Метка: тригонометрический ряд Фурье. Числовые ряды повышенной сложности Ряд с обратными тригонометрическими

Тригонометрические ряды Определение. Функция /(ж), определенная на неограниченном множестве D, называется периодической, если существует число Т Ф 0 такое, что для каждого ж.€ D выполняется условие. Наименьшее из таких чисел Т называется периодом функции f(x). Пример 1. Функция определенная на интервале является периодической, так как существует число Т = 2* ф О такое, что для всех х выполняется условие. Таким образом, функция sin х имеет период Т = 2ж. То же самое относится и к функции Пример 2. Функция определенная на множестве D чисел является периодической, так как существует число Т Ф 0, а именно, Т = такое, что для х 6 D имеем Определение. Функциональный ряд вида ао РЯДЫ ФУРЬЕ Тригонометрические ряды Ортогональность тригонометрической системы Тригонометрический ряд Фурье Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье называется тригонометрическим рядом, а постоянные а0, а„, Ьп (n = 1, 2,...) называются коэффициентами тригонометрического ряда (1). Частичные суммы 5п(ж) тригонометрического ряда (1) являются линейными комбинациями функций из системы функций которая называется тригонометрической системой. Так как членами этого ряда являются периодические функции с периодом 2л-, то в случае сходимости ряда (I) его сумма S(x) будет периодической функцией с периодом Т = 2тт: Определение. Разложить периодическую функцию f(x) с периодом Т = 2п в тригонометрический ряд (1) означает найти сходящийся тригонометрический ряд, сумма которого равна функции /(х). . Ортогональность тригонометрической системы Определение. Функции f(x) и д(х), непрерывные на отрезке [а, 6], называются ортогональными на этом отрезке, если выполнено условие Например, функции ортогональны на отрезке [-1,1], так как Определение. Конечная или бесконечная система функций, интегрируемых на отрезке [а, Ъ], называется ортогональной системой на отрезке [а, 6), если для любых номеров тип таких, что т Ф п, выполняется равенство Теорема 1. Тригонометрическая система ортогональна на отрезке При любом целом п Ф О имеем С помощью известных формул тригонометрии для любых натуральных m и n, m Ф n, находим: Наконец, в силу формулы для любых целых тип получаем Тригонометрический ряд Фурье Поставим себе задачей вычислить коэффициенты тригонометрического ряда (1), зная функцию Теорема 2. Пусть равенство имеет место для всех значений х, причем ряд в правой части равенства сходится равномерно на отрезке [-зг, х]. Тогда справедливы формулы Из равномерной сходимости ряда (1) вытекает непрерывность, а значит, и интегрируемость функции /(х). Поэтому равенства (2) имеют смысл. Более того, ряд (1) можно почленно интегрировать. Имеем откуда и следует первая из формул (2) для п = 0. Умножим теперь обе части равенства (1) на функцию cos mi, где т - произвольное натуральное число: Ряд (3), как и ряд (1), сходится равномерно. Поэтому его можно интегрировать почленно, Все интегралы в правой части, кроме одного, который получается при п = т, равны нулю в силу ортогональности тригонометрической системы. Поэтому откуда Аналогично, умножая обе части равенства (1) на sinmx и интегрируя от -тг до т, получим откуда Пусть дана произвольная периодическая функция f(x) периода 2*, интегрируемая на отрезке *]. Можно ли ее представить в виде суммы некоторого сходящегося тригонометрического ряда, заранее неизвестно. Однако по формулам (2) можно вычислить постоянные а„ и Ьп. Определение. Тригонометрический ряд коэффициенты oq, ап, Ь„ которого определяются через функцию f(x) по формулам РЯДЫ ФУРЬЕ Тригонометрические ряды Ортогональность тригонометрической системы Тригонометрический ряд Фурье Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье называется тригонометрическим рядом Фурье функции f(x), а коэффициенты а„, bnt определяемые по этим формулам, называются коэффициентами Фурье функции /(ж). Каждой интегрируемой на отрезке [-тг, -к] функции f(x) можно поставить в соответствие ее ряд Фурье т.е. тригонометрический ряд, коэффициенты которого определяются по формулам (2). Однако если от функции f(x) не требовать ничего, кроме интегрируемости на отрезке [--я*, тг], то знак соответствия в последнем соотношении, вообще говоря, нельзя заменить знаком равенства. Замечание. Часто требуется разложить в тригонометрический ряд функцию /(х), определенную только на отрезке (-*, п\ и, следовательно, не являющуюся периодической. Так как в формулах (2) для коэффициентов Фурье интегралы вычисляются по отрезку *], то для такой функции тоже можно написать тригонометрический ряд Фурье. Вместе с тем, если продолжить функцию f(x) периодически на всю ось Ох, то получим функцию F(x), периодическую с периодом 2п, совпадающую с /(х) на интервале (-ir, л): . Эту функцию F(x) называют периодически.^ продагжением функции /(х). При этом функция F(x) не имеет однозначного определения в точках х = ±п, ±3гг, ±5тг,.... Ряд Фурье для функции F(x) тождествен ряду Фурье для функции /(х). К тому же, если ряд Фурье для функции /(х) сходится к ней, то его сумма, являясь периодической функцией, дает периодическое продолжение функции /(х) с отрезка |-jt, п\ на всю ось Ох. В этом смысле говорить о ряде Фурье для функции /(х), определенной на отрезке (-я-, jt|, равносильно тому, что говорить о ряде Фурье для функции F(x), являющейся периодическим продолжением функции /(х) на всю ось Ох. Отсюда следует, что признаки сходимости рядов Фурье достаточно сформулировать для периодических функций. §4. Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье Приведем достаточный признак сходимости ряда Фурье, т. е. сформулируем условия на заданную функцию, при выполнении которых построенный по ней ряд Фурье сходится, и выясним, как при этом ведет себя сумма этого ряда. Важно подчеркнуть, что хотя приведенный ниже класс кусочно-монотонных функций и является достаточно широким, функции, ряд Фурье для которых сходится, им не исчерпываются. Определение. Функция f(x) называется кусочно-монотонной на отрезке [а, 6], если этот отрезок можно разбить конечным числом точек на интервалы, на каждом из которых f(x) монотонна, т.е. либо не убывает, либо не возрастает (см. рис. 1). Пример 1. Функция является кусочно-монотонной на интервале (-оо,оо), так как этот интервал можно разбить на два интервала (-сю, 0) и (0, +оо), на первом из которых она убывает (и значит, не возрастает), а на втором возрастает (и значит, не убывает). Пример 2. Функция кусочно-монотонна на отрезке [-зг, jt|, так как этот отрезок можно разбить на два интервала на первом из которых cos я возрастает от -I до +1, а на втором убывает от. Теорема 3. Функция f(x), кусочно-монотонная и ограниченная на отрезке (а, Ь], может иметь на нем только точки разрыва первого рода. Л Пусть, например, - точка разрыва функции /(ж). Тогда в силу ограниченности функции f(x) и монотонности по обе стороны отточки с существуют конечные односторонние пределы Это означает, что точка с есть точка разрыва первого рода (рис. 2). Теорема 4. Если периодическая функция /(ж) с периодом 2тг кусочно-монотонна и ограничена на отрезке [-т, т), то ее ряд Фурье сходится в каждой точке х этого отрезка, причем для суммы этого ряда выполняются равенства: ПрммерЗ. Функция /(z) периода 2jt, определяемая на интервале (-*,*) равенством (рис. 3), удовлетворяет условиям теоремы. Поэтому ее можно разложить в ряд Фурье. Находим для нее коэффициенты Фурье: Ряд Фурье для данной функции имеет вид Пример 4. Разложить функцию в ряд Фурье (рис.4) на интервале Данная функция удовлетворяет условиям теоремы. Найдем коэффициенты Фурье. Используя свойство аддитивности определенного интеграла, будем иметь РЯДЫ ФУРЬЕ Тригонометрические ряды Ортогональность тригонометрической системы Тригонометрический ряд Фурье Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье Следовательно, ряд Фурье имеет следующий вид: На концах отрезка (-я, ir], т. е. в точках х = -х и х = х, которые являются точками разрыва первого рода, будем иметь Замечание. Если в найденном ряде Фурье положить х = 0, то получим откуда

