Pentru ca o funcție f să fie dezvoltabilă în serie Taylor este necesar ca f să fie indefinit derivabilă .
Această restricţie este severă.
Chiar dacă se foloseşte formula Taylor cu rest pentru reprezentarea funcţiei, funcţia trebuie să fie derivabilă de un număr finit de ori.
Această din urmă condiţie implică continuitatea funcţiei.
Multe funcţii însă, care descriu fenomene fizice importante, nu sunt continue şi nu pot fi reprezentate nici cu formula Taylor.
De exemplu, funcţia care descrie evoluţia în timp a tensiunii într-un circuit electric în care apar comutări de contacte, nu este continuă.
Seriile Fourier oferă posibilitatea de reprezentare a funcţiilor continue şi continue pe porţiuni.
Aceasta întrucât pentru a construi seria Fourier, funcţia trebuie să fie doar integrabilă Riemann-Darboux.
Definiţie .
Fie
f
:
[
−
π
,
π
]
→
R
{\displaystyle f:[-\pi ,\pi ]\rightarrow \mathbb {R} \!}
o funcție continuă pe porţiuni.
Seria Fourier a lui f este, prin definiţie, seria de funcţii :
f
(
x
)
∼
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
x
+
b
n
⋅
sin
n
x
)
.
{\displaystyle f(x)\sim {\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos nx+b_{n}\cdot \sin nx).\!}
în care coeficienţii Fourier
a
n
,
b
n
{\displaystyle a_{n},b_{n}\!}
sunt calculaţi cu formulele:
a
n
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
⋅
cos
n
x
d
x
n
=
0
,
1
,
2
,
⋯
{\displaystyle a_{n}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\cdot \cos nx\;dx\;\;n=0,1,2,\cdots \!}
a
n
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
⋅
sin
n
x
d
x
n
=
0
,
1
,
2
,
⋯
{\displaystyle a_{n}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\cdot \sin nx\;dx\;\;n=0,1,2,\cdots \!}
Observaţie .
În mod tradiţional, până când problema convergenţei seriei Fourier nu este tranşată, relaţia dintre funcţia f şi seria Fourier a lui f se notează cu semnul
∼
{\displaystyle \sim \!}
în loc de egalitate.
Rezultatul fundamental care va fi stabilit în această secţiune se referă la convergenţa seriei Fourier a unei funcţii continue pe porţiuni şi la suma seriei.
Acest rezultat se bazează pe două leme ce vor fi prezentate ulterior.
Lema 1 . [de reprezentare integrală a sumei parţiale
S
n
(
x
)
{\displaystyle S_{n}(x)\!}
].
Suma parţială de ordinul n ,
S
n
(
x
)
,
{\displaystyle S_{n}(x),\!}
a seriei Fourier a unei funcţii
f
:
[
−
π
,
π
]
→
R
{\displaystyle f:[-\pi ,\pi ]\rightarrow \mathbb {R} \!}
continue pe porţiuni şi prelungită prin periodicitate la
R
{\displaystyle \mathbb R \!}
poate fi reprezentată sub forma:
S
n
(
x
)
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
−
u
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
,
x
∈
R
.
{\displaystyle S_{n}(x)={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x-u)\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du,\;\;x\in \mathbb {R} .\!}
Demonstraţie .
Considerăm suma parţială
S
n
(
x
)
{\displaystyle S_{n}(x)\!}
a seriei Fourier a funcţiei f :
S
n
(
x
)
=
a
0
2
+
∑
k
=
1
n
(
a
k
⋅
cos
k
x
+
b
k
⋅
sin
k
x
)
.
