Deret Fourier Klasik

Batas sumber. Bagian ini mengikat funct_anal.tex baris 624-1008 pada sumber beku.

Deret Fourier Klasik untuk Fungsi Bernilai Real

Untuk L>0L>0, kita meninjau ruang L2[L,L]=L2([L,L],m)\displaystyle L^2[-L,L] = L^2([-L,L],m), dengan mm ukuran Lebesgue pada interval [L,L][-L,L]. Suatu himpunan ortogonal lengkap untuk ruang ini diberikan oleh fungsi-fungsi trigonometrik

{cos(nπxL):n0}{sin(nπxL):n1}.\left\{ \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) : n \geq 0 \right\} \cup \left\{ \sin\left(\frac{n\pi x}{L}\right) : n \geq 1 \right\} \ . Lebih tepatnya, kita mempunyai

LLsin(iπxL)sin(jπxL)dx={0 jika ij dan i,j>0L jika i=j>0LLcos(iπxL)cos(jπxL)dx={0 jika ij dan i,j0L jika i=j>02L jika i=j=0danLLsin(iπxL)cos(jπxL)dx=0jikai,j0.\begin{aligned} \int_{-L}^L \sin\left(\frac{i \pi x}{L}\right) \sin\left(\frac{j \pi x}{L}\right)\,\mathrm{d}{x} & = \begin{cases} 0 & \mbox{ jika } i \neq j \mbox{ dan } i,j > 0\\ L & \mbox{ jika } i = j > 0 \end{cases} \\ \int_{-L}^L \cos\left(\frac{i \pi x}{L}\right) \cos\left(\frac{j \pi x}{L}\right)\,\mathrm{d}{x} & = \begin{cases} 0 & \mbox{ jika } i \neq j \mbox{ dan } i,j \geq 0 \\ L & \mbox{ jika } i = j > 0 \\ 2L & \mbox{ jika } i = j = 0 \end{cases} \\ &\text{dan}\\ \int_{-L}^L \sin\left(\frac{i \pi x}{L}\right) \cos\left(\frac{j \pi x}{L}\right)\,\mathrm{d}{x} & = 0 \quad \text{jika} \quad i,j \geq 0 \ . \end{aligned}

Dari (4.2.5), kita memperoleh ekspansi Fourier klasik suatu fungsi fL2[L,L]\displaystyle f \in L^2[-L,L],

a0+n=1(ancos(nπxL)+bnsin(nπxL)),a_0 + \sum_{n=1}^{\infty} \left( a_n \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) + b_n \sin\left( \frac{n\pi x}{L}\right) \right) \ , dengan jumlah-jumlah parsialnya konvergen ke ff dalam L2[L,L]L^2[-L,L], dan dengan a0=12LLLf(x)dx\displaystyle a_0 = \frac{1}{2L} \int_{-L}^{L} f(x) \,\mathrm{d}{x}, an=1LLLf(x)cos(nπxL)dx\displaystyle a_n = \frac{1}{L} \int_{-L}^{L} f(x) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1, serta
bn=1LLLf(x)sin(nπxL)dx\displaystyle b_n = \frac{1}{L} \int_{-L}^{L} f(x) \sin\left( \frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1.

Jika f:f:\mathbb{R}\rightarrow \mathbb{R} periodik dengan periode T=2LT = 2L dan f|[L,L]L2[L,L]\displaystyle f\big|_{[-L,L]} \in L^2[-L,L], koefisien-koefisien ekspansi Fourier juga diberikan oleh a0=12Lαα+2Lf(x)dx\displaystyle a_0 = \frac{1}{2L} \int_{\alpha}^{\alpha+2L} f(x) \,\mathrm{d}{x},
an=1Lαα+2Lf(x)cos(nπxL)dx\displaystyle a_n = \frac{1}{L} \int_{\alpha}^{\alpha+2L} f(x) \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1, dan bn=1Lαα+2Lf(x)sin(nπxL)dx\displaystyle b_n = \frac{1}{L} \int_{\alpha}^{\alpha+2L} f(x) \sin \left(\frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1, di mana α\alpha dapat berupa sembarang bilangan real.

