy f(x függvényt egy véges intervallumon szakaszonként folytonosan differenciálhatónak nevezünk, ha az intervallum feldarabolható véges sok szakaszra úgy, hogy minden szakaszon a függvény és a deriváltja is folytonos, továbbá a szakadási helyeken a jobb és bal oldali határérték is létezik és mindkettő véges..4 Tétel: Egy szakaszonként folytonosan differenciálható, π szerint periodikus f(x függvény Fourier-sora minden pontban konvergál, f(x folytonossági helyein f(x-hez konvergál. Ha f(x mindenhol folytonos, a konvergencia egyenletes is. Ha f(x nem 8

folytonos, akkor minden x szakadási pontban a Fourier-sor összege [ ] 1 lim f(x + lim f(x. x x + x x Tehát ezek alapján f(x = x ( < x < π Fourier-sora előállítja f(x-et. Továbbá, a szakadási pontokban ( x = (l + 1π (l = ±1, ±, ±3... a Fourier-sor nullához konvergál. A Fourier-együtthatók: a k = 1 π b k = 1 π f(x cos kxdx f(x sin kxdx Mivel f(x páratlan függvény, cos kx pedig páros minden k természetes számra, így a szorzatuk páratlan. Ennek értelmében a k minden k-ra nulla, mivel páratlan függvényt integrálunk origóra szimmetrikus tartományon (ld. előző alfejezet. Ez értelemszerűen minden páratlan függvény Fourier-együtthatóira igaz lesz, tehát innentől nem is fogunk foglalkozni páratlan függvény a k együtthatóival, továbbá a b k együtthatók kiszámításához a könnyen számolhatóság érdekében csak [, π] tartományon integrálunk és ezt megszorozzuk kettővel. Érdemes meggondolni már előre, mielőtt nézünk egy páros függvényre is példát, hogy annak pedig a b k együtthatói esnek ki. Továbbá, hogy páratlan függvény Fourier-sora tisztán szinuszos, párosé pedig koszinuszos. Ezek alapján a fenti páratlan f(x Fourier-sora a következő alakú lesz: Páros függvényé pedig: a b k sin kx (11 k=1 + a k cos kx (1 k=1 Folytassuk tehát a Fourier-sorfejtést, amihez parciális integrálást kell alkalmaznunk: b k = x sin kxdx = [ ] π x cos kx + cos kxdx = π πk πk k cos kπ = k ( 1k+1 Így tehát (11-be behelyettesítve ( x = sin x sin x 9 + sin 3x 3.... (13

A továbbiakban nézzünk egy példát páros függvényre..5 Példa (Tolstov G.P. - Fourier series első fejezet, első példa: f(x = x ( x π. f(x periodikus kiterjesztését az alábbi ábrán láthatjuk. a k = π a = x dx = [ ] x 3 π = π π π 3 3 x cos kxdx = 4 x sin kxdx = 4 [ x cos kx πk πk = 4 k cos kπ = ( 1k 4 k ] π 4 πk cos kxdx = Továbbá, b k = minden k természetes számra, mivel f(x páros. Ezeket (1-be behelyettesítve kapjuk, hogy ( x = π 3 4 cos x cos 3x cos x +.... (14 4 9 A.4 tétel alapján a konvergencia egyenletes és a függvényt Fourier-sora mindenütt előállítja..6 Példa(Tolstov G.P. - Fourier series első fejezet, 3. példa: f(x = sin x f(x egy minden x-en értelmezett (tehát nem kell foglalkoznunk kiterjesztéssel folytonos, szakaszonként folytonosan differenciálható és páros függvény. Így a.4 tétel itt is alkalmazható, továbbá a konvergencia egyenletes. Mivel sin x = sin x ( x π, a = π a k = π sin xdx = 4 π. sin x cos kxdx 1