Покажем, что практически любую периодическую функцию можно представить в виде ряда, членами которого являются простые гармоники, с помощью, так называемого, тригонометрического ряда.

Определение. Тригонометрическим рядом называется функциональный ряд вида

где действительные числа а 0 , а n , b n называются коэффициентамиряда.

Свободный член ряда записан в виде для единообразия получающихся в дальнейшем формул.

Нужно решить два вопроса:

1) При каких условиях функция f(x) с периодом 2π может быть разложена в ряд (5.2.1)?

2) Как вычислить коэффициенты а 0 ,… а n , b n ?

Начнем с решения второго вопроса. Пусть функция f(x) непрерывна на отрезкеи имеет период Т=2π . Приведем формулы, которые понадобятся нам в дальнейшем.

При любом целом , так как функция четная.

При любом целом .

(m и n целые числа)

При (m и n целые числа) каждый из интегралов (III, IV, V) преобразуется в сумму интегралов (I) или (II). Если же , то в формуле (IV) получаем:

Анологично доказывается равенство (V).

Предположим теперь, что функция оказалась такой, что для неё нашлось разложение в сходящийся ряд Фурье, то есть

(Следует обратить внимание, что суммирование идёт по индексу n ).

Если ряд сходится, то его сумму обозначим S(x).

Почленное интегрирование (законное в силу предположения о сходимости ряда) в пределах от до даёт

так как все слагаемые кроме первого равны нулю (соотношения I, II). Отсюда находим

Умножая (5.2.2) на (m =1,2,…) и почленно интегрируя в пределах от до , найдем коэффициент a n .

