Príklady na precvičovanie Fourierove rady

Σχετικά έγγραφα
Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Prednáška Fourierove rady. Matematická analýza pre fyzikov IV. Jozef Kise lák

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia 1

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

Motivácia pojmu derivácia

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

7 Derivácia funkcie. 7.1 Motivácia k derivácii

Technická univerzita v Košiciach Fakulta elektrotechniky a informatiky MATEMATIKA II. Zbierka riešených a neriešených úloh

Integrovanie racionálnych funkcií

Reálna funkcia reálnej premennej

Goniometrické substitúcie

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Tomáš Madaras Prvočísla

Ekvačná a kvantifikačná logika

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

Funkcie - základné pojmy

Obvod a obsah štvoruholníka

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

FUNKCIE N REÁLNYCH PREMENNÝCH

PREHĽAD ZÁKLADNÝCH VZORCOV A VZŤAHOV ZO STREDOŠKOLSKEJ MATEMATIKY. Pomôcka pre prípravný kurz

Deliteľnosť a znaky deliteľnosti

(IP3) (f, g) = (g, f) (symetria), (IP4) (f, f) > 0 pre f 0 (kladná definitnosť). Z podmienok (IP1) (IP4) sa ľahko dokážu rovnosti:

Obsah. 1.1 Základné pojmy a vzťahy Základné neurčité integrály Cvičenia Výsledky... 11

x x x2 n

Matematika 2. časť: Funkcia viac premenných Letný semester 2013/2014

Start. Vstup r. O = 2*π*r S = π*r*r. Vystup O, S. Stop. Start. Vstup P, C V = P*C*1,19. Vystup V. Stop

Ján Buša Štefan Schrötter

KATEDRA INFORMATIKY FAKULTA MATEMATIKY, FYZIKY A INFORMATIKY UNIVERZITA KOMENSKÉHO, BRATISLAVA FOURIEROVA TRANSFORMÁCIA

Súčtové vzorce. cos (α + β) = cos α.cos β sin α.sin β cos (α β) = cos α.cos β + sin α.sin β. tg (α β) = cotg (α β) =.

Goniometrické funkcie

4 Reálna funkcia reálnej premennej a jej vlastnosti

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH STROJNÍCKA FAKULTA MATEMATIKA 1. Funkcia jednej premennej a jej diferenciálny počet

DIFERENCÁLNE ROVNICE Matematická analýza (MAN 2c)

Obyčajné diferenciálne rovnice

NUMERICKÁ MATEMATIKA. Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Fakulta elektrotechniky a informatiky

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

Spojitosť a limity trochu inak

M6: Model Hydraulický systém dvoch zásobníkov kvapaliny s interakciou

Priamkové plochy. Ak každým bodom plochy Φ prechádza aspoň jedna priamka, ktorá (celá) na nej leží potom plocha Φ je priamková. Santiago Calatrava

Obsah. 1.1 Reálne čísla a ich základné vlastnosti Komplexné čísla... 8

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

Základné vzťahy medzi hodnotami goniometrických funkcií

VLASTNÉ ČÍSLA A JORDANOV KANONICKÝ TVAR. Michal Zajac. 3 T b 1 = T b 2 = = = 2b

Matematika 1 Elementárny kalkulus

MATEMATIKA II ZBIERKA ÚLOH

Rovnosť funkcií. Periodická funkcia.

Derivácia funkcie. Pravidlá derivovania výrazov obsahujúcich operácie. Derivácie elementárnych funkcií

Spojité rozdelenia pravdepodobnosti. Pomôcka k predmetu PaŠ. RNDr. Aleš Kozubík, PhD. 26. marca Domovská stránka. Titulná strana.

2. Ako je funkcija f(x) parna onda se Fourierov red funkcije f(x) reducira na Fourierov kosinusni red. f(x) cos

Lineárna algebra I - pole skalárov, lineárny priestor, lineárna závislosť, dimenzia, podpriestor, suma podpriestorov, izomorfizmus

Zložené funkcie a substitúcia

u R Pasívne prvky R, L, C v obvode striedavého prúdu Činný odpor R Napätie zdroja sa rovná úbytku napätia na činnom odpore.