Contoh. Carilah deret Fourier fungsi periodik ff dengan periode 2π2\pi yang didefinisikan oleh

f(x)={0jikaπx01jika0<x<πf(x) = \begin{cases} 0 & \quad \text{jika} \ -\pi \leq x \leq 0 \\ 1 & \quad \text{jika} \ 0 < x < \pi \end{cases}

Kita mempunyai

a0=12πππf(x)dx=12π0πdx=12,an=1πππf(x)cos(nx)dx=1π0πcos(nx)dx=sin(nx)nπ|0π=0danbn=1πππf(x)sin(nx)dx=1π0πsin(nx)dx=cos(nx)nπ|0π={2/(nπ)jika n ganjil0jika n genap\begin{aligned} a_0 &= \frac{1}{2\pi} \int_{-\pi}^\pi f(x) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{2\pi} \int_0^\pi \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{2} \ , \\ a_n &= \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi f(x) \cos(nx) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{\pi} \int_0^\pi \cos(nx) \,\mathrm{d}{x} = \frac{\sin(nx)}{n\pi}\bigg|_0^\pi = 0 \\ &\text{dan}\\ b_n &= \frac{1}{\pi} \int_{-\pi}^\pi f(x) \sin(nx) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{\pi} \int_0^\pi \sin(nx) \,\mathrm{d}{x} = -\frac{\cos(nx)}{n\pi}\bigg|_0^\pi = \begin{cases} 2/(n\pi) & \quad \text{jika $n$ ganjil} \\ 0 & \quad \text{jika $n$ genap} \end{cases} \end{aligned} Jadi, dengan kesamaan dipahami dalam L2[π,π]L^2[-\pi,\pi],

f=12+m=12(2m1)πsin((2m1)x).f = \frac{1}{2} + \sum_{m=1}^\infty \frac{2}{(2m-1)\pi}\sin((2m-1)x) \ . Sebagaimana diprediksi oleh Teorema 4.2.3, nilai deretnya adalah 1/21/2 apabila x=nπx=n\pi dengan nn\in \mathbb{Z}.

Contoh. Carilah deret Fourier fungsi periodik ff dengan periode 66 yang didefinisikan oleh

f(x)={1jika3x0xjika0<x<3f(x) = \begin{cases} 1 & \quad \text{jika} \ -3 \leq x \leq 0 \\ x & \quad \text{jika} \ 0 < x < 3 \end{cases}

Kita mempunyai

a0=1633f(x)dx=1630dx+1603xdx=54,an=1333f(x)cos(nπx3)dx=1330cos(nπx3)dx+1303xcos(nπx3)dx=1nπsin(nπx3)|30+(xnπsin(nπx3)+3n2π2cos(nπx3))|03=3n2π2(cos(nπ)1)={0jika n genap6/(n2π2)jika n ganjildanbn=1333f(x)sin(nπx3)dx=1330sin(nπx3)dx+1303xsin(nπx3)dx=1nπcos(nπx3)|30+(xnπcos(nπx3)+3n2π2sin(nπx3))|03=(1nπ+1nπcos(nπ))3nπcos(nπ)={1/(nπ)jika n ganjil3/(nπ)jika n genap\begin{aligned} a_0 &= \frac{1}{6} \int_{-3}^3 f(x) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{6} \int_{-3}^0 \,\mathrm{d}{x} + \frac{1}{6} \int_0^3 x \,\mathrm{d}{x} = \frac{5}{4} \ , \\ a_n &= \frac{1}{3} \int_{-3}^3 f(x) \cos\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{3} \int_{-3}^0 \cos\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \,\mathrm{d}{x} + \frac{1}{3} \int_0^3 x\cos\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \frac{1}{n\pi}\sin\left(\frac{n\pi x}{3}\right)\bigg|_{-3}^0 + \left( \frac{x}{n\pi} \sin\left(\frac{n\pi x}{3}\right) + \frac{3}{n^2\pi^2} \cos\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \right)\bigg|_0^3 \\ &= \frac{3}{n^2\pi^2} (\cos(n\pi)-1) = \begin{cases} 0 & \quad \text{jika $n$ genap} \\ -6/(n^2 \pi^2) & \quad \text{jika $n$ ganjil} \end{cases} \\ &\text{dan}\\ b_n &= \frac{1}{3} \int_{-3}^3 f(x) \sin\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \,\mathrm{d}{x} = \frac{1}{3} \int_{-3}^0 \sin\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \,\mathrm{d}{x} + \frac{1}{3} \int_0^3 x \sin\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= -\frac{1}{n\pi} \cos\left(\frac{n\pi x}{3}\right)\bigg|_{-3}^0 + \left( -\frac{x}{n\pi} \cos\left(\frac{n\pi x}{3}\right) + \frac{3}{n^2\pi^2} \sin\left(\frac{n\pi x}{3}\right) \right)\bigg|_0^3 \\ &= \left( -\frac{1}{n\pi} + \frac{1}{n\pi} \cos(n\pi)\right) - \frac{3}{n\pi}\cos(n\pi) = \begin{cases} 1/(n\pi) & \quad \text{jika $n$ ganjil} \\ -3/(n\pi) & \quad \text{jika $n$ genap} \end{cases} \end{aligned} Jadi, dengan kesamaan dipahami dalam L2[3,3]L^2[-3,3],

