Возможности приближения рядов Фурье в случае линейного сигнала бывает необходимым для построения функций в случае разрывных периодических элементов. Возможности использования данного метода для построения и разложения их с использованием конечных сумм ряда Фурье использующих при решении многих задач различных наук, таких как физики, сейсмологии и так далее. Процессы океанских приливов, солнечной активности рассматриваются способом разложения колебательных процессов, функций описываемых эти преобразования. С развитием компьютерных технологий ряды Фурье стали применяться для более и более сложных задач, а так же благодаря этому стало возможным использование данных преобразований в косвенных науках, таких как медицина, химия. Преобразование Фурье описывается как в действительной, так и в комплексной форме, второе распределение дало возможность произвести прорыв в исследовании космического пространства. Результатом данной работы является применение рядов Фурье к линеаризации разрывной функции и подбором количества коэффициентов ряда для более точного наложения ряда на функцию. Причем, при использовании разложения в ряд Фурье, данная функция перестает быть разрывной и уже при достаточно малых, осуществляется хорошее приближение используемой функции.

ряд фурье

преобразование фурье

фазовый спектр.

1. Алашеева Е.А., Рогова Н.В. Численный метод решения задачи электродинамики в тонкопроволочном приближении. Наука и мир. Международный научный журнал, № 8(12), 2014. Том 1. г. Волгоград. С.17-19.

2. Воробьев Н.Н. Теория рядов. Изд. Наука, Главная редакция физико-математической литературы, М., 1979, -408 С.

3. Калинина В.Н., Панкин В.Ф. Математическая статистика. - М.: Высшая школа, 2001.

4. Р.Эдвардс Ряды Фурье в современном изложении. Изд. Мир. В 2 томах. Том 1. 1985 год. 362 стр.

5. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Изд. 2-е стереотипное. «Технiка»,1997. – 768 с.

Представление произвольно взятой функции с конкретным периодом в виде ряда называется рядом Фурье. Разложением по ортогональному базису называют данное решение в общем виде. Разложение функций в ряд Фурье является довольно мощным инструментом при решении разнообразных задач. Т.к. хорошо известны и изучены свойства данного преобразования при интегрировании, дифференцировании, а также сдвиге выражения по аргументу и свертке . Человек, не знакомый с высшей математикой, а также с трудами французского ученого Фурье, скорее всего, не поймет, что это за «ряды» и для чего они нужны. Данное преобразование Фурье очень плотно вошло в нашу жизнь. Им пользуются не только математики, но и физики, химики, медики, астрономы, сейсмологи, океанографы и многие другие.

Ряды Фурье используются при решении многих прикладных задач. Преобразование Фурье можно проводить аналитическими, числительными и другими методами. Такие процессы как океанские приливы и световые волны до циклов солнечной активности относятся к числительному способу разложения любых колебательных процессов в ряд Фурье. Используя эти математические приемы, можно разбирать функции, представляя любые колебательные процессы в качестве ряда синусоидальных составляющих, которые переходят от минимума к максимуму и обратно. Преобразование Фурье является функцией, описывающей фазу и амплитуду синусоид, соответствующих определенной частоте. Данное преобразование используется для решения весьма сложных уравнений, которые описывают динамические процессы, возникающие под действием тепловой, световой или электрической энергии. Также ряды Фурье позволяют выделять постоянные составляющие в сложных колебательных сигналах, благодаря чему стало возможным правильно интерпретировать полученные экспериментальные наблюдения в медицине, химии и астрономии .

С ростом технологий, т.е. появление и развития компьютера, вывело преобразование Фурье на новый уровень. Данная методика прочно закрепилась практически во всех сферах науки и техники. В качестве примера можно привести цифровой аудио- и видеосигнал. Который стал наглядной реализацией роста научного процесса и применения рядов Фурье. Так, ряд Фурье в комплексной форме позволил совершить прорыв в изучении космического пространства. Кроме того, это повлияло на изучение физики полупроводниковых материалов и плазмы, микроволновой акустики, океанографии, радиолокации, сейсмологии .

Рассмотрим фазовый спектр периодического сигнала определяется из следующего выражения:

где символами и соответственно обозначены мнимая и действительная части величины, заключенной в квадратные скобки.

Если умножить на действительную постоянную величину K, то разложение в ряд Фурье имеет следующий вид:

Из выражения (1) следует, что фазовый Фурье-спектр обладает следующими свойствами:

1) является функцией , т. е. в отличие от спектра мощности, который не зависит от , , изменяется при сдвиге сигнала вдоль оси времени;

2) не зависит от К, т. е. инвариантен к усилению или ослаблению сигнала, в то время как спектр мощности является функцией К.

3) т. е. является нечетной, функцией n.

