Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
kursovaya_lomakin.doc
Скачиваний:
14
Добавлен:
17.11.2019
Размер:
250.37 Кб
Скачать

Тригонометрический ряд Фурье

Тригонометрическим рядом Фурье функции называют функциональный ряд вида

(1)

где

Числа a0, an и bn ( ) называются коэффициентами Фурье функции f. Формулы для них можно объяснить следующим образом. Предположим, мы хотим представить функцию в виде ряда (1), и нам надо определить неизвестные коэффициенты a0, an и bn. Если умножить правую часть (1) на cos(kx) и проинтегрировать по промежутку [ − π,π], благодаря ортогональности в правой части все слагаемые обратятся в нуль, кроме одного. Из полученного равенства легко выражается коэффициент ak. Аналогично для bk

Ряд (1) сходится к функции f в пространстве L2([ − π,π]). Иными словами, если обозначить через Sk(x) частичные суммы ряда (1):

,

то их среднеквадратичное отклонение от функции f будет стремиться к нулю:

.

Несмотря на среднеквадратичную сходимость, ряд Фурье функции, вообще говоря, не обязан сходиться к ней поточечно.

Часто при работе с рядами Фурье бывает удобнее в качестве базиса использовать вместо синусов и косинусов экспоненты мнимого аргумента. Мы рассматриваем пространство комплекснозначных функций со скалярным произведением

.

Мы также рассматриваем систему функций

.

Как и прежде, эти функции являются попарно ортогональными и образуют полную систему, и, таким образом, любая функция может быть разложена по ним в ряд Фурье:

,

где ряд в правой части сходится к f по норме в . Здесь

.

Коэффициенты : связаны с классическими коэффициентами Фурье по следующим формулам:

  • Комплексная функция вещественной переменной раскладывается в такой же ряд Фурье по мнимым экспонентам, как и вещественная, но, в отличие от последней, для её разложения и не будут, вообще говоря, комплексно сопряженными.

Обобщения Ряды Фурье в гильбертовом пространстве

Описанную выше конструкцию можно обобщить со случая пространства L2[ − π,π] с тригонометрической системой на произвольное гильбертово пространство. Пусть даны ортогональная система {φ12,...,φn,...} в гильбертовом пространстве R и f — произвольный элемент из R. Предположим, мы хотим представить f в виде (бесконечной) линейной комбинации элементов {φk}:

Домножим это выражение на φk. С учётом ортогональности системы функций {φk} все слагаемые ряда обращаются в ноль, кроме слагаемого при n = k:

(fk) = ck | | φk | | 2

Последовательность чисел

называется координатами, или коэффициентами Фурье элемента f по системе {φk}, а ряд

ckφk

k

называется рядом Фурье элемента f по ортогональной системе {φk}.

Ряд Фурье любого элемента f по любой ортогональной системе сходится в пространстве R, но его сумма не обязательно равна f. Для ортонормированной системы φk в сепарабельном гильбертовом пространстве следующие условия эквивалентны:

  • система является базисом, то есть сумма ряда Фурье любого элемента равна этому элементу.

  • система является полной, то есть в R не существует ненулевого элемента, ортогонального всем элементам φ12,...,φn,... одновременно.

  • система является замкнутой, то есть для любого выполнено равенство Парсеваля

.

  • линейные комбинации элементов φ12,...,φn,... плотны в пространстве R.

Если эти условия не выполняются, то сумма ряда Фурье элемента f равна его ортогональной проекции на замыкание линейной оболочки элементов φ12,...,φn,.... В этом случае вместо равенства Парсеваля справедливо неравенство Бесселя:

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]