f=54m=16(2m1)2π2cos((2m1)πx3)m=132mπsin(2mπx3)+m=11(2m1)πsin((2m1)πx3).\begin{aligned} f &= \frac{5}{4} - \sum_{m=1}^\infty \frac{6}{(2m-1)^2\pi^2}\cos\left(\frac{(2m-1)\pi x}{3}\right) - \sum_{m=1}^\infty \frac{3}{2m\pi} \sin\left(\frac{2m\pi x}{3}\right) \\ &\quad + \sum_{m=1}^\infty \frac{1}{(2m-1)\pi} \sin\left(\frac{(2m-1)\pi x}{3}\right) \ . \end{aligned} Dari Teorema 4.2.3, kita memperoleh

12=54m=16(2m1)2π2.\frac{1}{2} = \frac{5}{4} - \sum_{m=1}^\infty \frac{6}{(2m-1)^2\pi^2} \ . Ini adalah nilai deret pada x=6nx = 6n dengan nn \in \mathbb{Z}. Selain itu,

2=54+m=16(2m1)2π2.2 = \frac{5}{4} + \sum_{m=1}^\infty \frac{6}{(2m-1)^2\pi^2} \ . Ini adalah nilai deret pada x=3+6nx = 3+ 6n dengan nn \in \mathbb{Z}.

Fungsi Ganjil dan Genap

Kita dapat menggunakan sifat bahwa LLg(t)dt=0\displaystyle\int_{-L}^L g(t) \,\mathrm{d}{t} = 0 jika gg merupakan fungsi ganjil, dan LLg(t)dt=20Lg(t)dt\displaystyle\int_{-L}^L g(t) \,\mathrm{d}{t} = 2 \int_0^L g(t) \,\mathrm{d}{t} jika gg merupakan fungsi genap, untuk memperoleh rumus-rumus yang lebih sederhana bagi deret Fourier fungsi ganjil dan genap.

Jika fL2[L,L]\displaystyle f \in L^2[-L,L] merupakan fungsi genap, ekspansi Fouriernya adalah

a0+n=1ancos(nπxL),a_0 + \sum_{n=1}^{\infty} \, a_n \cos\left(\frac{n\pi x}{L}\right) \ , dengan a0=1L0Lf(x)dx\displaystyle a_0 = \frac{1}{L} \int_{0}^{L} f(x) \,\mathrm{d}{x} dan an=2L0Lf(x)cos(nπxL)dx\displaystyle a_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} \, f(x) \cos\left( \frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1.

Jika fL2[L,L]\displaystyle f\in L^2[-L,L] merupakan fungsi ganjil, ekspansi Fouriernya adalah

n=1bnsin(nπxL),\sum_{n=1}^{\infty} \, b_n \sin \left( \frac{n\pi x}{L}\right) \ , dengan bn=2L0Lf(x)sin(nπxL)dx\displaystyle b_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} \, f(x) \sin \left( \frac{n\pi x}{L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1.