Примечание. С учетом геометрической интерпретации приведенных выше рассуждений, можно выразить через спектр мощности и фазовый спектр следующим образом:

Поскольку

то из (2) и (3) следует, что может быть восстановлен однозначно, если известны амплитудный (или спектр мощности) и фазовый спектры.

Рассмотрим пример. Нам дана функция на промежутке

Общий вид ряда Фурье:

Подставим свои значения и получим:

Подставим свои значения и получим.

Выше мы видим, что разложение функций в степенные ряды позволяет вычислить приближенные значения этих функций с необходимой точностью. Но имеется много функций, которые не разлагаются в степенные ряды (ряды Тейлора или Маклорена), т.к. требования к функциям предъявляются довольно жесткие (функция должна быть бесконечно дифференцируема и т.д.). Поэтому используются и другие виды функциональных рядов, условия разложения в которые менее обременительны. К таким рядам относятся тригонометрические ряды.

Определение : Тригонометрическим рядом функциональный ряд вида:, (1)

где есть постоянные числа, называемые:

Коэффициентами тригонометрического ряда .

Все члены ряда (1) являются функциональными непериодическими и обладают общим наименьшим периодом 2p. Отсюда следует: если функция f(x) разлагается в тригонометрический ряд (1), т.е. она является суммой этого ряда, то эта функция сама должна быть суммой ряда (1) только в некотором интервале длинной 2p.

Основные свойства тригонометрического ряда вытекают jиз основного свойства системы тригонометрических функций. Стачала одно определение.

Определение : Бесконечная система функций j1(x),j2(x),...,j3(x)..., определенных на сегменте , называется ортогональном на этом сегменте , если выполняется следующие условия:
для m¹n;

для любых n.

Теорема : Система тригонометрических функций ортогональна на отрезке [-p,p].

Доказательство: Нужно проверить условия 1) и 2) предыдущего определения.

1)Рассмотрим интегралы:

Применим тригонометрические формулы:

Очевидно с их помощью все предыдущие интегралы сводятся к интегралам вида:
и

Вычислим их.

;

Тем самым, первое требование ортогональности будет выполнено.

2)
;

и второе требование выполнено ч. и т.д.

1. Тригонометрический ряд Фурье.

Пусть периодическая с периодом 2p функция f(x) представляется как сумма тригонометрического ряда
(1).

для всех х из некоторого промежутка длинной 2p. Но сумма ряда S(х) периодическая с периодом 2p функция. Поэтому значение f(x)и S(x)совпадают на всей числовой прямой (-¥, +¥). Поэтому достаточно изучить равенство (1) на некотором промежутке длинной 2p, обычно это [-p,p] .

Итак, пусть f(х) сумма ряда (1) на [-p,p] и, кроме того, предположим, что его можно почленно интегрировать поэтому отрезку. Это, например, возможно если числовой ряд из коэффициентов ряда (1) сходится абсолютно, т.е. сходится ряд

(2).

В этом случаи члены функционального ряда (1) на абсолютной величине не превосходят соответствующих членов ряда (2), откуда следует равномерная сходимость ряда (1), а, значит, и возможность его не членного интегрирования по [-p,p].

Используем это для вычисления коэффициента a 0 . Проинтегрируем почленно обе части неравенства (1) по [-p,p]:

Все интегралы справа согласно свойству ортогональности тригонометрических функций, равны нулю кроме первого. Поэтому:
, откуда
(3).

Чтобы вычислить а к /k¹0/ умножим обе части (1) на coskx. Полученный ряд тоже будет сходится равномерно на [-p,p], т.к. ½coskx½£1 и его можно почленно интегрировать по [-p,p].

По этому же свойству ортогональности все интегралы справа равны нулю кроме содержащего а к.

Тогда
. Откуда

(4).

Умножая обе части (1)на sin kx и интегрируя полученное равенство на , получим
. Откуда

(5).

Коэффициенты, вычисляемые по формулам (3)-(5), называют

коэффициентами фурье для функции f(x), а тригонометрический ряд (1) с этими коэффициентами - рядом Фурье функции (x).

Нужно заметить, что далеко не всегда можно почленно интегрировать ряд (1). Поэтому формально можно вычислить коэффициенты Фурье, составить ряд Фурье (1), но нельзя гарантировать, что этот ряд сходится вообще; а если сходится, то его сумма есть функция f(x). В таких случаях условились вместо равенства (1) “соответствие”:

Ряд Фурье записывается в виде:

, где k – номер гармоники.

Коэффициенты Фурье для этого ряда находятся по формулам:

Периодические сигналы представляются рядом Фурье в виде:

, где - основная частота;

Здесь коэффициенты рассчитываются по формулам:

Часто используется другая форма записи ряда Фурье:

, где:

– амплитуда k -ой гармоники; - начальная фаза

Для удобства расчетов ряд Фурье записывается в комплексной форме:

Графическое временное и частотное изображения

Спектра периодического сигнала

временное изображение

частотное изображение АЧС

Аналогично ФЧС, только учитывая, что фазы могут быть и отрицательными.

Такой спектр называется дискретным или линейчатым, он характерен для периодического сигнала.

Спектр последовательности прямоугольных импульсов

Рассмотрим симметричное расположение импульсов

, где - скважность.

Найдем нулевые точки синуса:

Первая нулевая точка – самая важная для спектра последовательности прямоугольных импульсов.

АЧС последовательности прямоугольных импульсов:

ω 1 ω 2 2π/t u 4π/t u

Основную долю энергии несут гармоники, расположенные от 0 до первой нулевой точки (около 90% энергии). Эту область частот, где сосредоточено 90% энергии сигнала, называют шириной спектра (частотного) сигнала.

Для прямоугольного импульса ширина спектра - .

Любая цифровая передача сигнала требует большего спектра, чем простая аналоговая.

ФЧС последовательности прямоугольных импульсов:

если sun(x)>0, то Ψ k =0

если sin(x)<0, то Ψ k = π

Влияние длительности импульса и периода на вид спектра

Если длительность уменьшается, то основная частота не изменится, нулевые точки переместятся вправо. До первой нулевой точки, где сосредоточена основная энергия, попадает больше составляющих. Технически отмечают, что спектр расширяется.

Если же длительность импульса возрастает, то происходит сужение спектра.

Если период повторения увеличивается, то уменьшается основная частота. Если период повторения уменьшается, то основная частота увеличивается.

Изменение положения импульса или начала отсчета

Это не влияет на АЧС, при этом изменяется только фазовый спектр. Это можно отразить на основе теоремы запаздывания:

Фазовый спектр смещенного сигнала при N=4 :

Понятие о расчете цепей при периодических сигналах

Методика расчета:

1. Определяется комплексный спектр периодического сигнала;

2. Оценивается спектр, оставляют наиболее значащие гармоники (первый критерий: отсекаются все, который составляют менее 0,1 от максимальной по величине амплитуды гармоники);

Рассчитываются токи и напряжения от каждой составляющей в отдельности. Можно использовать комплексный метод расчета.

I 0 =0

Оценить негармоническую функцию можно по действующему значению, т.е. среднеквадратичному за период:

Понятие о спектре непериодического сигнала

Непериодические сигналы являются самыми важными, так как именно они несут информацию. Периодические сигналы являются служебными для передачи информации, а новой информации не несут. Поэтому возникает вопрос спектров непериодических сигналов. Их можно попробовать получить предельным переходом из периодических сигналов, устремив период к бесконечности (). Остается одиночный сигнал. Найдем комплексную амплитуду спектра одиночного сигнала: при .

,

Непериодический сигнал можно разбить на бесконечную сумму гармонических составляющих с бесконечно малыми амплитудами и отличающихся по частоте на бесконечно малые величины – Это называется сплошным спектром не периодического сигнала, а не дискретным. Для расчетов используют понятие не комплексных амплитуд, и комплексной спектральной плотности амплитуд - величины амплитуды, приходящейся на единицу частоты.

Это прямое преобразование Фурье (двухстороннее).

Введение

Частным случаем функциональных рядов являются тригонометрические ряды. К изучению тригонометрических рядов привела известная проблема звучащей струны, над которой работали такие математики как Эйлер, Даламбер, Фурье и другие.

В настоящее время тригонометрические ряды, наряду со степенными рядами, играют важную роль в науке и технике.

1.Тригонометрическая система функций. Ряд Фурье.

Определение. Последовательность функций

1, cosx, sinx,cos2x, sin2x, … , cosnx, sinnx, …

называется тригонометрической системой функций.

Для тригонометрической системы функций справедливы следующие равенства:

Эти равенства легко доказываются с помощью известных формул тригонометрии:

в котором коэффициенты a n , b n определены формулами (2), называется

тригонометрическим рядом Фурье функции f (x ) , а сами коэффициенты –

коэффициентами Фурье.

Тот факт, что ряд (3) является тригонометрическим рядом Фурье функции f (x ) , записывается следующим образом:

Каждое слагаемое ряда (4) называется гармоническим колебанием. В ряде прикладных задач требуется представить периодическую функцию в виде ряда (4), то есть в виде суммы гармонических колебаний.

2.Разложение в ряд Фурье периодических функций с периодом 2π .

Определение. Говорят, что функция f(x) кусочно-непрерывна на отрезке

Если f(x) непрерывна на отрезке за исключением, быть может, конечного числа точек, в каждой из которых функция f(x) имеет пределы справа и слева.