Ennek az integrálnak a kiszámításához át kell alakítanunk az integrandust, méghozzá a következő trigonometrikus összefüggés segítségével: sin x cos y = 1 (sin (x + y sin (y x Ennek felhasználásával folytatva a k kiszámítását: a k = 1 [ ] sin (x + kx sin (kx x = π = 1 π [ ] sin [(k + 1x] sin [(k 1x] = 1 π [ ( 1 k+1 1 k + 1 = 1 [ cos [(k + 1x] π k + 1 ] ( 1k 1 1 = ( 1k + 1 k 1 π(k 1 ] π cos [(k 1x] = k 1 Könnyen látható, hogy páratlan k-ra a számláló nulla, továbbá k=1-re a nevező is, tehát ezt az esetet külön meg kell vizsgálnunk. a 1 = π sin x cos xdx = 1 π sin xdx = Mivel f(x páros, b k =. a k -t (1-be behelyettesítve kapjuk, hogy sin x = π 4 ( cos x cos 4x + +.... (15 π 3 15 Az eddigiekben láthattunk pár általános példát a Fourier-sorfejtésre. Mielőtt továbbmennénk, vonjunk le egy-két praktikus következtetést az eddigi munkánkból. A (13-as egyenlet megfelelő rendezésével a következő trigonometrikus sor összegére bukkanhatunk: k+1 sin kx ( 1 = x ( < x < π k k=1 Továbbá, (14-ből adódik: k+1 cos kx ( 1 k=1 k = π 1 x 4 ( x π (15-ből pedig: k=1 coskx (k 1 = 1 sin x π 4 x R 11

A.4 tétel adott egy feltételt ami miatt a (13-ban, (14-ben és (15-ben egyenlőségjelet írhattunk, tehát nem csak megközelítettük az adott függvényt, hanem elő is állítottuk. Erre szeretnénk most egy jobban használható, egyszerűbb feltételt adni..7 Tétel: Ha f : R R π szerint periodikus és legalább kétszer folytonosan differenciálható, akkor a Fourier-sora mindenütt előállítja. Ennek a bizonyításához további segédtétel szükséges, amiből levezethetjük..8 Segédtétel: Legyen f : R R folytonos és π szerint periodikus. Ha f Fourier-sora egyenletesen konvergens R-en, akkor az összege minden pontban f(x-szel egyenlő. Bizonyítás: Legyen f Fourier-sorának összege g. Ekkor a.4 tétel szerint g folytonos, továbbá a Fourier-együtthatói megegyeznek f Fourier-együtthatóival. Ebből egyszerűen következik, hogy a folytonos és π szerint periodikus f g függvény Fourier-együtthatói nullával egyenlőek. Ekkor f g =, azaz f = g..9 Segédtétel: Ha az f : R R függvény π szerint periodikus és legalább kétszer folytonosan differenciálható R-en, akkor van olyan M > szám, hogy f Fourier-együtthatóira fennállnak az alábbi becslések minden n 1-re. a n M n a n = 1 π f(x cos nxdx = 1 π b n M n Bizonyítás: A tétel szerint f kétszer folytonosan differenciálható. Ezáltal az a n és b n Fourier-együtthatókat megadó formulákban szereplő integrálásokat parciális integrálás módszerével elvégezhetjük (mivel f(x-et deriválhatjuk. [ ] π f(x Ezt megismételve: a n = 1 πn = 1 πn [ f (x sin (nx π n sin nx n 1 π f (x cos (nx π dx ] π 1 πn = 1 f (x cos (nx πdx πn f sin nx (x n dx = f (x sin (nx π dx = n.9 Segédtétel bizonyítása Laczkovich Miklós T. Sós Vera - Valós Analízis II és Bátkai András jegyzete (http://www.cs.elte.hu/ batka/oktatas/fouriersor.pdf alapján történt. 1

A b n együtthatókra ugyanezt végigjátszva kapjuk, hogy b n = 1 πn f (x sin (nx πdx A tételben szereplő M-et próbáljuk megtalálni, tehát már csak felülről kell becsülnünk a kapott eredményt: a n 1 f (x cos (nx π dx 1 f (x dx = M πn πn n, ahol kihasználtuk, hogy a koszinusz függvény értékkészlete [ 1, 1], továbbá bevezettük az M = 1 π f (x dx jelölést. π b n -t hasonlóan becsüljük: b n 1 πn f (x sin (nx π dx 1 πn f (x dx = M n. Ezzel a.9 segédtételt beláttuk, amiből következik az alábbi összefüggés: a n cos nx + b n sin nx M n. Weierstrass jól ismert kritériuma alapján teljesül az egyenletes konvergencia, mivel a 1 sor abszolút konvergens. Emiatt teljesül a.8-as segédtétel feltétele, így n f(x-et mindenhol előállítja a Fourier-sora. Ezzel végeztünk az elméleti résszel, szakdolgozatom hátralevő részét önálló feladatmegoldás fogja kitölteni..9 Segédtétel bizonyítása Laczkovich Miklós T. Sós Vera - Valós Analízis II és Bátkai András jegyzete (http://www.cs.elte.hu/ batka/oktatas/fouriersor.pdf alapján történt. 13