{\displaystyle S_{n}(x)={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{k=1}^{n}(a_{k}\cdot \cos kx+b_{k}\cdot \sin kx).\!}
În virtutea definiţiei coeficienţilor Fourier
a
k
,
b
k
,
{\displaystyle a_{k},b_{k},\!}
putem scrie:
S
n
(
x
)
=
1
2
π
∫
−
π
π
f
(
t
)
d
t
+
1
π
∑
k
=
1
n
[
cos
k
x
∫
−
π
π
cos
k
t
d
t
+
sin
k
x
∫
−
π
π
f
(
t
)
sin
k
t
d
t
]
{\displaystyle S_{n}(x)={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(t)dt+{\frac {1}{\pi }}\sum _{k=1}^{n}\left[\cos kx\int _{-\pi }^{\pi }\cos ktdt+\sin kx\int _{-\pi }^{\pi }f(t)\sin ktdt\right]\!}
Introducând
cos
k
x
{\displaystyle \cos kx\!}
şi
sin
k
x
{\displaystyle \sin kx\!}
sub semnul de integrală şi folosind identitatea trigonometrică:
cos
k
(
x
−
t
)
=
cos
k
x
⋅
cos
k
t
+
sin
k
x
⋅
sin
k
t
,
{\displaystyle \cos k(x-t)=\cos kx\cdot \cos kt+\sin kx\cdot \sin kt,\!}
obţinem:
S
n
(
x
)
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
t
)
1
2
+
∑
k
=
1
n
cos
k
(
x
−
t
)
d
t
.
{\displaystyle S_{n}(x)={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(t){\frac {1}{2}}+\sum _{k=1}^{n}\cos k(x-t)dt.\!}
Aplicând identitatea:
1
2
+
∑
k
=
1
n
cos
k
(
x
−
t
)
=
sin
(
n
+
1
2
)
(
x
−
t
)
2
sin
1
2
(
x
−
t
)
.
{\displaystyle {\frac {1}{2}}+\sum _{k=1}^{n}\cos k(x-t)={\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})(x-t)}{2\sin {\frac {1}{2}}(x-t)}}.\!}
şi introducând
u
=
x
−
t
,
S
n
(
x
)
{\displaystyle u=x-t,\;\;S_{n}(x)\!}
devine:
S
n
(
x
)
=
1
π
∫
x
−
π
x
+
π
f
(
x
−
u
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
.
{\displaystyle S_{n}(x)={\frac {1}{\pi }}\int _{x-\pi }^{x+\pi }f(x-u)\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du.\!}
Integrandul este o funcţie de u , periodică de perioadă
2
π
{\displaystyle 2 \pi \!}
şi prin urmare:
S
n
(
x
)
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
−
u
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
.
{\displaystyle S_{n}(x)={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x-u)\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du.\!}
Lema 2 .
Dacă
f
:
[
−
π
,
π
]
→
R
{\displaystyle f:[-\pi ,\pi ]\rightarrow \mathbb {R} \!}
este o funcție continuă pe porţiuni atunci sunt adevărate următoarele egalităţi:
a)
lim
n
→
∞
a
n
=
lim
n
→
∞
b
n
=
0.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }a_{n}=\lim _{n\to \infty }b_{n}=0.\!}
b)
lim
n
→
∞
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
=
0
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx=0\!}
dacă
−
π
≤
a
<
b
≤
π
{\displaystyle -\pi \leq a<b\leq \pi \!}
unde
a
n
{\displaystyle a_n \!}
şi
b
n
{\displaystyle b_n\!}
sunt coeficienţii Fourier ai funcţiei f .
Demonstraţie .
Se consideră identitatea:
∫
−
π
π
|
f
(
x
)
−
S
n
(
x
)
|
2
d
x
=
∫
−
π
π
f
2
(
x
)
d
x
−
2
∫
−
π
π
f
(
x
)
S
n
(
x
)
d
x
+
∫
−
π
π
|
S
n
(
x
)
|
2
d
x
{\displaystyle \int _{-\pi }^{\pi }|f(x)-S_{n}(x)|^{2}dx=\int _{-\pi }^{\pi }f^{2}(x)dx-2\int _{-\pi }^{\pi }f(x)S_{n}(x)dx+\int _{-\pi }^{\pi }|S_{n}(x)|^{2}dx\!}
Prin calcul se arată că avem:
∫
−
π
π
|
S
n
(
x
)
|
2
d
x
=
∫
−
π
π
f
(
x
)
S
n
(
x
)
d
x
=
π
[
a
0
2
2
+
∑
k
=
1
n
(
a
k
2
+
b
k
2
)
]
{\displaystyle \int _{-\pi }^{\pi }|S_{n}(x)|^{2}dx=\int _{-\pi }^{\pi }f(x)S_{n}(x)dx=\pi \left[{\frac {a_{0}^{2}}{2}}+\sum _{k=1}^{n}(a_{k}^{2}+b_{k}^{2})\right]\!}
Ţinând seama de acestă egalitate din urmă, identitatea considerată devine:
∫
−
π
π
|
f
(
x
)
−
S
n
(
x
)
|
2
d
x
=
∫
−
π
π
|
f
(
x
)
|
2
d
x
−
π
[
a
0
2
2
+
∑
k
=
1
n
(
a
k
2
+
b
k
2
)
]
.
{\displaystyle \int _{-\pi }^{\pi }|f(x)-S_{n}(x)|^{2}dx=\int _{-\pi }^{\pi }|f(x)|^{2}dx-\pi \left[{\frac {a_{0}^{2}}{2}}+\sum _{k=1}^{n}(a_{k}^{2}+b_{k}^{2})\right].\!}
De aici se deduce inegalitatea:
a
0
2
2
+
∑
k
=
1
n
(
a
k
2
+
b
k
2
)
≤
1
π
∫
−
π
π
f
2
(
x
)
d
x
{\displaystyle {\frac {a_{0}^{2}}{2}}+\sum _{k=1}^{n}(a_{k}^{2}+b_{k}^{2})\leq {\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f^{2}(x)dx\!}
valabilă pentru orice n şi cunoscută sub denumirea de inegalitatea lui Bessel .
Din inegalitatea lui Bessel rezultă că seria numerică:
a
0
2
2
+
∑
k
=
1
∞
(
a
k
2
+
b
k
2
)
{\displaystyle {\frac {a_{0}^{2}}{2}}+\sum _{k=1}^{\infty }(a_{k}^{2}+b_{k}^{2})\!}
este convergentă şi, prin urmare,
a
k
⟶
k
→
∞
0
{\displaystyle a_{k}{\underset {k\to \infty }{\longrightarrow }}0\!}
şi
b
k
⟶
k
→
∞
0.
{\displaystyle b_{k}{\underset {k\to \infty }{\longrightarrow }}0.\!}
Remarcăm aici faptul că dacă:
lim
n
→
∞
∫
−
π
π
|
f
(
x
)
−
S
n
(
x
)
|
2
d
x
=
0.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\int _{-\pi }^{\pi }|f(x)-S_{n}(x)|^{2}dx=0.\!}
atunci are loc egalitatea:
a
0
2
2
+
∑
k
=
1
∞
(
a
n
2
+
b
n
2
)
=
1
π
∫
−
π
π
f
2
(
x
)
d
x
{\displaystyle {\frac {a_{0}^{2}}{2}}+\sum _{k=1}^{\infty }(a_{n}^{2}+b_{n}^{2})={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f^{2}(x)dx\!}
numită egalitatea lui Parseval .
Convergenţa:
lim
n
→
∞
|
f
(
x
)
−
S
n
(
x
)
|
2
d
x
=
0
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }|f(x)-S_{n}(x)|^{2}dx=0\!}
se numeşte convergenţa în medie de sume parţiale
S
n
(
x
)
{\displaystyle S_{n}(x)\!}
la funcţia
f
(
x
)
.
{\displaystyle f(x).\!}
Acum să arătăm că pentru
a
<
b
,
a
,
b
∈
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle a<b,\;a,b\in [-\pi ,\pi ]\!}
avem:
lim
n
→
∞
∫
a
b
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
=
0.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }\int _{a}^{b}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx=0.\!}
Remarcăm la început că pentru
α
<
β
{\displaystyle \alpha <\beta \!}
avem:
|
∫
α
β
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
|
=
|
cos
(
n
+
1
2
)
α
−
cos
(
n
+
1
2
)
β
n
+
1
2
|
≤
2
n
+
1
2
{\displaystyle \left|\int _{\alpha }^{\beta }\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx\right|=\left|{\frac {\cos(n+{\frac {1}{2}})\alpha -\cos(n+{\frac {1}{2}})\beta }{n+{\frac {1}{2}}}}\right|\leq {\frac {2}{n+{\frac {1}{2}}}}\!}
Fie
a
=
x
0
<
x
1
<
⋯
<
x
P
=
b
{\displaystyle a=x_{0}<x_{1}<\cdots <x_{P}=b\!}
o partiţie a segmentului
[
a
,
b
]
{\displaystyle [a, b] \!}
şi descompunerea corespunzătoare a integralei:
∫
a
b
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
=
∑
i
=
0
p
−
1
∫
x
i
x
i
+
1
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx=\sum _{i=0}^{p-1}\int _{x_{i}}^{x_{i+1}}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx\!}
Notăm:
m
i
=
i
n
f
{
f
(
x
)
|
x
∈
[
x
i
,
x
i
+
1
]
}
{\displaystyle m_{i}=inf\{f(x)\;|\;x\in [x_{i},x_{i+1}]\}\!}
şi reprezentăm integrala
∫
a
b
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx\!}
în forma următoare:
∫
a
b
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
=
∑
i
=
0
p
−
1
∫
x
i
x
i
+
1
[
f
(
x
)
−
m
i
]
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
+
∑
i
=
0
p
−
1
∫
x
i
x
i
+
1
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
{\displaystyle \int _{a}^{b}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx=\sum _{i=0}^{p-1}\int _{x_{i}}^{x_{i+1}}[f(x)-m_{i}]\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx+\sum _{i=0}^{p-1}\int _{x_{i}}^{x_{i+1}}\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx\!}
Pentru
ω
i
=
M
i
−
m
i
,
{\displaystyle \omega _{i}=M_{i}-m_{i},\!}
unde
M
i
=
s
u
p
{
f
(
x
)
|
x
∈
[
x
i
,
x
i
+
1
]
}
,
{\displaystyle M_{i}=sup\{f(x)\;|\;x\in [x_{i},x_{i+1}]\},\!}
avem:
f
(
x
)
−
m
i
≤
M
i
−
m
i
=
ω
i
∀
x
∈
[
x
i
,
x
i
+
1
]
{\displaystyle f(x)-m_{i}\leq M_{i}-m_{i}=\omega _{i}\;\;\forall x\in [x_{i},x_{i+1}]\!}
şi
i
=
0
,
1
,
⋯
,
p
−
1.
{\displaystyle i=0,1,\cdots ,p-1.\!}
De aici rezultă:
|
∫
a
b
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
)
x
d
x
|
≤
∑
i
=
0
p
−
1
ω
i
Δ
x
i
+
2
n
+
1
2
∑
i
=
0
p
−
1
|
m
i
|
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}})x\;dx\right|\leq \sum _{i=0}^{p-1}\omega _{i}\Delta x_{i}+{\frac {2}{n+{\frac {1}{2}}}}\sum _{i=0}^{p-1}|m_{i}|\!}
Pentru
ε
>
0
{\displaystyle \varepsilon >0 \!}
alegem partiţia astfel încât:
∑
i
=
0
p
−
1
ω
i
Δ
x
i
<
ε
2
{\displaystyle \sum _{i=0}^{p-1}\omega _{i}\Delta x_{i}<{\frac {\varepsilon }{2}}\!}
Acest lucru este posibil pentru că funcţia f este continuă pe porţiuni şi este integrabilă.
Acum putem lua
n
>
4
ε
M
(
b
−
a
)
,
{\displaystyle n>{\frac {4}{\varepsilon }}M(b-a),\!}
unde
M
=
s
u
p
{
f
(
x
)
|
x
∈
[
a
,
b
]
}
{\displaystyle M=sup\{f(x)\;|\;x\in [a,b]\}\!}
şi pentru asemenea valori ale lui n obţinem inegalitatea:
|
∫
a
b
f
(
x
)
sin
(
n
+
1
2
x
d
x
)
|
≤
ε
∀
ε
>
0.
{\displaystyle \left|\int _{a}^{b}f(x)\sin(n+{\frac {1}{2}}x\;dx)\right|\leq \varepsilon \;\;\forall \varepsilon >0.\!}
Teoremă (Fourier ).
Fie
f
:
[
−
π
,
π
]
→
R
{\displaystyle f:[-\pi ,\pi ]\rightarrow \mathbb {R} \!}
o funcţie continuă pe porţiuni care prelungeşte prin periodicitate la toată axa reală .