В правой части равенства все слагаемые равны нулю, кроме одного m=n (соотношения IV, V), Отсюда получаем

Умножая (5.2.2) на (m =1,2,…) и почленно интегрируя в пределах от до ,аналогичным образом находим коэффициент b n

Значения - определяемые по формулам (5.2.3), (5.2.4), (5.2.5) называются коэффициентами Фурье, а тригонометрический ряд (5.2.2) – ряд Фурье для данной функции f(x).

Итак, получили разложение функции f(x) в ряд Фурье

Вернемся к первому вопросу и выясним какими свойствами должна обладать функция f(x) , чтобы построенный ряд Фурье был сходящимся, и сумма ряда равнялась бы именно f(x) .

Определение. Функция f(x) называется кусочно-непрерывной , если она непрерывна или имеет конечное число точек разрыва I рода.

Определение. Функция f(x) , заданная на отрезке называется кусочно-монотонной , если отрезок можно разбить точками на конечное число промежутков, в каждом из которых функция изменяется монотонно (возрастая или убывая).

Будем рассматривать функции f(x) , имеющие период Т=2π . Такие функции называются 2π - периодическими.

Сформулируем теорему, представляющую достаточное условие разложимости функции в ряд Фурье.

Теорема Дирихле (примем без доказательства). Если 2π -периодическая функция f(x) на отрезке является кусочно-непрерывной и кусочно-монотонной, то соответствующий функции ряд Фурье сходится на этом отрезке и при этом:

1. В точках непрерывности функции сумма ряда совпадает с самой функцией S(x)=f(x) ;

2. В каждой точке х 0 разрыва функции f(x) сумма ряда равна ,

т.е. среднему арифметическому пределов функции слева и справа от точки х 0 ;

3. В точках (на концах отрезка) сумма ряда Фурье равна ,

т.е. среднему арифметическому предельных значений функции на концах отрезка, при стремлении аргумента к этим точкам изнутри промежутка.

Замечание: если функция f(x) с периодом 2π непрерывна и дифференцируема во всем промежутке и значения ее на концах промежутка равны, т.е., то ввиду периодичности эта функция непрерывна на всей числовой оси и при любом х сумма ее ряда Фурье совпадает с f(x) .

Таким образом, если интегрируемая на отрезке функция f(x) удовлетворяет условиям теоремы Дирихле, то на отрезке имеет место равенство (разложение в ряд Фурье):

Коэффициенты вычисляются по формулам (5.2.3) - (5.2.5).

Условиям Дирихле удовлетворяет большинство функций, которые встречаются в математике и ее приложениях.

Ряды Фурье, как и степенные ряды, служат для приближенного вычисления значений функций. Если разложение функции f(x) в тригонометрический ряд имеет место, то всегда можно пользоваться приближенным равенством , заменяя данную функцию суммой нескольких гармоник, т.е. частичной суммой (2n +1) члена ряда Фурье.

Тригонометрические ряды широко используют в электротехнике, с их помощью решают многие задачи математической физики.

Разложить в ряд Фурье функцию с периодом 2π, заданную на интервале (-π;π).

Решение. Найдем коэффициенты ряда Фурье:

Получили разложение функции в ряд Фурье

В точках непрерывности сумма ряда Фурье равна значению функции f(x)=S(x) , в точке х=0 S(x)=1/2 , в точках х=π,2π,… S(x)=1/2.

В ряде случаев, исследуя коэффициенты рядов вида (С) или можно установить, что эти ряды сходятся (исключая, быть может, отдельные точки) и являются рядами Фурье для своих сумм (см., например, предыдущий п°), но во всех этих случаях естественно возникает вопрос,

как найти суммы этих рядов или - точнее - как выразить их в конечном виде через элементарные функции, если они, вообще, в таком виде выражаются. Еще Эйлер (а также Лагранж) с успехом применял для суммирования тригонометрических рядов в конечном виде аналитические функции комплексной переменной. Идея метода Эйлера состоит в следующем.

Допустим, что при некотором наборе коэффициентов ряды (С) и сходятся к функциям повсюду в промежутке исключая разве лишь отдельные точки. Рассмотрим теперь степенной ряд с теми же коэффициентами, расположенный по степеням комплексной переменной

На окружности единичного круга т. е. при этот ряд по предположению сходится, исключая отдельные точки:

В таком случае, по известному свойству степенных рядов ряд (5) заведомо сходится при т. е. внутри единичного круга, определяя там некоторую функцию комплексной переменной. Используя известные нам [см. § 5 главы XII] разложения элементарных функций комплексной переменной, часто удается свести к ним и функцию Тогда для имеем:

и по теореме Абеля , лишь только ряд (6) сходится, его сумма получается как предел

Обычно этот предел равен попросту что и позволяет вычислить в конечном виде функции

Пусть, например, предложены ряды

Доказанные в предыдущем п° утверждения приводят к заключению, что оба эти ряда сходятся (первый - исключая точки 0 и

служат рядами Фурье для определяемых ими функций Но что это за функции? Для ответа на этот вопрос составим ряд

По сходству с логарифмическим рядом легко устанавливается его сумма:

следовательно,

Теперь легкое вычисление дает:

так что модуль этого выражения есть , а аргумент .

и, таким образом, окончательно

Результаты эти нам знакомы и даже были однажды получены с помощью «комплексных» соображений ; но в первом случае мы исходили из функций и , а во втором - из аналитической функции Здесь же впервые нам отправной точкой послужили сами ряды. Дальнейшие примеры подобного рода читатель найдет в следующем п°.

Подчеркнем еще раз, что нужно наперед быть уверенным в сходи и рядов (С) и чтобы иметь право определить их суммы с помощью предельного равенства (7). Одно существование предела в правой части этого равенства еще не позволяет сделать заключение о сходимости упомянутых рядов. Чтобы показать это на примере, рассмотрим ряды

По косинусам и синусам кратных дуг, т. е. ряд вида

или в комплексной форме

где a k , b k или, соответственно, c k наз. коэффициентами Т. р.
Впервые Т. р. встречаются у Л. Эйлера (L. Euler, 1744). Он получил разложения

В сер. 18 в. в связи с исследованиями задачи о свободном колебании струны возник вопрос о возможности представления функции, характеризующей начальное положение струны, в виде суммы Т. р. Этот вопрос вызвал острые споры, продолжавшиеся несколько десятилетий, лучших аналитиков того времени - Д. Бернулли (D. Bernoulli), Ж. Д"Аламбера (J. D"Alembert), Ж. Лагранжа (J. Lagrange), Л. Эйлера (L. Eu1ег). Споры относились к содержанию понятия функции. В то время функции обычно связывались с их аналитич. аданием, что приводило к рассмотрению только аналитических или кусочно аналитических функций. А здесь появилась необходимость для функции, графиком к-рой является достаточно произвольная , построить Т. р., представляющий эту функцию. Но значение этих споров больше. Фактически в них обсуждались или возникли в связи с ними вопросы, связанные со многими принципиально важными понятиями и идеями математич. анализа вообще,- представление функций рядами Тейлора и аналитич. родолжение функций, использование расходящихся рядов, пределов, бесконечные системы уравнений, функций многочленами и др.
И в дальнейшем, как и в этот начальный , теория Т. р. служила источником новых идей математи. интеграл Фурье, почти периодические функции, общие ортогональные ряды, абстрактный . Исследования по Т. р. послужили исходным пунктом при создании теории множеств. Т. р. являются мощным средством представления и исследования функций.
Вопрос, приведший к спорам математиков 18 в., был решен в 1807 Ж. Фурье (J. Fourier), указавшим формулы для вычисления коэффициентов Т. р. (1), к-рый должен. представлять на функцию f(x):

и применившим их при решении задач теплопроводности. Формулы (2) получили название формул Фурье, хотя они встречались ранее у А. Клеро (A. Clairaut, 1754), а Л. Эйлер (1777) приходил к ним с помощью почленного интегрирования. Т. р. (1), коэффициенты к-рого определяются по формулам (2), наз. рядом Фурье функции f, а числа а k , b k - коэффициентами Фурье.
Характер получаемых результатов зависит от того, как понимается представление функции рядом, как понимается интеграл в формулах (2). Современный теория Т. р. приобрела после появления интеграла Лебега.
Теорию Т. р. можно условно разделить на два больших раздела - теорию Фурье рядов, в к-рой предполагается, что ряд (1) является рядом Фурье нек-рой функции, и теорию общих Т. р., где такое предположение не делается. Ниже указываются основные результаты, полученные в теории общих Т. р. (при этом множеств и измеримость функций понимаются по Лебегу).
Первым систематич. исследованием Т. р., в к-ром не предполагалось, что эти ряды являются рядами Фурье, была диссертация В. Римана (В. Riemann, 1853). Поэтому теорию общих Т. р. наз. иногда римановской теорией Т. р.
Для изучения свойств произвольного Т. р. (1) со стремящимися к нулю коэффициентами Б. Риман рассматривал непрерывную функцию F(х), являющуюся суммой равномерно сходящегося ряда

полученного после двукратного почленного интегрирования ряда (1). Если ряд (1) сходится в нек-рой точке хк числу s, то в этой точке существует и равна s вторая симметрич. функции F:

то это приводит к суммированию ряда (1), порождаемому множителями наз. методом суммирования Римана. С помощью функции Fформулируется принцип локализации Римана, согласно к-рому поведение ряда (1) в точке хзависит только от поведения функции Fв произвольно малой окрестности этой точки.
Если Т. р. сходится на множестве положительной меры, то его коэффициенты стремятся к нулю ( Кантора - Лебега). Стремление к нулю коэффициентов Т. р. следует также из его сходимости на множестве второй категории (У. Юнг, W. Young, 1909).
Одной из центральных проблем теории общих Т. р. является задача о представлении произвольной функции Т. р. Усилив результаты Н. Н. Лузина (1915) о представлении функций Т. р., суммируемыми методами Абеля - Пуассона и Римана, Д. Е. Меньшов доказал (1940) следующую теорему, относящуюся к наиболее важному случаю, когда представление функции f понимается как Т. р. к f (x)почти всюду. Для каждой измеримой и конечной почти всюду функции f существует Т. р., сходящийся к ней почти всюду (теорема Меньшова). Следует отметить, что если даже f интегрируема, то в качестве такого ряда нельзя, вообще говоря, взять ряд Фурье функции f, т. к. существуют ряды Фурье, расходящиеся всюду.
Приведенная теорема Меньшова допускает следующее уточнение: если функция f измерима и конечна почти всюду, то существует такая что почти всюду и почленно продифференцированный ряд Фурье функции j сходится к f(х)почти всюду (Н. К. Бари, 1952).
Неизвестно (1984), можно ли в теореме Меньшова опустить условие конечности функции f почти всюду. В частности, неизвестно (1984), может ли Т. р. сходиться почти всюду к
Поэтому задача о представлении функций, к-рые могут принимать бесконечные значения на множестве положительной меры, была рассмотрена для случая, когда заменяется на более слабое требование - . Сходимость по мере к функциям, к-рые могут принимать бесконечные значения, определяется так: частных сумм Т. p. s n (x)сходится по мере к функции f(х). если где f n (x)сходятся к / (х)почти всюду, а последовательность сходится по мере к нулю. В этой постановке вопрос о представлении функций решен до конца: для каждой измеримой функции существует Т. р., сходящийся к ней по мере (Д. Е. Меньшов, 1948).
Много исследований посвящено проблеме единственности Т. р.: могут ли два разных Т. расходиться к одной и той же функции; в др. формулировке: если Т. р. сходится к нулю, то следует ли отсюда, что все коэффициенты ряда равны нулю. Здесь можно иметь в виду сходимость во всех точках или во всех точках вне нек-рого множества. Ответ на эти вопросы существенно зависит от свойств того множества, вне к-рого сходимость не предполагается.
Установилась следующая терминология. Множество наз. единственности множеством или U- множеством, если из сходимости Т. р. к нулю на всюду, кроме, быть может, точек множества Е, следует, что все коэффициенты этого ряда равны нулю. В противном случае Еназ. М-множеством.
Как показал Г. Кантор (G. Cantor, 1872), а также любое конечное являются U-множествами. Произвольное также является U-множеством (У. Юнг, 1909). С др. стороны, каждое множество положительной меры является М-множеством.
Существование М-множеств меры было установлено Д. Е. Меньшовым (1916), к-рый построил первый пример совершенного множества, обладающего этими свойствами. Этот результат имеет принципиальное значение в проблеме единственности. Из существования М-множеств меры нуль следует, что при представлении функций Т. р., сходящимися почти всюду, эти ряды определяются заведомо неоднозначно.
Совершенные множества могут быть и U-множествами (Н. К. Бари; А. Райхман, A. Rajchman, 1921). В проблеме единственности существенную роль играют весьма тонкие характеристики множеств меры нуль. Общий вопрос о классификации множеств нулевой меры на М- и U-множества остается (1984) открытым. Он не решен даже для совершенных множеств.
К проблеме единственности примыкает следующая задача. Если Т. р. сходится к функции то должен ли этот ряд быть рядом Фурье функции /. П. Дюбуа-Реймон (P. Du Bois-Reymond, 1877) дал положительный ответ на этот вопрос, если f интегрируема в смысле Римана, а ряд сходится к f(х)во всех точках. Из результатов III. Ж. Bалле Пуссена (Ch. J. La Vallee Poussin, 1912) следует, что ответ положителен и в том случае, когда всюду, кроме счетного множества точек, ряд сходится и его сумма конечна.
Если Т. р, в нек-рой точке x 0 сходится абсолютно, то точки сходимости этого ряда, а также точки его абсолютной сходимости расположены симметрично относительно точки x 0 (П. Фату, P. Fatou, 1906).
Согласно Данжуа - Лузина теореме из абсолютной сходимости Т. р. (1) на множестве положительной меры следует сходимость ряда и, следовательно, абсолютная сходимость ряда (1) для всех х. Этим свойством обладают и множества второй категории, а также нек-рые множества меры нуль.
Приведенный обзор охватывает только одномерные Т. р. (1). Имеются отдельные результаты, относящиеся к общим Т. р. от нескольких переменных. Здесь во многих случаях нужно еще найти естественные постановки задач.

Лит. : Бари Н. К., Тригонометрические ряды, М., 1961; Зигмунд А., Тригонометрические ряды, пер. с англ., т. 1-2, М., 1965; Лузин Н. Н., Интеграл и тригонометрический ряд, М.- Л., 1951; Риман Б., Соч., пер. с нем., М.- Л., 1948, с. 225-61.
С. А. Теляковский.

Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .

Напомним, что в действительном анализе тригонометрический ряд - это ряд по косинусам и синусам кратных дуг, т.е. ряд вида

Немного истории. Начальный период теории таких рядов относят к середине 18-го века в связи с задачей о колебании струны, когда искомая функция искалась в виде суммы ряда (14.1). Вопрос о возможности такого представления вызвал у математиков острые споры, продолжавшиеся несколько десятилетий. Споры относились к содержанию понятия функции. В то время функции обычно связывались с их аналитическим заданием, а здесь появилась необходимость представить рядом (14.1) функцию, графиком которой является достаточно произвольная кривая. Но значение этих споров больше. Фактически в них возникли вопросы, связанные со многими принципиально важными идеями математического анализа.

И в дальнейшем, как и в этот начальный период, теория тригонометрических рядов служила источником новых идей. Именно в связи с ними, например, возникли теория множеств и теория функций действительного переменного.

В этой заключительной главе рассмотрим материал, в очередной раз связывающий действительный и комплексный анализ, но мало отраженный в учебных пособиях по ТФКП. В курсе анализа исходили из наперед заданной функции и разлагали ее в тригонометрический ряд Фурье. Здесь рассматривается обратная задача: по заданному тригонометрическому ряду установить его сходимость и сумму. Для этого Эйлер и Лагранж с успехом применяли аналитические функции. По-видимому, Эйлер впервые (1744) получил равенства

Ниже мы пройдемся по следам Эйлера, ограничиваясь только частными случаями рядов (14.1), а именно, тригонометрическими рядами

Замечание. Будет существенно использоваться следующий факт: если последовательность положительных коэффициентов а п монотонно стремится к нулю, то указанные ряды сходятся равномерно на любом замкнутом промежутке, нс содержащем точек вида 2лк (к gZ). В частности, на интервале (0,2л -) будет поточечная сходимость. Смотрите об этом в работе , стр. 429-430.

Идея Эйлера суммирования рядов (14.4), (14.5) состоит в том, что с помощью подстановки z = е а переходят к степенному ряду

Если внутри единичного круга его сумму удается найти в явном виде, то выделением из нее действительной и мнимой частей задача обычно и решается. Подчеркнем, что, применяя метод Эйлера, следует проверять сходимость рядов (14.4), (14.5).

Рассмотрим некоторые примеры. Во многих случаях окажется полезным геометрический ряд

а также ряды, получающиеся из него почленным дифференцированием или интегрированием. Например,

Пример 14.1. Найти сумму ряда

Решение. Введем аналогичный ряд с косинусами

Оба ряда сходятся всюду, т.к. мажорируются геометрическим рядом 1 + г + г 2 +.... Полагая z = е" х , получим

Здесь дробь приводится к виду

откуда получаем ответ на вопрос задачи:

Попутно мы установили равенство (14.2): Пример 14.2. Просуммировать ряды

Решение. Согласно вышеприведенному замечанию оба ряда на указанном интервале сходятся и служат рядами Фурье для определяемых ими функций f(x) 9 g(x). Что это за функции? Для ответа на вопрос в соответствии с методом Эйлера составим ряд (14.6) с коэффициентами а п = -. Соглас-

но равенству (14.7) получим

Опуская подробности (читателю их следует воспроизвести), укажем, что выражение под знаком логарифма можно представить в виде

Модуль этого выражения равен -, а аргумент (точнее, главное его зна-

• 2sin -

чение)равен Поэтому In ^ = -ln(2sin Следовательно,

Пример 14.3. При -л просуммировать ряды

Решение. Оба ряда сходятся везде, так как мажорируются сходящимся

рядом с общим членом -! . Ряд (14.6)

п{п + 1)

непосредственно

J__\_ __1_

/?(/? +1) п /1 + 1

нс даст известной суммы. На основе представим его в виде

равенства

Здесь выражение в круглых скобках равно ln(l + z), а выражение в квадратных скобках - это ^ ^ + ** ^--. Следовательно,

= (1 + -)ln(1 + z). Теперь

надо подставить сюда z = e LX и выполнить действия, аналогичные проведенным в предыдущем примере. Опуская детали, укажем, что

Осталось раскрыть скобки и записать ответ. Предоставляем выполнить это читателю.

Задачи к главе 14

Вычислить суммы следующих рядов.

• 1.3.1. a) z = 0 и z-- 2;
• б) z = l и z =-1;
• в) z = я и z = -я .
• 1.3.2. а) 1; 6)0; в) оо.
• 2.1.1. Дуга параболы,г = у 2 , пробегаемая от точки (1;1) до точки (1;- 1) и обратно.
• 2.1.2. Отрезок с началом а, концом Ь.
• 2.1.3. Жорданов спрямляемый путь на рис. 19.

• 2.1.4. Дуга параболы у = х 2 с началом (-1;0), концом (1;1).
• 2.1.5. Окружность дг 2 + (у - 1) 2 = 4.
• 2.2.1. Полуплоскость Rez > .
• 2.2.2. Открытый круг С х "“^) 2 + У 2
• 2.2.3. Внутренность параболы 2у = 1 - х 2 .
• 2.2.4. Замкнутый круг (д: - 2) 2 + у 2
• 2.2.5. Внешность параболы 2х = - у 2 .

