. Végtele soro. Bevezetés és defiíció Bevezetését próbálju meg az + + 4 + + +... végtele összege értelmet adi. Mivel végtele soszor em tudu összeadi, emiatt csa az első tagot adju össze: legye s = + + 4 + 8 + =, a mértai sor összegéplete szerit. Ha agy, aor már elhayagolhatóa icsi, s =, emiatt természetes azt modai, hogy A továbbiaba + + 4 + + + =. a + a + + a +... alaú ú. végtele soroat vizsgálu, ahol az a -e valós számo. Ezt a végtele mértai sort a övetezőéppe jelöljü: a.. defiíció Végtele sor overgeciája. A a végtele sor -edi részletösszege: s = a + a + + a. Ha a részletösszege sorozata az L számhoz overgál, s = L, aor azt modju, hogy a a végtele sor overges és összege L. Egyébét a végtele sort divergese modju. Példa:. Mutassa meg, hogy az + 3 + 3 4 + + + +... végtele sor overges és összege. Megoldás: Legye s = + 3 + 3 4 + + + Mivel + = +, s = + 3 + 3 4 = +. + + + Ie. Az s = + = + q + q + + q +... q < eseté overges, egyébét diverges, mert s = + q + q + + q = q q, ha q és q aor és csa aor, ha q <. Megjegyzés: A overgecia difiíciójából látszi, hogy a a végtele sor overgeciájá em változtat az, ha véges számú tagot hozzáadu vagy ha elveszü.. tétel Művelete soroal. Ha a és b overges soro, továbbá a = A és b = B, aor. a + b is overges és a + b = A + B. a b is overges és a b = A B 3. a is overges és a = A, ahol tetszőleges valós szám. Bizoyítás: Csa.-et bizoyítju. A a + b - edi részletösszege: s = a + b + a + b + + a + b = a + a + + a + b + b + + b = A + B. Mivel A A és B B, s A + B. Példa: Határozza meg a Megoldás: = + 3 6 = = = +3 6 sorozat összegét! 6 + 3 6 = = 3 + 6 3 = 3, 6 a mértai sor összegéplete alapjá.. Kovergeciaritériumo A a végtele sorral apcsolatba ét érdés fogalmazható meg:. Koverges-e a a végtele sor?. Ha a a végtele sor overges, aor mi az összege? Az alábbi tétel egy szüséges feltételt ad a a végtele sor overgeciájára:
. tétel. Ha a a végtele sor overges, aor Bizoyítás: Nyilvá a =. a = a + a + + a + a a + a + + a = s s Mivel a a végtele sor overges, s = s = L valamely valós L szám eseté. Így a = s s = s s = L L = Követezméy: Ha a a em létezi vagy em véges, aor a a végtele sor diverges. Példá:. végtele sor diverges, mert =. = végtele sor diverges, mert em létezi a =. Ha a a végtele sor eseté a =, aor lehet, hogy a a végtele sor overges, de lehet, hogy diverges. Példá:. A = végtele sor overges és =.. A = végtele sor diverges, mert s = + + 3 + + 4 5 + 6 + 7 + +... 8 + + + + + + 4 + 4 8 + + = +, a részletösszege sorozata a + -hez tart. A sorozatoál taultu, hogy egy mooto övő sorozat potosa aor overges, ha orlátos. Ee a tétele a övetezméye az alábbi: 3. tétel. Legye a mide pozitív egész eseté. Eor a a végtele sor potosa aor overges, ha az s részletösszege sorozata orlátos. A övetező ritérium azt mutatja, hogy gyara a végtele sort egy alalmas improprius itegrállal összehasolítva megválaszolhatju a overgecia érdését. 4. tétel Itegráritérium. Legye a csupa pozitív tagból álló sorozat. Tegyü fel, hogy va olya pozitív egész N és az [N, félegyeese csöeő fx függvéy, amelyre a = f mide N eseté. Eor a a végtele sor és az fxdx improprius itegrál vagy egyszerre overges vagy egyszerre diverges. N Bizoyítás: A bizoyításba az N = esetre szorítozu az általáos eset bizoyítása hasolóa törtéi. Mivel fx csöeő, fxdx a + fxdx, ha. Ezért egyrészt a +a + +a másrészt a + fxdx+ + 3 fxdx fxdx+ + a + a + a 3 + + a fxdx + + 3 a + fxdx + + fxdx fxdx s a + fxdx + fxdx = fxdx = Ebből látszi, hogy ha az fxdx overges, ami most azt jeleti, hogy fxdx felülről orlátos, aor s is felülről orlátos lesz, tehát overges. Másrészt, ha + fxdx diverges, aor fxdx em lesz alulról orlátos, s sem, tehát a is diverges.