3 Feladatok 3.1 Feladat: Fejtsük Fourier-sorba az f(x = π x ennek segítségével határozzuk meg a n= ( < x < π f( = függvényt, majd ( 1 n n + 1 numerikus sor összegét! Megoldás: A. példához hasonlóan elő tudjuk állítani a periodikus kiterjesztését f(x-nek, amire alkalmazva a.4 tételt kapjuk, hogy f(x-hez a Fourier-sora konvergál (, π minden pontjában, illetve a periodikus kiterjesztéshez (, π-n kívül. Továbbá, a szakadási pontokban a Fourier-sor nullához konvergál. Tehát, a n = 1 π b n = 1 π a = 1 π π x π x π x cos nxdx = 1 π π x dx = 1 [ ] π πx π x = 4 [ π x = 1 sin nxdx = πn [ π x sin nxdx = 1 π = sin x + = 1 π ( π n + π n = 1 n sin x + ] π sin nx + 1 n π ] π cos nx 1 n π sin 3x... = 3 sin nx n. 1 sin nx n dx = 1 cos nx n dx = A feladat második részének megoldásához vizsgáljuk meg a fenti egyenlet jobb oldalán levő függvénysort az x = π helyen. sin nπ n = π 4 Mivel sin nπ váltakozik, minden páros n-re nulla, továbbá páratlan n-ekre 1 és -1 között sin nπ n = n= ( 1 n n + 1 = π 4. 14

3. Feladat: Határozzuk meg a 1 n és a ( 1 n n numerikus sorok összegét. Megoldás: A feladat megoldásához a.5 példa nyújt segítséget, miszerint ( x = π 3 4 cos x cos 3x cos x +... = π 4 9 3 4 n+1 cos nx ( 1. n Az első sor összegének kiszámításához a fenti egyenletben x helyére π-t írunk (mivel a periodikus kiterjesztés itt is folytonos, a Fourier-sor összege itt szintén x, továbbá kihasználjuk, hogy cos nπ = ( 1 n. Így a szummázandó sorozatban a -1 kitevője n + 1 lesz, ezért elhagyhatjuk. π = π 3 + 4 1 n, így 1 n = π 6. A feladat második részéhez az x = helyettesítést kell elvégeznünk: tehát az eredmény π 1. = π 3 + 4 ( 1 n n, 3.3 Feladat (Laczkovich Miklós T. Sós Vera - Valós Analízis II, 7.8/g feladat: Írjuk fel az alábbi függvény Fourier-sorát. f(x = (x π (x [, π, f(x = (x + π (x [, A fenti függvény periodikus kiterjesztése szinte teljesen megegyezik a.5 példánál levő ábrán látottakhoz annyi különbséggel, hogy el van tolva π-vel az x tengely mentén. Vegyük észre, hogy az így kapott függvény szintén páros, π szerint periodikus, folytonos és Fourier-sora szintén mindenütt előállítja. A párosság miatt az a n együtthatók kiszámításához nullától π-ig integrálunk, majd ezt megszorozzuk kettővel, a b n együtthatók pedig minden n -ra nullával egyenlők. a = π [ x (x π 3 dx = 3 πx + π x 15 ] π = π 3

a n = π = 4 πn Tehát [ sin nx (x π ] π (x π cos nxdx = π n (x π sin nxdx = 4 [ (x π cos nx πn f(x = π 3 + 4 π ] π cos nx n. 4 πn sin nx (x π n dx = cos nxdx = 4 n Szokásunkhoz híven most is következtetünk egy nevezetes függvénysor összegére a fenti egyenlet megfelelő átrendezésével. cos nx n cos nx n = x 4 π x + π 6 = x 4 + π x + π 6 ( x < π ( x < 3.4 Feladat: Határozzuk meg a következő függvények Fourier-sorait. f(x = sgn(x ( < x < π g(x = 1 ( < x < π, g(x = ( < x < Vegyük észre, hogy a két függvény megegyezik a (, π intervallumban. f(x páratlan, tehát csak a b n együtthatókat kell kiszámolnunk, ahol nullától π-ig integrálunk és ezt megszorozzuk kettővel. Így b k = π sin nxdx = πn sgn(x = 4 π [ cos nx ] π = πn [1 ( 1n ] ( sin 3x sin 5x sin x + + +.... 3 5 A fenti ábrán láthatjuk f(x periodikus kiterjesztését (piros és tizedik Fourierpolinomját (zöld. 16

