Math Wiki
Advertisement

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 o funcție continuă pe porţiuni. Seria Fourier a lui f este, prin definiţie, seria de funcţii:

în care coeficienţii Fourier sunt calculaţi cu formulele:


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 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 ]. Suma parţială de ordinul n, a seriei Fourier a unei funcţii continue pe porţiuni şi prelungită prin periodicitate la poate fi reprezentată sub forma:


Demonstraţie. Considerăm suma parţială a seriei Fourier a funcţiei f:

În virtutea definiţiei coeficienţilor Fourier putem scrie:

Introducând şi sub semnul de integrală şi folosind identitatea trigonometrică:

obţinem:

Aplicând identitatea:

şi introducând devine:

Integrandul este o funcţie de u, periodică de perioadă şi prin urmare:


Lema 2. Dacă este o funcție continuă pe porţiuni atunci sunt adevărate următoarele egalităţi:

a)
b) dacă

unde şi sunt coeficienţii Fourier ai funcţiei f.


Demonstraţie. Se consideră identitatea:

Prin calcul se arată că avem:

Ţinând seama de acestă egalitate din urmă, identitatea considerată devine:

De aici se deduce inegalitatea:

valabilă pentru orice n şi cunoscută sub denumirea de inegalitatea lui Bessel.

Din inegalitatea lui Bessel rezultă că seria numerică:

este convergentă şi, prin urmare, şi

Remarcăm aici faptul că dacă:

atunci are loc egalitatea:

numită egalitatea lui Parseval.

Convergenţa:

se numeşte convergenţa în medie de sume parţiale la funcţia

Acum să arătăm că pentru avem:

Remarcăm la început că pentru avem:

Fie o partiţie a segmentului şi descompunerea corespunzătoare a integralei:

Notăm:

şi reprezentăm integrala în forma următoare:

Pentru unde avem:

şi

De aici rezultă:

Pentru alegem partiţia astfel încât:

Acest lucru este posibil pentru că funcţia f este continuă pe porţiuni şi este integrabilă. Acum putem lua unde şi pentru asemenea valori ale lui n obţinem inegalitatea:


Teoremă (Fourier). Fie 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 este un punct de continuitate a lui f atunci:
b) dacă este un punct de discontinuitate a lui f atunci:

Demonstraţie. Facem demonstraţia în cazul în care f nu este continuă într-un punct Considerăm:

şi

Conform lemei 1, avem:

Avem de asemenea:

şi, prin urmare:

Integranzii sunt bine definiţi peste tot, cu excepţia lui unde trebuie făcută o analiză. Primul integrand poate fi scris sub forma:

unde

Pentru cel de-al doilea factor tinde la 1 şi produsul tinde la Astfel dacă punem integrandul este bine definit în

În mod similar avem:

are limita şi dacă punem cel de-al doilea integrand este bine definit.

Prin urmare avem:

şi aplicând lema 2, concluzionăm că:

Se arată uşor că dacă f este continuă în atunci:

Diferite forme ale seriei Fourier[]

Teoremă. [schimbarea originii intervalului fundamental ] Dacă este o funcție continuă pe porţiuni şi este prelungită pe prin periodicitate, atunci pentru orice coeficienţii Fourier ai lui f verifică relaţiile:

şi

în orice punct de continuitate


Demonstraţie. Funcţiile sunt periodice de perioadă Rezultă că integralele lor sunt aceleaşi pe orice interval de lungime Se obţin în acest fel egalităţile:


Pentru egalitatea:

considerăm șirul Există astfel încât şi pentru avem:

precum şi:

QED.


Observaţie. În condiţiile teoremei 1, dacă x este un punct de discontinuitate a prelungirii lui f prin periodicitate, atunci are loc:

Această egalitate se demonstrează asemănător cu egalitatea din teorema 1.


Teorema 2. [schimbarea lungimii intervalului] Dacă este o funcție continuă pe porţiuni, atunci pentru orice are loc:

dacă f este continuă în x.

dacă f nu este continuă în x, unde:


Demonstraţie.



Serie Fourier 8 Serie Fourier 9 Serie Fourier 10

Vezi şi[]

Resurse[]

Advertisement