Példa: A = p ha p, mivel fx = x p ha x ; f = p overges, ha p > és diverges, függvéy mooto csöeő és az x dx improprius itegrál a p p-szabály alapjá overges, ha p > és diverges, ha < p. 5. tétel Összehasolító ritérium. Legye a olya végtele mértai sor, ahol a.. Ha va olya overges c sor és N pozitív egész, hogy mide > N eseté a c, aor a végtele sor is overges. Majorás ritérium. Ha va csupa emegatív tagból álló diverges d végtele sor és N pozitív egész szám, hogy mide > N eseté a d, aor a sor diverges. Miorás ritérium Bizoyítás:. Az s = a + + a, N részletösszegre felső orlát a a + a + + a N + =N+ overges végtele sor.. A a végtele sora ics felső orlátja, mert ha lee, aor a d + d + + d N + =N+ felső orlátja lee d részletösszegeie, tehát d is overges lee, ami elletmodás. Példa. A sor overges, mert + + < és. a = = végtele sor overges. végtele mértai sor diverges, mert + = + és a végtele sor diverges. = 6. tétel Limeszes összehasolító ritériumo. Tegyü fel, hogy valamely pozitív egész N-re igaz, hogy a > és b >, ha > N. Eor a. ha = c >, aor a és b egyszerre b overgese vagy egyszerre divergese. c a a. ha b overges. a 3. ha b diverges. = és b overges, aor a is = és b diverges, aor a is Bizoyítás. Csa.-et bizoyítju. A feltétel miatt létezi egy M egész, hogy > M eseté a b c < c, c < a c < c b, c < a b < 3c, c b < a < 3c b. Ha b overges, aor 3c b is az, az összehasolító ritérium alapjá a sor is az. Ha b sor diverges, aor c b is az, emiatt az összehasolító ritérium alapjá a is diverges. Példá. A l = és. A = overges. + 3 = + 3 sor overges, mert = és a l = végtele sor diverges, mert = végtele sor diverges. 7. tétel Háyadosritérium. Legye a csupa pozitív tagból álló végtele sor. Tegyü fel, hogy Eor a + = ρ. a. ha ρ <, aor a overgese;. ha ρ >, aor a diverges; 3. ha ρ =, aor a ritérium em alalmazható. Bizoyítás.. Tegyü fel, hogy ρ <. Eor létezi r, amelyre ρ < r < és N pozitív egész, hogy a+ a < r, ha N. Eor a N+ a N < r a N+ < ra N 3
a N+ a N+ < r a N+ < ra N+ < r a N és általába pozitív egész m eseté a N+m < r m a N. Eor az s részletösszeg felülről becsülhető a a + a + + a N + a N + ra N + r a N + = a + a + + a N + a N + r + r +... overges sorral, így a is overges.. Ha ρ >, aor létezi N, hogy N eseté 3. A a + a >, a N < a N+ < a N+ <... a sorozat tagjai em tartaa a -hoz, így a a végtele sor diverges. és = a + a = sorora teljesül, hogy ρ = = és az első egy diverges, a másodi pedig egy overges sor. Példá. A!. A = a + = + +!, = végtele sor overges, mert a =! és + +!! = + = <. végtele sor diverges, mert a = a + = + + és így + + = >. 8. tétel Györitérium. Legye a csupa pozitív tagból álló végtele sor. Tegyü fel, hogy Eor a = ρ.. ha ρ <, aor a overgese;. ha ρ >, aor a diverges; és 3. ha ρ =, aor a ritérium em alalmazható. Bizoyítás:. Ha a = ρ <, aor egy rögzített ρ < r < eseté létezi N, hogy a < r, a < r, ha N, alalmas pozitív egész N eseté. Meg ell mutatu, hogy az s, N részletösszege felülről orlátosa. Nyilvá:. Ha s = a + + a N + a N + a N+ + + a < a + + a N + r N + r N+ + + r a + + a N + r N + r N+ + a + + a N + rn r. a = ρ >, aor létezi N, hogy a >, ha N, a >, ha N és így a, a a végtele sor diverges. Példa: A végtele sor overges, mert = = <. A övetező tételbe ú. alteráló soroal foglalozu. Legyee a >. Eor az a a + a 3 a 4 + váltaozó előjelű végtele sort alteráló sora modju. 9. tétel Leibiz-ritérium. A feti alteráló sor overges, ha a mooto csöeő és a =. Bizoyítás. A m-edi részletösszeg: Eor s m = a a + a 3 a 4 + + a m a m. s m+ = s m + a m+ a m+, ahol a mooto csöeés miatt a m+ a m+. Igy az s m sorozat mooto övő. Másrészt s m = a a a 3 a 4 a 5 a m a m a m a, megit csa a mooto csöeés miatt. Mivel s m mooto ő és felülről orlátos, emiatt létezi a s m. De m s m+ = s m + a m+ = m m 4