g(x se nem páros, se nem páratlan, de a Fourier-együtthatóinak számolásakor szintén nullától π-ig integrálunk, mert ezen tartományon kívül az értéke (és ezáltal az integráltja is nulla. Így b n = 1 π a = 1 π 1dx = 1 π [ x ] π = 1 a n = 1 cos nxdx = π sin nxdx = 1 [ ] π cos nx = 1 ( 1 ( 1 n πn πn g(x = 1 + π A kiterjesztés és a tizedik Fourier-polinom: ( sin 3x sin 5x sin x + + +.... 3 5 3.5 Feladat: Határozzuk meg az f(x = sin 3 x és g(x = cos 3 x függvények Fouriersorait! Néhány esetben elég a sorbafejtendő függvényt alakítgatnunk addig, amíg trigonometrikus polinom alakú nem lesz. Ha ezzel megvagyunk, amit eredményül kaptunk, az lesz a függvény Fourier-sora. Tehát a következő formában kell felírnunk a fenti függvényeket: a N + (a n cos nx + b n sin nx. 17

Megoldás: Mivel ezért Alkalmazva az sin x sin x = sin 3 x = sin x sin x sin x = 1 cos x 1 cos x, sin x = 1 sin x 1 sin x cos x. 1 sin x cos x = 1 ( sin x cos x + sin x sin x 4 trükkös átalakítást és felhasználva, hogy kapjuk az eredményt: sin 3x = sin x cos x + sin x, sin 3 x = 1 sin x 1 4 (sin 3x sin x = 3 4 sin x 1 sin 3x. 4 A g(x függvény esetében hasonlóan: cos x cos x = 1 (cos x + 1 cos x = 1 (cos x cos x + cos x = = 1 4 (cos x + cos 3x + 1 cos x = 3 4 cos x + 1 4 cos 3x = cos3 x, ahol felhasználtuk, hogy cos 3x = cos x cos x cos x. Tehát mindkét esetben kettő darab nemnulla Fourier-együtthatót találtunk: f(x esetében b 1 = 3 4 és b 3 = 1 4, tehát: sin3 x = 3 4 sin x 1 sin 3x. 4 g(x esetében pedig a 1 = 3 4, a 3 = 1 4, tehát: cos3 x = 3 4 cos x + 1 cos 3x. 4 18

3.6 Feladat (Laczkovich Miklós T. Sós Vera - Valós Analízis II, 7.8/b feladat: Fejtsük Fourier-sorba az f(x = x ( x < π függvényt! Tudjuk, hogy az x függvény az x = helyen nem differenciálható (mivel jobb és bal deriváltja nem egyenlő ebben a pontban, de mivel a.3 definíció alapján a függvény szakaszonként folytonosan differenciálható, így a.4 tétel szerint a függvényt a Fourier-sora minden pontban előállítja. Mivel f(x páros, az a n együtthatók számításához szokásosan nullától π-ig integrálunk és beszorozzuk kettővel. Ez azért is lesz kedvező, mert itt x = x. a = xdx = [ ] x π = π π π a n = x cos nxdx = [ ] π x sin nx sin nxdx = π πn πn = [ cos nx πn ] π = πn [( 1n 1] Így x = π 4 ( cos 3x cos 9x cos x + + +.... π 9 5 Az alábbi ábrán láthatjuk, hogy f(x periodikus kiterjesztésétől már a második Fourier-polinomja is kevéssel tér el, nagy n-ekre már csak jóval nagyobb nagyítással látszana a különbség. A második Fourier-polinom (kék: π 4 π ( cos x + cos 3x. 9 19

3.7 Feladat (Tolstov G.P - Fourier series első fejezet 1/a feladat: Fejtsük Fouriersorba a következő függvényt. f(x = e ax ( < x < π ahol a nullától különböző valós szám. a = 1 e ax dx = 1 [ ] e ax π = 1 ( e aπ e aπ sh aπ = π π a π a aπ e ax cos nxdx = 1 [ ] π e ax sin nx a e ax sin nxdx = πn πn a n = 1 π = a πn [ e ax cos nx ] π a e ax cos nxdx = πn = ( 1 n a πn (eaπ e aπ a e ax cos nxdx πn Ha elnevezzük c-nek az 1 π π eax cos nxdx kifejezést, akkor az eddigiekből következik: b n = 1 π c = ( 1n a sh aπ πn = ( 1n πn (eaπ e aπ + a πn Legyen d = 1 π π eax sin nxdx, így a c, ahonnan n c = ( 1n a sh aπ = a π(a + n n. e ax sin nxdx = 1 [ ] π e ax cos nx πn [ ] π e ax sin nx d = ( 1n πn + a e ax cos nxdx = πn a πn sh aπ a d, ahonnan n d = ( 1n n sh aπ π(a + n Tehát a keresett Fourier-sor: ( sh aπ sh aπ ( 1 n a cos nx + aπ π a + n = b n. e ax sin nxdx ( 1 n n sin nx. a + n