Dacă f are derivate laterale finite în punctele ei de discontinuitate atunci următoarele afirmaţii sunt adevărate:
a) dacă
x
0
{\displaystyle x_0 \!}
este un punct de continuitate a lui f atunci:
lim
n
→
∞
S
n
(
x
0
)
=
f
(
x
0
)
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }S_{n}(x_{0})=f(x_{0}).\!}
b) dacă
x
0
{\displaystyle x_0 \!}
este un punct de discontinuitate a lui f atunci:
lim
n
→
∞
S
n
(
x
0
)
=
1
2
[
f
(
x
0
+
)
+
f
(
x
0
−
)
]
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }S_{n}(x_{0})={\frac {1}{2}}[f(x_{0}^{+})+f(x_{0}^{-})]\!}
Demonstraţie .
Facem demonstraţia în cazul în care f nu este continuă într-un punct
x
0
.
{\displaystyle x_0. \!}
Considerăm:
f
(
x
0
−
)
=
lim
x
→
x
0
−
f
(
x
)
{\displaystyle f(x_{0}^{-})=\lim _{x\to x_{0}^{-}}f(x)\!}
şi
f
(
x
0
+
)
=
lim
x
→
x
0
+
f
(
x
)
{\displaystyle f(x_{0}^{+})=\lim _{x\to x_{0}^{+}}f(x)\!}
Conform lemei 1, avem:
S
n
(
x
0
)
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
0
−
u
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
{\displaystyle S_{n}(x_{0})={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x_{0}-u)\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du\!}
Avem de asemenea:
1
2
⋅
f
(
x
0
+
)
=
1
π
∫
−
π
0
f
(
x
0
+
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\cdot f(x_{0}^{+})={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{0}f(x_{0}^{+})\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du\!}
1
2
⋅
f
(
x
0
−
)
=
1
π
∫
0
π
f
(
x
0
−
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
{\displaystyle {\frac {1}{2}}\cdot f(x_{0}^{-})={\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{\pi }f(x_{0}^{-})\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du\!}
şi, prin urmare:
S
n
(
x
0
)
−
1
2
[
f
(
x
0
+
)
+
f
(
x
0
−
)
]
=
1
π
∫
−
π
0
[
f
(
x
0
−
u
)
−
f
(
x
0
+
)
]
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
+
{\displaystyle S_{n}(x_{0})-{\frac {1}{2}}[f(x_{0}^{+})+f(x_{0}^{-})]={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{0}[f(x_{0}-u)-f(x_{0}^{+})]\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du+\!}
+
1
π
∫
0
π
[
f
(
x
0
−
u
)
−
f
(
x
0
−
)
]
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
2
sin
1
2
u
d
u
{\displaystyle +{\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{\pi }[f(x_{0}-u)-f(x_{0}^{-})]\cdot {\frac {\sin(n+{\frac {1}{2}})u}{2\sin {\frac {1}{2}}u}}du\!}
Integranzii sunt bine definiţi peste tot, cu excepţia lui
u
=
0
{\displaystyle u=0\!}
unde trebuie făcută o analiză.
Primul integrand poate fi scris sub forma:
F
1
(
u
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
{\displaystyle F_{1}(u)\cdot \sin(n+{\frac {1}{2}})u\!}
unde
F
1
(
u
)
=
f
(
x
0
−
u
)
−
f
(
x
0
+
)
u
⋅
1
2
u
sin
1
2
u
{\displaystyle F_{1}(u)={\frac {f(x_{0}-u)-f(x_{0}^{+})}{u}}\cdot {\frac {{\frac {1}{2}}u}{\sin {\frac {1}{2}}u}}\!}
Pentru
u
→
0
−
,
{\displaystyle u\to 0^{-},\!}
cel de-al doilea factor tinde la 1 şi produsul tinde la
−
f
′
(
x
0
+
)
.
{\displaystyle -f'(x_{0}^{+}).\!}
Astfel dacă punem
F
1
(
0
)
=
−
f
′
(
x
0
+
)
{\displaystyle F_{1}(0)=-f'(x_{0}^{+})\!}
integrandul este bine definit în
u
=
0.
{\displaystyle u=0. \!}
În mod similar avem:
F
2
(
u
)
=
f
(
x
0
−
u
)
−
f
(
x
0
−
)
u
⋅
−
1
2
u
sin
1
2
u
{\displaystyle F_{2}(u)={\frac {f(x_{0}-u)-f(x_{0}^{-})}{u}}\cdot {\frac {-{\frac {1}{2}}u}{\sin {\frac {1}{2}}u}}\!}
are limita
+
f
′
(
x
0
−
)
{\displaystyle +f'(x_{0}^{-})\!}
şi dacă punem
F
2
(
0
)
=
+
f
′
(
x
0
−
)
{\displaystyle F_{2}(0)=+f'(x_{0}^{-})\!}
cel de-al doilea integrand este bine definit.
