Ii. Trigonometrik funktsiyalar sistemasining ortogonalligi

Sоnli qаtоrlаrning bа’zi хоssаlаri

Qаtоrning birinchi chеkli tа hаdini tаshlаb yubоrsаk, nаtijаdа

qаtоr hоsil bo’lаdi.
1-tеоrеmа. Аgаr (1) qаtоr yaqinlаshuvchi (uzоqlаshuvchi) bo’lsа, uning istаlgаn chеkli sоndаgi hаdlаrini tаshlаb yubоrishdаn hоsil bo’lgаn (4) qаtоr hаm yaqinlаshuvchi (uzоqlаshuvchi) bo’lаdi vа аksinchа (4) qаtоr yaqinlаshuvchi (uzоqlаshuvchi) bo’lsа, u hоldа (1) qаtоr hаm yaqinlаshuvchi (uzоqlаshuvchi) bo’lаdi.
Isbоt. (1) qаtоrning хususiy yig’indisi
=
(4) qаtоrning хususiy yig’indisi

bo’lgаni uchun = dаn ko’rinаdiki:
а) Аgаr mаvjud bo’lsа, hаm mаvjud bo’lаdi, bu esа (1) qаtоr yaqinlаshuvchi bo’lsа, (4) qаtоrning hаm yaqinlаshuvchi ekаnini ko’rsаtаdi -chеkli sоn gа bоg’liq emаs).
b) Аgаr mаvjud bo’lmаsа yoki chеksiz bo’lsа hаm mаvjud emаs yoki chеksiz bo’lаdi. Bu esа (1) qаtоr uzоqlаshuvchi bo’lsа, (4) qаtоr hаm uzоqlаshuvchi ekаnini ko’rsаtаdi.
Tеоrеmаning ikkinchi qismi hаm хuddi shuningdеk isbоtlаnаdi.
2-tеоrеmа. Qаtоr hаdlаrigа chеkli sоndаgi hаdlаr qo’shgаndа hаm o’rinli bo’lаdi.

Biz quyida va funktsiyalar sistemasining ortogonalligini qaraymiz.

Tarif: Agar ikkita f(x) va funktsiyalar ko`paytmasining chegaralari a va b dan iborat bo`lgan integrali nolga teng bo`lsa, bu funktsiyalar (a, b) oraliqda ortogonal deyiladi.
Teorema. Quyidagi
1, cos x , cos 2x, cos 3x,…, sin x, sin 2x, sin 3x,… (1)
sistemadan olingan ixtiyoriy ikkita har xil funktsiyalar (- ) oraliqda ortogonal bo`ladi, ya`ni:
(2)
(3)
. (4)
Shuningdek, . (5)
Bunda m va n lar ixtiyoriy natural sonlar bo`lib, m ≠ n dir.
Agar (1) sistemadagi ikkita har xil funktsiyalar o`rniga bir xil funktsiyalar olinsa, u holda, birinchi funktsiyadan tashqari barcha funktsiyalarning – va oraliqda olingan integrali dan iborat bo`ladi. Birinchi funktsiyaning integrali esa 2 dir, ya`ni:
, (6)
(7)
(8)
Bunda n = 1, 2, 3,… dir.
(7) va (8) formulalar
va
almashtirishlar yordamida hosil qilinadi. Yuqoridagi (2)-(8) formulalar o`zunligi 2 dan iborat bo`lgan ixtiyoriy oraliqlar uchun o`rinlidir.
Agar berilgan biror funktsiyalar sistemasida har bir juft funktsiya ortogonal bo`lsa, u holda, shu sistemaning o`zi ham ortogonal sistema bo`ladi.
1-misol. (- , ) oraliqda f(x)=sin5x va (x)=cos2x funktsiyalarning ortogonalligini tekshiring.
Yechilishi: Berilgan funktsiyalar ko`paytmasini (- , ) oraliqda integrallaymiz:

Bunda cos x funktsiyaning juft ekanligi hisobga olindi.
2-misol. (- , ) oraliqda f (x) =sin2x va f (x) =sin4x funktsiyalarning ortogonalligini tekshiring.
Yechilishi:

Demak, berilgan funktsiyalar ortogonal.
3-misol. oraliqda f(x)=sin2x va (x)=sin4x funktsiyalarning ortogonalligini tekshiring.
Yechilishi:

4-misol. (-2 , 0) oraliqda ikkita bir xil funktsiyalar ko`paytmasi cos²3x ning ortogonalligini tekshiring.
Yechilishi:

2. Eyler – Furye formulalari

Faraz qilaylik, f(x) funktsiya davriy bo`lib, uning davri 2 bo`lsin.
Teorema. Quyidagi
(1)
trigonometrik qator x ning barcha qiymatlarida f(x) funktsiyaga yaqinlashsin. Agar f(x) funktsiya uchun

integral mavjud bo`lsa, u holda, (1) qatorning koeffisiyentlari uchun quyidagi Eyler – Furye formulalari o`rinli bo`ladi:




(2)
Isboti: Ma`lumki,
. (3)
Ushbu tenglikni – va oraliqda integrallaymiz:
(4)
Oldingi paragrafdagi (2) formulaga asosan (4) tenglikning o`ng tomonidagi integralning birinchisidan tashqari, barcha integrallar nolga teng. U holda, quyidagiga ega bo`lamiz:
ya`ni
Demak, n=0 bo`lganda (2)–Eyler–Furye formulalarining birinchisini hosil qildik. Qolganlari ham shu yo`l bilan topiladi. Bunda (3) tenglik cosnx yoki sinnx ga ko`paytiriladi, so`ngra, integrallanadi. (3) tenglikni cos2x ga hadma – had ko`paytirib, integrallash natijasida quyidagini hosil qilamiz:


(5)
Buning o`ng tomonidagi, to`rtinchisidan tashqari barcha integrallar oldingi paragrafdagi (2), (3) va (4) larga asosan nolga teng. (6) formulaga asosan beshinchi integral ga teng. U holda,

3. Ixtiyoriy davrli trigonometrik qator

Davri 2 dan iborat bo`lgan quyidagi
(6)
trigonometrik qator x ning barcha qiymatlarida f(x) funktsiyaga yaqinlashsin. Agar integral mavjud bo`lsa, u holda, (6) qatorning koeffisentlari uchun quyidagi Eyler–Furye formulalari o`rinli bo`ladi:
(bunda n=0,1,2,3,…)
(bunda n=1,2,3,…) (7)
Oldingi paragrafdagi (2) formulalar = bo`lganda (7) dan kelib chiqadi.
4. FURYE QATORI
Davri 2 dan iborat bo`lgan f(x) funktsiya berilgan bo`lsin. Yig`indisi f(x) bo`lgan quyidagi yaqinlashuvchi trigonometrik qatorni topish talab qilinsin:
(1)
Agar bu masalaning yechimi mavjud bo`lsa, bu yechim yagona bo`lib, (1) qatorning koeffisiyenti Eyler – Furye formulalari yordamida topiladi:
va (2)
Hosil bo`lgan (2) qatorga f (x) funktsiya uchun Furye qatori deyiladi.

5. UZLUKSIZ FUNKTSIYa UChUN FURYE QATORI