Сформулируем теорему, которая дает достаточные условия сходимости тригонометрического ряда.

Теорема Дирихле . Пусть периодическая периода 2π функция f(x) удовлетворяет условиям:

1) f (x ) иf ′ (x ) кусочно-непрерывны на отрезке [-π ,π ];

2) если х=с – точка разрыва функции f(x), то

f (c )= 1 2 (f (c − 0)+ f (c + 0)).

Тогда тригонометрический ряд Фурье функции f(x) сходится к f(x), то есть имеет место равенство

где коэффициенты a n , b n определяются формулами (2).

Доказательство. Пусть имеет место равенство (4) и пусть ряд (4) допускает почленное интегрирование. Найдем коэффициенты в равенстве (4). Для этого умножим обе части равенства (4) на cosnx и проинтегрируем его в пределах от -π доπ ; в силу ортогональности тригонометрической системы получимa n . Аналогично, умножая на sinnx и интегрируя, получимb n .

3.Ряды Фурье четных и нечетных функций.

Следствие 1 (ряд Фурье для четной функции). Пусть четная функция f(x)

удовлетворяет условиям теоремы Дирихле.

Следствие 2 (ряд Фурье для нечетной функции). Пусть нечетная функция f(x) удовлетворяет условиям теоремы Дирихле.

Тогда имеет место следующее разложение в ряд Фурье

Для доказательства следствий 1 и 2 воспользуемся следующей леммой, которая геометрически очевидна (интеграл как площадь).

Лемма. Пусть на отрезке [-a,a] заданы две интегрируемые функции: четная функция g(x) и нечетная функция h(x).

Тогда справедливы равенства

Пример1. Разложить в ряд Фурье функцию f(x)=x, (x [-π ,π ].

Так как функция нечетная, то согласно формулам (8) и (7) будем иметь:

В точках х=±π сумма этого ряда равна нулю.

Полагая в ряде (9) х = π 2 , получим условно сходящийся ряд

f (x )= x .

7. Разложить на отрезке [ 0,π ] в тригонометрический ряд Фурье по косинусам функцию

< x ≤ π .

8. Разложить на отрезке

f (x )= 2x .

f (x) = ex .

Контрольные вопросы по теме занятия:

1. Напомните определение ряда Фурье.

2. Дайте определение сходимости функционального ряда Фурье.

Заключение.

Введение.

Ряд Фурье составляет значительную часть теории тригонометрических рядов. Впервые ряд Фурье появился в работах Ж. Фурье (1807 г.), посвященных исследованию задач теплопроводности. В дальнейшем ряды Фурье получили широкое распространение как в теоретической, так и в прикладной математики. Так, при изучении темы «Уравнения математической физики» ряды Фурье применяются для нахождения решений уравнения теплопроводности, волнового уравнения с различными начальными и краевыми условиями. Значительное распространение получил также интегральное преобразование Фурье, которое применяется к широкому классу функций.

При разделении переменных во многих задачах математической физики, в частности в краевых задачах теории потенциала для цилиндрической области, приходят к решению так называемых уравнений Бесселя.

Первым систематическое изучение решения уравнения уравнений такого типа предпринял Ф. Бессель, но еще раньше они встречались в работах Д. Бернулли, Л. Эйлера, Ж. Лагранжа.

1. Ряды Фурье функций с любым периодом 2L.

В ряд Фурье можно разлагать функции любого периода 2L. Имеет место следующая теорема.

Теорема. Пусть периодическая периода 2L функция f(x) на отрезке [-L,L] удовлеиворяет условиям теоремы Дирихле.

Тогда на отрезке [-L,L] имеет место разложение в ряд Фурье

(n = 0,1,2,...)

Доказательство. Рассмотрим функцию

равенства (10) и (11).

Замечание. Если функция f(x) – четная на отрезке [-L,L], то ее

ряд Фурье будет содержать только свободный член a 2 0 и косинусы, если же

f(x) – нечетная функция, то ее ряд Фурье будет содержать только синусы. Пример 2. Разложить в ряд Фурье функцию f(x) с периодом 2, которая на

отрезке [-1,1] задается формулой f(x)=| x| .

Следовательно,

2. Ряды Фурье непериодических функций.

Пусть непериодическая функция f(x) определена на отрезке [-L,L]. Для того, чтобы разложить ее в тригонометрический ряд, на этом отрезке строим

Фурье на интервале ]0,L[. Для этого строим периодическую функцию g(x) периода 2L

f (x ),0< x < L ,g (x ) = f 1((x ),− L < x < 0.

Так как функцию f 1 (x ) можно выбрать бесчисленным количеством

способов (лишь бы g(x) удовлетворяла условиям теоремы Дирихле), то получаем бесконечное множество рядов Фурье

для функции g(x).