3.8 Feladat (Tolstov G.P - Fourier series első fejezet 1/b feladat: Határozzuk meg a Fourier-együtthatóit a következő függvénynek. f(x = cos ax ( x π ahol a nem egész szám. Mivel a fenti függvény páros, a = cos axdx = [ ] π sin ax = π aπ a n = cos ax cos nxdx = 1 π π = 1 [ sin (a nx sin (a + nx + π a n a + n = ] π sin aπ, aπ ( cos (a nx + cos (a + nx dx = = 1 ( sin (a nπ + π a n (a + n sin(a nπ + (a n sin(a + nπ π(a n Mivel sin(a nπ + sin(a + nπ = sin πa cos πn, sin (a + nπ = a + n a n = a sin πa cos πn n cos πa sin πn π(a n b n =. n a sin πa = ( 1 π(a n. Az eredeti függvény a = 1, 57-re (zöld, az első (barna és a második (piros Fourier-polinom. 1

3.9 Feladat: Bizonyítsuk be, hogy sin n x és cos n x is trigonometrikus polinom minden pozitív n N-re! Trigonometrikus polinom (emlékeztető : a N + ( an cos nx + b n sin nx A bizonyításhoz szükséges formulák: cos ax cos bx = 1 [cos(a bx + cos(a + bx] (16 Továbbá (16 és (17 következményei: sin ax sin bx = 1 [cos(a bx cos(a + bx] (17 cos ax sin bx = 1 [sin(a + bx sin(a bx] (18 sin (ax = 1 (1 cos ax (19 cos (ax = 1 (1 + cos ax ( Megjegyzés: állnak. A fenti egyenleteknek a jobb oldalán trigonometrikus polinomok Bizonyítás (teljes indukció: Mivel sin x és cos x önmagukban trigonometrikus polinomok, ezért elég azt bizonyítanunk, hogy n trigonometrikus polinom szorzata is trigonometrikus polinom. Kezdjük az n = esettel: Az [ N a + ( an cos nx + b n sin nx ][ M b + ( ak cos kx + b k sin kx ] szorzat elvégzése után a trigonometrikus polinomba nem beleillő tagok a (16, (17, (18, (19 és ( egyenletek bal oldalán levő szorzatokkal megegyező alakúak lesznek (ahol a és b egész számok. Majd mindegyikre alkalmazva a megfelelő formulát, az eredmény trigonometrikus polinomok összege lesz, ami természetesen szintén trigonometrikus polinom. Tegyük fel, hogy n a legutolsó szám, amire n trigonometrikus polinom szorzata is trigonometrikus polinom. (Indukciós feltevés Bizonyítandó: (n + 1-re az öröklődés. k=1

Legyenek c k, k Z + tetszőleges trigonometrikus polinomok. Ekkor c 1 c c 3... c }{{ n c } n+1 ami az indukciós feltevés szerint trigonometrikus polinom Tehát az eredmény két trigonometrikus polinom szorzata, amiről az előző oldalon bebizonyítottuk, hogy trigonometrikus polinom. 3.1 Feladat: Határozzuk meg a következő függvény Fourier-sorát, majd vizsgáljuk meg a függvénysort az x = és x = π helyeken! f(x = π cos ax ( x < π ahol a nem egész szám A függvény hasonlít a 3.8-as feladatban szereplőhöz, de ha rápillantunk a lenti ábrára (a = 1, 57 esete láthatjuk, hogy ennek a függvénynek a periodikus kiterjesztése nem páros, de általában nem is páratlan (ha az a,5-nek egy páratlan számszorosa, akkor a függvény páratlan. Így az együtthatók: a = 1 π π cos axdx = 1 a [ ] π sin ax = sin aπ, a a n = 1 π cos ax cos nxdx = 1 ( cos (a nx + cos (a + nx dx = π = 1 [ ] π sin (a nx sin (a + nx + = 1 ( sin (a nπ sin (a + nπ + = a n a + n a n a + n 3