s m + a m+ = m m létezi a véges s. m s m, Példa: A = + 3 4 + = alteráló sor overges, mert a = mooto csöeve tart a -hoz.. defiíció. A a végtele sor abszolút overges, ha a overges. Példa A = = 4 + 9 6 +... végtele sor a Leibiz ritérium szerit overges, és a tago abszolút értéét véve a = + 4 + 9 + 6 +... = is overges sor lesz az itegrál ritérium szerit, tehát az eredeti sor abszolút overges. 3. defiíció. A a overges végtele sor feltételese overges, ha a diverges. Példa A = = + 3 4 +... sor a Leibiz-ritérium szerit overges, de a tago abszolút értéét véve a = + + 3 + 4 +... = ú. harmoius sor már diverges lesz az itegrálritérium alapjá.. tétel. Ha a a végtele sor abszolút overges, aor overges is. Bizoyítás. Legye Eor c = a + a. c a Mivel a overges, emiatt a is overges és így az összehasolító ritérium alapjá c is overges végtele sor. De a = a + a a = c a és mivel ét overges végtele sor ülöbsége is overges, emiatt a is overges. 5
. Függvéysoro. Bevezetés és defiíció A végtele soroál taultu, hogy az + x + x + + x +... végtele összeg x < eseté overges. A feti végtele összegre úgy is godolhatu, hogy végtele so függvéyt adu össze és ezt vizsgálju. Ez vezet el a övetező fogalomhoz:. defiíció. Legyee f x, =,,... olya függvéye, amelye özös értelmezési tartomáya I. Eor a belőlü épzett függvéysoro az f x + f x + + f x +... ifejezést értjü, ahol x I. Egy orét x I értéet behelyettesítve a övetező végtele sort apju: Ha cos x <, aor a vizsgált függvéysor abszolút overges, tehát oveges. Tudju, hogy cos x. Külö meg ell vizsgáli a cos x = és a cos x = eseteet. Ha cos x =, aor a függvéysor a övetező végtele sort adja: + + 3 + + +..., ami egy diverges sor. A cos x = egyelet potosa az x = eseté teljesül egész szám. Ha cos x =, aor a függvéysor a övetező alteráló sort adja: + 3 + 4 + + +..., ami egy overges sor a Leibiz-ritérium alapjá. A cos x = egyelet potosa az x = + eseté teljesül egész szám. Összefoglalva apju, hogy a overgeciatartomáy a valós számo halmaza ivéve a alaú számoat. f x + f x + + f x +.... Ez vagy overges vagy diverges.. defiíció. Azo x I számo halmazát, amelyere overges sor, az f x + f x + + f x +.... f x + f x + + f x +... függvéysor overgeciatartomáyáa modju. Példá:. Határozza meg az e x = e x + e x + e 3x + + e x +... = függvéysor overgeciatartomáyát! Megoldás: A feti függvéysor egy e x háyadosú mértai sor, ami potosa aor overges, ha e x <. Ez pedig potosa aor teljesül, ha x <, tehát a overgeciatartomáy a egatív számo halmaza.. Határozza meg az = cos x = cos x+ cos x + cos3 x 3 függvéysor overgeciatartomáyát! Megoldás: A györitériumot alalmazzu: cos x = cos x + cos x +.... Hatváysoro Ebbe a fejezetbe egy speciális, de alalmazás szempotjából alapvető fotosságú függvéysort tárgyalu. 3. defiíció. Az x = hely örüli hatváysora evezzü a c x = c + c x + c x + + c x +... = alaú függvéysort. Az x = a örüli hatváysor: c x a = = c + c x a + c x a + + c x a +.... Itt az a számot a hatváysor özéppotjáa, a c, c, c valós számoat pedig a hatváysor együtthatóia evezzü. Példa. Határozza meg az 3 x 3+ 9 x 3 + + 3 x 3 +... hatváysor overgeciatartomáyát és adja meg a feti sor által defiiált függvéyt a overgeciatartomáyba! Megoldás: A feti hatváysor egy olya mértai sor,
amelye első eleme és háyadosa x 3 3. Ez potosa aor overges, ha x 3 3 < < x < 6. Eor az előállított függvéy a mértai sor összegéplete szerit: x 3 = 3 x. 3. Határozza meg a = x! hatváysor overgeciatartomáyát! Megoldás: Az x valós szám aor lesz bee a overgeciatartomáyba, ha a = x! végtele sor overges. Alalmazzu a háyados ritériumot a overgecia eldötésére: x + = x + = <, +! x! mide valós x eseté overges sort apu, tehát a overgeciatartomáy a valós számo halmaza. 3. Határozza meg a = x hatváysor overgeciaratomáyát! Megoldás: Az x valós szám aor lesz bee a overgeciatartomáyba, ha a x = végtele sor overges. Alalmazzu a györitériumot a overgecia eldötésére: x = x = +, ha x, mide x eseté diverges sort apu, tehát a overgeciatartomáy a {} halmaz. Az alábbiaba azt mutatju meg, hogy éz i egy overgeciatartomáy és hogya lehet egyszerűe meghatározi azt.. tétel Hatváysoro overgeciatétele.. Ha a = a x hatváysor overges valamely x = c szám eseté, aor abszolút overges mide x eseté, ha x < c.. Ha a = a x hatváysor diverges valamely x = d szám eseté, aor diverges mide x eseté, ha x > d. Bizoyítás:. Ha = a c overges, aor tudju, hogy a c =, létezi N egész, hogy N eseté a c <, a < c. Ie apju, hogy ha x < c, aor N eseté a x < x. c Ezért a = a x végtele sorból formált s részletösszegre felső becslés feltehető, hogy N: a + a x + a x + + a N x N + a N x N + a N+ x N+ + + a x a + a x + a x + + a N x N + x N + x N+ +... c c overges végtele sor.. Ha valamely x eseté x > d és = a x overges lee, aor a Tétel első már bizoyított fele szerit = a d is overges lee, ami elletmodás. A feti tétel alapjá már öyű leíri a = a x hatváysor overgeciatartomáyát: Ha létezi olya c valós szám, amelyre = a c overges végtele sor és létezi d valós szám, amelyre = a d diverges végtele sor, aor R-rel jelölve a { c : a c = overges} halmaz legisebb felső orlátját apju, hogy olya x-re, amelyre x < R a a x = overges lesz, mivel R defiíciója szerit va olya c valós szám, amelyre x < c < R és = a c overges végtele sor, de eor az előző tétel. szerit = a x is overges lesz. Másrészt, ha valamely d valós szám eseté x > R, aor R defiíciója miatt = a x diverges lesz.
Ha em létezi olya c, amelyre = a c overges, aor ez azt jeleti, hogy a overgeciatartomáy a {} halmaz; míg ha olya d em létezi, amelyre = a d diverges, aor a overgeciatartomáy a valós számo halmaza. Összefoglalva és most már a özéppotú hatváysorora imodva apju, hogy:. tétel. A a x a = hatváysor overgeciatartomáya övetezőéppe ézhet i:. Létezi R >, hogy ha x a < R, aor overges a hatváysor, míg ha x a > R, aor overges. Külö ell meggodoli az x = a±r számo eseté a overgeciát; eszerit a overgeciatartomáy egy yílt vagy félig yílt, félig zárt vagy egy zárt itervallum lehet.. A sor csa az x = a eseté overges, egyébét diverges. 3. A sor mide valós szám eseté overges. A feti tételbe szereplő R-et overgeciasugára hívju. Ha létezi a a határérté, aor a overgeciasugarat öyű meghatározi: 3. tétel.. Ha létezi a < harérérté, aor. Ha R = a. a < a =, aor a overgeciatartomáy a valós számo halmaza. 3. Ha a =, aor a overgeciatartomáy az {a}, a hatváysor csa x = a eseté overges. Bizoyítás: Csa.