Prin urmare avem:
S
n
(
x
0
)
−
1
2
[
f
(
x
0
+
)
+
f
(
x
0
−
)
]
=
1
π
∫
−
π
0
F
1
(
u
)
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
d
u
+
1
π
∫
0
π
⋅
sin
(
n
+
1
2
)
u
d
u
.
{\displaystyle S_{n}(x_{0})-{\frac {1}{2}}[f(x_{0}^{+})+f(x_{0}^{-})]={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{0}F_{1}(u)\cdot \sin(n+{\frac {1}{2}})u\;du+{\frac {1}{\pi }}\int _{0}^{\pi }\cdot \sin(n+{\frac {1}{2}})u\;du.\!}
şi aplicând lema 2, concluzionăm că:
lim
n
→
∞
S
n
(
x
0
)
=
1
2
[
f
(
x
0
+
)
+
f
(
x
0
−
)
]
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }S_{n}(x_{0})={\frac {1}{2}}[f(x_{0}^{+})+f(x_{0}^{-})]\!}
Se arată uşor că dacă f este continuă în
x
0
{\displaystyle x_0 \!}
atunci:
lim
n
→
∞
S
n
(
x
0
)
=
f
(
x
0
)
.
{\displaystyle \lim _{n\to \infty }S_{n}(x_{0})=f(x_{0}).\!}
Diferite forme ale seriei Fourier [ ]
Teoremă . [schimbarea originii intervalului fundamental
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle [-\pi, \pi]\!}
]
Dacă
f
:
[
−
π
,
π
]
→
R
{\displaystyle f:[-\pi ,\pi ]\rightarrow \mathbb {R} \!}
este o funcție continuă pe porţiuni şi este prelungită pe
R
{\displaystyle \mathbb R \!}
prin periodicitate, atunci pentru orice
α
,
{\displaystyle \alpha, \!}
coeficienţii Fourier
a
n
,
b
n
{\displaystyle a_{n},b_{n}\!}
ai lui f verifică relaţiile:
a
n
=
1
π
∫
α
−
π
α
+
π
f
(
x
)
⋅
cos
n
x
d
x
n
=
0
,
1
,
2
,
⋯
{\displaystyle a_{n}={\frac {1}{\pi }}\int _{\alpha -\pi }^{\alpha +\pi }f(x)\cdot \cos nx\;dx\;\;\;n=0,1,2,\cdots \!}
b
n
=
1
π
∫
α
−
π
α
+
π
f
(
x
)
⋅
sin
n
x
d
x
n
=
0
,
1
,
2
,
⋯
{\displaystyle b_{n}={\frac {1}{\pi }}\int _{\alpha -\pi }^{\alpha +\pi }f(x)\cdot \sin nx\;dx\;\;\;n=0,1,2,\cdots \!}
şi
f
(
x
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
x
+
b
n
⋅
sin
n
x
)
{\displaystyle f(x)={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos nx+b_{n}\cdot \sin nx)\!}
în orice punct de continuitate
x
∈
[
α
−
π
,
α
+
π
]
.
{\displaystyle x\in [\alpha -\pi ,\alpha +\pi ].\!}
Demonstraţie .
Funcţiile
f
(
x
)
⋅
cos
n
x
,
f
(
x
)
⋅
sin
n
x
{\displaystyle f(x)\cdot \cos nx,\;f(x)\cdot \sin nx\!}
sunt periodice de perioadă
2
π
.
{\displaystyle 2 \pi. \!}
Rezultă că integralele lor sunt aceleaşi pe orice interval de lungime
2
π
.