Deret Fourier sinus suatu fungsi f:[0,L]f:[0,L] \rightarrow \mathbb{R} adalah deret Fourier dari perluasan ganjil formal F:[L,L]F:[-L,L]\rightarrow \mathbb{R} berikut. Nilai pada 00 dan L-L ditetapkan secara eksplisit agar F(x)=F(x)F(-x)=-F(x) pada seluruh interval; perubahan nilai di titik-titik tunggal ini tidak mengubah kelas L2L^2:

F(x)={f(x)jika0<xL0jikax=0f(x)jikaL<x<0f(L)jikax=LF(x) = \begin{cases} f(x) & \quad \text{jika} \ 0 < x \leq L \\ 0 & \quad \text{jika} \ x=0 \\ -f(-x) & \quad \text{jika} \ -L < x < 0 \\ -f(L) & \quad \text{jika} \ x=-L \end{cases} jika FL2[L,L]\displaystyle F \in L^2[-L,L]; pembatasan FF ke [0,L][0,L] sama dengan ff hampir di mana-mana, yakni sebagai kelas L2L^2. Deret Fourier kosinus suatu fungsi f:[0,L]f:[0,L] \rightarrow \mathbb{R} adalah deret Fourier dari fungsi genap F:[L,L]F:[-L,L]\rightarrow \mathbb{R} yang didefinisikan oleh

F(x)={f(x)jika0xLf(x)jikaLx<0F(x) = \begin{cases} f(x) & \quad \text{jika} \ 0 \leq x \leq L \\ f(-x) & \quad \text{jika} \ -L \leq x < 0 \end{cases} jika FL2[L,L]\displaystyle F\in L^2[-L,L].

Deret Fourier dalam (4.3.1) dan (4.3.2) masing-masing konvergen dalam L2[0,L]\displaystyle L^2[0,L] ke ff, yakni ke pembatasan hampir di mana-mana dari perluasan FF yang bersesuaian, karena setiap deret konvergen ke perluasan tersebut dalam L2[L,L]\displaystyle L^2[-L,L].

Contoh. Carilah deret Fourier fungsi periodik ff dengan periode π\pi yang didefinisikan oleh f(x)=|sin(x)|f(x) = |\sin(x)|, yang grafiknya diberikan pada Gambar 4.1 (rujukan ke bab mendatang).

Grafik fungsi periodik berperiode pi yang didefinisikan oleh f(x)=|sin(x)|.

Kita perhatikan bahwa ff merupakan fungsi genap. Oleh karena itu, semua koefisien bnb_n dalam deret Fourier bernilai nol. Dalam rumus untuk ana_n, kita mempunyai L=π/2L = \pi/2. Jadi,

a0=2π0π/2f(x)dx=2π0π/2sin(x)dx=2πcos(x)|0π/2=2πdanan=4π0π/2f(x)cos(2nx)dx=4π0π/2sin(x)cos(2nx)dx=2π0π/2(sin((2n+1)x)sin((2n1)x))dx=2π(cos((2n+1)x)2n+1+cos((2n1)x)2n1)|0π/2=4(14n2)π.\begin{aligned} a_0 &= \frac{2}{\pi} \int_0^{\pi/2} f(x) \,\mathrm{d}{x} = \frac{2}{\pi} \int_0^{\pi/2} \sin(x) \,\mathrm{d}{x} = -\frac{2}{\pi} \cos(x) \bigg|_0^{\pi/2} = \frac{2}{\pi} \\ &\text{dan}\\ a_n &= \frac{4}{\pi} \int_0^{\pi/2} f(x) \cos(2n x) \,\mathrm{d}{x} = \frac{4}{\pi} \int_0^{\pi/2} \sin(x) \cos(2n x) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \frac{2}{\pi} \int_0^{\pi/2} \left( \sin( (2n+1)x) - \sin((2n-1)x) \right) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \frac{2}{\pi} \left( -\frac{\cos( (2n+1)x)}{2n+1} + \frac{\cos((2n-1)x)}{2n-1} \right)\bigg|_0^{\pi/2} = \frac{4}{(1-4n^2)\pi} \ . \end{aligned} Dalam L2[π/2,π/2]L^2[-\pi/2,\pi/2], kita memperoleh

f=2π+n=14(14n2)πcos(2nx).f = \frac{2}{\pi} + \sum_{n=1}^\infty \frac{4}{(1-4n^2)\pi} \cos(2n x) \ .