В частности, функцию g(x) можно выбрать четной или нечетной.

Пусть, теперь, непериодическая функция f(x) определена на некотором интервале ]a,b[. Для того, чтобы эту функцию представить

рядом Фурье, строим произвольную периодическую функцию f 1 (x ) с

периодом 2L≥ b-a, совпадающую на интервале ]a,b[ с функцией f(x), и и раскладываем ее в ряд Фурье.

3. Комплексная форма ряда Фурье.

Преобразуем ряд (10) и его кэффициенты (11) с помощью формул Эйлера

(ω n = π L n )

В результате получим ряд

который называется тригонометрическим рядом Фурье в комплексной форме

функции f(x) периода 2L.

Принята, особенно в электротехнике и радиотехнике, следующая терминология. Выражения e i ω n x называютсягармониками,

числа ω n называютсяволновыми числами функции f(x). Совокупность волновых

чисел называется дискретным спектром. Коэффициенты (16) называюткомплексной амплитудой.

Изучением свойств кэффициентов (16) занимается спектральный анализ. Пример 3. Найти тригонометрический ряд Фурье в комплексной форме

функции f(x)=e ax , (a≠ 0), при L=π .

Формулы (15) и (16) дают:

5. Разложить по синусам в промежутке [ 0,1] функцию

f (x )= x .

6. Найти коэффициенты Фурье функции f (x ) тригонометрического ряда

< x ≤ π .

8. Разложить на отрезке [ 0,π ] в тригонометрический ряд Фурье по косинусам0 при 2

9. В промежутке [ 0,1] разложить в тригонометрический ряд Фурье функцию

f (x )= 2x .

10. В промежутке [ − 1,1] разложить в тригонометрический ряд Фурье функцию

f (x) = ex .

Заключение.

В лекции были рассмотрены ряды Фурье функций периодических на разных интервалах. Рассмотрено преобразование Фурье, а также получено решение уравнения Бесселя, возникающего при разделении переменных во многих задачах математической физики.

Введение.

В лекции рассматриваются предельный случай ряда Фурье, приводящий к интегралу Фурье. Записываются формулы интеграла Фурье для четных и нечетных функций. Отмечается, какую роль играет интеграл Фурье в различных приложениях. Интеграл Фурье представляется в комплексной форме, которая аналогична комплексному представлению ряда Фурье.

Будут получены формулы для преобразования и обратного преобразования Фурье, косинус и синус преобразования Фурье. Приводятся сведения о применении преобразования Фурье к задачам математической физики, электротехники.

1.Интеграл Фурье, как предельный случай ряда Фурье

Пусть функция f(x) определена на бесконечном интервале

]-∞ ,∞ [ и абсолютно интегрируема на нем, то есть существует сходящийся интеграл

∞ ∫ f(x) dx.

Выражение, стоящее справа в формуле (4), называется интегралом Фурье для функции f(x). Равенство (4) имеет место для всех точек, где функция непрерывна. В точках разрыва f(x) в левой части формулы (4) нужно заменить на

Разложение функций в ряд Фурье – это математический прием, который можно наблюдать и в природе, если использовать прибор, чувствующий синусоидальные функции.

Данный процесс происходит, когда человек слышит какой-либо звук. Ухо человека устроено таким образом, что может чувствовать отдельные синусоидальные колебания давления воздуха разной частоты, что, в свою очередь, позволяет человеку распознавать речь, слушать музыку.

Ухо человека воспринимает звук не целиком, а через составляющие его ряда Фурье. Струны музыкального инструмента производит звуки, представляющие собой синусоидальные колебания различных частот. Действительность разложения света в ряд Фурье представляет радуга. Зрение человека воспринимает свет через некоторые его составляющие разных частот электромагнитных колебаний.

Преобразованием Фурье является функция, которая описывает фазу и амплитуду синусоид, определенной частоты. Это преобразование используют для решения уравнений, описывающих динамические процессы, которые возникают под действием энергии. Ряды Фурье решают задачу выделения постоянных составляющих в сложных колебательных сигналах, что позволило правильно трактовать полученные данные экспериментов, наблюдений в медицине, химии и астрономии .

Открытие данного преобразования принадлежит французскому математику Жан Батисту Жозефу Фурье. В честь, которого впоследствии было и названо рядом Фурье. Первоначально ученый нашел применение своего метода при изучении и объяснении механизмов теплопроводности. Было предположено, что изначальное нерегулярное распределение тепла можно представить в виде простейших синусоид. Для каждой, из которых будет определен температурный минимум, максимум и фаза. Функция, описывающая верхние и нижние пики кривой, фазу каждой гармоники называется преобразованием Фурье от выражения распределения температуры. Автор преобразования предложил способ разложения сложной функции в виде суммы периодических функций косинуса, синуса .