-et bizoyítju: Ha a = a x a overges, aor a x a = x a a, x a a. Ha a = a x a diverges, aor a x a = x a a, Ie apju, hogy x a x a < a. a eseté overges a = a x a végetele sor, míg ha x a > a, aor diverges. Ez mutatja, hogy a overgeciasugár Az előző tétel mitájára meg lehet mu- Megjegyzés: tati, hogy R = a. R = a a +, ha ez a határérté létezi végtele is lehet. Összefoglalva: A a x a = hatváysor overgeciatartomáyáa meghatározása a övetezőéppe törtéi: Kiszámolju a R overgeciasugarat: Ez alapjá R = a = a a +. ha R =, aor a overgeciartamáy a {a} halmaz, csa x = a-ba overges a sor;. ha R = +, aor a overgeciartamáy a valós számo halmaza mideütt overges a hatváysor; 3. ha R pozitív valós szám, aor a hatváysor overges az ]a R, a + R[ yílt itervallumba és diverges a ], a R[ és ]a + R, [ yílt félegyeesee. Az x = a R potról a a R végtele sor overgeciája, míg az x = = a + R potról a döt. a R végtele sor overgeciája = 3
Példa: Határozza meg a = x = x + x + x3 3 +... hatváysor overgeciatartomáyát! Megoldás: Nyilvá a özéppot a = és az együttható a =. Emiatt R = =, a hatváysor overges a ], [ yílt itervallumba és diverges a ], [ és ], [ félegyeesee. Ha x =, aor a = = + + 3 +... harmoius sort apju, amiről tudju, hogy diverges. Ha x =, aor a = + 3 +... = alteráló sort apju, ami a Leibiz-ritérium alapjá overges. Így a overgeciatartomáy a [, [ balról zárt, jobbról yílt itervallum. A övetező tétel azt modja, hogy egy hatváysor által megadott függvéy deriválása és itegrálása a hatváysor tagjaia deriválását és itegrálását jeleti. 4. tétel.. Ha a c x a = hatváysor a R < x < a + R eseté overges, aor meghatároz egy ]a R, a+r[ yílt itervallumo lévő fx függvéyt, amelyre fx = c x a. = Ee a függvéye mide -re létezi a deriváltja, amit az eredeti sor tagjaia deriválásával apu meg: f x = c x a stb. f x = = c x a =. A ]a R, a + R[ yílt itervallumo a = c x a + + hatváysor szité overges lesz és mide a R < x < a + R egyelőtlesége eleget tevő x eseté fxdx = = c x a + + Példa: fx = arctgx hatváysora: + C. f x = + x = x = x + x 4 x 6 +..., de így f xdx = x + x 4 +... dx x x3 3 + x5 5 x7 7 + + C, = arctg = 3 3 + + C = C, arctx = x x3 3 + x5 5 x7 7 +..., ha x <, < x <. 3. Taylor-soro Az fx függvéyt aarju hatváysorét felíri, rögzített a mellett olya a -eet eresü, amelyere fx = a x a = = a + a x a + a x a + + a x a +... Tegyü fel, hogy fx végtele soszor differeciálható az a egy öryezetébe. Eor f x = f x = f x = a x a = a x a = a x a 3 =3 stb. Behelyettesítve a-t apju, hogy fa = a 4
és általába f a = a f a = a f a = 3a 3 f a =!a, a = f a.! és ez aor teljesül, ha x <, < x < 4. A övetezőbe arra eressü a választ, hogy a Taylorsor mior állítja elő a függvéyt. Ehhez az. félévbe tault Taylor-tétel yújtja az alapot: 4. defiíció. Legye fx egy olya függvéy, amelyi végtele soszor differeciálható egy olya itervallumba, amelye belső potja a. Az fx függvéy által geerált Taylor-sor az x = a helye: = f a x a =! fa + f ax a + f a x a + +! f a x a +....! Az fx függvéy által geerált Maclauri-sor az x = helye vett Taylor-sor: = f + f x + f! f x =! x + + f x +....! Példa: Határozza meg az fx = x függvéy a = -beli Taylor-sorát! Megoldás: Nyilvá és általába f x = x f x = x 3 f x = 3x 4 f x =!x +. Ezért f =! +!! tehát a Taylor-sor: = +, x x x 3 + 3 4 +..., ami egy egy x első tagú, háyadosú mértai sor. Ez yilvá megfelelő, mivel x = x, 5. tétel Taylor-tétel. Ha az fx függvéy az a I itervallumo aárháyszor differeciálható, aor mide pozitív egész és x A eseté ahol fx = fa + f ax a + f a x a +...! egy a és x özötti c-vel. + f a x a + R x,! R x = f + c x a+ +! Példa: Bizoyítsu be, hogy mide valós x eseté e x = = x! = + x + x! + x3 3! + + x! +... Megoldás: Írju fel az fx = ex függvéy Maclaurisorát! Eor a Taylor-tétel szerit ahol f x = e x f =, e x = + x + x! + + x! + R x, R x = egy és x özötti c-vel. Ezért, ha x <, aor Ha x >, aor R x x + +! R x e x x + +! Ezért tetszőleges valós x eseté e c +! x R x =,, ha, ha. 5
ahoa már övetezi az állítás. Követezméy: Ha x = az előző példába, aor azt apju, hogy e = e = + +! + 3! + +! + = =! A feti godolatmeetből adódó állítás a övetező tételbe fogalmazható meg: 6. tétel. Ha létezi M ostas, amellyel x és a özötti valameyi t eseté f + t M, aor a Taylor-tételbe szereplő R x maradétag ielégíti az x a + R x M +! egyelőtleséget. Ameyibe ez a feltétel teljesül mide -re, aor fx Taylor-sora fx-et állítja elő. Példa:. Mide valós x eseté Megoldás: Legye si x = x x3 3! x5 5! + x7 7! +.... fx = si x f = f x = cos x f = f x = si x f = f x = cos x f = f 4 x = si x f 4 = f 5 x = cos x f 5 = stb. Ie a Taylor sor: Mivel x x3 3! x5 5! + x7 7! +.... f + x = ± si x vagy ± cos x, ami bizoyítja az állítást. f + t,. Hasolóa bebizyítható, hogy mide valós x eseté cos x = x! + x4 4! x6 6! x8 8! +..., de úgyaez övetezi abból is, hogy és si x = cos x x x3 3! x5 5! + x7 7! +... = x! + x4 4! x6 6! +..., 3. A cos x Taylor-sorából, már a cos x Taylor-sorát öyű meghatározi, csa a cos x Taylor-sorába az x-et x-re ell cseréli: cos x = x! + x4 4! x6 6! +... 4. Határozzu meg az fx = +x m Taylor-sorát, ahol m valós szám. Megoldás: Köye igazolható, hogy tetszőleges pozitív egész eseté f x = mm... m + + x m, f = mm... m +, ahoa a Taylor sor + mx + mm x + + mm... m + x +....! Ha m emegatív egész, aor a Taylor-sor m + darab emulla tagot tartalmaz és biomiális tételt apju vissza. Ha m em emegatív egész, aor végtele so tagja va a Taylor-sora. Igazolható, hogy x < eseté overges a sor és előállítja + x m -et. Alalmazáso:. Határozza meg 3 potossággal az határozott itegrált! Megoldás: Az e x Taylor sorából apju, hogy e x e x dx = = x + x4! x6 3! + x8 4! +..., e x dx x + x4! x6 3! + x8 4! x +... dx = 5! 6
[x x3 3 + x5 x7 4 + x9 6 x 3 +... ] = 3 + 4 + 6 3 +..., ahoa apju, hogy egy megfelelő özelítés a 3 + 4 + 6. Valójába a hibát potosa meg ellee becsüli de ez a övetező ét tagra ráézve hihető.. Határozza meg a határértéet! Megoldás: Mivel si x x x x 3 si x = x x3 3! + x5 5! x7 7! +..., si x x x x 3 = x x x3 3! + x5 5! x7 7! +... x x 3 = x3 3! + x5 5! x7 7! +... x x 3 = x 3! + x 5! x4 7! + = 6. 7
. Fourier-soro. Bevezetés és defiíció Ee a fejezete a célja, hogy egy szerit periodius függvéyt felírju mit trigoometrius függvéyeből épzett függvéysorét. Nyilvá a cos x és a si x függvéye szerit periodius függvéye és általába tetszőleges egész szám eseté a cos x és a si x függvéye szité szerit periodius függvéye, továbbá az ezeből formált a + a cos x + si x = ú. trigoometrius poliomo is tetszőleges a, a, b valós számo eseté szerit periodius függvéyt ada. Ee a fejezete a célja a szerit periodius függvéyt felíri függvéysorét. a + a cos x + si x = A továbbiaba feltesszü, hogy a szerit peiodius fx Riema-itegrálható a [, ] itervallumba. Először az fx-et a a + a cos x + b si x = trigoometrius poliommal özelítjü. Az együtthatóat úgy válaszju, hogy a övetező, összese + feltétel teljesüljö:.. 3. fxdx = fx cos xdx = fx si xdx = f xdx f x cos xdx, f x si xdx, Az első feltételből a övetezőt apju: [ a x + fxdx = f xdx = a + = a cos x + b si xdx = = a si x =,,... =,,... ] cos x b = a, a = fxdx. Az a, b együttható meghatározásához szüségü lesz a övetező itegrálora:. Ha l pozitív egésze, aor a b c. Ha = l, aor a b c cos x cos lxdx = [ si + lx + + l si x si lxdx = [ si lx l si x cos lxdx = cos+lx+cos ldx = si lx l ] = cos lx cos+ldx = si + lx + l [ cos + lx + l cos xdx = [ si x x + 4 si xdx = [ si x x 4 si x cos xdx = [ cos x ] = si+lx+si ldx = ] cos lx = l + cos x dx = ] = ; cos x dx = ] ] =. si xdx = =
A fetieet haszálva már meg tudju határozi az a és b együtthatóat: fx cos xdx = f x cos xdx = a + a cos x+ a l cos lx + b l si lx cos xdx = l= a l cos lx cos x+b l si lx cos xdx = a, l= a = fx cos xdx Hasolóa apju a b együtthatóat: fx si xdx = f x si xdx = a + a si x+ a l cos lx + b l si lx si xdx = l= a l cos lx si x+b l si lx si xdx = b, l= b = fx si xdx. Az előbb apott együttható em függe -től, emiatt természetes a övetező szerit periodius függvéyel özelítei a szerit periodius fx-et:. defiíció. A szerit periodius fx Fourier-sora: ahol és a + a cos x + b si x, = a = a = b = fxdx, fx cos xdx fx si xdx. Példa: Fejtsü Fourier-sorba az {, < x <, fx =, < x függvéyt! Megoldás: Nyilvá és a = fxdx = a = dx + dx = 3 ; fx cos xdx = cos xdx + cos xdx = [si x b = [ ] [ si x + ] fx si xdx = = si xdx + si xdx = ] [ cos x + cos Így a emulla együttható: a = 3, b = a Fourier sor: 3 cos x ] =. =, =,,..., si 3x si 5x si x + + +... 3 5. Fourier-sor részletösszegei. A övetező tétel azt modja i, hogy a Fouriersor részletösszege a legisebb átlagos hibaégyzet tulajdoságú.
. tétel. Legye az fx szerit periodius függvéy, az -edi részletösszege: s x. Legye t x = α + α cos x + β si x = tetszőleges α, α, β valós együtthatóal. Eor mide eseté fx s x dx fx t x dx és egyelőség csa aor teljesül, ha α = a, α = a, β = b. De Bizoyítás: Nyilvá fx t x dx = f xdx + t xdx fxt xdx. = fx α α + fxt xdx = α cos x + β si x dx = = α fxdx+ fx cos xdx + β α a + α a + β b. = fx si xdx = A t x defiíciójából öyű elleőrizi, hogy: t xdx = α + α + β. = Ezért fx t x dx = f xdx+α+ α a + α+β = α a + β b = = f xdx+α a + a + α a + β b = a + b, = amie a miimuma α = a, α = a, β = b eseté lesz, ahoa már övetezi a tétel. A miimum eseté: fx s x dx = f xdx ahoa apju, hogy a + fx dx a + a + b, = a + b. = Mivel ez mide eseté igaz, fx dx a + a + b. = A övetező, itt em bizoyított állítás azt modja i, hogy itt egyelőség áll:. tétel Parseval-formula. Ha a szerit periodius fx Riema-itegrálható a [, ] itervallumba, aor fx dx = a + a + b. = Ebből már övetezi, hogy égyzetes átlagba a részletösszeg özel va az fx függvéyhez: fx s x dx =. Példa: A Parseval formulát haszálju az {, < x <, fx =, < x függvéy eseté! Megoldás: Tudju, hogy a em-ulla Fourieregyüttható: a = 3, b =, =,,.... 3
Ezért 5 = fx dx = a + a + b = ahoa redezés utá = 4, 5 4 + 3 + 5 +..., 8 = + 3 + 5 +... 3. Fourier-sor potoéti overgeciája A övetezőbe arra eressü választ, hogy a fet apott Fourier-sor milye feltétele eseté állítja elő az fx periodius függvéyt. Ehhez szüség va a övetező defiicióra:. defiíció. Az fx függvéy szaaszosa folytoos az I itervallumo, ha véges so pot ivételével az fx folytoos és ahol szaadása va, ott létezi a bal és jobboldali határérté. A feti defiícióra támaszodva már megadhatju, hogy a Fourier-sor milye apcsolatba va az fx-szel. 3. tétel. Tegyü fel, hogy az fx és f x függvéye szaaszosa folytoosa a [, ]-be. Eor a Fouriersor értée az fx folytoossági potjaiba megegyezi fx-szel, míg szaadási potoba a bal és jobboldali