Contoh. Carilah deret Fourier kosinus dari fungsi f(x)=ex\displaystyle f(x) = e^x untuk 0x<10 \leq x <1.

Dengan kata lain, kita mencari deret Fourier fungsi genap FF berperiode 22 yang didefinisikan oleh

F(x)={exjika0x1exjika1x<0F(x) = \begin{cases} e^x & \quad \text{jika} \ 0\leq x \leq 1 \\ e^{-x} & \quad \text{jika} \ -1\leq x < 0 \end{cases} Karena FF merupakan fungsi genap, semua koefisien bnb_n dalam deret Fourier bernilai nol. Dalam rumus untuk ana_n, kita mempunyai L=1L = 1. Jadi,

a0=01f(x)dx=01exdx=e1danan=201f(x)cos(nπx)dx=201excos(nπx)dx=2(nπ)2(nπ)2+1(exsin(nπx)nπ+excos(nπx)(nπ)2)|01=2(nπ)2+1(ecos(nπ)1)={2(e1)(nπ)2+1jika n genap2(e+1)(nπ)2+1jika n ganjil\begin{aligned} a_0 &= \int_0^1 f(x) \,\mathrm{d}{x} = \int_0^1 e^x \,\mathrm{d}{x} = e - 1 \\ &\text{dan}\\ a_n &= 2 \int_0^1 f(x) \cos(n \pi x) \,\mathrm{d}{x} = 2 \int_0^1 e^x \cos(n\pi x) \,\mathrm{d}{x} \\ &= \frac{2 (n\pi)^2}{(n\pi)^2+1} \left( e^x \frac{\sin(n\pi x)}{n\pi} + e^x \frac{\cos(n\pi x)}{(n\pi)^2}\right)\bigg|_0^1 = \frac{2}{(n\pi)^2+1} \left( e \cos(n\pi) - 1\right) \\ &= \begin{cases} \displaystyle\frac{2(e-1)}{(n\pi)^2+1} &\quad \text{jika $n$ genap}\\ \displaystyle\frac{-2(e+1)}{(n\pi)^2+1} &\quad \text{jika $n$ ganjil}\\ \end{cases} \end{aligned} Dalam L2[0,1]L^2[0,1], kita memperoleh deret berikut; karena perluasan genap tersebut kontinu dan terdiferensialkan sepotong-sepotong, kesamaan yang ditampilkan juga berlaku titik demi titik untuk 0x<10\leq x<1:

ex=e1+m=12(e1)(2mπ)2+1cos(2mπx)m=12(e+1)((2m1)π)2+1cos((2m1)πx).e^x = e - 1 + \sum_{m=1}^\infty \frac{2(e-1)}{(2m\pi)^2+1} \cos(2m \pi x) - \sum_{m=1}^\infty \frac{2(e+1)}{((2m-1)\pi)^2+1} \cos((2m-1) \pi x) \ .

Kasus Khusus Lainnya

Dengan memperluas definisi suatu fungsi f:[0,L]f:[0,L] \to \mathbb{R} ke interval yang lebih besar daripada [0,L][0,L], kita dapat memperoleh deret Fourier yang berbeda bagi ff pada [0,L][0,L] dalam bentuk fungsi-fungsi sinus dan kosinus.

Sebagai contoh, jika kita memperluas fungsi fL2[0,L]\displaystyle f \in L^2[0,L] menjadi fungsi genap F:[2L,2L]F:[-2L,2L]\rightarrow \mathbb{R} sebagai berikut,