{\displaystyle 2 \pi. \!}
Se obţin în acest fel egalităţile:
1
π
∫
α
−
π
α
+
π
f
(
x
)
⋅
cos
n
x
d
x
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
⋅
cos
n
x
d
x
=
a
n
{\displaystyle {\frac {1}{\pi }}\int _{\alpha -\pi }^{\alpha +\pi }f(x)\cdot \cos nxdx={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\cdot \cos nxdx=a_{n}\!}
1
π
∫
α
−
π
α
+
π
f
(
x
)
⋅
sin
n
x
d
x
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
⋅
sin
n
x
d
x
=
b
n
{\displaystyle {\frac {1}{\pi }}\int _{\alpha -\pi }^{\alpha +\pi }f(x)\cdot \sin nxdx={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\cdot \sin nxdx=b_{n}\!}
Pentru egalitatea:
f
(
x
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
x
+
b
n
⋅
sin
n
x
)
{\displaystyle f(x)={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos nx+b_{n}\cdot \sin nx)\!}
considerăm șirul
y
k
=
x
−
2
k
π
,
k
∈
Z
.
{\displaystyle y_{k}=x-2k\pi ,\;k\in \mathbb {Z} .\!}
Există
k
0
∈
Z
{\displaystyle k_{0}\in \mathbb {Z} \!}
astfel încât
y
k
0
∈
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle y_{k_{0}}\in [-\pi ,\pi ]\!}
şi pentru
k
0
{\displaystyle k_{0}\!}
avem:
f
(
y
k
0
)
=
f
(
x
−
2
k
0
π
)
=
f
(
x
)
,
{\displaystyle f(y_{k_{0}})=f(x-2k_{0}\pi )=f(x),\!}
precum şi:
f
(
y
k
0
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
y
k
0
+
b
n
⋅
sin
n
y
k
0
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
x
+
b
n
⋅
sin
n
x
)
.
{\displaystyle f(y_{k_{0}})={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos ny_{k_{0}}+b_{n}\cdot \sin ny_{k_{0}})={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos nx+b_{n}\cdot \sin nx).\!}
QED .
Observaţie .
În condiţiile teoremei 1, dacă x este un punct de discontinuitate a prelungirii lui f prin periodicitate, atunci are loc:
1
2
[
f
(
x
+
)
+
f
(
x
−
)
]
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
x
+
b
n
⋅
sin
n
x
)
.
{\displaystyle {\frac {1}{2}}[f(x^{+})+f(x^{-})]={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos nx+b_{n}\cdot \sin nx).\!}
Această egalitate se demonstrează asemănător cu egalitatea din teorema 1.
Teorema 2 .
[schimbarea lungimii intervalului ]
Dacă
f
:
[
−
L
,
L
]
→
R
{\displaystyle f:[-L,L]\rightarrow \mathbb {R} \!}
este o funcție continuă pe porţiuni, atunci pentru orice
x
∈
[
−
L
,
L
]
{\displaystyle x\in [-L,L]\!}
are loc:
f
(
x
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
π
x
L
+
b
n
⋅
sin
n
π
x
L
)
{\displaystyle f(x)={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos {\frac {n\pi x}{L}}+b_{n}\cdot \sin {\frac {n\pi x}{L}})\!}
dacă f este continuă în x .
1
2
[
f
(
x
+
)
+
f
(
x
−
)
]
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
(
a
n
⋅
cos
n
π
x
L
+
b
n
⋅
sin
n
π
x
L
)
{\displaystyle {\frac {1}{2}}[f(x^{+})+f(x^{-})]={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }(a_{n}\cdot \cos {\frac {n\pi x}{L}}+b_{n}\cdot \sin {\frac {n\pi x}{L}})\!}
dacă f nu este continuă în x , unde:
a
n
=
1
L
∫
−
L
L
f
(
x
)
⋅
cos
n
π
x
L
d
x
n
=
0
,
1
,
2
,
⋯
{\displaystyle a_{n}={\frac {1}{L}}\int _{-L}^{L}f(x)\cdot \cos {\frac {n\pi x}{L}}dx\;\;n=0,1,2,\cdots \!}
b
n
=
1
L
∫
−
L
L
f
(
x
)
⋅
sin
n
π
x
L
d
x
n
=
0
,
1
,
2
,
⋯
{\displaystyle b_{n}={\frac {1}{L}}\int _{-L}^{L}f(x)\cdot \sin {\frac {n\pi x}{L}}dx\;\;n=0,1,2,\cdots \!}
Demonstraţie .
Vezi şi [ ]
Resurse [ ]