3.1.а).Если w=u + iv, то и = -г- -v = -^-^.Отсюда

л: 2 +(1-.г) 2 .т 2 +(1-д:) 2

Из этой окружности следует исключить начало координат, так как (м, v) 9* (0;0) V* е R, ton и = lim v = 0.

x-yx> .v->oo

• б). Исключите x,y из равенств x + y = l, и =x 2 - у , v = 2xy. Ответ: парабола 2v = l-и 2 .
• 3.2. Прямая л: = я (л^О) переходит в окружность
• (w--) 2 + v 2 = (-) 2 с выколотой точкой (г/, v) = (0;0). Примените это с
• 2а 2 а

а = 1,а = 2.

• 3.4. В случаях а), б) используйте «признак несуществования предела». В случае в) предел существует и равен 2.
• 3.5. Не является. Рассмотрите пределы функции по двум последовательностям с общими членами соответственно

z „ =-! + -> z,=-l -

• 4.1. а) нигде нс дифференцируемая; б) дифференцируемая везде.
• 4.2. а) имеет производную во всех точках прямой у = х, в каждой из

них w = 2х ; голоморфной нигде не является;

• б) голоморфна в С {0}, и/ = -j.
• 4.3. Голоморфна в С, W =3z 2 .
• 4.4. Из равенств / ; (z) = -- + i-/ / (z) = 0 следует, что w,v не

St St

зависят от переменной „т. Из условий Коши-Римана вытекает независимость этих функций и от у.

4.5. Рассмотрим, например, случай Re f(z) = и(х,у) = const . С

помощью условий Коши-Римана вывести отсюда, что Im/(z) = v(x 9 y) = const .

• 5.1. а) так как J =--=- =-* 0(z * -/) и по условию задачи
• (l-/z) 2 (z+/) 2

аргумент производной равен нулю, то ее мнимая часть нулевая, а действительная часть положительная. Отсюда вывести ответ: прямая у = -х -1 (х * 0).

б) окружность z + i=j2.

• 5.3. Проверьте, что функция не принимает нулевого значения и ее производная везде существует и равна данной функции.
• 6.1. Из определения тангенса как отношения синуса к косинусу докажите, что tg(z + n^-tgz при допустимых значениях аргумента. Пусть Т -какой-то другой период: tg(z + T) = tgz. Отсюда и из предыдущего равенства вывести, что sin(/r-Т) = 0, откуда вытекает, что Т кратно к .
• 6.2. Используйте равенства (6.6).
• 6.3. Первая формула не верна, так как не всегда arg(zH ,) = argz + argvv (берите, например, z = -1, w =-1). Вторая формула также не верна. Рассмотрите, например, случай z = 2.
• 6.4. Из равенства а а = е 01 " 0 выведите, что здесь правая часть имеет вид |я|« , е са(а^а+ 2 як) ? сли П р И некоторых различных целых к 19 к 2

выражение в круглых скобкых приняло одно и то же значение, то имели бы

что противоречит иррациональности а .

• 6.5. z = 2?/r-/"ln(8±V63).
• 7.1. а) угол - я w ;
• б) круговой сектор | w 2, | arg vr|
• 7.2. В обоих случаях круг радиуса 1 с цен тром в начале координат.
• 7.3. Будем двигаться по границе полукруга так, чтобы его внутренность оставалась слева. Используем обозначения z = x + yi, w=u + vi. На участке

у = 0, -1 х 1 имеем и = --е [-1,1]» v = 0. Рассмотрим второй участок границы - полуокружность z = e u ,t g . На этом участке выражение

преобразуется к виду w=u = -- ,/* -. На промежутке . Согласно (8.6) искомый интеграл равен

б). Уравнение нижней полуокружности имеет вид z(t) = e“,t е[л, 2я). По формуле (8.8) интеграл равен

• 8.2. а). Искомый интеграл разбейте на сумму интегралов по отрезку О А и по отрезку АВ . Их уравнения соответственно z = / + //,/ с и

z = t + i,te . Ответ: - + -i.

• б). Уравнение кривой интегрирования можно записать в виде z = е" ,t € . Тогда Vz имеет два различных значения, а именно,

.1 .t+2/r

е 2 ,е 2 .Из условия задачи следует, что речь идет о главном значении корня: Vz, т.е. о первом из указанных. Тогда интеграл равен

8.3. В решении задачи чертеж умышленно не приводится, но читателю его следует выполнить. Используется уравнение прямолинейного отрезка, соединяющего две заданные точки я, /> е С (а - начало, Ь - конец): z = (l - /)fl+ /?,/€ . Разобьем искомый интеграл на четыре:

I = I AB + I BC + I CD +1 DA . На отрезке АВ имеем z - (1 -1) ? 1 +1 /, поэтому интеграл но этому отрезку, согласно (8.8), равен

Поступая аналогичным образом, найдем

• 9.1. а) 2л7; б) 0.
• 9.2. Сделать подстановку z = z 0 + re 11 ,0 t 2/г.
• 9.3.Функция f(z)= J голоморфна в некоторой односвязной z - a

области D, содержащей Г и нс содержащей а . По интегральной теореме, примененной к /),/], искомый интеграл равен нулю.