F(x)={f(2Lx)jikaL<x2Lf(x)jika0xLf(x)jikaLx<0f(2L+x)jika2Lx<LF(x) = \begin{cases} -f(2L-x) & \quad \text{jika} \ L<x\leq 2L \\ f(x) & \quad \text{jika} \ 0 \leq x\leq L \\ f(-x) & \quad \text{jika} \ -L\leq x < 0 \\ -f(2L+x) & \quad \text{jika} \ -2L\leq x < -L \end{cases} maka FL2[2L,2L]\displaystyle F\in L^2[-2L,2L], dan deret Fourier kosinus FF pada [0,2L][0,2L] yang dibatasi ke [0,L][0,L] memberikan representasi deret berikut bagi ff pada [0,L][0,L], dengan kekonvergenan dalam L2[0,L]L^2[0,L]:

n=1ancos((2n1)πx2L)\sum_{n=1}^{\infty} \, a_n \cos\left(\frac{(2n-1)\pi x}{2L}\right) pada [0,L][0,L] dalam pengertian L2L^2, dengan an=2L0Lf(x)cos((2n1)πx2L)dx\displaystyle a_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} \, f(x) \cos\left(\frac{(2n-1) \pi x}{2L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1. Untuk memperoleh rumus ini, kita perlu memperhatikan bahwa

cos(mπx2L)={cos(mπ(2Lx)2L)jika m genapcos(mπ(2Lx)2L)jika m ganjil\cos\left(\frac{m \pi x}{2L}\right) = \begin{cases} \displaystyle \cos\left(\frac{m \pi (2L-x)}{2L}\right) & \quad \text{jika $m$ genap} \\ \displaystyle -\cos\left(\frac{m \pi (2L-x)}{2L}\right) & \quad \text{jika $m$ ganjil} \end{cases} untuk Lx2LL \leq x \leq 2L. Jadi,

F(x)cos(mπx2L)=F(x)cos(mπ(2Lx)2L)=F(2Lx)cos(mπ(2Lx)2L)F(x) \cos\left(\frac{m \pi x}{2L}\right) = F(x) \cos\left(\frac{m \pi (2L-x)}{2L}\right) = -F\left( 2L-x\right) \cos\left(\frac{m \pi (2L-x)}{2L}\right) untuk mm genap dan L<x2LL < x \leq 2L, sedangkan

F(x)cos(mπx2L)=F(x)cos(mπ(2Lx)2L)=F(2Lx)cos(mπ(2Lx)2L)F(x) \cos\left(\frac{m \pi x}{2L}\right) = -F(x) \cos\left(\frac{m \pi (2L-x)}{2L}\right) = F\left( 2L-x\right) \cos\left(\frac{m \pi (2L-x)}{2L}\right) untuk mm ganjil dan L<x2LL < x \leq 2L. Selanjutnya, kita memperoleh

am=22L02LF(x)cos(mπx2L)dx={2L0Lf(x)cos(mπx2L)dxjika m ganjil0jika m genapa_m = \frac{2}{2L} \int_{0}^{2L} \, F(x) \cos\left(\frac{m \pi x}{2L}\right) \,\mathrm{d}{x} = \begin{cases} \displaystyle\frac{2}{L} \int_{0}^{L} \, f(x) \cos\left(\frac{m \pi x}{2L}\right) \,\mathrm{d}{x} & \quad \text{jika $m$ ganjil} \\ 0 & \quad \text{jika $m$ genap} \end{cases}

Jika kita memperluas fungsi fL2[0,L]\displaystyle f \in L^2[0,L] menjadi fungsi ganjil F:[2L,2L]F:[-2L,2L]\rightarrow \mathbb{R} sebagai berikut,

F(x)={f(2Lx)jikaL<x2Lf(x)jika0<xL0jikax=0f(x)jikaLx<0f(2L+x)jika2Lx<LF(x) = \begin{cases} f(2L-x) & \quad \text{jika} \ L<x\leq 2L \\ f(x) & \quad \text{jika} \ 0 < x\leq L \\ 0 & \quad \text{jika} \ x=0 \\ -f(-x) & \quad \text{jika} \ -L\leq x < 0 \\ -f(2L+x) & \quad \text{jika} \ -2L\leq x < -L \end{cases} maka FL2[2L,2L]\displaystyle F\in L^2[-2L,2L], dengan F|[0,L]=fF\big|_{[0,L]}=f hampir di mana-mana (yakni sebagai kelas L2L^2), dan deret Fourier sinus FF pada [0,2L][0,2L] yang dibatasi ke [0,L][0,L] memberikan representasi deret berikut bagi ff pada [0,L][0,L], dengan kekonvergenan dalam L2[0,L]L^2[0,L]:

n=1bnsin((2n1)πx2L)\sum_{n=1}^{\infty} \, b_n \sin\left(\frac{(2n-1)\pi x}{2L}\right) pada [0,L][0,L] dalam pengertian L2L^2, dengan bn=2L0Lf(x)sin((2n1)πx2L)dx\displaystyle b_n = \frac{2}{L} \int_{0}^{L} \, f(x) \sin\left(\frac{(2n-1)\pi x}{2L}\right) \,\mathrm{d}{x} untuk n1n \geq 1. Kita dapat meneruskan seperti di atas untuk memperoleh hasil ini.

Deret Fourier dalam (4.3.3) dan (4.3.4) masing-masing konvergen dalam L2[0,L]\displaystyle L^2[0,L] ke ff, yakni ke pembatasan hampir di mana-mana dari perluasan FF yang bersesuaian, karena setiap deret konvergen ke perluasan tersebut dalam L2[2L,2L]\displaystyle L^2[-2L,2L].

Deret Fourier Fungsi Dua Variabel

Jika, dalam definisi umum ruang L2\displaystyle L^2, kita mengambil a<ba<b dan c<dc<d, serta Ω=[a,b]×[c,d]\Omega =[a,b]\times[c,d] dan μ\mu sebagai ukuran Lebesgue pada Ω\Omega, maka kita memperoleh ruang L2([a,b]×[c,d])=L2([a,b]×[c,d],μ)\displaystyle L^2([a,b]\times[c,d]) = L^2([a,b]\times[c,d],\mu) yang terdiri atas kelas-kelas ekuivalensi, modulo kesamaan hampir di mana-mana, dari fungsi-fungsi terukur yang kuadratnya terintegralkan pada persegi panjang [a,b]×[c,d][a,b]\times[c,d]. Pembaca dipersilakan menuliskan definisi hasil kali skalar, norma, himpunan ortogonal, himpunan lengkap, … dalam kasus khusus L2([a,b]×[c,d])\displaystyle L^2([a,b]\times[c,d]).

Kita dapat memperluas konsep deret Fourier klasik secara alami kepada fungsi-fungsi dalam L2([a,b]×[c,d])\displaystyle L^2([a,b]\times[c,d]). Sebagai contoh, untuk a,b>0a,b>0, deret Fourier sinus suatu fungsi fL2([0,a]×[0,b])\displaystyle f \in L^2([0,a]\times[0,b]) adalah

m=1n=1cm,nsin(mπxa)sin(nπyb),\sum_{m=1}^{\infty} \sum_{n=1}^{\infty} \, c_{m,n} \sin\left(\frac{m \pi x}{a} \right)\sin\left(\frac{n \pi y}{b} \right) \ , dengan cm,n=4ab0b0af(x,y)sin(mπxa)sin(nπyb)dxdy\displaystyle c_{m,n} = \frac{4}{ab} \int_{0}^{b} \int_{0}^{a} f(x,y) \sin \left(\frac{m \pi x}{a}\right) \sin\left(\frac{n \pi y}{b}\right) \,\mathrm{d}{x}\,\mathrm{d}{y} untuk n,m1n,m \geq 1. Notasi jumlah ganda ini berarti bahwa jumlah parsial persegi panjang SM,N(x,y)=m=1Mn=1Ncm,nsin(mπxa)sin(nπyb)\displaystyle S_{M,N}(x,y)=\sum_{m=1}^{M}\sum_{n=1}^{N}c_{m,n} \sin\left(\frac{m\pi x}{a}\right)\sin\left(\frac{n\pi y}{b}\right) memenuhi fSM,NL2([0,a]×[0,b])0\displaystyle\|f-S_{M,N}\|_{L^2([0,a]\times[0,b])}\to0 saat M,NM,N\to\infty.

Contoh-contoh lain deret Fourier klasik dalam L2([a,b]×[c,d])\displaystyle L^2([a,b]\times[c,d]) diserahkan kepada pembaca.

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.

← Kembali ke Program Matematika