Ми розглянемо висловлювання ряду Фур'є в тригонометричній та комплексній формі, а також приділимо увагу умовам Диріхле збіжності ряду Фур'є. Крім того, ми докладно зупинимося на поясненні такого поняття, як негативна частота спектра сигналу, що часто викликає складність при знайомстві з теорією спектрального аналізу.
Періодичний сигнал Тригонометричний ряд Фур'є
Нехай є періодичний сигнал безперервного часу, який повторюється з періодом, тобто. де - довільне ціле число.
Як приклад на малюнку 1 показано послідовність прямокутних імпульсів тривалості c, що повторюються з періодом с.
Рисунок 1. Періодична послідовність
прямокутних імпульсів
З курсу математичного аналізу відомо, що система тригонометричних функцій
З кратними частотами , де рад/с, - ціле число, утворює ортонормований базис для розкладання періодичних сигналів з періодом, що задовольняють умови Диріхле. Умови Дирихле збіжності низки Фур'є вимагають, щоб періодичний сигнал було встановлено на сегменті , у своїй задовольняв наступним умовам:
Наприклад, періодична функція 
не задовольняє умовам Діріхле, тому що функція має розриви другого роду і набуває нескінченних значень при , де - довільне ціле. Таким чином, функція не може бути представлена поряд Фур'є. Також можна навести приклад функції 
, яка є обмеженою, але також не задовольняє умовам Диріхле, оскільки має нескінченну кількість точок екстремуму при наближенні до нуля. Графік функції показаний малюнку 2.
Малюнок 2. Графік функції :
а - два періоди повторення; б - в околиці
На малюнку 2а показано два періоди повторення функції , а малюнку 2б — область на околиці . Можна бачити, що при наближенні до нуля частота коливань нескінченно зростає, і така функція не може бути представлена поруч Фур'є, тому що вона не є шматково-монотонною.
Слід зазначити, що у практиці немає сигналів з нескінченними значеннями струму чи напруги. Функції з нескінченним числом екстремумів типу також у прикладних завданнях не зустрічаються.
Всі реальні періодичні сигнали задовольняють умовам Диріхле і можуть бути представлені нескінченним тригонометричним рядом Фур'є виду:
У виразі (2) коефіцієнт задає постійну складову періодичного сигналу.
У всіх точках, де сигнал безперервний, ряд Фур'є (2) сходить до значень даного сигналу, а в точках розриву першого роду - до середнього значення, де і - межі зліва і праворуч від точки розриву відповідно.
Також з курсу математичного аналізу відомо, що використання усіченого ряду Фур'є, що містить тільки перших членів замість нескінченної суми, призводить до наближеного подання сигналу:
За якого забезпечується мінімум середнього квадрата помилки. Малюнок 3 ілюструє наближення періодичної послідовності прямокутних імпульсів та періодичного пилкоподібного сигналу при використанні різної кількості членів ряду Фур'є.
Малюнок 3. Наближення сигналів усіченим рядом Фур'є:
а - Прямокутних імпульсів; б - пилкоподібного сигналу
Ряд Фур'є у комплексній формі
У попередньому параграфі ми розглянули тригонометричний ряд Фур'є для розкладання довільного періодичного сигналу, що задовольняє умови Диріхле. Застосувавши формулу Ейлера, можна показати:
Тоді тригонометричний ряд Фур'є (2) з урахуванням (4):
Таким чином, періодичний сигнал може бути представлений сумою постійної складової та комплексних експонентів, що обертаються з частотами з коефіцієнтами для позитивних частот , і для комплексних експонентів, що обертаються з негативними частотами .
Розглянемо коефіцієнти для комплексних експонентів, що обертаються з позитивними частотами:
Вирази (6) і (7) збігаються, крім того, постійну складову також можна записати через комплексну експоненту на нульовій частоті:
Таким чином, (5) з урахуванням (6)-(8) можна подати як єдину суму при індексації від мінус нескінченності до нескінченності:
Індекс у позначенні частоти вказує номер дискретної гармоніки, причому негативні індекси відповідають негативним частотам.
З виразу (2) випливає, що для речового сигналу коефіцієнти та ряду (2) також є речовими. Однак (9) ставить у відповідність речовому сигналу , набір комплексно-сполучених коефіцієнтів , що відносяться як до позитивних, так і до негативних частот .
Деякі пояснення до ряду Фур'є у комплексній формі
У попередньому параграфі ми здійснили перехід від тригонометричного ряду Фур'є (2) до ряду Фур'є в комплексній формі (9). В результаті, замість розкладання періодичних сигналів у базисі речових тригонометричних функцій, ми отримали розкладання в базисі комплексних експонентів, з комплексними коефіцієнтами, та ще й з'явилися негативні частоти у розкладанні! Оскільки це питання часто зустрічає нерозуміння, необхідно дати деякі пояснення.
По-перше, працювати з комплексними експонентами здебільшого простіше, ніж із тригонометричними функціями. Наприклад, при множенні та розподілі комплексних експонентів достатньо лише скласти (відняти) показники, у той час як формули множення та розподілу тригонометричних функцій більш громіздкі.
Якщо сигнал періодичний і речовий, то тригонометричний ряд Фур'є (2) здається наочнішим, тому що всі коефіцієнти розкладання і залишаються речовими. Однак, часто доводиться мати справу з комплексними періодичними сигналами (наприклад, при модуляції та демодуляції використовують квадратурне уявлення комплексної огинаючої). У цьому випадку при використанні тригонометричного ряду Фур'є всі коефіцієнти і розкладання (2) стануть комплексними, в той час як при використанні ряду Фур'є в комплексній формі (9) будуть використані одні й ті ж коефіцієнти розкладання як для речових, так і для комплексних вхідних. сигналів.
Ну і нарешті, необхідно зупинитись на поясненні негативних частот, які з'явилися у (9). Це питання часто викликає нерозуміння. Уповсякденному житті
ми не стикаємося із негативними частотами. Наприклад, ми ніколи не налаштовуємо свій радіоприймач на негативну частоту. Давайте розглянемо таку аналогію з механіки. Нехай є механічний пружинний маятник, який здійснює вільні коливання з деякою частотою. Чи може маятник вагатися з негативною частотою? Звичайно, ні. Як немає радіостанцій, які виходять в ефір на негативних частотах, і частота коливань маятника може бути негативною.
Але пружинний маятник – одномірний об'єкт (маятник здійснює коливання вздовж однієї прямої).
Ми можемо також навести ще одну аналогію з механіки: колесо, що обертається із частотою . Колесо, на відміну маятника обертається, тобто. точка на поверхні колеса переміщається у площині, а не просто здійснює коливання вздовж однієї прямої. Тому для однозначного завдання обертання колеса задати частоту обертання недостатньо, тому що необхідно задати також напрямок обертання. Саме для цього ми і можемо використовувати знак частоти.
Так, якщо колесо обертається з кутовою частотою рад/с проти годинникової стрілки, то вважаємо, що колесо обертається з позитивною частотою, а якщо за годинниковою стрілкою, то частота обертання буде негативною. Таким чином, для завдання обертання негативна частота перестає бути нісенітницею і вказує напрямок обертання.
А тепер найголовніше, що ми маємо зрозуміти. Коливання одновимірного об'єкта (наприклад, пружинного маятника) може бути подане як сума обертань двох векторів, показаних на малюнку 4.
Малюнок 4. Коливання пружинного маятника
Маятник здійснює коливання вздовж речової осі комплексної площини з частотою за гармонійним законом. Рух маятника показує горизонтальний вектор. Верхній вектор робить обертання на комплексній площині з позитивною частотою (проти годинникової стрілки), а нижній вектор обертається з негативною частотою (у напрямку годинникової стрілки). Малюнок 4 наочно ілюструє добре відоме з курсу тригонометрії співвідношення:
Таким чином, ряд Фур'є в комплексній формі (9) представляє періодичні одновимірні сигнали як суму векторів на комплексній площині, що обертаються з позитивними та негативними частотами. При цьому звернемо увагу, що у разі речового сигналу згідно з (9) коефіцієнти розкладання для негативних частот є комплексно-сполученими відповідним коефіцієнтам для позитивних частот. У разі комплексного сигналу ця властивість коефіцієнтів не виконується через те, що також є комплексними.
Спектр періодичних сигналів
Ряд Фур'є в комплексній формі являє собою розкладання періодичного сигналу на суму комплексних експонентів, що обертаються з позитивними і негативними кратними частотами рад/c з відповідними комплексними коефіцієнтами , які визначають спектр сигналу . Комплексні коефіцієнти можуть бути представлені за формулою Ейлера як , де амплітудний спектр, a фазовий спектр.
Оскільки періодичні сигнали розкладаються лише на фіксованій сітці частот , то спектр періодичних сигналів є лінійчастим (дискретним).
Рисунок 5. Спектр періодичної послідовності
прямокутних імпульсів:
а - амплітудний спектр; б - фазовий спектр
На малюнку 5 наведено приклад амплітудного та фазового спектру періодичної послідовності прямокутних імпульсів (див. малюнок 1) при с, тривалості імпульсу c і амплітуді імпульсів.
Ряд Фур'є періодичних функцій із періодом 2π.
Ряд Фур'є дозволяє вивчати періодичні функції, розкладаючи їх на компоненти. Змінні струми та напруги, зміщення, швидкість та прискорення кривошипно-шатунних механізмів та акустичні хвилі – це типові практичні прикладизастосування періодичних функцій у інженерних розрахунках.
Розкладання в ряд Фур'є ґрунтується на припущенні, що всі функції, що мають практичне значення в інтервалі -π ≤x≤ π можна виразити у вигляді схожих тригонометричних рядів (ряд вважається схожим, якщо сходиться послідовність часткових сум, складених з його членів):
Стандартний (=звичайний) запис через суму sinx та cosx
f(x)=a o + a 1 cosx+a 2 cos2x+a 3 cos3x+...+b 1 sinx+b 2 sin2x+b 3 sin3x+...,
де a o , a 1 ,a 2 ,...,b 1 ,b 2 ,.. - Справжні константи, тобто.
