الرياضيات · المسرد

ما معنى معاملات فورييه؟

يُعرف أيضًا باسم: مجاميع فورييه الجزئية

تعريف 14.1 الرياضيات الجامعية — السنة 2 · الفصل 14 — متسلسلات فورييه

معاملات فورييه للدالة ff هي

cn(f)=12πππf(t)eint ⁣dt(nZ),c_n(f) = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi} f(t)\,\eu^{-\iu n t}\,\dd t \qquad (n \in \Z),

والمعاملات في الصورة الحقيقية an=cn+cna_n = c_n + c_{-n}، bn=i(cncn)b_n = \iu(c_n - c_{-n})، بحيث تكون المجاميع الجزئية لفورييه

SN(f)(t)=n=NNcn(f)eint=a02+n=1N(ancosnt+bnsinnt).S_N(f)(t) = \sum_{n=-N}^{N} c_n(f)\,\eu^{\iu nt} = \frac{a_0}{2} + \sum_{n=1}^{N}\bigl(a_n\cos nt + b_n \sin nt\bigr).

وعلى C\mathcal{C}، نعرّف الجداء السلّمي الهرميتي f,g=12πππfg\langle f, g\rangle = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{\pi}\conj f\,g: فالأسّيات en(t)=einte_n(t) = \eu^{\iu nt} متعامدة ممنظمة (لأن em,en=δmn\langle e_m, e_n\rangle = \delta_{mn}، بالحساب المباشر)، و cn(f)=en,fc_n(f) = \langle e_n, f\rangle: فتحليل فورييه هندسةٌ هرميتية (الفصل 13) في البعد غير المنتهي.

أمثلة

مثال 14.3 (أفضل تقريب، مقيسًا)

إلى أي حدّ تقرّب كثيرات الحدود المثلثية ذوات الدرجة الصغيرة السنَّ المنشارية f(t)=tf(t) = t (على (π,π)\intoo{-\pi}{\pi}) في المتوسط التربيعي؟ حسب القضية 14.2 يكون أفضل تقريب من الدرجة NN هو SN(f)S_N(f)، بخطأ مربّع

fSNf22=f22nNcn2.\norm{f - S_Nf}_2^2 = \norm f_2^2 - \sum_{\abs n\leq N}\abs{c_n}^2 .

وهنا f22=12πππt2 ⁣dt=π23\norm f_2^2 = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^\pi t^2\dd t = \frac{\pi^2}{3}، ومن bn=2(1)n+1nb_n = \frac{2(-1)^{n+1}}{n} (المثال 14.12): cn2+cn2=bn22=2n2\abs{c_n}^2 + \abs{c_{-n}}^2 = \frac{b_n^2}{2} = \frac{2}{n^2}. ومن ثم

fSNf22=π23n=1N2n2: وعدديًا 1.29, 0.79, 0.57, 0.44\norm{f - S_Nf}_2^2 = \frac{\pi^2}{3} - \sum_{n=1}^{N}\frac{2}{n^2} \qquad\text{: وعدديًا } 1.29,\ 0.79,\ 0.57,\ 0.44

من أجل N=1,2,3,4N = 1, 2, 3, 4 — وهو متناقص، لكن ببطء: فالذيل n>N2n22N\sum_{n>N}\frac2{n^2} \sim \frac2N يحكمه التناقص البطيء 1n\frac1n للمعاملات، وهو نفسه بصمة القفزة (التمرين 14.6 مقروءةً في الاتجاه المعاكس). والفكرة الختامية: يحوّل بارسفال جودة التقريب إلى ذيل متسلسلة عددية — ويتنبأ، قبل أي رسم، بأن القفزات تجعل متسلسلات فورييه تتقارب على مضض.

اقرأ في الفصل ←