background image

 

187 

WYKŁAD  Nr 14 
 
 
3. SZEREGI FOURIERA 
 
Def.14.1. (szereg trygonometryczny) 

 

Szeregiem trygonometrycznym nazywamy szereg funkcyjny postaci: 

 

+∞

=

π

+

π

+

1

0

sin

cos

2

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

 

 

gdzie: 

0

>

l

, zaś 

n

n

b

a

a

,

,

0

 - pewne stałe (n = 1,2, ... ). 

 
 
Uwaga 

1:  Wyrazami  szeregu  trygonometrycznego  są  sinusy  i  cosinusy  kątów,  będących  wielokrotno-

ś

ciami kąta 

l

x

π

, a suma tych wyrazów 

)

(x

S

, jeśli istnieje, jest funkcją okresową zmiennej x o okresie 2l

)

2

(

)

(

l

x

S

x

S

+

=

 
 
Def.14.2. (szereg Fouriera) 

 

Szeregiem Fouriera odpowiadającym danej funkcji 

)

(x

f

, całkowalnej w przedziale 

l

l

,

 nazywamy 

szereg trygonometryczny o postaci: 

 

+∞

=

π

+

π

+

1

0

sin

cos

2

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

 

w którym współczynniki 

n

n

b

a

  

i

 

 są obliczane według wzorów Fouriera: 

 

π

=

l

l

n

dx

l

x

n

x

f

l

a

cos

)

(

1

 

 

dla 

...

,

2

,

1

,

0

=

n

 

 

π

=

l

l

n

dx

l

x

n

x

f

l

b

sin

)

(

1

 

 

dla 

...

,

2

,

1

=

n

 

 

Fakt ten zapisujemy w następujący sposób: 

 

+∞

=

π

+

π

+

1

0

sin

cos

2

~

)

(

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

x

f

 

 
 
Uwaga

 2: Szereg Fouriera odpowiadający funkcji

)

(x

f

może być zbieżny lub rozbieżny. Ale nawet wte-

dy, gdy jest zbieżny, suma jego nie musi być równa funkcji 

)

(x

f

, dla której został zbudowany. Znak „~” 

można  zastąpić znakiem  „=”  tylko  wtedy,  gdy  wykażemy,  że  szereg  Fouriera  stojący  po  prawej  stronie 
jest zbieżny i jego suma jest równa funkcji 

)

(x

f

. Istnieją warunki wystarczające, które pozwalają stwier-

dzić, do czego, zbieżny jest szereg Fouriera odpowiadający danej funkcji. 
 
 
 
 

background image

 

188 

Def.14.3. (warunki Dirichleta) 

 

Mówimy, że funkcja 

)

(x

f

 spełnia na przedziale 

b

a

,

 warunki Dirichleta, jeżeli: 

 

1° 

)

(x

f

 przedziałami monotoniczna na przedziale 

(

)

b

a

,

 tj. przedział ten można podzielić na skończoną 

liczbę podprzedziałów, wewnątrz których funkcja 

)

(x

f

 jest monotoniczna; 

 

2° 

)

(x

f

 jest ciągła na przedziale 

(

)

b

a

,

, z wyjątkiem, co najwyżej skończonej liczby punktów nieciągło-

ś

ci pierwszego rodzaju, przy czym w każdym punkcie nieciągłości 

0

x

 spełniony jest warunek:  

 





+

=

+

)

(

lim

)

(

lim

2

1

)

(

0

0

0

x

f

x

f

x

f

x

x

x

x

 

 

3° na krańcach przedziału 

b

a

,

 spełnione są równości: 

 





+

=

=

+

)

(

lim

)

(

lim

2

1

)

(

)

(

x

f

x

f

b

f

a

f

b

x

a

x

 

 

Funkcja 

)

(x

f

 spełniająca na przedziale 

b

a

,

 warunki Dirichleta, jest całkowalna w sensie Riemanna na 

tym przedziale. 
 
Tw.14.1. (kryterium zbieżności szeregu Fouriera

 

Szereg  Fouriera  funkcji 

)

(x

f

  spełniającej  na  przedziale 

l

l

,

  warunki  Dirichleta  jest  zbieżny  przy 

wszystkich wartościach x, przy czym jego suma s jest określona następująco: 

 

  w przedziale 

(

)

l

l

,

 

1°  

)

(

)

(

x

f

x

s

=

, gdy x jest punktem ciągłości; 

 

2°  

2

)

0

(

)

0

(

)

(

+

+

=

x

f

x

f

x

s

, gdy x jest punktem nieciągłości pierwszego rodzaju, 

 

gdzie 

)

0

(

),

0

(

+

x

f

x

f

 – oznaczają odpowiednio granice prawo – i lewostronne funkcji 

)

(x

f

  

w punkcie x

 

  na końcach przedziału 

(

)

l

l

,

 

2

)

0

(

)

0

(

)

(

)

(

+

+

=

=

l

f

l

f

l

s

l

s

 
Jeśli funkcja 

)

(x

f

 jest wszędzie ciągła, to szereg jest bezwzględnie i jednostajnie zbieżny. 

 
Tw.14.2. (tw. Dirichleta

 

Jeżeli funkcja 

)

(x

f

 spełnia na przedziale 

l

l

,

 warunki Dirichleta to jest rozwijalna na tym przedziale 

w szereg trygonometryczny Fouriera: 

 

+∞

=

π

+

π

+

=

1

0

sin

cos

2

)

(

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

x

f

 

 

dla każdego 

l

l

x

,

; jeżeli ponadto funkcja 

)

(x

f

 jest okresowa i ma okres 2l, to powyższa równość 

zachodzi dla każdego x z dziedziny tej funkcji. 

background image

 

189 

Uwaga

 3: Jeżeli funkcja 

)

(x

f

 jest całkowalna na przedziale 

l

l

,

, gdzie 

0

>

l

, to: 

 

ą

nieparzyst

 

funkcją

jest 

  

)

(

gdy  

    

0

)

(

x

f

dx

x

f

l

l

=

 

 

parzystą

 

funkcją

jest 

  

)

(

gdy  

    

)

(

2

)

(

0

x

f

dx

x

f

dx

x

f

l

l

l

=

 

 
Uwaga

 4: Iloczyn dwóch funkcji parzystych lub dwóch funkcji nieparzystych jest funkcją parzystą. 

 
Uwaga

 5: Iloczyn funkcji parzystej i funkcji nieparzystej jest funkcją nieparzystą. 

 
 
SZEREG FOURIERA FUNKCJI NIEPARZYSTEJ 

 

Jeśli funkcja 

)

(x

f

 jest nieparzysta (tzn. 

)

(

)

(

x

f

x

f

=

 ) 

to wszystkie współczynniki    

0

=

n

a

,  

natomiast 

 

 

 

...

,

3

,

2

,

1

,

sin

)

(

2

0

=

π

=

n

dx

l

x

n

x

f

l

b

l

n

 

(patrz Uwaga 3, 4, 5) 

 

Szereg Fouriera funkcji nieparzystej zawiera wyłącznie sinusy i jest nazywany szeregiem sinusów
 
 
SZEREG FOURIERA FUNKCJI PARZYSTEJ 

 

Jeśli funkcja 

)

(x

f

 jest parzysta (tzn. 

)

(

)

(

x

f

x

f

=

 ) 

to wszystkie współczynniki    

0

=

n

b

,  

natomiast  

 

 

 

=

π

=

l

n

n

dx

l

x

n

x

f

l

a

0

...

,

2

,

1

,

0

,

cos

)

(

2

 

(patrz Uwaga 3, 4, 5) 

 

Szereg Fouriera funkcji parzystej składa się ze stałej i cosinusów i jest nazywany szeregiem cosinusów
 
Przykład: Rozwinąć na przedziale 

π

π

,

 w szereg Fouriera funkcję 

x

x

f

=

)

(

 

Rozwiązanie: 

 

W tym przypadku 

π

=

l

Funkcja 

x

x

f

=

)

(

  jest  funkcją  parzystą  (patrz  Szereg  Fouriera  funkcji  parzystej);  jej  wykres  wraz  

z okresowym przedłużeniem przedstawia Rys.1. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.1. 

 
Przedłużona funkcja jest ciągła, spełnia warunki Dirichleta.  

 y 

-2π 

2π 

π

 

-π 

 x 

background image

 

190 

Stąd  na  podstawie  Tw.14.2.  szereg  Fouriera  jest  zbieżny  do  funkcji 

x

x

f

=

)

(

  wszędzie  w  przedziale 

π

π

,

 i do jej okresowego przedłużenia na zewnątrz tego przedziału. 

Ponieważ przy 

x

x

x

=

>

jest  

0

, więc: 

 

(

)

( )

[

]

1

1

2

1

cos

2

cos

2

sin

2

sin

1

sin

2

cos

2

2

2

0

2

0

0

0

0

=

=

=

=

=



=

=

n

n

n

n

n

nx

n

nxdx

n

nxdx

n

nx

n

x

nxdx

x

a

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

 

Stąd 

( )

[

]

1

1

2

2

=

n

n

n

a

π

 dla 

0

n

, czyli współczynnik 

0

a

 (

0

=

n

) musimy obliczyć osobno: 

 

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

π

=

=

=

=

=

0

2

0

0

0

0

2

2

2

0

cos

2

0

cos

2

x

dx

x

dx

x

dx

x

x

a

 

 

Wynika stąd, że: 
dla parzystych mamy: 

 

 

0

=

n

a

dla nieparzystych mamy:   

 

2

4

n

a

n

π

=

 

 

 

 

 

 

π

=

0

a

. 

Współczynniki 

 

 

 

...

,

2

,

1

,

0

=

=

n

b

n

, (ponieważ dana funkcja jest parzysta). 

Ostatecznie: 

 

π

π

+

+

+

π

π

=

x

x

x

x

x

...

5

5

cos

3

3

cos

cos

4

2

2

2

 

 

 
Uwaga

  6:  Funkcję 

)

(x

f

,  daną  w  przedziale 

l

,

0

  można  w  dowolny  sposób  przedłużyć  na  sąsiedni 

przedział 

)

0

,

l

,  a  tym  samym  można  ją  przedstawić  za  pomocą  różnych  szeregów  Fouriera.  Zwykle 

funkcję taką przedstawiamy niepełnym szeregiem Fouriera, zawierającym sinusy lub cosinusy. 

 

 
Szereg zawierający tylko cosinusy otrzymujemy przy parzystym przedłużaniu danej funkcji na sąsiadują-
cy z lewej strony przedział 

)

0

,

l

.  

W tym przypadku wykres danej funkcji przedłużamy poprzez symetrię względem osi OY. (patrz Rys.2). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.2. Przedłużenie parzyste 

 

 l 

 x 

background image

 

191 

Szereg zawierający tylko sinusy otrzymujemy przy nieparzystym przedłużaniu danej funkcji na sąsiadu-
jący z lewej strony przedział 

)

0

,

l

.  

W  tym  przypadku  wykres  danej  funkcji  przedłużamy  poprzez  symetrię  względem  początku  układu 
współrzędnych (patrz Rys.3) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.3. Przedłużenie nieparzyste 

 

 
Uwaga

  7:  Jeżeli  funkcję 

)

(x

f

  w  różnych  częściach  przedziału 

l

l

,

  określają  różne  wzory,  to  przy 

rozwijaniu jej w szereg Fouriera w celu obliczenia współczynników, czyli odpowiednich całek, przedział 
całkowania należy podzielić na części za pomocą punktów, w których wyrażenie analityczne funkcji ule-
ga zmianie, a następnie te całki obliczyć jako sumę całek po poszczególnych przedziałach. 

 

 
Przy  rozwijaniu  w  szereg  Fouriera  funkcji 

)

(x

f

  w  przedziale 

l

2

,

0

  granicami  całek  będą  0  i  2l

a w przypadku dowolnego przedziału 

b

a

,

 o długości 2l granicami będą liczby a i a+2l. 

 

Przykład: Rozwinąć w szereg Fouriera względem sinusów funkcję: 

<

=

2

1

gdy    

   

2

1

0

gdy    

)

(

x

x

x

x

x

f

 

Rozwiązanie: 

 

Wykres  funkcji 

)

(x

f

  wraz  z  nieparzystym  przedłużeniem  na  przedział 

)

0

,

2

  i  dalszym  okresowym 

przedłużeniem na całą oś OX przedstawia Rys.4. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Rys.4. 

 

 

 

 l 

- l 

 4 

-1 

-2 

-3 

-4 

-5 

 

 

background image

 

192 

Kryterium zbieżności można zastosować dla wszystkich x

 

Korzystając ze wzorów na współczynniki dla szeregów Fouriera funkcji nieparzystej mamy: 

 

0

=

n

a

...

,

2

,

1

,

0

=

n

 

 

(

)

...

,

2

,

1

,

2

sin

2

2

sin

2

sin

)

(

2

2

2

1

2

0

1

0

=

π

+

π

=

π

=

n

dx

x

n

x

dx

x

n

x

dx

x

n

x

f

b

n

 

 

Podstawiając 

t

x

=

π

2

 i zmieniając granice całkowania otrzymamy: 

 

(

)

+

π

+

π

=

π

π

+

π

=

π

π

π

π

π

2

0

2

2

0

2

2

2

2

0

2

cos

4

cos

4

sin

4

sin

4

dt

nt

n

n

nt

t

dt

nt

t

dt

nt

t

b

n

 

(

)

2

sin

8

cos

4

cos

4

2

2

2

2

2

2

π

π

=

π





π

π

+

π

π

π

π

n

n

dt

nt

n

n

nt

t

 

 

Stąd  

 

π

+

π

π

π

=

...

2

5

sin

5

1

2

3

sin

3

1

2

sin

8

)

(

2

2

2

x

x

x

x

f

 

 
Szereg ten jest zbieżny do funkcji przedstawionej na rysunku dla wszystkich 

R

x

 
 
POSTAĆ ZESPOLONA SZEREGU TRYGONOMETRYCZNEGO FOURIERA 
 
 

Na podstawie wzoru Eulera:   

α

+

α

=

α

sin

cos

j

e

j

 

 

mamy: 
 

l

x

n

j

l

x

n

e

l

x

n

j

π

+

π

=

π

sin

cos

   

oraz 

 

l

x

n

j

l

x

n

e

l

x

n

j

π

π

=

π

sin

cos

 

 
Dodając i odejmując od siebie powyższe równości otrzymamy: 
 

=

π

+

=

π

π

π

π

π

l

x

n

j

l

x

n

j

l

x

n

j

l

x

n

j

e

e

j

l

x

n

e

e

l

x

n

2

1

sin

      

oraz

      

2

1

cos

 

 
Zatem  po  wstawieniu  powyższych  wzorów  do  wyrażenia  występującego  w  szeregu  Fouriera  
i pogrupowaniu mamy: 
 

l

x

n

j

n

n

l

x

n

j

n

n

n

n

e

jb

a

e

jb

a

l

x

n

b

l

x

n

a

π

π

+

+

=

π

+

π

2

2

sin

cos

 

 
 
 

background image

 

193 

Po wprowadzeniu następujących oznaczeń: 
 

2

,

2

,

2

0

0

n

n

n

n

n

n

jb

a

c

jb

a

c

a

c

+

=

=

=

 

...

,

2

,

1

=

n

 

 
szereg trygonometryczny Fouriera: 
 

+∞

=

π

+

π

+

1

0

sin

cos

2

n

n

n

l

x

n

b

l

x

n

a

a

 

 
możemy zapisać w postaci: 
 

+

=

π

π

+

+

1

0

n

l

x

n

j

n

l

x

n

j

n

e

c

e

c

c

 

 
lub krótko 

 

+∞

l

x

n

j

n

e

c

π

 
 
Tw.14.3. (o rozwijaniu funkcji rzeczywistej zmiennej rzeczywistej w zespolony szereg Fouriera) 

 

Jeśli funkcja rzeczywista 

)

(x

f

 spełnia w przedziale 

l

l

,

 warunki Dirichleta, to jest rozwijalna na tym 

przedziale w szereg zespolony Fouriera: 
 

+∞

−∞

=

=

n

l

x

n

j

n

e

c

x

f

π

)

(

 

 

przy czym: 
 

...

,

2

,

1

,

0

,

)

(

2

1

±

±

=

=

n

dx

e

x

f

l

c

l

l

l

x

n

j

n

π

 

 

 
Jeśli 2l jest okresem funkcji 

)

(x

f

 to ostatni wzór można przekształcić do postaci następującej: 

 

...

,

2

,

1

,

0

,

)

(

2

1

2

0

±

±

=

=

n

dx

e

x

f

l

c

l

l

x

n

j

n

π

 

 
 

Przykład: Rozwinąć funkcję 

x

e

x

f

=

)

(

 w zespolony szereg Fouriera w przedziale 

(

)

π

π

,

 
Rozwiązanie: 

 

W tym przypadku 

π

=

l

Funkcja 

)

(x

f

 spełnia w przedziale 

(

)

π

π

,

 warunki Dirichleta. 

 
 

background image

 

194 

Zatem 

 

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

(

)

jn

e

e

e

e

jn

e

e

jn

e

dx

e

dx

e

e

c

jn

jn

jn

jn

x

jn

x

jn

jnx

x

n

+

π

=

+

π

=

+

π

=

π

=

π

=

π

π

π

π

π

+

π

+

π

π

+

π

π

+

π

π

1

2

1

2

1

2

2

1

2

1

1

1

1

1

 

 

Zgodnie ze wzorami Eulera:   

π

±

π

=

π

±

n

j

n

e

jn

sin

cos

 

czyli   

 

 

 

( )

n

jn

e

1

=

π

±

 
Wobec tego: 
 

( )

(

)

(

)

jn

e

e

c

n

n

+

π

=

π

π

1

2

1

 

 

( )

+∞

−∞

=

π

π

+

π

=

n

jnx

n

x

jn

e

e

e

e

1

1

2

 

W  przedziale 

(

)

π

π

,

  szereg  ten  przedstawia  funkcję 

x

e

,  natomiast  w  punktach 

π

±

=

x

  (krańce  prze-

działu) szereg jest zbieżny do sumy równej 

(

)

π

π

e

e

2

1