Здравствуйте, naks1mok!
Условие: Функция задана точками на графике с длинами отрезков : A = B = 0 ; C = 3 ; D = T = 4 . Функция нечётная.
Задача: Разложить в ряд Фурье эту функцию, заданную на полупериоде [0 ; D].
Решение: На картинке Условия изображена трапеция. Однако значения A = B = 0 вырождают эту трапецию так, что точка A(A ; 0) смещается в начало координат (0 ; 0), а точка B(B , 1) смещается влево вплотную к оси OY в точку (0 ; 1). В итоге исходная функция имеет вид, показанный мною чёрным цветом на чертеже. Чертёж прилагаю ниже.
Условие "Функция нечётная" в сочетании с условием нечётности f(-x) = - f(x) означают, что функция продлевается в левую полу-плоскость симметрично относительно начала координат точка O(0 ; 0). Эту "зеркальную" часть я изобразил коричневым цветом на графике. Свойство нечётности избавляет нас от обработки левой части коричневой ломаной, её Фурье-отображение получится автоматически после вычисления Фурье-гармоник правой ломаной, если мы правильно сообразим, что интервал 0T - это полупериод, а не период.
В большинстве учебников принято обозначать период буквой T . Авторы задачи задали условие "T = 4", которое по здравому смыслу не может быть периодом, ибо период нечётной функции должен быть не менее удвоенных значений C = 3 ; D = 4 . Будем полагать, что авторы задачи проявили разгильдяйство либо умышленно запутывают студентов, проверяя прочность их знаний. Нам придётся НЕ использовать букву T в ниже-расчётах, чтобы НЕ запутать решение двусмысленным толкованием. Используем L = 4 как полупериод.
Нам предстоит интегрировать исходное значение фунции. Для этого её правую половинку представим в аналитическом виде:
f(x) = 1 при 0 < x <= 3
f(x) = 4 - x при 3 <= x <= 4
"
Если данная функция интегрируема на отрезке [-L , L] , то её можно разложить в тригонометрический ряд Фурье" - это аннотация из замечательной учебной статьи "Ряды Фурье. Примеры решений"
Ссылка по Вашей теме.
Общий вид полученного разложения:
f(x) [$8776$] a
0/2 +
n=1[$8734$][$8721$][a
n·cos([$960$]·n·x / L) + b
n·sin([$960$]·n·x / L)]
где a
0 , a
n , b
n - так называемые коэффициенты Фурье.
"
С чётными и нечётными функциями процесс решения задачи заметно упрощается… нечётная функция раскладывается в ряд Фурье т-ко по синусам" - цитаты из той же статьи, где Вы можете почитать подробные пояснения.
С учётом упрощения, наша цель - получить ряд:
f(x) [$8776$] n=
1[$8734$][$8721$]b
n·sin([$960$]·n·x / L) , для которого надо вычислить единственный коэффициент Фурье по формуле:
b
n = (2/L)·
0L[$8747$]f(x)·sin([$960$]·n·x / L)·dx
Вычисляем: b
1 = (2/L)·
0L[$8747$]f(x)·sin([$960$]·1·x / L)·dx = (2/4)·
04[$8747$]f(x)·sin([$960$]·1·x / L)·dx = 1,210
b
2 = (2/L)·
0L[$8747$]f(x)·sin([$960$]·2·x / L)·dx = (2/4)·
04[$8747$]f(x)·sin([$960$]·2·x / L)·dx = 0,116
b
3 = (2/L)·
0L[$8747$]f(x)·sin([$960$]·3·x / L)·dx = (2/4)·
04[$8747$]f(x)·sin([$960$]·3·x / L)·dx = 0,276
На скриншоте я показал интеграл-формулы, графики отдельных гармоник U1(x) = b
1·sin([$960$]·1·x / 4) , U2(x) = b
2·sin([$960$]·2·x / 4) , U3(x) = b
3·sin([$960$]·3·x / 4)
А также сумму первых трёх приближений (гармоник) S3(x) = U1(x) + U2(x) + U3(x)
Для проверки правильности вычислений я добавил в график сумму первых 7 приближений S7(x) = S3(x) + U4(x) + U5(x) + U6(x) + U7(x)
Синус-сумма S7(x) достаточно плотно "обвивает" исходную ломаную f(x) , что означает правильность вычислений коэффициентов Фурье и разложения в целом.