• 9.4. a) 2/n(cosl2 + /sinl2); б) 34л-/.
• 9.5. В случае а) особые точки ±2/ лежат внутри данной окружности, поэтому интеграл равен

• б). Особые точки ±3/ также лежат внутри окружности. Решение аналогичное. Ответ: 0.
• 10.1. Представить функцию в виде /(z) = -----воспользоваться
• 3 1 + -

геометрическим рядом 1 + q + q 2 (||

• 1 -ч
• 10.2. Дифференцировать почленно геометрический ряд.
• 10.3. а) | z +/1t = z 2 . Ответ: z .
• 11.1. Используйте степенные разложения экспоненты и синуса. В случае а) порядок равен 3, в случае б) он равен 2.
• 11.2. С точностью до очевидной замены переменной уравнение можно

представить в виде /(z) = /(-^z). Не умаляя общности, можно считать, что

радиус сходимости ряда Тейлора функции с центром в точке 0 более единицы. Имеем:

Значения функции одинаковы на дискретном множестве с предельной точкой, принадлежащей кругу сходимости. По теореме единственности /(z) = const .

11.3. Предположим, что искомая аналитическая функция /(z) существует. Сравним ее значения с функцией {z) = z 2 на множестве Е,

состоящем из точек z n = - (п = 2,3,...). Их значения одинаковы, а так как Е

имеет предельную точку, принадлежащую данному кругу, то по теореме единственности /(z) = z 2 для всех аргументов данного круга. Но это противоречит условию /(1) = 0. Ответ: нс существует.

• 11.4. Да,/(*) = -L
• 2 + 1
• 11.5. Противоречия нет, так как предельная точка единичных значений не лежит в области определения функции.
• - 1 1
• 12.1. a) 0 ; б) 2

  12.2. а). Представьте функцию в виде и раскройте скобки.

  • б). Поменяйте слагаемые местами, используйте стандартные разложения косинуса и синуса.
  • 12.3.
  
  • 12.4. а) точки 0, ± 1 являются простыми полюсами;
  • б) z = 0 - устранимая точка;
  • в) z = 0 - существенно особая точка.
  • 13.1. а). Точки а = 1,а = 2 являются полюсами подынтегральной функции. Вычет относительно первого (простого) полюса находится согласно (13.2), он равен 1. Вычет относительно второго полюса находится по формуле (13.3) с порядком кратности и = 2 и равен -1. Сумма вычетов равна нулю, так что интеграл равен нулю по основной теореме о вычетах.
  • б). Внутри прямоугольника с указанными вершинами лежат три

  простых полюса 1,-1,/. Сумма вычетов в них равна --, а интеграл равен

  в). Среди полюсов 2Trki(kGZ) подынтегральной функции лишь два лежат внутри данной окружности. Это 0 и 2я оба они простые, вычеты в них равны по 1. Ответ: 4я7.

  умножить его на 2/г/. Опуская детали, укажем ответ: / = -i .

  13.2. а). Положим e"=z, тогда e"idt = dz , dt = - . Ho

  e“ - e~“ z-z~ x

  sin / =-=-, интефал сведется к виду

  

  Здесь знаменатель разлагается на множители (z-z,)(z-z 2), где z, = 3 - 2 V2 / лежит внутри окружности у , a z,=3 + 2V2 / лежит вис се. Осталось найти вычет относительно простого полюса z, по формуле (13.2) и

  б) . Полагая, как и выше, е" = z , сведем интефал к виду

  

  Подынтефальная функция имеет три простых полюса (каких?). Предоставляя читателю вычисления вычетов в них, укажем ответ: I = .

  • в) . Подынтефальная функция равна 2(1--=-), искомый интеграл
  • 1 + cos t

  равен 2(^-1-ч-dt). Стоящий в скобках интеграл обозначим через /.

  Применением равенства cos"/ = - (1 + cos2f) получим, что / = [-cit .

  По аналогии со случаями а), б) сделать подстановку e 2,t = z, свести интеграл к виду

  

  где кривая интегрирования - та же единичная окружность. Далее рассуждения те же, что и в случае а). Ответ: исходный, искомый интеграл равен /г(2-л/2).

  13.3. а). Рассмотрим вспомогательный комплексный интеграл

  /(/?)= ff(z)dz, где f(z) = - р-, Г(Я) - контур, составленный из

  полуокружности y(R ): | z |= R > 1, Imz > 0 и се диаметра (сделайте чертеж). Разобьем этот интеграл на два - по о трезку [-/?,/?] и по y(R ).

  к. Ъя.

  Внутри контура лежат лишь простые полюсы z 0 = е 4 , z, = е 4 (рис. 186). Найдем относительно их вычеты:

  Остается проверить, что интеграл по y(R) стремится к нулю с ростом R . Из неравенства |д + Л|>||я|-|/>|| и из оценки интеграла при z е y(R) вытекает, что