határérté átlagát veszi fel. A feti, em bizoyított tétel övetezméye: Követezméy: Ha a szerit peiodius fx függvéy olya, hogy a [, ] itervallum felbotható véges so itervallumra úgy, hogy egy részitervallumo a függvéy mooto és folytoos, a szaadási potoba létezi a bal ill. jobboldali határérté, aor a Fourier-sor előállítja a függvéyt az fx folytoossági potjaiba és a szaadási helyee a Fourier-sor az fx ottai bal és jobboldali határérté átlagát veszi fel. Példá:. a Fejtsü Fourier-sorba az fx = x, ha < x < szerit periodius függvéyt! b Határozza meg f értéleit úgy, hogy fx midehol folytoos legye! Megoldás: A határozott itegrál defiíciója alapjá: továbbá és [ x [ x a = a = ] si x b = [ cos x ] cos x cos + xdx =, x cos xdx = ] si x =, x si xdx = [ si x cos x ] dx = dx = =. Így a Fourier-sor: si x si 3x si x + + +.... 3 A overgeciáról szóló tétel alapjá az f = választás ell ahhoz, hogy a Fourier-sor előállítsa a függvéyt a szaadási helye. Megjegyezzü, hogy az x = helyettesítés a övetezőt adja: = f si si 3 = si + + +... = 3 3 + 5 +..., 4 = 3 + 5 +..., ami em olya meglepő, mivel taultu, hogy arctgx = x x3 3 + x5 +... ha < x <, 5 ami a fetie alapjá x = és x = eseté is igaz. 4
. Fejtsü Fourier-sorba az függvéyt! fx = si 3 x Olya a, a, b valós számoat ell találu, amelyeel si 3 x = a + a cos x + b si x. = A liearizációs formulá szerit: si 3 x = si x si x = cos x si x = si x si x cos x = si x 4 si 3x + si x = 3 4 si x si 3x, 4 a emulla Fourier-együtthatóá: b = 3 4 és b 3 = 4. 4. Páros és páratla függvéye Az alábbiaba azt godolju meg, hogy páros és páratla függvéye eseté hogya egyszerűsödi le az együttható iszámítása. A továbbiaba felhaszálju, hogy ha gx egy szerit periodius függvéy, aor a [, ] itervallumo vett itegrál megegyezi a [, ] itervallumo vett itegrállal, gxdx = gxdx.. Legye fx egy páros függvéy. Eor fx párossága miatt a = fxdx = fxdx = továbbá fx cos x párossága miatt a = fx cos xdx = fx cos xdx. Mivel fx si x páratla, b = fx si xdx = fxdx, fx cos xdx = fx si xdx =., tehát a Fourier-sor em tartalmaz sziuszos tagoat, emiatt ezt a Fourier-sort tiszta osziuszos Fouriersora modju.. Most legye fx egy páratla függvéy. Eor fx páratlasága miatt a = fxdx = fxdx =, továbbá fx cos x páratlasága miatt a = fx cos xdx = fx cos xdx = Mivel fx si x páros, b = fx si xdx = fx si xdx, fx si xdx = emiatt ez a Fourier-sor csa sziuszos tagoat tartalmaz, ezt tiszta sziuszos Fourier-sora modju. Példá:. Fejtsü tiszta sziuszos Fourier-sorba az függvéyt! fx = x x x Megoldás: A függvéyt a [, ] itervallumo úgy egészítjü i, hogy a [, ] itervallumba páratla legye. Erre a függvéyre már alalmazhatom a feti épleteet. A részleteet mellőzve a övetezőt apju b = b = fx = 8 x x si xdx = 8 3, si 3x si 5x si x + 3 3 + 5 3 +.... Magyarázza meg, hogy a orábba iszámolt fx = x, < x < szerit periodius függvéy Fourier-sora miért em tartalmaz osziuszos tagot! Megoldás: Teitsü a gx = fx függvéyt. Ez már páratla lesz, emiatt az ő Fourier-sora csa sziuszos tagoat tartalmaz. Ehhez a Fourier-sorhoz hozzáadva -et megapju fx Fourier-sorát. 5
5. T szerit periodius függvéye Fourier-sora Tegyü fel, hogy fx egy T szerit periodius, a [, T ]-be Riema itegrálható függvéy. Eor őt a övetező alaú Fourier-sorba fejthetjü: ahol és a + = a = T b = T a cos T x + b si T x, a = T T T T fxdx, fx cos T xdx fx si T xdx. A overgeciára hasoló tétel modható i, mit ami a szrit periodius függvéyere voatozi. A részleteet mellőzzü. 6