Де для діапазону від -π до π коефіцієнти ряду Фур'є розраховуються за формулами:
Коефіцієнти a o ,a n і b n називаються коефіцієнтами Фур'є, і якщо їх можна знайти, то ряд (1) називається поряд Фур'є,відповідним функції f(x). Для ряду (1) член (a 1 cosx+b 1 sinx) називається першим або основною гармонікою,
Інший спосіб запису ряду - використання співвідношення acosx+bsinx=csin(x+α)
f(x)=a o +c 1 sin(x+α 1)+c 2 sin(2x+α 2)+...+c n sin(nx+α n)
Де a o - константа, з 1 = (a 1 2 + b 1 2) 1/2, з n = (a n 2 + b n 2) 1/2 - амплітуди різних компонентів, а дорівнює a n = arctg a n / b n .
Для ряду (1) член (a 1 cosx+b 1 sinx) або c 1 sin(x+α 1) називається першим або основною гармонікою,(a 2 cos2x+b 2 sin2x) або c 2 sin(2x+α 2) називається другий гармонікоюі так далі.
Для точного уявлення складного сигналу зазвичай потрібна нескінченна кількість членів. Однак у багатьох практичних завданнях достатньо розглянути лише кілька перших членів.
Ряд Фур'є неперіодичних функцій із періодом 2π.
Розкладання неперіодичних функцій.
Якщо функція f(x) неперіодична, значить, вона не може бути розкладена в ряд Фур'є для всіх значень х. Однак можна визначити ряд Фур'є, що представляє функцію в будь-якому діапазоні шириною 2?
Якщо задана неперіодична функція, можна скласти нову функцію, вибираючи значення f(x) у певному діапазоні та повторюючи їх поза цим діапазоном з інтервалом 2π. Оскільки нова функція є періодичною з періодом 2π, її можна розкласти до ряду Фур'є для всіх значень х. Наприклад, функція f(x)=x не є періодичною. Однак, якщо необхідно розкласти її в ряд Фур'є на інтервалі від до 2π, тоді поза цим інтервалом будується періодична функція з періодом 2π (як показано на рис. нижче).
Для неперіодичних функцій, таких як f(x)=х, сума ряду Фур'є дорівнює значенню f(x) у всіх точках заданого діапазону, але вона не дорівнює f(x) для точок поза діапазоном. Для знаходження ряду Фур'є неперіодичної функції в діапазоні 2π використовується все та ж формула коефіцієнтів Фур'є.
Парні та непарні функції.
Говорять, функція y=f(x) парнаякщо f(-x)=f(x) для всіх значень х. Графіки парних функцій завжди симетричні щодо осі у (тобто є дзеркально відбитими). Два приклади парних функцій: у = х 2 і у = cosx.
Говорять, що функція y=f(x) непарна,якщо f(-x)=-f(x) всім значень х. Графіки непарних функцій завжди симетричні щодо початку координат.
Багато функцій не є ні парними, ні непарними.
Розкладання в ряд Фур'є по косинус.
Ряд Фур'є парної періодичної функції f(x) з періодом 2π містить лише члени з косинусами (тобто не містить членів із синусами) і може включати постійний член. Отже,
де коефіцієнти ряду Фур'є,
Ряд Фур'є непарної періодичної функції f(x) з періодом 2π містить лише члени із синусами (тобто не містить членів із косинусами).
Отже,
де коефіцієнти ряду Фур'є,
Ряд Фур'є на півперіоді.
Якщо функція визначена для діапазону, скажімо від 0 до π, а не тільки від 0 до 2π, її можна розкласти в ряд тільки синусами або тільки по косинусах. Отриманий ряд Фур'є називається поряд Фур'є на напівперіоді.
Якщо потрібно отримати розкладання Фур'є на напівперіоді по косинусахфункції f(x) в діапазоні від 0 до π, необхідно скласти парну періодичну функцію. На рис. Нижче показана функція f(x)=х, побудована на інтервалі від х=0 до х=π. Оскільки парна функціясиметрична щодо осі f(x), проводимо лінію АВ, як показано на рис. нижче. Якщо припустити, що поза розглянутим інтервалом отримана трикутна формає періодичною з періодом 2π, то підсумковий графік має вигляд, показ. на рис. нижче. Оскільки потрібно отримати розкладання Фур'є по косинусах, як і раніше, обчислюємо коефіцієнти Фур'є a o і a n
Якщо потрібно отримати розкладання Фур'є на напівперіоді за синусамифункції f(x) в діапазоні від 0 до π, необхідно скласти непарну періодичну функцію. На рис. нижче показана функція f(x)=x, побудована на інтервалі від х=0 до х=π. Оскільки непарна функція симетрична щодо початку координат, будуємо лінію CD, як показано на рис. Якщо припустити, що поза розглянутого інтервалу отриманий пилкоподібний сигнал є періодичним з періодом 2π, то підсумковий графік має вигляд, показаний на рис. Оскільки потрібно отримати розкладання Фуріє на напівперіод по синусах, як і раніше, обчислюємо коефіцієнт Фур'є. b
Ряд Фур'є для довільного інтервалу.
Розкладання періодичної функції із періодом L.
Періодична функція f(x) повторюється зі збільшенням x L, тобто. f(x+L)=f(x). Перехід від розглянутих раніше функцій із періодом 2π до функцій із періодом L досить простий, оскільки його можна здійснити за допомогою заміни змінної.
Щоб знайти ряд Фур'є функції f(x) в діапазоні -L/2≤x≤L/2, введемо нову змінну u таким чином, щоб функція f(x) мала період 2π щодо u. Якщо u=2πх/L, то х=-L/2 при u=-π та х=L/2 при u=π. Також нехай f(x)=f(Lu/2π)=F(u). Ряд Фур'є F(u) має вигляд
(Межі інтегрування можуть бути замінені на будь-який інтервал довжиною L, наприклад, від 0 до L)
Ряд Фур'є на напівперіод для функцій, заданих в інтервалі L≠2π.
Для підстановки u=πх/L інтервал від x=0 до x=L відповідає інтервалу від u=0 до u=π. Отже, функцію можна розкласти в ряд тільки по косинус або тільки по синусах, тобто. в ряд Фур'є на півперіоді.
Розкладання по косинусах в діапазоні від 0 до L має вигляд
, де
.
Поруч Фур'є функції f(x) на інтервалі (-l;l) називається тригонометричний ряд виду: 
, де
.
Призначення. Онлайн калькуляторпризначений для розкладання функції f(x) в Ряд Фур'є.
Для функцій модуля (наприклад, |x|), використовуйте розкладання по косинусах.
Правила введення функцій:
Для функцій модуля використовуйте розкладання по косинусах. Наприклад, для | x | необхідно запровадити функцію без модуля, тобто. x.Ряд Фур'є шматково-безперервної, шматково-монотонної та обмеженої на інтервалі (- l;l) функції сходиться по всій числової осі.
Сума ряду Фур'є S(x) :
- є періодичною функцією з періодом 2 l. Функція u(x) називається періодичною з періодом T (або T-періодичною), якщо для всіх x області R, u(x+T)=u(x).
- на інтервалі (- l;l) збігається з функцією f(x), за винятком точок розриву
- у точках розриву (першого роду, тому що функція обмежена) функції f(x) і на кінцях інтервалу приймає середні значення:
Говорять, що функція розкладається в ряд Фур'є на інтервалі (- l;l):
.
Якщо f(x) – парна функція, то її розкладанні беруть участь лише парні функції, тобто b n=0.
Якщо f(x) – непарна функція, то її розкладанні беруть участь лише непарні функції, тобто а n=0
Поруч Фур'є
функції f(x) на інтервалі (0; l) по косинусах кратних дуг
називається ряд: 
, де 
.
Поруч Фур'є
функції f(x) на інтервалі (0; l) за синусами кратних дуг
називається ряд: 
, де 
.
Сума ряду Фур'є за косинусами кратних дуг є парною періодичною функцією з періодом 2 l, що збігається з f(x) на інтервалі (0; l) у точках безперервності.
Сума ряду Фур'є за синусами кратних дуг є непарною періодичною функцією з періодом 2 l, що збігається з f(x) на інтервалі (0; l) у точках безперервності.
Ряд Фур'є для даної функції на даному інтервалі має властивість єдиності, тобто якщо розкладання отримано якимось іншим способом, ніж використання формул, наприклад, за допомогою підбору коефіцієнтів, ці коефіцієнти збігаються з обчисленими за формулами.
Приклад №1. Розкласти функцію f(x)=1:
а) у повний ряд Фур'є на інтервалі(-π ;π);
б) у ряд за синусами кратних дуг на інтервалі(0;π); побудувати графік отриманого ряду Фур'є
Рішення:
а) Розкладання до ряду Фур'є на інтервалі(-π;π) має вигляд: 
,
причому всі коефіцієнти b n=0, т.к. дана функція – парна; таким чином,
Очевидно, рівність буде виконана, якщо прийняти
а 0 =2, а 1 =а 2 =а 3 =…=0
З огляду на властивості єдиності і є шукані коефіцієнти. Таким чином, шукане розкладання: 
чи просто 1=1.
У такому разі, коли ряд тотожно збігається зі своєю функцією, графік ряду Фур'є збігається з графіком функції на всій числовій прямій.
б) Розкладання на інтервалі (0;π) за синусами кратних дуг має вигляд:
Підібрати коефіцієнти те щоб рівність тотожно виконувалося, очевидно, неможливо. Скористаємося формулою для обчислення коефіцієнтів:
Таким чином, для парних n (n=2k) маємо b n=0, для непарних ( n=2k-1) - 
Звісно, 
.
Побудуємо графік отриманого ряду Фур'є, скориставшись його властивостями (див. вище).
Насамперед, будуємо графік цієї функції на заданому інтервалі. Далі, скориставшись непарністю суми ряду, продовжуємо графік симетрично початку координат: 
Продовжуємо періодично на всій числовій осі: 
І нарешті, в точках розриву заповнюємо середні (між правим і лівим межею) значення: 
Приклад №2. Розкласти функцію 
на інтервалі (0; 6) за синусами кратних дуг.
Рішення: Розкладання, що шукається, має вигляд:
Оскільки і ліва, і права частини рівності містять лише функції sinвід різних аргументів, слід перевірити, чи збігаються при будь-яких значеннях n (натуральних!) аргументи синусів у лівій та правій частинахрівності:
або звідки n =18. Значить, такий доданок міститься у правій частині і коефіцієнт при ньому повинен співпадати з коефіцієнтом у лівій частині: b 18 =1;
або звідки n =4. Значить, b 4 =-5.