= (a + n sin(a nπ + (a n sin(a + nπ, (a n a 3.8-as feladatban alkalmazott addíciós tétel miatt: a n = a sin aπ a n. b n = 1 π cos ax sin nxdx = 1 π = 1 [ cos (a nx a n = 1 ( cos (a nπ a n = cos (a + nπ a + n ( sin (a + nx sin (a nx dx = ] π cos (a + nx = a + n 1 a n + 1 a + n (a + n cos(a nπ (a n cos(a + nπ n, (a n = Mivel cos(a nπ + cos(a + nπ = cos aπ cos nπ és cos(a nπ cos(a + nπ = sin aπ sin nπ, b n = n cos aπ cos nπ + a sin aπ sin nπ a n Így a keresett Fourier-sor: sin aπ ( a sin aπ cos nx + + a a n = n cos aπ a n. n cos aπ sin nx. a n Mivel az x = π helyen az f függvény folytonos, így itt Fourier-sora előállítja: π cos aπ = sin aπ a + n a sin aπ ( 1 a n, n a sin aπ sin aπ ( 1 = π cos aπ. a n a Az x = helyen a függvénynek szakadási pontja van, így a.4 tétel alapján a Fourier-sor összege 1 (f( + f(π = π (1 + cos aπ, így: a sin aπ a n = π sin aπ (1 + cos aπ. a 4

3.11 Feladat: Legyen f(x = π a (, π intervallumon. Fejtsük olyan tiszta szinuszos Fourier-sorba, amivel ki tudjuk számolni a következő numerikus sorok 4 összegét: (a 1 1 3 + 1 5 1 7 +... (b 1 + 1 5 1 7 1 11 + 1 13 + 1 17... (c 1 + 1 3 1 5 1 7 + 1 9 + 1 11 1 13 1 15 +... A fenti függvény Fourier-sora akkor lesz tisztán szinuszos, ha páratlan kiterjesztést kreálunk. Ekkor a függvény: f(x = π 4 ha x (, π és f(x = ha x (,, f( =. 4 Az együtthatók: a n =, b n = [ ] π π 1 sin nxdx = cos nx = π 4 n = 1 [ ( 1 n 1 ] = 1 ( 1n. n n Tehát: π 4 = n= sin(n + 1x n + 1 x (, π, amit egy másik függvény Fourier-sorából már megkaptunk a 1. oldalon, továbbá: π 4 = n= sin(n + 1x n + 1 x (,. Az x = π helyen vizsgálva a fenti függvénysort: π 4 = ( 1 n 1 n + 1 = 1 1 3 + 1 5 1 7 +... n= A (b feladatban szereplő sorban láthatóan nem szerepelnek a hárommal osztható páratlan számok reciprokai. Így az ötlet az, hogy az x = π helyen vizsgálódjunk, 3 sin(n + 1x mivel itt a számlálója nullát ad n = 1-re, n = 4-re, stb. n + 1 Legyen tehát x = π 3. Ekkor π 4 = 3 (1 15 + 17 111 + 113 117 +..., 5

Továbbá, π 3 = 1 1 5 + 1 7 1 11 + 1 13 1 17 +... A (c feladathoz vizsgáljuk a kifejezést az x = π 4 helyen: Mivel π 4 = n= sin(n + 1 π 4 n + 1 = 1 ( 1 + 1 3 1 5 1 7 + 1 9 + 1 11 1 13 1 15 +..., így a keresett összeg a π 4. 3.1 Feladat: Legyen f(x = x a (, π intervallumon. Keressünk olyan kiterjesztést, aminek Fourier-sorával ki tudjuk számolni a következő numerikus sor összegét: 1 + 1 3 + 1 5 + 1 7 + 1 9 +... Ha a páros kiterjesztést választjuk, akkor az f(x = x, x (, π (π szerint periodikusan kiterjesztett függvényt kapjuk. Már korábban kiszámoltuk, hogy x = π 4 ( cos 3x cos 9x cos x + + +.... π 9 5 Itt elvégezve az x = helyettesítést: = π 4 (1 + 13 π + 15 + 17 +..., ahonnan 1 + 1 3 + 1 5 + 1 7 +... = n= 1 (n + 1 = π 8. 6

Források: Laczkovich Miklós T. Sós Vera - Valós Analízis II http://www.cs.elte.hu/ batka/oktatas/fouriersor.pdf (Bátkai András jegyzete Tolstov G.P. - Fourier series 7