Goniometrické rovnice riešené substitúciou

MATEMATIKA I ZBIERKA ÚLOH

JKPo10-T List 1. Nekonečné rady. Mgr. Jana Králiková

Numerické metódy Učebný text pre bakalárske štúdium

Funkcie komplexnej premennej

Matematika 2. časť: Analytická geometria

Fakulta matematiky, fyziky a informatiky. Univerzita Komenského. Contents I. Úvod do problematiky numeriky 2

1. písomná práca z matematiky Skupina A

Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej x. Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej y. Ak existuje limita.

Vektorový priestor V : Množina prvkov (vektory), na ktorej je definované ich sčítanie a ich

Kompilátory. Cvičenie 6: LLVM. Peter Kostolányi. 21. novembra 2017

Matematická analýza pre fyzikov IV.

Planárne a rovinné grafy

Príklady na precvičovanie číselné rady a kritériá ich konvergencie a divergencie

3. Striedavé prúdy. Sínusoida

MATEMATICKÁ ANALÝZA 1

22 Špeciálne substitúcie, postupy a vzorce používané pri výpočte

ALGEBRA. Číselné množiny a operácie s nimi. Úprava algebrických výrazov

Numerické metódy, pravdepodobnosť a matematická štatistika

Numerické metódy, pravdepodobnosť a matematická štatistika. Ján BUŠA Viktor PIRČ Štefan SCHRÖTTER

Úvod 2 Predhovor... 2 Sylaby a literatúra... 2 Označenia... 2

ELEKTROTEHNIČKI ODJEL

Cieľom cvičenia je zvládnuť riešenie diferenciálnych rovníc pomocou Laplaceovej transformácie,

Metódy vol nej optimalizácie

Polynómy. Hornerova schéma. Algebrické rovnice

primitívnoufunkcioukfukncii f(x)=xnamnožinereálnychčísel.avšakaj 2 +1 = x, tedaajfunkcia x2

Technická univerzita v Košiciach. Zbierka riešených a neriešených úloh. z matematiky. pre uchádzačov o štúdium na TU v Košiciach

FUNKCIE. Funkcia základné pojmy. Graf funkcie

Numerické metódy Zbierka úloh

Základy matematickej štatistiky

Goniometrické nerovnice

7. Dokážte, že z každej nekonečnej množiny môžeme vydeliť spočítateľnú podmnožinu.

4. Výrokové funkcie (formy), ich definičný obor a obor pravdivosti

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

DAI01 GUNČAGA, J: Limitné procesy v školskej matematike. Dizertačná práca, FPV UKF Nitra, 2004

viacrozmerných a nekonečnorozmerných priestoroch. A ako nasvedčuje jej názov, pôjde o rovnice nelineárne.

Teória pravdepodobnosti

24. Základné spôsoby zobrazovania priestoru do roviny

Diferenciálne rovnice

Úvod do lineárnej algebry

KATEDRA DOPRAVNEJ A MANIPULAČNEJ TECHNIKY Strojnícka fakulta, Žilinská Univerzita

Transcript:

Príklady na precvičovanie Fourierove rady Ďalším významným typom funkcionálnych radov sú trigonometrické rady, pri ktorých sú jednotlivé členy trigonometrickými funkciami. Konkrétne, jedná sa o rady tvaru a + (a n cos nx + b n sin nx), () kde a, a n a b n, n N, sú reálne konštanty a nazývajú sa koeficientami radu (). Kľúčovým rysom trigonometrických radov je pozorovanie, že systém ich tvoriacich funkcií S = {, cos x, sin x, cos x, sin x,..., cos nx, sin nx,... } má nasledujúce vlastnosti. Každá funkcia systému S je periodická s periódou a pre každú dvojicu funkcií φ(x), ψ(x) S platí =, φ ψ, φ(x) ψ(x) dx (), φ = ψ. Vlastnosť () sa zvyčajne označuje ako ortogonalita systému funkcií S (v tomto prípade hovoríme, že funkcie systému S sú vzájomne ortogonálne). Nech f(x) je reálna funkcia definovaná a integrovateľná na intervale [,. Trigonometrický rad () s koeficientami a n := b n := f(x) cos nx dx, n N, (3) f(x) sin nx dx, n N, (4) sa potom nazýva Fourierov rad funkcie f(x) vzhľadom na ortogonálny systém S. Čísla a n, b n v (3) a (4) sa označujú ako Fourierove koeficienty funkcie f(x) vzhľadom na systém S. Ak funkcia f(x) je párna, potom b n = pre každé n N (samy si premyslite :)) a rad () sa označuje ako kosínusový. V prípade nepárnej funkcie f(x) platí a n = pre každé n N (i toto si samy premyslite :)) a rad () sa označuje ako sínusový. Častokrát sa stáva, že zadaná funkcia f(x) je definovaná a integrovateľná iba na intervale [,, prípadne (,. V tomto prípade sa zvyčajne konštruuje jej tzv. párne, resp.

nepárne rozšírenie na celý interval [,. Pod pojmom párne rozšírenie funkcie f(x) rozumieme novú funkciu f(x) definovanú f(x), x [,, f(x) = f( x), x [, ). Podobne, nepárne rozšírenie funkcie f(x) bude predstavovať nová funkcia f(x) daná predpisom f(x), x (,, f(x) =, x =, f( x), x [, ). Všimnime si, že funkcie f(x) a f(x) sú definované na celom intervale [,, pričom f(x) je párna a f(x) je nepárna (samy sa presvedčte :)). Konvergencia Fourierovho radu Dirichletova veta Ak trigonometrický rad () konverguje na intervale [,, potom nutne konverguje na celom R. Vyplýva to z faktu, že sínus a kosínus sú periodické funkcie svojho argumentu s periódou (samy si to dobre premyslite :)). Daný súčet je potom tiež periodickou funkciou (premennej x) a je definovaný na celom R. Je prirodzené očakávať, že Fourierov rad funkcie f(x), t.j., rad () s koeficientami v (3) a (4), bude mať na intervale [, za súčet práve funkciu f(x). Ukazuje sa však, že nie každá funkcia f(x) integrovateľná na [, má takúto peknú vlastnosť. Postačujúcu podmienku, ktorú treba v tomto prípade naložiť na funkciu f(x), udáva slávna Dirichletova veta. Prv, ako ju vyslovíme, zavedieme dva pomocné pojmy. Funkcia f(x) sa nazýva po častiach spojitá na intervale [a, b, ak má na tomto intervale iba konečne veľa bodov nespojitosti, pričom sa jedná iba o skoky (teda v každom bode x [a, b má funkcia f(x) obidve vlastné jednostranné limity). Funkcia f(x) sa nazýva po častiach monotónna na intervale [a, b, ak na tomto intervale existuje iba konečne veľa bodov, v ktorých sa mení monotónnosť funkcie f(x).

Pre jednoduchosť označme symbolmi f(x +) a f(x ) limitu sprava a limitu zľava funkcie f(x) v bode x. Dirichlet (ako prvý korektne :)) dokázal, že ak funkcia f(x) je po častiach spojitá a po častiach monotónna na intervale [,, potom jej príslušný Fourierov rad () s koeficientami v (3) a (4) bodovo konverguje na intervale [, k funkcii f (x) definovanej takto f (x) = [f(x ) + f(x+), x (, ), [f( ) + f( +), x =, resp. x =. Funkcia f (x), ako súčet Fourierovho radu, je zrejme periodická a definovaná na celej reálnej osi (pozri komentár vyššie :)). Predĺženie f (x) na interval (, ) sa zvykne označovať ako -periodické rozšírenie funkcie f(x). Všimnime si, že v každom bode x (, ), v ktorom je f(x) spojitá, platí f (x ) = f(x ) (samy si premyslite :)). Uvedené Dirichletove podmienky zaručujú bodovú, nie však rovnomernú konvergenciu Fourierovho radu funkcie f(x) na intervale [,. Ak však je funkcia f(x) spojitá na [, s f( ) = f() a jej prvá derivácia f (x) je po častiach spojitá na [,, potom daný Fourierov rad () s koeficientami (3) a (4) konverguje na intervale [, rovnomerne k súčtu f(x). Besselova nerovnosť a Parsevalova rovnosť Nech f(x) je funkcia integrovateľná na intervale [,. Jej Fourierove koeficienty v (3) a (4) vždy spĺňajú tzv. Besselovu nerovnosť a + ( a n + bn) [f(x) dx. Posledná nerovnosť obzvlášť znamená, že nekonečný číselný rad (a n + b n) konverguje, a teda lim a n = = lim b n (samy si premyslite :)). Ak naviac n n funkcia f(x) spĺňa podmienky Dirichletovej vety (pozri komentár vyššie :)), t.j., Fourierov rad funkcie f(x) konverguje, potom uvedená Besselova nerovnosť prechádza v tzv. Parsevalovu rovnosť a + ( a n + bn) = [f(x) dx. 3

Riešené príklady Príklad Nájdime Fourierov rad funkcie f(x) = x na intervale [,. Riešenie: Funkcia f(x) je iste spojitá na [,, a teda i integrovateľná na tomto intervale. Pomocou (3) a (4) vypočítame jej Fourierove koeficienty, konkrétne a = x dx, a n = x cos nx dx, b n = kde n N. Nechávame na čitateľa, aby ukázal, že a = 3, a n = ( ) n 4 n, b n =, pre každé n N x sin nx dx, (premyslite si, že rovnosť b n =, n N, ihneď vyplýva zo skutočnosti, že f(x) je párna funkcia; jedná sa o kosínusový rad :)). Hľadaný Fourierov rad funkcie f(x) má teda tvar 3 + ( ) n 4 cos nx n pre každé x [,. A keďže funkcia f(x) je spojitá na [, a f( ) = f(), podľa Dirichletovej vety platí pozoruhodná identita x = 3 + ( ) n 4 cos nx n pre každé x [,. Jednou z významných aplikácií Fourierových radov je určovanie súčtov niektorých nekonečných číselných radov. Tak napríklad voľbou x = v poslednej rovnosti dostávame = 3 + ( ) n 4 cos n. n Nakoľko cos n = ( ) n pre každé n N (samy overte ;)), máme = 3 + ( ) n 4 n ( )n = 3 + 4 4 n.

Z poslednej identity potom získame hodnotu súčtu (konvergentného) radu, konkrétne n n = :) 6 (samy overte :)). Podobne, voľbou x = v odvodenom Fourierovom rozvoji funkcie f(x) dostaneme vzorec pre súčet alternujúceho radu ( ) n. n Nechávame na čitateľa, aby preveril, že platí identita ( ) n n = :). No a do tretice, aplikáciou Parsevalovej rovnosti pre získaný Fourierov rad funkcie f(x) máme ( ) 3 + [ ( ) n 4 = n x 4 dx. Vykonaním naznačených výpočtov a jednoduchých úprav dostaneme (samy overte :)) 9 4 + 6 n = 4 5 4 n 4 = 4 9 :). Príklad Stanovme Fourierov rozvoj funkcie f(x) = e x na intervale [,. Riešenie: Postupujeme podobne ako v predchádzajúcom príklade. V tomto prípade však funkcia f(x) nie je ani párna, ani nepárna, preto musíme poctivo vypočítať všetky jej Fourierove koeficienty v (3) a (4) :-/. Okrem toho, namiesto intervalu [, teraz pracujeme na intervale [,, opäť sa však jedná o 5

interval dĺžky. Vzorce (3) a (4) budú preto fungovať analogicky, avšak s tým rozdielom, že integrovať budeme cez interval [,. Konkrétne, máme a n = b n = e x cos nx dx, n N, e x sin nx dx, n N. Samy overte (napríklad pomocou vhodnej integrácie per-partes :)), že pre čísla a n, b n platí a n = e b n = e n +, n N, n n +, n N. Hľadaný Fourierov rad funkcie f(x) má teda pre každé x [, tvar e + [ e n + cos nx e n sin nx. n + Funkcia f(x) je spojitá na intervale [, a f() = a f() = e. Podľa Dirichletovej vety potom pre každé x (, ) platí rovnosť e x = e + [ e n + cos nx e n n sin nx. + Na druhej strane, pre hodnoty x =, resp. x = dostávame identitu + e }{{ } f()+f() = e + e n +. Z poslednej rovnosti vypadne po drobnej úprave elegantný vzorec pre súčet konvergentného číselného radu n +, konkrétne n + = e + e 6 :).