Таким чином, за допомогою підбору коефіцієнтів вдалося отримати розкладання:
Федеральне державне бюджетне освітня установа вищої освіти
«ПОВОЛЖСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
ТЕЛЕКОМУНІКАЦІЙ ТА ІНФОРМАТИКИ»
Кафедра вищої математики
О.В.СТАРОЖИЛОВА
СПЕЦІАЛЬНІ ГОЛОВИ МАТЕМАТИКИ
протокол №45, від 10.03.2017 р.
Старожилова, О.В.
З Спеціальні розділи математики: навчальний посібник //Старожилова О.В.. – Самара: ПГУТІ, 2017. –221 с.
Навчальний посібникзачіпає спеціальні розділи математики: математична логіка та теорія автоматів, алгебра висловлювань, обчислення висловлювань, елементи теорії алгоритмів, регресійний аналіз, методи оптимізації.
Для студентів та магістрів університету, які навчаються за напрямом 09.03.02 « Інформаційні системи та технології», які бажають вивчати спеціальні розділи математики самостійно.
Кожен розділ закінчується контрольними питаннями, які допоможуть перевірити теоретичне освоєння курсу, містить велику кількість завдань самостійного рішеннята відповіді для перевірки.
Посібник містить лабораторний комплекс та ряд інженерних завдань з акцентом на програмну реалізацію методів обчислювальної математики.
Старожилова О.В., 2017
Глава 1 Гармонічний аналіз 6
1.1 Завдання про струну, що звучить 7
1.2 Ортогональні системи функцій 8
1.3 Ряд Фур'є по тригонометричній системі функцій 10
1.4 Достатні умовирозкладання функції в ряд Фур'є 13
1.5 Розкладання ряд Фур'є неперіодичної функції 17
1.6 Ряд Фур'є для парних та непарних функцій 18
1.7 Ряди Фур'є для функцій будь-якого періоду 21
1.8 Інтеграл Фур'є 27
1.9 Інтеграл Фур'є для парної та непарної функції 29
1.10 Комплексна формаінтеграла Фур'є 30
1.11 Перетворення Фур'є 32
Глава 2 Математична логіка та ІВ 33
2.1 Етапи розвитку логіки 34
2.2 Логіка висловлювань 38
2.3Логічні зв'язки 40
2.4Логічні операції 41
2.5 Алфавіт обчислення висловлювань 42
2.6 Формули.Тавтологія 42
2.7 Закони логіки висловлювань 44
2.8. Формальні теорії. Виведення. Інтерпретація 46
2.9 Аксіоматичний метод 47
2.10 Система аксіом обчислення висловлювань (ІВ) 52
2.11 Правила виведення 53
2.12 Похідні правила виведення 56
2.13 Побудова висновку у логіці висловлювань 62
2.14 Зв'язок між алгеброю та обчисленням висловлювань 66
Глава 3 Завдання регресійного аналізу 70
3.1 Метод найменших квадратів 74
3.2 Лінійний регресійний аналіз 76
3.3 Оцінка моделі регресії 79
3.4 Проблеми застосування методу лінійної регресії 83
3.5 Передумови статистичної моделі ЛР 85
3.6 Завдання регресійного аналізу 86
3.7 Багатовимірна нормальна регресійна модель 90
3.8 Варіація залежної змінної 92
Контрольні питання 94
Глава 4 Загальна постановка та види завдань прийняття рішень 95
4.1 Математична постановка задачі оптимізації 97
4.2Локальний та глобальний мінімум ЦФ 99
4.3 Методи безумовної оптимізації 102
4.4 Метод покоординатного спуску 102
4.5 Метод Розенброку 105
4.6 Метод конфігурацій 105
4.7 Методи випадкового пошуку 108
4.8 Метод Ньютона 112
Глава 5 Перетворення Фур'є 114
5.1 Апрокісмація функції за Фур'є 114
5.2 Перетворення Фур'є 117
5.3 Швидке перетворення Фур'є 120
ЛАБОРАТОРНИЙ КОМПЛЕКС 123
Гармонічний та спектральний аналіз 123
Тема 1. «Логіка висловлювань» 131
Варіанти індивідуальних завдань теми ЛВ 133
Тема 2. Лінійна парна регресія 140
Лабораторна робота № 1 141
Обчислення коефіцієнтів рівняння ЛР 141
Лабораторна робота № 2 144
Обчислення вибіркового коефіцієнта кореляції 144
Лабораторна робота №3 145
Обчислення оцінок дисперсій парної ЛР 145
Лабораторна робота №4 147
Функції Excel для коефіцієнтів парної ЛР 147
Лабораторна робота № 5 149
Побудова інтервальної оцінки для функції парної ЛР 149
Лабораторна робота №6 151
Перевірка значущості рівняння ЛР за критерієм Фішера 151
Тема 3 Нелінійна парна регресія 153
Лабораторна робота № 7 153
Побудова нелінійної регресії з використанням 153
Команди «Додати лінію тренду» 153
Лабораторна робота № 8 158
Вибір найкращої нелінійної регресії 158
Тема 4. Лінійна множинна регресія 161
Лабораторна робота № 9 162
Обчислення коефіцієнтів ЛМР 162
Лабораторна робота № 10 166
Перевірка значущості в режимі Регресія 166
Тема 5. Нелінійна множинна регресія 175
Лабораторна робота № 11 175
Обчислення на функцію Кобба-Дугласа 175
Контрольна робота № 1 179
Парна регресія 179
Контрольна робота № 2 181
Множинна лінійна регресія 181
Численні методи пошуку безумовного екстремуму 185
Графічний аналіз функції 185
Завдання одновимірного пошуку 187
Алгоритм Свенна 190
Метод перебору 193
Метод розрядного пошуку 195
Метод дихотомії. 198
Метод Фібоначчі 201
Метод золотого перерізу 205
Метод середньої точки 210
Метод Ньютона 214
Література 218
Розділ 1 Гармонічний аналіз
ВизначенняГармонічний аналіз-розділ математики, пов'язаний з розкладанням коливань на гармонійні коливання
При вивченні періодичних (тобто повторюваних у часі) явищ розглядаються періодичні функції.
Наприклад, гармонійне коливання описується періодичною функцією часу. t:
Ø ВизначенняПеріодична функція- функція, значення якої не змінюється при додаванні до аргументу певного, нерівного нулю числа, що називається періодомфункції.
Так як сума і різницю двох періодів є знову період і, отже, будь-яке кратне періоду є також період, то кожна періодична функція має безліч періодів.
Якщо періодична функція має дійсний період, безперервна і відмінна від постійної, то для неї існує найменший позитивний період Т; будь-який інший дійсний період тієї ж функції матиме вигляд kT, де k =±1, ± 2,....
Сума, твір і частки періодичних функцій з тим самим періодом є періодичною функцією з тим же періодом.
Періодичні функції відіграють надзвичайно велику роль у теорії коливань і взагалі математичної фізики. В курсі математичного аналізу знайомилися з поняттям функціонального ряду, працювали з його важливим окремим випадком. статечним рядом. Розглянемо інший дуже важливий (зокрема й у фізичних додатків) окремий випадокфункціональних рядів - тригонометричний ряд.
Ø Визначення Функціональний ряд –ряд видів
де - функції, що залежать від однієї змінної або від кількох змінних.
При кожному фіксованому значенні функціональний ряд перетворюється на числовий ряд
який може сходитися, а може й розходиться.
Ø Визначення Точка збіжності функціонального ряду- Точка, в якій функціональний ряд сходиться.
Ø ВизначенняБезліч всіх точок збіжності називається областю збіжності ряду.
Чи можна цю функціюу вигляді тригонометричного ряду, тобто. чи можна знайти коефіцієнти a nі b nтакі, що всім має місце рівність
Сума низки очевидно, -періодична функція. Отже, розкладати в тригонометричний ряд можна лише періодичні функції f.
З іншого боку ясно, що й дві періодичні функції збігаються на проміжку, довжина якого дорівнює періоду, всі вони збігаються всюди. Тому достатньо перевірити на деякому проміжку довжини, наприклад, .
1.1 Завдання про струну, що звучить
До вивчення тригонометричних рядів призвела поставлене в 18 столітті завдання про струну, що звучить.
Дана функція, чи можна знайти тригонометричний ряд, який сходиться і має своєю сумою функцію. На необхідно накласти обмеження, щоб можна було шукати тригонометричний ряд, що сходиться до неї.
Аналогічне завдання було для статечних рядів, якщо вона можна розв'язати, то таким рядом є ряд Тейлора.
1.2 Ортогональні системи функцій
Систематичне вивчення ортогональних систем функцій було розпочато у зв'язку з методом Фур'є вирішення крайових завдань рівнянь математичної фізики. Одне з основних завдань теорії ортогональних систем функцій – завдання про розкладання функції f(x) до ряду виду , де ортогональна система функцій.
Ø ВизначенняФункції і називаються ортогональнимина , якщо виконується:
q приклад , 
- функції ортогональні на , т.к. 
q прикладна ортогональна до будь-якої, визначеної на функції.
Ø ВизначенняНескінченна система функцій називається ортогональнана , якщо
q прикладНескінченна система функцій на утворює ортогональну систему функцій
q приклад -тригонометрична система функційутворює ортогональну систему функцій.
, 
, 
.
Ø ВизначенняНехай задана довільна ортогональна система функцій . Ряд
де - довільні числові коефіцієнти, що називаються поряд за ортогональною системою функцій.
Ø ВизначенняРяд по тригонометричній системі функцій
називається тригонометричним рядом.
ü ЗауваженняЯкщо - сума тригонометричного ряду, що сходить у кожній точці, то вона періодична, так як - періодичні функції з періодом, то в рівності 
нічого не зміниться, отже періодична.
ü ЗауваженняЯкщо задана на відрізку , але не , зрушенням початку координат можна звести до вивченого випадку.
ü ЗауваженняЯкщо періодична функція з періодом ,ні , її розкладають в тригонометрический ряд
q ТеоремаЯкщо сходиться числовий ряд, то тригонометричний ряд
сходиться абсолютно і рівномірно по всій осі.
Доведення
Отже,
ряд - мажорує даний тригонометричний ряд, за ознакою Вейєрштраса сходиться поступово.
Абсолютна збіжність очевидна.
1.3 Ряд Фур'є за тригонометричною системою функцій
Жан Батіст Жозеф Фур'є 1768 – 1830 – французький математик.
