مواضيع المحاضرة: FOURIER SERIES FOR DISCONTINUOUS FUNCTIONS
background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

FOURIER SERIES FOR DISCONTINUOUS FUNCTIONS  

Let  the function

 f(x)  be  defined  by 

     

f(x) = f

1

(x).  c < x < x

0

  

= f

2

(x). x

0

< x  < c + 2π . 

Where

 x

0

   is the point of discontinuity in the interval (

c . c + 2π) 

In  such  cases also , we obtain  the Fourier  series  for 

f(x)  in the  usual  way  The  values of 

a

0

 . a

n

 . b

n

  are  evaluated by  

 

a

0

=

1

π

[  ∫

f

1

(x)dx + ∫

f

2

(x)dx] ;

2+2π

 x

0

 x

0

c

 

  

a

n

=

1

π

[  ∫

f

1

(x) cos n x dx + ∫

f

2

(x) cos nx dx] ;

2+2π

 x

0

 x

0

c

 

b

n

=

1
π

[  ∫

f

1

(x) sin nx dx + ∫

f

2

(x) cos nx dx] 

2+2π

 x

0

 x

0

c

 

If is the point of finite discontinuity, then the sum of the Fourier series 

  

=

1

2

[ lim

h→0

f( x

0

− h) + lim

h→0

f( x

0

+ h)] 

=

1
2

[ lim

h→0

f( x

0

− 0) + lim

h→0

f( x

0

+ 0)] =

1
2

(FB + FC) 

Remarks  

 1. It may be seen from the graph, that at a point of finite discontinuity

 x =  x

0

 there is a finite 

jump equal to BC in the value of the function

 f(x) at x =  x

0

  

2. A given function

 f(x) may be defined by different formulae in different regions Such types of 

functions are quite common in Fourier Series. 

3. At a point of discontinuity the sum of the series is equal to the mean of the limits on the right 
and left  

FUNCTION DEFINED IN TWO OR MORE SUB -  RANGES 

Example 4. Find the Fourier series to represent the function

  f (x)   given by: 

f (x) = [

−k for − π < x < 0

k for  0 < x <  π

     Hence  show that ∶ 


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

1 −

1
3

+

1
5

1
7

+ ⋯ =

π
4

                                        

Solution. 

f(x) {

−k . for − π < x <

k . for  0 < x <  π

                                                                              ⋯ (1) 

a

0

=

1
π

∫ f(x)dx =

1
π

[∫ −kdx  ∫ kdx

π

0

0

−π

π

−π

] =

1
π

[−kx]

0

−π

+ [kx]

π

0

=

1
π

 k[0 − π + π − 0] = 0 

a

n

=

1
π

∫ f(x) cos nx dx =

1
π

[∫ −k cos nx dx + ∫ k cos nx dx

π

0

0

−π

π

−π

=

1
π

 k [− {

sin nx

n

}

0

−π

− {

sin nx

n

}

π

  ] =

1
π

k[−0 + 0] = 0 

b

n

=

1
π

∫ f(x) sin nx dx =

1
π

[∫ −k sin nx dx + ∫ k sin nx dx

π

0

0

−π

π

−π

=

1
π

 k [− {

cos nx

n

}

0

−π

− {

cos nx

n

}

π

  ] 

=

1
π

 k  [

1
n

(−1)

n

n

(−1)

n

n

+

1
n

] =

1
π

k [

2
n

2(−1)

2

n

If n is even

 b

n

= 0 

If n is odd  

b

n

=

4k

 

f(x) = a

0

+ ∑ a

n

n=1

cos nx + ∑ b

n

n=1

sin nx 

f(x) = ∑ b

n

n=1

sin nx = b

1

sin x + b

2

sin2 x + b

3

sin3 x + b

4

sin4 x + ⋯ 

Thus required Fourier sin series is 

f (x) =

4k

π

sin x +

4k

sin 3x +

4k

sin 5x + ⋯   

⇒                         f (x) =

4k

π

[sin x +

1
3

sin 3x +

1
5

sin 5x + ⋯  ]                  ⋯ (2) 


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

Putting

  x =

π

2

 in (2).  we get 

k =

4k

π

[sin

π
2

+

1
3

sin

2

+

1
5

sin

2

+ ⋯ 

1 =

4
π

[1 +

1
3

(−1) +

1
5

(1) +

1
7

(−1) + ⋯ ] 

=

4
π

 [1 −

1
3

+

1
5

1
7

+ ⋯ ] ⇒  

4
π

= 1 −

1
3

+

1
5

1
7

+ ⋯       

Example 5. find the Fourier series of the function 

f(x) =

{

 

