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第三节傅里叶级数
一三角函数系及其正交性
二函数展开成傅立叶级数
三一般周期函数展开成傅立叶级数
讠
算三
得叶級
三角函数系及其正交性
简单的周期运动:y=Asin(aot+q)(谐波函数)
A为振幅,O为角频率,p为初相)
F复杂的周期运动:y=4+∑As(mt+q)
(谐波选加
An,sincosnat+A,cosusinnat
令2=4+,a=4,b=A9n,=x
得函数项级数
+2(a,cosnx+bnsinx)
k:
称上述形式的级数为三角级数
2
函数系
cosx,sinx,cos2x,sin2x,.cosnx,sinn,
称为三角函数系。
定义设函数系{v(x)(k=0,1,2…)是一簇定义在
a,b上的平方可积的函数,如果满足条件:
e1))vm(x)vn(x)dx=0(m+n)
2)」un(xkdx=,0
则称函数系{v(x)(k=0,,2…)是区间a,b上正交函
数系
第三管得叶氯欲
由于∫1cosnxdx=J1sinndx=0(=1.2,
coskxcosnxdx
一丌
coskxcosnx=lCos(k+n)x+cos(k-n)x
∫[w(k+n)x+cskn)xlx=0(≠n)
同理∫nkrsinnrdx=0≠n)
coskxsinnxdx=0
cosndx=丌
1.Idx=2T
(n=1,2,…)
sinnar=兀
因此,三角函数系是区间[丌,m上的正交函数系。
同理,三角函数系是区间[0,2兀]上的正交函数系
函数展开成傅立叶级数
1傅立叶系数
设∫(x)是周期为2兀的周期函数,且
f(x)=2+2cox+snax)①
哈端级数可逐项积分,则由条件对①在兀,z逐项积分
e(a,cosnxdx+bn/sinnxdxy
-lo/
∴a0=
f()dx
6
∫(x)coskrdx=0px
coskxdx+
丌
∑』
元
coskxcosnxdx+,cockxsinnxdx
H=1
=aky-兀
coskxdx=akT
(利用正交性)
rl.(r)coskxdx(k=1,2
类似地,用sinko乘①式两边,再逐项积分可得
zJf(r)sinkrdx(=1,2,,
因此
an=-f(x)cosndx(n=0,1,2,)
②
b
z个、f(x)sinned(m=,2,…
由公式②确定的an,b称为函数f(x)的傅里叶系数
以∫(x)的傅里叶系数为系数的三角级数①称为∫(x)
的傅里叶级数.
2傅立叶级数的收敛性
定理(收敛定理,展开定理)设f(x)是周期为2的
周期函数,并满足狄利克雷(Dirichlet)条件:
1)在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点;
+2)在一个周期内只有有限个极值点,
章则f(x)的傅里叶级数收敛,且有
注意:函数展成
3份+(csnx+mnx)
傅里叶级数的条
件比展成幂级数
的条件低得多
f(x),
x为连续点
∫(x+0)+f(x-0)
,x为间断点
(证明略)
其中anbn为∫(x)的傅里叶系数,
9
第三管得凰叶
例1.设∫(x)是周期为2π的周期函数,它在[-z,z)
上的表达式为
f(x)=
∫-1,-兀≤x0
1,0≤x丌
S(x).f(x)的傅立叶级数的和函数,求S(x)的表达式
及S(O,、S(1),S(丌),S(5
解:f(x)在(0,x)连续,所以(x)=(x)=1,x∈(,n
無f(x)在(-,0连续,所以S(x)=f(x)=-1,x∈(-兀,0
S(0)=(0+0)+f(0-0)1+(-1
=0
2
2
(-+0)+f(-x-0)1+(-1)
S(-丌)
0
10
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