Для обчислення коефіцієнтів ряду Фур'є обчислимо інтеграли
, 
, 
, 
,
q ТеоремаЯкщо всім має місце рівність
і тригонометричний ряд сходиться рівномірно по всій осі, то коефіцієнти цього ряду визначаються
, 
,
Доведення
Ряд сходиться рівномірно по всій числової осі, його членами є безперервні функції, його сума теж безперервна і можливо почленное інтегрування низки межах
Кожен інтеграл дорівнює нулю, т.к. тригонометрична система функцій ортогональна на , а , то
Для доказу помножимо обидві частини на
Не порушить рівномірної збіжності низки.
В силу рівномірної збіжності ряду
а це і означає збіжність рівномірної низки.
Інтегруючи на , маємо
В силу ортогональності тригонометричної системи функцій на
, 
, а з 
відмінний інтеграл при ,
, Що і т.д.
Запам'ятаємо, що
Справедливість цих рівностей випливає із застосування до підінтегрального виразу тригонометричних формул.
Формула доводиться аналогічно.
ü ЗауваженняТеорема залишається справедливою на будь-якому відрізку, при цьому межі інтегрування замінюються відповідно на і.
Ø ВизначенняТригонометричний ряд
,
коефіцієнти якого визначаються за формулами
, ,
,
називається поряд Фур'єдля функції , а коефіцієнти називаються коефіцієнти Фур'є.
Якщо ряд Фур'є функції f(x)сходиться у всіх її точках безперервності, то кажуть, що функція f(x) розкладається до ряду Фур'є.
ü ЗауваженняНе всякий тригонометричний ряд є поруч Фур'є, навіть, якщо він сходиться на всій числовій прямій.
Сума ряду, що нерівномірно сходить, може бути розривною і не інтегрованою, тому визначення коефіцієнтів Фур'є неможливе.
ü ЗауваженняРяд Фур'є є окремим випадком функціональних рядів.
1.4 Достатні умови розкладання функції до ряду Фур'є
Ø ВизначенняФункція називається шматково-монотонної на відрізку,якщо цей відрізок можна розбити кінцевим числом точок x 1 , x 2 , ..., x n-1на інтервали ( a,x 1), (x 1,x 2), ..., (x n-1,b) отже на кожному з інтервалів функція монотонна, т. е. або зростає, або зменшується.
ü ЗауваженняЗ визначення випливає, що якщо функція шматково-монотонна і обмежена на [ a,b], то має розриви лише першого роду.
Ø ВизначенняФункція називається шматково-гладкою, якщо кожному кінцевому інтервалі вона та її похідна мають трохи більше кінцевого числа точок розриву 1-го роду.
q Теорема (умова Діріхледостатня умова розкладності функції в ряд Фур'є): Якщо періодична функція з періодом задовольняє одну з умов:
то ряд Фур'є, побудований для цієї функції, сходиться у всіх точках
і сходиться до 
у кожній точці її розриву.
Сума отриманого ряду дорівнює значенню функції у точках безперервності функції
Функції, розкладаючи їх у компоненти. Змінні струми та напруги, зміщення, швидкість та прискорення кривошипно-шатунних механізмів та акустичні хвилі – це типові практичні приклади застосування періодичних функцій в інженерних розрахунках.
Розкладання в ряд Фур'є ґрунтується на припущенні, що всі функції, що мають практичне значення в інтервалі -π ≤x≤ π можна виразити у вигляді схожих тригонометричних рядів (ряд вважається схожим, якщо сходиться послідовність часткових сум, складених з його членів):
Стандартний (=звичайний) запис через суму sinx та cosx
f(x)=a o + a 1 cosx+a 2 cos2x+a 3 cos3x+...+b 1 sinx+b 2 sin2x+b 3 sin3x+...,
де a o , a 1 ,a 2 ,...,b 1 ,b 2 ,.. - Справжні константи, тобто.
Де для діапазону від -π до π коефіцієнти ряду Фур'є розраховуються за формулами:
Коефіцієнти a o ,a n і b n називаються коефіцієнтами Фур'є, і якщо їх можна знайти, то ряд (1) називається поряд Фур'є,відповідним функції f(x). Для ряду (1) член (a 1 cosx+b 1 sinx) називається першим або основною гармонікою,
Інший спосіб запису ряду - використання співвідношення acosx+bsinx=csin(x+α)
f(x)=a o +c 1 sin(x+α 1)+c 2 sin(2x+α 2)+...+c n sin(nx+α n)
Де a o - константа, з 1 = (a 1 2 + b 1 2) 1/2, з n = (a n 2 + b n 2) 1/2 - амплітуди різних компонентів, а дорівнює a n = arctg a n / b n .
Для ряду (1) член (a 1 cosx+b 1 sinx) або c 1 sin(x+α 1) називається першим або основною гармонікою,(a 2 cos2x+b 2 sin2x) або c 2 sin(2x+α 2) називається другий гармонікоюі так далі.
Для точного уявлення складного сигналу зазвичай потрібна нескінченна кількість членів. Однак у багатьох практичних завданнях достатньо розглянути лише кілька перших членів.
Ряд Фур'є неперіодичних функцій із періодом 2π.
Розкладання неперіодичних функцій до ряду Фур'є.