 

−1 for    − π < x < −  

π

2

0 for      −

π

2

< x <         

π

2

+1 for     

π

2

  < x <           π   

   

Solution : Let 

f(x) =

a

0

2

+ a

1

cos x + a

2

cos 2x + ⋯ + b

1

sin x + b

2

sin 2x + ⋯  (1) 

a

0

=

1
π

∫ f(x) dx =

1
π

∫ (−1)dx +

1
π

0 dx +

1
π

 ∫ 1 dx

π

π

2

π/2

−π/2

π

2

−π

π

−π

 

=

1
π

[−x]

−π

−π/2

+

1
π

[x]

π/2

π

=

1
π

[

π
2

− π + π −

π
2

] = 0 

a

n

=

1
π

∫ f(x) cos nx dx

π

−π

 

=

1
π

(−1) cos nx dx +

1
π

∫ (0) cos nx  dx +

1
π

 ∫ (1) cos nx dx

π

π/2

π

2

π

2

−π/2

−π

 

= −

1
π

[

sin nx

n

]

−π

−π/2

+

1
π

 [

sin nx

n

]

π/2

π

  

= −

1
π

[

sin

2

n

] +

1
π

 [

sin

2

n

] = 0 

b

n

=

1
π

∫ f(x) sin  nx dx

π

−π

 


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

=

1
π

(−1) sin  nx dx +

1
π

(0) sin nx  dx +

1
π

 ∫ (1) sin nx dx

π

π/2

π/2

−π/2

−π/2

−π

 

=

1
π

[

cos nx

n

]

−π

−π/2

1
π

 [

cos nx

n

]

π/2

π

 

 

=

1

[cos

2

− cos nπ] −

1

[cos nπ − cos

2

]  =

2

[cos

2

− cos nπ] 

b

1

=

2
π

.           b

2

= −

2
π

.       b

3

=

2

  

Putting the values of

 a

0

. a

n

.  b

n

    in(1).        we get 

f(x) =

1
π

[2 sin x − 2 sin 2x +

2
3

sin 3x + ⋯]                             

DISCONTINUOUS FUNCTION  

At a point of discontinuity, Fourier series gives the value

 f(x) of as the arithmetic mean of left and 

right limits   

At the point of discontinuity,  

x = c 

Example   6. Find the Fourier series for if 

f(x) = {

−π   − π < x < 0

x.            0 < x < π

 

Deduce that 

1

1

2

+

1

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ =

π

2

8

 

Solution  Let

 f(x) =

a

0

2

+ a

1

cos x + a

2

cos 2x + ⋯ + a

n

cos nx + ⋯ + b

1

sin x + 

        

b

2

sin 2x + ⋯ + b

n

sin nx + ⋯                      ⋯ (1) 

 a

0

=

1
π

 ∫ f(x)dx

π

−π

 

Then

 a

0

=

1

π

[ ∫ (−π)dx + ∫ x dx] =

1

π

 [−π(x)

−π

0

+ (x

2

/2)

0

π

π

−π

0

−π

] =

1

π

(−π

2

+

π

2

2

) = −

π

2

;  

a

n

=

1
π

 ∫ f(x) cos nx dx

π

−π

 

a

n

=

1
π

 [∫ (−π)cos nx dx

0

−π

+ ∫ x cos nx dx

π

0

] =

1
π

[ −π (

sin nx

n

)

−π

0

+ (

sin nx

n

+

cos nx

n

2

)

−π

0


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

=

1
π

[0 +

1

n

2

cos nπ −

1

n

2

] =

1

πn

2

  (cos nπ − 1) 

b

n

=

1
π

 ∫ f(x) sin nx dx

π

−π

 

=

1
π

 [∫ (−π)sin nx dx

0

−π

+ ∫ x sin nx dx

π

0

=

1
π

[ (

πsin nx

n

)

−π

0

+ (−x

cos nx

n

+

sin nx

n

2

)

0

π

=

1
π

 [

π
n

 (1 − cos n π) −

π
n

cos n π] =

1
n

(1 − 2cos n π) 

f(x) = −

π
4

2
π

[cos x +

cos 3x

3

2

+

cos 5x

5

2

+ ⋯ ]  + 3 sin x −

sin2x

2

+

sin3x

3

sin4x

4

             ⋯ (2) 

Putting 

x = 0 in (2). we get f(0) = −

π

4

2

π

[1 +

1

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ ∞]                      ⋯ (3)   

 Now 

f(x) discontinuous at x = 0 

But  f (0 − 0) = −π and  f (0 + 0) = 0 

∴   f(0) =

1
2

[ f(0 − 0) + f(0 + 0)] = −

π
2

 

From  (3), 

π

2

= −

π

4

2

π

[

1

1

2

+

1

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ ] ⇒

π

2

8

=

1

1

2

+

1

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ proved  

Example 7. Obtain Fourier Series of the function 

f(x) = {

x.   − π < x < 0

−x.         0 < x < π

 

And hence show that   

1

1

2

+

1

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ ⋯ ⋯ =

π

2

8

                  

Solution. We have,

  f(x) = {

x.   − π < x < 0

−x.         0 < x < π

 

Fourier Series  

Here 

f(x) is an  even  function  so b

n

= 0 

a

0

=

2
π

 ∫ f(x)dx

π

0

=

2
π

 ∫ −xdx

π

0

= −

2
π

 [

π

2

2

]

0

π

= −

2
π

 [

π

2

2

] = −π 


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

a

n

=

2
π

 ∫ f(x) cos nx  dx

π

0

=

2
π

 ∫ −xcos nxdx

π

0

= −

2
π

 [x

sin nx

n

+

cos nx

n

2

]

0

π

 

= −

2
π

[

(−1)

n

n

2

1

n

2

] =

2

πn

2

[1 − (−1)

n

] = {

0 .      n is even

4

πn

2

.     n  is odd

 

Fourier series :

 f(x) = −

π

4

+

4

π

[

cos x

1

2

+

cos 3x

3

2

+

cos 5x

5

2

+ ⋯]                            

At the point of discontinuity 

f(0) =

1
2

[f (0 − 0) + f(0 + 0) = −

1
2

(0 − 0) = 0 

Putting

 x = 0 in the above, we get 

0 = −

π
2

+

π
4

[

1

1

2

+

2

3

2

+

1

5

2

+ ⋯] ⇒

1

1

2

+

2

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ ⋯

π

2

8

       Ans  

Example 8. Find the Fourier series of the function defined as  

f(x) = {

x + π.        for      0 ≤ x ≤ π

−x − π.     for     − π  ≤ x < π

     and  f (x + 2π) = f(x) 

Solution 

a

0

=

1

π

 ∫ f(x)dx

π

−π

=

1

π

∫ f(x)dx

0

−π

+

1

π

 ∫ f(x)dx

π

0

 

=

1
π

 ∫ (−x − π)dx +

0

−π

1
π

 ∫ (x + π)dx

π

0

=

1
π

[−

x

2

2

− πx]

−π

0

+

1
π

 [

x

2

2

+ πx]

−π

0

 

=

1
π

 [

x

2

2

+ πx] + [

x

2

2

+ π

2

] = π [

1
2

− 1] + π [

1
2

+ 1] = π 

a

n

=

1
π

 ∫ f(x)cos nxdx =

1
π

 ∫ f(x)cos nxdx +

1
π

 ∫ f(x) cos nx dx

π

0

0

−π

0

−π

 

=

1
π

 ∫ (−x − π)cos nxdx +

1
π

 ∫ (x + π) cos nx dx

π

0

0

−π

 

=

1
π

[(−x − π)

sin nx

n

− (−1) {−

cos nx

n

2

}]

−π

0

+

1
π

[(x + π)

sin nx

n

− (−1) {−

cos nx

n

2

}]

0

π

 

=

1
π

[−

1

n

2

+

(−1)

n

n

2

] +

1
π

[−

(−1)

n

n

2

+

1

n

2

] =

2

n

2

π

[(−1)

n

− 1] =

−4

n

2

π

 .  if n is odd 

= 0. if n is  even  


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

 b

n

=

1
π

 ∫ f(x)sin nxdx =

1
π

 ∫ f(x)sin nxdx +

1
π

 ∫ f(x) sin nx dx

π

0

0

−π

π

−π

 

=

1
π

 ∫ (−x − π)sin nxdx +

1
π

 ∫ (x + π) sin nx dx

π

0

0

−π

 

=

1
π

[(−x − π) [−

cos  nx

n

] − (−1) {−

sin nx

n

2

}]

−π

0

+

1
π

[(x + π) [−

cos nx

n

] − (−1) {−

sin nx

n

2

}]

0

π

 

=

1
π

[

π
n

] +

1
π

[−

n

(−1)

n

+

π
n

] =

1
n

[(1) − 2(−1)

n

+ (1)] =

2
n

[1 − (−1)

n

=

4
n

  .                                            if n is odd 

= 0.                                           if n is  even  

 Fourier series is :  f(x) =

a

0

2

+ a

1

cos x + a

2

cos 2x + ⋯ + b

1

sin x + b

2

sin 2x + ⋯ 

f(x) =

π
2

π
4

 [

cos x

1

2

+

cos 3x

3

2

+ ⋯] + [

sinx

1

+

sin3x

3

]                                                  

Problems 

1- Find the Fourier series of the function   

f(x) = {

−1           for  − π < x < 0

1             for   0 < x < π  

                                    

Where 

f(x + 2π) = f(x)          Ans

4

π

[

1

1

sin x +

1

3

sin 3x +

1

5

sin 5x +

1

7

sin 7x + ⋯] 

2. Find the Fourier series of the function 

f(x) = {

0 for       − π  ≤ x ≤ 0

1 for               0  < x <

π

2

0 for             

π

2

≤ x ≤ π    

   

Ans 

1
4

+

1
π

 [

cos x

1

+

cos 2x

2

+

cos 3x

3

+ ⋯ +

sinx

1

+

sin2x

2

+

sin3x

3

3. Obtain a Fourier series to represent the following periodic function 

 

f(x) = {

0     when  0 < x < π

1.    when π  < x < 2π  

           Ans 

1

2

2

π

[sin x =

1

3

sin 3x =

1

5

sin 5x + ⋯ ]  

4. Find the Fourier expansion the function defined in single period by the relations 


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

f(x) = {

1             for   0 < x < π  

2           for  π  < x < 2π  

  

 And from it deduce that 

π

4

= 1 −

1

3

+

1

5

1

7

+ ⋯        Ans ∙

3

2

2

π

[sin x +

1

3

sin 3x +

1

5

sin 5x + ⋯] 

5. Find a Fourier series to represent the function 

f(x) = {

0   for      − π < x ≤ 0

1
4

πx    for   0  < x < 2π  

   and hence deduce that    

π

2

8

=   

1

1

2

+

2

3

2

+

1

5

2

+ ⋯    

Ans 

π

2

16

+ ∑[

[(−1)

n

− 1]

4n

2

n=1

cos nx −

(−1)

n

π

4n

sin nx + ⋯] 

6. Find the Fourier  series  for

 f(x).  If 

 Fourier series 

f(x) = {

−π                               for       − π  < x ≤ 0 

x                                 for          0  < x < π 

−π

2

                           for                   x = 0  

 

Deduce that   

1

1

2

+

2

3

2

+

1

5

2

+ ⋯ =

π

2

8

 

Ans −

π
4

4
π

[cos x +

cos 3x

3

2

+

cos 5x

5

2

+ ⋯] + 3 sin x −

1
2

sin 2x +

3
2

sin 3x −

1
4

sin 4x + ⋯ 

7. Obtain a Fourier series to represent the function  

f(x) = |x|         for  − π  < x < 0  

And hence deduce 

π

2

8

=   

1

1

2

+

2

3

2

+

1

5

2

+ ⋯   Ans

π

4

4

π

[cosx +

1

3

2

cos 3x +

1

5

2

 cos 5x + ⋯ ] 

8. Example  as a Fourier  series,  the function

 f(x)   defined  as  

f(x) =

{

 

 

 

 π + x                              for       − π  < x < −

π
2

 

   

π
2

                                 for            −

π
2

< x <

π
2

 

   π − x                        for                  

π
2

< x < π  

 

9. Obtain a Fourier series to represent the function 

f(x) = |sin x|  for    − π  < x < π   (

Hint    

}

=  sin x for     0 <x<π

f(x)= − sin x for  −π <x<0 

 


background image

Lecture No.2-10                                                                              by Hussein J. AbdulHussein 

Advanced Calculus II                                               Al Muthanna University, College of Science                  
 

 

Ans

π
4

4
π

[

1
3

cos2x +

1

15

cos 4x +

1

35

 cos 6 + ⋯ ] 

10. An alternating current after passing through a rectifier has the form 

i {

I sin θ     for           0 < θ < π

0              for          π < θ < 2π

   ,Find the Fourier series of the function  

Ans  ∙

I

π

2I

π

 [

cos θ

3

+

cos4 θ

15

+ ⋯ ] +

I

2

sin θ 

11.  If 

f(x) = {

0                for                − π < x < 0  

sin x              for                      0  < x < π  

  

Prove  that

    f(x) =

1

π

+

sin x

2

2

π

 ∑

cos 2mx 

4m

2

−1

m=1 

   Hence show  that 

1

1∙3

1

3∙5

+

1

5∙7

⋯ ∞ =

1

4

(π − 2) 

 




رفعت المحاضرة من قبل: Cruz Maldanado
المشاهدات: لقد قام 0 عضواً و 836 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل