Ряды Фурье для четных и нечетных функций

В некоторых случаях формулы для вычисления коэффициентов Фурье могут быть упрощены. Это имеет место для четных и нечетных функций.

Приведем несколько очевидных свойств четных и нечетных функций.

I. Произведение четной функции на четную или нечетной на нечетную есть функция четная.

II. Произведение четной функции на нечетную есть функция нечетная

III. Если Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – четная функция, то Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

IV. Если Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – нечетная функция, то Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Допустим, что нужно разложить в ряд Фурье четную функцию Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Так как Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – функция четная, а Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – функция нечетная, то произведение Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru будет функцией четной, а Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – функцией нечетной (свойства I и II). На основании свойств III и IV получим

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru ,

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru ,

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Соответственно этому ряд Фурье для четной функции будет иметь вид

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Если требуется разложить в ряд Фурье нечетную функцию, то вследствие свойств I и II произведение Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru будет функцией нечетной, а Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – функцией четной. Поэтому

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru ,

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Ряд Фурье для нечетной функции будет иметь вид

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Таким образом, четная функция разлагается в ряд только по косинусам, а нечетная функция – только по синусам кратных дуг.

§3. Разложение в ряд Фурье Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru периодических функций

Пусть функция Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , удовлетворяющая условиям Дирихле, имеет период Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru, т.е. Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

В случае функции Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , имеющей период Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru, коэффициенты Эйлера-Фурье вычисляются по формулам:

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru (2)

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru (8)

В точках разрыва функции Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru и в концах Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru интервала сумма ряда Фурье определяется аналогично тому, как это имеет место при разложении в интервале Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru.

В случае разложения функции Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru в ряд Фурье в произвольном интервале Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru длины Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru пределы интегрирования в формулах (2) следует заменить соответственно на Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru и Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Пример. Разложить в ряд Фурье периодическую функцию Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru с периодом 2, заданную на отрезке Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru уравнением Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Решение. Рассматриваемая функция является четной. Ее график – дуга параболы, заключенная между точками Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru и Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru

Так как Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru – четная функция, то и Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru будет четной функцией. Здесь Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , поэтому

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru ,

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Интегрируя дважды по частям, получим.

1) Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

2) Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .

Так как рассматриваемая функция – четная, то Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru . Следовательно,

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .●

Если функция Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru задана на отрезке Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , то для разложения в ряд Фурье достаточно доопределить ее на отрезке Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru произвольным способом, а затем разложить в ряд Фурье, считая ее заданной на сегменте Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru . Наиболее целесообразно функцию доопределить так, чтобы ее значения в точках сегмента Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru находилась из условия Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru или Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru . В первом случае функция Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru на сегменте Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru будет четной, а во втором – нечетной. При этом часто говорят, что функция в интервале Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru разложена в ряд Фурье по синусам или косинусам кратных дуг.

Пример. Разложить функцию Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , заданную на полупериоде Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru , в ряд по синусам.

Решение. Для разложения функции в ряд по синусам надо ее продолжить на интервал Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru нечетным образом, затем продолжить полученную функцию периодически на всю числовую ось.

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru ; Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru

Здесь надо принять l = 1 и Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru = 1. Тогда

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru

Итак, ряд Фурье для данной функции имеет вид

Ряды Фурье для четных и нечетных функций - student2.ru .●

Наши рекомендации