.
Далі, перший доданок у (3.14) вправій частині у міру росту прямує до нуля. В цьому легко переконатися,
.
Таким
чином, у граничному переході, при , формула (3.14)
перетворюється в наступну:
(3.15)
Ця формула називається інтегральною формулою Фур'є, а інтеграл, що стоїть в ній - інтегралом Фур'є. Представлення функції у виді правої частини формули (3.15) звичайно називається розвиненням цієї функції в інтеграл Фур'є.
Ясно,
що все тільки що сказане тут стосувалося тільки тих точок , у яких функція
неперервна.
Для точок розриву
справедлива, як і у випадку
рядів Фур'є, інтегральна формула, що описує напівсуму меж функції праворуч і
ліворуч:
(3.16)
Отже, ми приходимо до формулювання наступної теореми.
Теорема Фур'є. Якщо функція на нескінченному проміжку
є обмеженої й інтегровна абсолютно, а в
кожнім кінцевому проміжку задовольняє умовам Діріхле, то для кожного
має місце рівність (3.15), якщо
є точка неперервності функції
, і рівність (3.16), якщо
є точка розриву цієї функції.
Зауважимо, що у формулі (3.15) внутрішній інтеграл являє собою деяку функцію від a. Тому що ця функція залежить не від самої змінної a, а від її косинуса, вона повинна бути парної. Тому ми можемо формулу (3.15) переписати в наступному виді:
(3.17)
Ми привели правдоподібні міркування на користь справедливості теореми Фур'є, що, зрозуміло, не можна вважати її доказом. Доказ теореми Фур'є досить складний і виходить за межі нашого курсу.
П.6. Нехай
якщо
. Графік функції
зображений
на рис..3.4.
Очевидно, що при будь-якому і
.
Отже,
функція в проміжку
є
обмежена й інтегровна абсолютно. Крім того, функція
монотонно
спадає, і тому функція
Рис. 3.4. тривіальним образом задовольняє умовам Дирихле.
Зі сказаного випливає, що, відповідно до теореми Фур'є,
функція розвивається в інтеграл Фур'є. Випишемо це
розвинення в явному виді (тобто без внутрішнього інтеграла, що знаходиться в
правій частині цієї формули). Ми маємо в розглянутому випадку
,
чи, роблячи двічі інтегрування частинами,
Звідси випливає, що
. Значить, розвинення функції
в інтеграл Фур’є в
цьому випадку має вид:
.
Зауважимо,
насамперед, що при кожнім a , так що
. Отже, якщо функція
абсолютно інтегровна на нескінченному
проміжку
, то невластивий інтеграл
(3.18)
існує. У силу аналогічних причин існує при кожнім a і невласний інтеграл
(3.19)
Згадуючи,
що , перепишемо формулу (3.15) у наступному
виді:
(3.20)
Припустимо
тепер, що функція парна. Тоді парними повинні бути
усі функції виду
і непарними – усі функції виду
. Отже, у цьому випадку всі невластиві
інтеграли (3.19) дорівнюють нулеві, а для кожного з невластивих інтегралів
(3.18) ми можемо написати
.
Таким
чином, у випадку парної функції формула (3.20) може
бути переписана як
(3.21)
П.7. Розвинути в
інтеграл Фур'є парну функцію
, де
. Графік функції
див.
на рис. 3.5.
Те,
що функція обмежена, абсолютно інтегровна в
нескінченному проміжку і задовольняє умовам Діріхле в будь-якому
Рис.3.5. кінцевому сегменті, легко перевіряється.
Отже,
розвинення функції в інтеграл Фур'є існує. Для його знаходження обчислимо .
Таким
чином, шуканим розвиненням є .
Ця
формула справедлива для всіх значень , за
винятком
. У цих двох точках розриву функції
інтеграл Фур'є приймає значення, рівне
.
Якщо функція непарна, то непарної ж буде і функція
і парної – функція
.
Тому при непарній функції
в нуль обертається при
будь-якім значенні a інтеграл (3.18), а для інтеграла виду (3.19) справедливо
. Отже, у випадку непарної функції
формула (3.20) приймає вид:
(3.22)
П.8. Розкласти в інтеграл Фур'є непарну функцію , для
якої
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.