Якщо функція f(x) неперіодична, значить, вона не може бути розкладена в ряд Фур'є для всіх значень х. Однак можна визначити ряд Фур'є, що представляє функцію в будь-якому діапазоні шириною 2?
Якщо задана неперіодична функція, можна скласти нову функцію, вибираючи значення f(x) у певному діапазоні та повторюючи їх поза цим діапазоном з інтервалом 2π. Оскільки нова функція є періодичною з періодом 2π, її можна розкласти до ряду Фур'є для всіх значень х. Наприклад, функція f(x)=x не є періодичною. Однак, якщо необхідно розкласти її в ряд Фур'є на інтервалі від до 2π, тоді поза цим інтервалом будується періодична функція з періодом 2π (як показано на рис. нижче).
Для неперіодичних функцій, таких як f(x)=х, сума ряду Фур'є дорівнює значенню f(x) у всіх точках заданого діапазону, але вона не дорівнює f(x) для точок поза діапазоном. Для знаходження ряду Фур'є неперіодичної функції в діапазоні 2π використовується все та ж формула коефіцієнтів Фур'є.
Парні та непарні функції.
Говорять, функція y=f(x) парнаякщо f(-x)=f(x) для всіх значень х. Графіки парних функцій завжди симетричні щодо осі у (тобто є дзеркально відбитими). Два приклади парних функцій: у = х 2 і у = cosx.
Говорять, що функція y=f(x) непарна,якщо f(-x)=-f(x) всім значень х. Графіки непарних функцій завжди симетричні щодо початку координат.
Багато функцій не є ні парними, ні непарними.
Розкладання в ряд Фур'є по косинус.
Ряд Фур'є парної періодичної функції f(x) з періодом 2π містить лише члени з косинусами (тобто не містить членів із синусами) і може включати постійний член. Отже,
де коефіцієнти ряду Фур'є,
Ряд Фур'є непарної періодичної функції f(x) з періодом 2π містить лише члени із синусами (тобто не містить членів із косинусами).
Отже,
де коефіцієнти ряду Фур'є,
Ряд Фур'є на півперіоді.
Якщо функція визначена для діапазону, скажімо від 0 до π, а не тільки від 0 до 2π, її можна розкласти в ряд тільки синусами або тільки по косинусах. Отриманий ряд Фур'є називається поряд Фур'є на напівперіоді.
Якщо потрібно отримати розкладання Фур'є на напівперіоді по косинусахфункції f(x) в діапазоні від 0 до π, необхідно скласти парну періодичну функцію. На рис. Нижче показана функція f(x)=х, побудована на інтервалі від х=0 до х=π. Оскільки парна функція симетрична щодо осі f(x), проводимо лінію АВ, як показано на рис. нижче. Якщо припустити, що поза розглянутого інтервалу отримана трикутна форма є періодичною з періодом 2π, то підсумковий графік має вигляд, показ. на рис. нижче. Оскільки потрібно отримати розкладання Фур'є по косинусах, як і раніше, обчислюємо коефіцієнти Фур'є a o і a n
Якщо потрібно отримати функції f(x) у діапазоні від 0 до π, необхідно скласти непарну періодичну функцію. На рис. нижче показана функція f(x)=x, побудована на інтервалі від х=0 до х=π. Оскільки непарна функція симетрична щодо початку координат, будуємо лінію CD, як показано на рис. Якщо припустити, що поза розглянутого інтервалу отриманий пилкоподібний сигнал є періодичним з періодом 2π, то підсумковий графік має вигляд, показаний на рис. Оскільки потрібно отримати розкладання Фуріє на напівперіод по синусах, як і раніше, обчислюємо коефіцієнт Фур'є. b
Ряд Фур'є для довільного інтервалу.
Розкладання періодичної функції із періодом L.
Періодична функція f(x) повторюється зі збільшенням x L, тобто. f(x+L)=f(x). Перехід від розглянутих раніше функцій із періодом 2π до функцій із періодом L досить простий, оскільки його можна здійснити за допомогою заміни змінної.
Щоб знайти ряд Фур'є функції f(x) в діапазоні -L/2≤x≤L/2, введемо нову змінну u таким чином, щоб функція f(x) мала період 2π щодо u. Якщо u=2πх/L, то х=-L/2 при u=-π та х=L/2 при u=π. Також нехай f(x)=f(Lu/2π)=F(u). Ряд Фур'є F(u) має вигляд
Де коефіцієнти ряду Фур'є,
Однак найчастіше наведену вище формулу призводять до залежності від х. Оскільки u=2πх/L, отже du=(2π/L)dx, а межі інтегрування - від -L/2 до L/2 замість - π до π. Отже, ряд Фур'є для залежності від х має вигляд
де в діапазоні від -L/2 до L/2 коефіцієнти ряду Фур'є,
(Межі інтегрування можуть бути замінені на будь-який інтервал довжиною L, наприклад, від 0 до L)
Ряд Фур'є на напівперіод для функцій, заданих в інтервалі L≠2π.
Для підстановки u=πх/L інтервал від x=0 до x=L відповідає інтервалу від u=0 до u=π. Отже, функцію можна розкласти в ряд тільки по косинус або тільки по синусах, тобто. в ряд Фур'є на півперіоді.
Розкладання по косинусах в діапазоні від 0 до L має вигляд