Целью курсовой работы является изучение ряда Фурье и актуальности практического применения данного преобразования.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1) дать понятие тригонометрического ряда Фурье;

2) определить условия разложимости функции в ряд Фурье;

3) рассмотреть разложение в ряд Фурье четных и нечетных функций;

4) рассмотреть разложение в ряд Фурье непериодической функции;

5) раскрыть практическое применение ряда Фурье.

Объект исследования: разложение функций в ряд Фурье.

Предмет исследования: ряды Фурье.

Методы исследования: анализ, синтез, сравнение, аксиоматический метод.

1.5. Ряд Фурье для четных и нечетных функций

Рассмотрим симметричный интеграл

где непрерывная или кусочно-непрерывная на. Сделаем замену в первом интеграле. Полагаем. Тогда

Следовательно, если четная функция, то (т.е. график четной функции симметричен относительно оси и

Если - нечетная функция, то (т.е. график нечетной функции симметричен относительно начала координат) и

Т.е. симметричный интеграл от четной функции равен удвоенному интегралу по половинному промежутку интегрирования, а симметричный интеграл от нечетной функции равен нулю.

Отметим следующие два свойства четных и нечетных функций:

1) произведение четной функции на нечетную есть функция нечетная;

2) произведение двух четных (нечетных) функций есть функция четная.

Пусть - четная функция, заданная на и разлагающаяся на этом отрезке в тригонометрический ряд Фурье. Используя полученные выше результаты, получим, что коэффициенты этого ряда будут иметь вид:

Если - нечетная функция, заданная на отрезке и разлагающаяся на этом отрезке в тригонометрический ряд Фурье, то коэффициенты этого ряда будут иметь вид:

Следовательно, тригонометрический ряд Фурье на отрезке будет иметь вид

для четной функции:

(16)

для нечетной функции:

Ряд (16) не содержит синусов кратных углов, то есть в ряд Фурье четной функции входят только четные функции и свободный член. Ряд (17) не содержит косинусов кратных углов, то есть в ряд Фурье нечетной функции входят только нечетные функции .

Определение. Ряды
являются частями полного ряда Фурье и называются неполными тригонометрическими рядами Фурье.

Если функция разлагается в неполный тригонометрический ряд (16) (или (17)), то говорят, что она разлагается в тригонометрический ряд Фурье по косинусам (или по синусам).

1.6. Разложение в ряд Фурье непериодической функции

1.6.1. Разложение в ряд Фурье функций на

Пусть функция задана на отрезке и удовлетворяет на этом отрезке условиям теоремы Дирихле. Выполним замену переменной. Пусть, где подберем так, чтобы получившаяся функция аргумента была определена на. Следовательно, считаем, что

Получившуюся в результате замены функцию можно разложить на в ряд Фурье:

где

Сделаем обратную замену ⇒ Получим

где

(19)

Ряд (18) – ряд Фурье по основной тригонометрической системе функций

Таким образом, получили, что если функция задана на отрезке и удовлетворяет на этом отрезке условиям теоремы Дирихле, то она может быть разложена в тригонометрический ряд Фурье (18) по тригонометрической системе функций (20) .

Тригонометрический ряд Фурье для четной функции, заданной на, будет иметь вид

где

для нечетной функции

где

Замечание! В некоторых задачах требуется разложить функцию в тригонометрический ряд Фурье по системе функций (20) не на отрезке, а на отрезке. В этом случае необходимо просто изменить пределы интегрирования в формулах (19) ((15), если, то есть в этом случае

(23)

или, если

(24)

Сумма тригонометрического ряда Фурье периодическая функция с периодом, являющаяся периодическим продолжением заданной функции. А для периодической функции справедливо равенство (4).

1.6.2. Разложение в ряд Фурье функций на

Пусть функция задана на и удовлетворяет на этом отрезке условиям теоремы Дирихле. Такую функцию также можно разложить в ряд Фурье. Для этого функцию нужно доопределить на промежуток и полученную функцию разложить в ряд Фурье на отрезке. При этом полученный ряд следует рассматривать только на отрезке, на котором функция задана. Для удобства вычислений доопределим функцию четным и нечетным образом.

1) Продолжим функцию на промежуток четным образом, то есть построим новую четную функцию, совпадающую на отрезке с функцией. Следовательно, график этой функции симметричен относительно оси и на отрезке совпадает с графиком. По формулам (21) найдем коэффициенты ряда Фурье для функции и запишем сам ряд Фурье. Сумма ряда Фурье для – периодическая функция, с периодом. Она будет совпадать с функцией на во всех точках непрерывности.

