Придумайте числа $a, b, t_0, t_1, t_2$ такие, что $a, b > 0$ и $t_2 > t_1 > t_0 > 0$. Рассмотрите следующие функции $f : RR -> RR$ и для каждой из функции:
- Приведите формулы для вычисления коэффициентов $(a_n, b_n)$ и $c_n$ для каждого случая. Если значения некоторых из них очевидны, укажите это. Для первой функции (квадратная волна) и $n=0, 1, 2$ вычислите значения указанных коэффициентов вручную.
- Напишите программу, которая вычисляет коэффициениты Фурье $(a_n, b_n)$ и $c_n$ для произвольного $N$. Приведите в отчёте коэффициенты для случая $N = 3$.
$ c_n &= 1/T integral^3_1 f(t)e^(i omega_n t) = 1/2 integral^3_1 f(t)e^(i pi n t) = 1/2 (integral^2_1 e^(i pi n t) + integral^3_2 2e^(i pi n t))upright(d)t \
&= 1/2 (lr(-(i e^(i pi n t))/(pi n)|)^2_1 - lr((2i e^(i pi n t))/(pi n)|)^3_2) = -(i e^(2i pi n))/(2pi n) + (i e^(i pi n))/(2pi n) - (2i e^(3i pi n))/(2pi n) + (2i e^(2i pi n))/(2pi n) \
&= (i e^(2i pi n))/(2pi n) - (i e^(i pi n))/(2pi n) = i/(2pi n) - (i(-1)^n)/(2pi n) = (i(1 - (-1)^n))/(2pi n) \
&= cases(
0\, & n = 2k,
i/(pi n)\, & n = 2k - 1
), k in ZZ $
$ a_0 &= c_0 = 3, a_n = 0, \
b_n &= cases(
0\, & n = 2k,
2/(pi n)\, & n = 2k - 1
), k in ZZ \
c_n &= cases(
0\, & n = 2k,
i/(pi n)\, & n = 2k - 1
), k in ZZ $
Вычислим значения коэффициентов для $n = 0, 1, 2$:
$ A = vec(a_0, a_1, a_2) = vec(3, 0, 0), B = vec(b_0, b_1, b_2) = vec(0, 2/pi, 0), C = vec(c_0, c_1, c_2) = vec(3, i/pi, 0) $
Вручную считать тяжко, поэтому напишем программу на _Python_, которая будет принимать на вход $N$ и считать коэффициенты по найденным формулам:
#figure(```python
import sys
import math
function_formulas = [
# 1. Square wave
{
'an': lambda n: 3 if n == 0 else 0,
'bn': lambda n: 0 if n % 2 == 0 else 2 / (math.pi * n),
'cn': lambda n: 3 if n == 0 else (0 if n % 2 == 0 else 1j / (math.pi * n))
```, caption: "Код программы для подсчета коэффициентов")
Программа принимает на вход номер задания соответствующей функции и произвольное $N$ и выводит подсчитанные коэффициенты $a_n, b_n, c_n$ для $n = 0,1,2...N$. Список _function_formulas_ хранит формулы для расчетов коэффитциентов в виде лямда выражений для каждой функции, данный список будет расширяться по мере нахождения формул для других функций.
Воспользуемся программой для нахождения коэффициентов для $N = 3$, нас интересует функция 1 - квадратная волна, вызывыаем программу с аргументами _1_ и _3_:
```, caption: "Ввывод программы для первой функции") <prog>
Значения коэффициентов для $n = 0, 1, 2$ совпадают с посчитанными вручную, значит высока вероятность, что программа работает корректно. Также стоит заметить, что программа округляет коэффициенты до 5 знаков после запятой и считает дополнительно коэффициенты $c_n$ для отрицательных $n$
Запишем частичные суммы Фурье $F_3$ и $G_3$ с учётом подсчитанных коэффициентов:
$ G_3(t) = -0.1061i e^(-3i pi t) -0.31831i e^(-i pi t) + 3/2 + 0.31831i e^(i pi t) + 0.1061i e^(3i pi t) $
С помощью программы из @prog, подсчитаем также коэффициенты для $N = 5, 7, 9$, после чего построим график $F_N (t)$ для значений $N = 1, 3, 5, 7, 9$ и сравним их с $f(t)$. Графики $G_N (t)$ получатся аналогичны $F_N (t)$, поскольку изначальная функция не является комплексной (вещественная часть будет совпадать, а комплексной части - нет):
Коэффициент $b_n$ задан частями, при чётных $n$ он равен $0$, а при нечётных $2/(pi n)$. В таком случае можно игнорировать все чётные значения $n$ ($2k$) и рассматривать лишь нечётные ($2k - 1$):
Полученный нами ряд состоит из элементов ${1, 1/9, 1/25, 1/49...}$. Рассмотрим ряды ${1/k^2; k in NN}$ ${1/(4k^2); k in NN}$. Они состоят соответсвенно из элементов ${1, 1/4, 1/9, 1/16, 1/25, 1/36, 1/49...}$ и ${1/4, 1/16, 1/36...}$. Заметим, что исключив из ряда ${1/k^2; k in NN}$ элементы ряда ${1/(4k^2); k in NN}$, мы получим наш исходный ряд, следовательно, сумма исходного ряда будет равна разности сумм введённых рядов:
