§ 6. Сходимость тригонометрического ряда Фурье. Теорема Дирихле

Функция называется кусочно-монотонной на промежутке, если этот промежуток можно разделить на конечное число частей, на каждой из которых функция монотонна.

Если функция кусочно-непрерывна и кусочно-монотонна на промежутке , то говорят, что на этом промежутке она удовлетворяет условиям Дирихле. Для таких функций справедлива принимаемая нами без доказательства следующая теорема.

Теорема Дирихле. Если функция удовлетворяет условиям Дирихле на промежутке–L, L, то ее ряд Фурье (5.2) сходится во всех точках этого промежутка. При этом во внутренних точках промежутка сумма ряда Фурье , если в точкех функция непрерывна; в точках разрыва ; на концах промежутка, где– односторонние пределы в точкеа.

Если доопределить (или переопределить) функцию , полагаяв точках разрыва иf (–L) = =на концах промежутка, то в соответствии с теоремой Дирихле

, (6.1)

где коэффициенты по-прежнему определяются формулами (5.3).

Соотношение (6.1) обычно называется разложением функции в тригонометрический ряд Фурье. Члены ряда (6.1)

(6.2)

называются гармониками. Введем в рассмотрение величины и, связанные с коэффициентами Фурьеисоотношениямии. Тогда гармоника (6.2) запишется в виде, где– амплитуда гармоники;– ее частота;– начальная фаза. Множество частотобразует дискретный частотный спектр функциина промежутке–L, L. Формула (6.1) примет вид

, (6.3)

т.е. функция, удовлетворяющая условиям Дирихле, представляет собой результат сложения бесконечного числа гармоник. При этом амплитуды и начальные фазы слагаемых гармоник зависят от разлагаемой функции, а частотный спектр одинаков для всех функций, заданных на одном и том же промежутке.

Из равенства Парсеваля (5.4) следует

, (6.4)

где .

Таким образом, сумма квадратов амплитуд гармоник равна удвоенному среднему значению квадрата функции на промежутке–L, L. Соотношение (6.4) часто называют энергетическим равенством.

В силу периодичности гармоник из сходимости ряда (6.3) на промежутке –L, L следует его сходимость всюду, т.е. на всей числовой оси. Суммой этого ряда, очевидно, будет 2L-периодическая функция , которая на промежутке–L, L совпадает с заданной функцией . Функция, определенная указанным образом, называется периодическим продолжением.

Теорема Дирихле (другая формулировка). Если функция удовлетворяет условиям Дирихле на промежутке–L, L, то тригонометрический ряд Фурье (6.1) сходится всюду к ее периодическому продолжению.

Замечание. Если функция , заданная для всех,является 2L-периодической, то ее периодическое продолжение совпадает с самой функцией, и, следовательно, ряд Фурье (6.1) представляет функцию на всей числовой оси. В этом случае можно

получить другие, иногда более удобные по сравнению с (5.3), формулы для коэффициентов Фурье:

, (6.5)

где с – любое число.

Вместо того, чтобы устанавливать справедливость формул (6.5), докажем более общее утверждение: если функция имеет период Т, то интеграл не зависит ота. Действительно,

Выполнив в среднем интеграле замену переменной и воспользовавшись периодичностью подынтегральной функции, получим

Последний интеграл не зависит от а, что, собственно, и требовалось доказать.

Таким образом, интегралы в (6.5) не зависят от с. Полагая в этих формулах , убеждаемся в тождественности выражений (5.3) и (6.5).

Если функция не является периодической, то в формулах (6.5) в подынтегральные выражения вместо функции должно входить ее периодическое продолжение .

Упражнение. Доказать, что гармоники (6.2) являются периодическими функциями с периодом 2L, т.е. .