2) Доопределим функцию на промежуток нечетным образом, то есть построим новую нечетную функцию, совпадающую на с функцией. График такой функции симметричен относительно начала координат и на отрезке совпадает с графиком. По формулам (22) найдем коэффициенты ряда Фурье для функции и запишем сам ряд Фурье. Сумма ряда Фурье для – периодическая функция с периодом. Она будет совпадать с функцией на во всех точках непрерывности.

Замечания!

1) Аналогично можно разложить в ряд Фурье функцию, заданную на отрезке

2) Так как разложение функции на отрезке предполагает ее продолжение на отрезок произвольным образом, то и ряд Фурье для функции не будет единственным .

1.6.3. Разложение в ряд Фурье функций на

Пусть функция задана на произвольном отрезке длины и удовлетворяет на нем условиям теоремы Дирихле.

Тогда эта функция может быть разложена в ряд Фурье. Для этого функцию нужно периодически (с периодом) продолжить на всю числовую прямую и полученную функцию разложить в ряд Фурье, который следует рассматривать только на отрезке. В силу свойства (3) периодических функций имеем

Поэтому коэффициенты Фурье для полученного продолжения функции можно найти по формулам

(25)

2. Практическое применение рядов Фурье

2.1. Задачи на разложение функций в ряд Фурье и их решение

В тригонометрический ряд Фурье требуется разложить функцию, являющуюся периодическим продолжением заданной на отрезке функции. Для этого необходимо пользоваться алгоритмом разложения периодической функции в ряд Фурье.

Алгоритм разложения периодической функции в ряд Фурье:

1) Построить график заданной функции и ее периодического продолжения;

2) Установить период заданной функции;

3) Определить функция четная, нечетная или общего вида;

4) Проверить выполнимость условий теоремы Дирихле;

5) Составить формальную запись ряда Фурье, порожденного данной функцией;

6) Вычислить коэффициенты Фурье;

7) Записать ряд Фурье для заданной функции, используя коэффициенты ряда Фурье (п.4).

Пример 1. Функцию разложить в ряд Фурье на промежутке.

Решение:

1) Построим график заданной функции и его периодическое продолжение.

2) Период разложения функции.

3) Функция - нечетная.

4) Функция - непрерывная и монотонна на, т.е. функция удовлетворяет условиям Дирихле.

5) Вычислим коэффициенты ряда Фурье.

6) Запишем ряд Фурье, подставив коэффициенты Фурье в формулу

Ответ:

Пример 2. Разложим функцию с произвольным периодом в ряд Фурье .

Решение: функция определена на полуинтервале (-3;3]. Период разложения функции, полупериод. Разложим функцию в ряд Фурье

В начале координат функция разрывная, поэтому каждый коэффициент Фурье будем представлять в виде суммы двух интегралов.

Запишем ряд Фурье, подставив найденные коэффициенты ряда Фурье в формулу.

Пример 3. Разложить функцию на промежутке в ряд Фурье по косинусам. Построить график суммы ряда.

Решение: продолжим функцию на промежуток четным образом, то есть построим новую четную функцию, совпадающую на отрезке с функцией. Найдем коэффициенты ряда Фурье для функции и запишем ряд Фурье. Сумма ряда Фурье для - периодическая функция, с периодом. Она будет совпадать с функцией на во всех точках непрерывности.

Тригонометрический ряд Фурье для функции будет иметь вид

Найдем коэффициенты ряда Фурье

Таким образом, когда найдены коэффициенты, можно записать ряд Фурье

Построим график суммы ряда

Пример 4. Дана функция, определенная на отрезке . Выяснить, можно ли разложить функцию в ряд Фурье. Записать разложение функции в ряд Фурье .

Решение:

1) построим график функции на .

2) функция непрерывна и монотонна на , то есть по теореме Дирихле разлагается в тригонометрический ряд Фурье.

3) вычислим коэффициенты Фурье по формулам (1.19).

4) запишем ряд Фурье, используя найденные коэффициенты.

2.2. Примеры применения рядов Фурье в различных областях деятельности человека

Математика – одна из наук, которая имеет широкое применение на практике. Любой производственно-технологический процесс основан на математических закономерностях. Применение различных инструментов математического аппарата позволяет конструировать устройства и автоматизированные агрегаты, способные выполнять операции, сложные расчеты и вычисления при проектировании зданий, сооружений.

Ряды Фурье применяются математиками в геометрии при решении задач в сферической геометрии; в м атематической физике при решении задач о малых колебаниях упругих сред. Но кроме математики ряды Фурье нашли свое применение и в других областях наук.

Ежедневно люди пользуются различными устройствами. И зачастую эти устройства работают неисправно. Например, звук плохо различим из-за больших шумов или изображение, полученное по факсу, нечеткое. Причину неисправности человек может определить по звуку. Компьютер также может провести диагностику повреждения устройства. Лишние шумы можно убрать с помощью компьютерной обработки сигналов. Сигнал представляют в виде последовательности цифровых значений, которые затем вводят в компьютер. Выполнив определенные вычисления, получают коэффициенты ряда Фурье.

Изменение спектра сигнала позволяет очищать запись от шумов, компенсировать искажения сигнала различными устройствами звукозаписи, менять тембры инструментов, акцентировать внимание слушателей на отдельных партиях.

В цифровой обработке изображений применение рядов Фурье позволяет проводить следующие эффекты: размытие, подчеркивание границ, восстановление изображений, художественные эффекты (тиснение)

Разложение в ряд Фурье применяется в архитектуре при исследовании колебательных процессов. Например, при создании проекта различного вида конструкций рассчитывают прочность, жесткость и устойчивость элементов конструкций.

В медицине для проведения медицинского обследования с помощью кардиограмм, аппарата УЗИ пользуются математическим аппаратом, в основе которого лежит теория рядов Фурье.

Объемные вычислительные задачи оценки статистических характеристик сигналов, фильтрации шумов возникают при регистрации и обработке данных морского непрерывного дна. При постановке измерений, их регистрации перспективны голографические методы, использующие ряды Фурье. То есть ряды Фурье применяются и в такой науке как океанология.

Элементы математики встречаются на производстве практически на каждом шагу, поэтому специалистам важно знать и блестяще ориентироваться в области применения тех или иных инструментов анализа и расчета .

Заключение

Тема курсовой работы посвящена изучению ряда Фурье. Произвольную функцию можно разложить на более простые, то есть можно разложить в ряд Фурье. Объем курсовой работы не позволяет подробно раскрыть все аспекты разложения функции в ряд. Однако, из поставленных задач, представилось возможным раскрыть основную теорию о рядах Фурье.

В курсовой работе раскрыто понятие тригонометрического ряда Фурье. Определены условия разложимости функции в ряд Фурье. Рассмотрены разложения в ряд Фурье четных и нечетных функций; непериодических функций.

Во второй главе приведены лишь некоторые примеры разложения функций, заданных на различных промежутках, в ряд Фурье. Описаны те области наук, где используется данное преобразование.

Существует также комплексная форма представления ряда Фурье, которую не удалось рассмотреть, так как не позволяет объем курсовой работы. Комплексная форма ряда алгебраически проста. Поэтому часто используется в физике и прикладных расчетах.

Важность темы курсовой работы обусловлена тем, что находит широкое применение не только в математике, но в других науках: физике, механике, медицине, химии и многих других.

Список литературы

1. Бари, Н.К. Тригонометрические ряды. [текст]/ Н.К. Бари. - Москва, 1961 . - 936 с .

2. Бермант, А.Ф. Краткий курс математического анализа: учебник для вузов [текст] / А.Ф. Бермант, И.Г. Араманович. – 11-е изд., стер. – СПб.: Издательство «Лань», 2005. – 736 с.

3. Бугров, Я. С. Высшая математика: Учебник для вузов: В 3 т. [текст] / Я. С. Бугров, С. М. Никольский; Под ред. В. А. Садовничего. - 6-е изд., стереотип. - М.: Дрофа, 2004. -512 с.

4. Виноградова, И. А. Задачи и упражнения по математическому анализу: пособие для университетов, пед. вузов: В 2 ч. [текст] / И. А. Виноградова, С. Н. Олехник, В.А. Садовничий; под ред. В.А. Садовничего. – 3-е изд., испр. – М.: Дрофа, 2001. – 712 с.

5. Гусак, А.А. Высшая математика. В 2-х т. Т. 2. Учебник для студентов вузов. [текст] / А. А. Гусак. – 5-е изд. – Минск: ТетраСистемс, 2004.

6. Данко, П.Е. Высшая математика в упражнениях и задачах: учебное пособие для вузов: 2 ч. [текст] / П.Е. Данко, А.Г. Попов, Т.Я. Кожевникова. Москва: ОНИКС: Мир и образование, 2003. – 306 с.

7. Лукин, А. Введение в цифровую обработку сигналов(математические основы) [текст]/ А. Лукин. - М., 2007. - 54 с.

8. Пискунов, Н. С. Дифференциальное и интегральное исчисления для втузов, т.2: Учебное пособие для втузов. [текст] / Н. С. Пискунов. - 13-е изд.- М.: Наука, 1985. - 432 с.

9. Рудин, У. Основы математического анализа. [текст] / У. Рудин. - 2-е изд., Пер. с англ. .- М.: Мир, 1976 .- 206 с.

10. Фихтенгольц, Г. М. Основы математического анализа. Часть 2. [текст] / Г. М. Фихтенгольц. - 6-е изд., стер. - СПб.: Издательство «Лань», 2005. – 464 с.

Оренбург, 2015 г.