Podobne, voľbou x = v získanom Fourierovom rozvoji funkcie f(x) máme identitu (zrejme platí cos n = ( ) n a sin n = pre každé n N ;)) e = e + e n + ( )n. Po úpravách získame vzťah pre hodnotu súčtu alternujúceho číselného radu ( ) n n +, konkrétne ( ) n n + = e e :) (samy overte všetky odvodené identity ;)). Príklad 3 Zostrojme kosínusový rozvoj funkcie f(x) = x na intervale [,. Riešenie: Na to, aby sme zostrojili hľadaný Fourierov rad, potrebujeme predĺžiť funkciu f(x) i na interval [, ). A keďže máme nájsť kosínusový rozvoj funkcie f(x), potrebujeme stanoviť párne rozšírenie f(x), t.j., x, x [,, f(x) = x, x [, ) (samy si to dobre premyslite :)). Hľadáme teda Fourierov rad pre funkciu f(x) na intervale [,. Vďaka tomu, že f(x) je párna funkcia (nakreslite jej graf :)), bude sa jednať o rad tvaru a + a n cos nx, x [,. Zo vzorca v(3) a z definície funkcie f(x) pre Fourierove koeficienty a n postupne dostávame a = f(x) dx = [ ( x) dx + x dx 7

= [ x dx + x dx = [ x dx + x dx = x dx = (v druhom riadku výpočtu sme v prvom integrále vykonali substitúciu x x, samy si to premyslite ;)). Podobne, pre indexy n N máme a n = = f(x) cos nx dx = [ [ x cos nx dx + ( x) cos nx dx + x cos nx dx = x cos nx dx x cos nx dx (opäť sme využili trik so substitúciou x x :)). Aplikujúc metódu perpartes na posledný integrál, dostaneme a n = ( )n n, n N (samy overte :)). Hľadaný Fourierov rad funkcie f(x) má teda tvar + ( )n cos nx, x [,. n Nakoľko funkcia f(x) je spojitá na [, a f( ) = = Dirichletovej vety platí identita f(), podľa f(x) = + Obzvlášť, pre každé x [, máme rovnosť ( )n cos nx pre každé x [,. n x = f(x) = f(x) = + ( )n cos nx. n Toto je požadovaný kosínusový rozvoj funkcie f(x) na intervale [,. Poslednú identitu možno využitím poznatku, n párne, ( ) n =, n nepárne, 8

(samy si dobre premyslite :)) zapísať v tvare x = 4 k= k= cos(k )x, x [,. (k ) (i toto si samy veľmi dobre premyslite ;)). Špeciálne, voľbou x = posledná rovnosť dáva identitu = 4 = (k ) (k ) = :). 8 k= Príklad 4 Rozviňme funkciu f(x) = x do sínusového rozvoja na intervale [,. Riešenie: Postupujeme úplne analogicky ako v predchádzajúcom príklade. Teraz hľadáme nepárne rozšírenie funkcie f(x) na celý interval [,, t.j., funkcia f(x) bude mať tvar f(x) = x pre každé x [, (samy si premyslite :)). Jej odpovedajúci Fourierov rad bude potom obsahovať len členy so sínusmi b n sin nx, x [,. Nechávame na čitateľa, aby ukázal, že pre Fourierove koeficienty b n platí b n = x sin nx dx = ( ) n n, n N. Hľadaný Fourierov rad funkcie f(x) bude mať teda tvar ( ) n n sin nx, x [,. Keďže funkcia f(x) je spojitá na intervale [,, z Dirichletovej vety vyplýva rovnosť x = ( ) n sin nx n pre každé x (, ). 9

Toto je zároveň i hľadaný sínusový rozvoj funkcie f(x) na intervale [,. Konkrétnou voľbou x = získame z poslednej rovnice identitu = ( ) n n sin n. Nakoľko platí sin n pre n = k, = ( ) k pre n = k, k N (samy si dobre premyslite :)), posledná identita nadobudne tvar = ( ) k k ( )k = k= k= ( ) k k k= (i toto si samy dobre premyslite ;)). ( ) k k = 4 :)