Temat Szereg Fouriera wzbudził duże zainteresowanie w dzisiejszym społeczeństwie. Jest to problem, który dotyka nas wszystkich w taki czy inny sposób, bezpośrednio lub pośrednio. Bez wątpienia jest to temat budzący sprzeczne opinie i będący przedmiotem licznych debat. W tym artykule szczegółowo przeanalizujemy Szereg Fouriera i jego konsekwencje w naszym codziennym życiu. Przyjrzymy się różnym perspektywom i będziemy starali się lepiej zrozumieć tę kwestię, która tak bardzo nas niepokoi.
Ten artykuł wymaga uzupełnienia informacji.
Artykuł należy uzupełnić o istotne informacje: artykuł wymaga uzupełnienia o szeregi Fouriera w przestrzeniach Hilberta. Dokładniejsze informacje o tym, co należy poprawić, być może znajdują się w dyskusji tego artykułu. Po wyeliminowaniu niedoskonałości należy usunąć szablon {{Dopracować}} z tego artykułu.
Trygonometrycznym szeregiem Fouriera funkcji nazywamy szereg funkcyjny następującej postaci:
(1.1)
o współczynnikach określonych następującymi wzorami:
(1.2)
(1.3)
Powyższe wzory po raz pierwszy ujrzały światło dzienne w pracach Jeana-Baptiste Josepha Fouriera. Niemniej jednak po raz pierwszy wyprowadził je Leonhard Euler (prac na ten temat nie opublikował). Z tego względu wzory te noszą nazwę wzorów Eulera-Fouriera.
W fizyce i technice często spotykane jest następujące oznaczenie ( oznacza okres funkcji) nosi nazwę pulsacji lub częstości kołowej. Przy zastosowaniu takiego oznaczenia powyższe wzory przyjmują postać:
(1.1a)
(1.2a)
(1.3a)
Własności
Poniższe twierdzenia dot. rozwijalności funkcji w szereg Fouriera. W dalszym ciągu zakładamy, że okres funkcji wynosi 2T.
więc mamy (biorąc cześć rzeczywistą i stosując podstawowe wzory trygonometryczne):
q. e. d.
Lemat III
Jeżeli jest funkcją ciągłą w przedziale z wyjątkiem co najwyżej skończonej ilości punktów i bezwzględnie całkowalną w tym przedziale to
Twierdzenie (Eulera–Fouriera)
Jeżeli szereg o postaci (1.1) jest jednostajnie zbieżny do funkcji to współczynniki wyrażają się wzorami (1.2), (1.3).
Dowód
Mnożąc powyższą równość przez całkując szereg w granicach od do (uwzględniając zbieżność jednostajną szeregu stosujemy twierdzenie o całkowaniu szeregu wyraz po wyrazie) otrzymujemy:
Na mocy lematu I zerują się wszystkie całki po prawej stronie takie że (gdy zeruje się cała suma uogólniona). W związku z tym mamy:
Dowód wzoru (1.3) przebiega analogicznie (tym razem mnożymy przez )
Twierdzenie (o rozwijalności funkcji w szereg Fouriera)
Jeżeli funkcja f(x) jest różniczkowalna w punkcie to jej szereg Fouriera jest zbieżny do wartości funkcji w tym punkcie. Innymi słowy: w punktach różniczkowalności funkcję da się rozwinąć w szereg Fouriera.
Dowód
Niech będzie punktem, w którym funkcja f(x) jest różniczkowalna; mamy:
Suma cząstkowa szeregu Fouriera przedstawia się w następujący sposób:
Stosując do tego wyrażenia lemat II, otrzymujemy następujący wzór:
Funkcja podcałkowa w powyższym wzorze jest funkcją o okresie 2T, możemy więc dokonać przesunięcia w dziedzinie i otrzymujemy:
Funkcja tożsamościowo równa 1 na całym zbiorze liczb rzeczywistych jest rozwijalna w szereg Fouriera w każdym punkcie, kładąc mamy:
Mnożąc powyższą równość przez i odejmując obustronnie od równania przedstawiającego sumę cząstkową szeregu, otrzymujemy:
(2)
Rozważmy następującą granicę:
przy obliczaniu której korzystamy z różniczkowalności funkcji f(x) w punkcie
Możemy określić następującą funkcję:
Mając na uwadze fakt, iż zmiana skończonej ilości wartości funkcji podcałkowej nie wpływa na wartość całki, wzór (2) możemy zapisać w postaci:
Funkcja podcałkowa spełnia założenia lematu Riemanna, tak więc: