Forelesning Matematikk 4N

Like dokumenter
Forelesning Matematikk 4N

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 2. september 2011

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

TMA4120 Matematikk 4K Høst 2015

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

2 Fourierrekker TMA4125 våren 2019

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

TMA4135 Matematikk 4D Høst 2014

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

0.1 Kort introduksjon til komplekse tall

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

(s + 1) s(s 2 +2s+2) : 1 2 s s + 2 = 1 2. s 2 + 2s cos(t π) e (t π) sin(t π) e (t π)) u(t π)

13.1 Fourierrekker-Oppsummering

1 Mandag 1. februar 2010

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

Eksamensoppgave i TMA4125 Matematikk 4N

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I MATEMATIKK 4N/D (TMA4125 TMA4130 TMA4135) Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

8 Interpolasjon TMA4125 våren 2019

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

EKSAMEN. Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Morten Brekke. Klasser: (div) Dato: 18. feb Eksamenstid:

Derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 30. august 2011

Newtons metode - Integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Konvergenstester Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Fakta om fouriertransformasjonen

x(x 1)(x 2) p(x) = 3,0 1( 1 1)( 1 2) Newtons interpolasjonsformel: Tabellen over dividerte differenser er gitt ved

TMA4120 Matematikk 4K Høst 2015

MAT Grublegruppen Notat 6

UNIVERSITETET I OSLO

Areal mellom kurver Volum Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

Volum Lengde Areal Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

MA0002 Brukerkurs i matematikk B Vår 2016

Eksamen i emnet M117 - Matematiske metodar Onsdag 7. september 2001, kl Løysingsforslag:

Løsningsforslag, Ma-2610, 18. februar 2004

MA1102 Grunnkurs i Analyse II Vår 2015

= x lim n n 2 + 2n + 4

Fasit til utvalgte oppgaver MAT1100, uka 15/11-19/11

TMA4110 Matematikk 3 Eksamen høsten 2018 Løsning Side 1 av 9. Løsningsforslag. Vi setter opp totalmatrisen og gausseliminerer:

Eksamensoppgave i TMA4130/35 Matematikk 4N/4D

Fourieranalyse. Fourierrekker på reell form. Eksempel La. TMA4135 Matematikk 4D. En funksjon sies å ha periode p > 0 dersom

Eksamensoppgave i TMA4125 EKSEMPELEKSAMEN - LF

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til utvalgte oppgaver i kapittel 3

UNIVERSITETET I BERGEN

Repitisjon av Diverse Emner

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

UNIVERSITETET I BERGEN Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i MAT111 Grunnkurs i matematikk I Løsningsforslag

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D: Løysing

Forelesning i Matte 3

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2014

9 + 4 (kan bli endringer)

Derivasjon ekstremverdier Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

arbeid - massesenter - Delvis integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Ekstremverdier Mellomverdisatsen Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

MAT Grublegruppen Uke 37

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 18. august 2011

Dagens mål. Det matematiske fundamentet til den diskrete Fourier-transformen Supplement til forelesning 8 INF Digital bildebehandling

UNIVERSITETET I OSLO

Løsningsforslag til prøveeksamen i MAT 1110, våren 2006

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Et Komplekst tall på kartesisk(standard), polar(eksponentialform) og trigonometrisk form

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

s 2 Y + Y = (s 2 + 1)Y = 1 s 2 (1 e s ) e s = 1 s s2 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) 1 s 2 e s. s 2 (s 2 + 1) = 1 s 2 1 s s 2 e s.

UNIVERSITETET I OSLO

Kontinuitet og derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Eksamensoppgåve i TMA4135 Matematikk 4D

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2010

Løsningsforslag til Eksamen i MAT111

Vi regner først ut de nødvendige partiellderiverte for å se om vektorfeltet er konservativt. z = 2z, F 2 F 2 z = 2y, F 3. x = 2x, F 3.

EKSAMEN. Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Morten Brekke. Klasser: (div) Dato: 3. des Eksamenstid:

Andre forelesning Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Løsningsforslag for eksamen i brukerkurs i matematikk A (MA0001)

TMA Matematikk 4D Fredag 19. desember 2003 løsningsforslag

UNIVERSITETET I OSLO

Rekurrens. MAT1030 Diskret matematikk. Rekurrens. Rekurrens. Eksempel. Forelesning 16: Rekurrenslikninger. Dag Normann

UNIVERSITETET I OSLO

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

MAT1030 Diskret Matematikk

Forelesning 29: Kompleksitetsteori

Fourier-Transformasjoner

y = x y, y 2 x 2 = c,

Løysingsforslag for TMA4120, Øving 6

Integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

EKSAMEN I EMNET Løsning: Mat Grunnkurs i Matematikk I Mandag 14. desember 2015 Tid: 09:00 14:00

x 3 x x3 x 0 3! x2 + O(x 7 ) = lim 1 = lim Denne oppgaven kan også løses ved hjelp av l Hôpitals regel, men denne må da anvendes tre ganger.

En innføring i Fourrierrekker

Kort innføring i polynomdivisjon for MAT 1100

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

UNIVERSITETET I OSLO

I = (x 2 2x)e kx dx. U dv = UV V du. = x 1 1. k ekx x 1 ) = x k ekx 2x dx. = x2 k ekx 2 k. k ekx 2 k I 2. k ekx 2 k 1

Grublegruppe 19. sept. 2011: Algebra I

UNIVERSITETET I OSLO

UNIVERSITETET I OSLO

Transkript:

Forelesning Matematikk 4N Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 18. september 2006

2 Komplekse fourier rekker (10.5) Målet med denne leksjonen er vise hvordan man skrive fourier rekkene på kompleks form vise ved et eksempel at på denne formen så kan utregninger forenkles.

3 Eulers Formel Eulers formel sier at e ix = cos x + i sin x der i er den imaginære enheten i = 1. Om vi setter inn x istedet for x i Eulers formel så får vi e ix = cos x i sin x

e ix = cos x + i sin x (1) e ix = cos x i sin x (2) Om vi adderer uttrykkene for e ix og e ix og deler på 2 så får vi cos x = 1 ( e ix + e ix) 2 Om vi subtraherer de samme utrykkene og deler på 2i så får vi sin x = 1 ( e ix e ix) 2i

La f(x) være en periodisk funksjon med periode 2π Betrakt fourierrekken f(x) a 0 + (a n cos nx + b n sin nx) Vi vil skrive om denne ved hjelp av formelene for cos x og sin x over.

Vi repeterer cos x = 1 2 ( e ix + e ix) og setter inn i uttrykket sin x = 1 2i a n cos nx + b n sin nx = a n 2 ( e ix e ix) ( e inx + e inx) + b n ( e inx e inx) 2i = a n 2 einx + a n 2 e inx + b n 2i einx b n 2i e inx = 1 2 (a n ib n )e inx + 1 2 (a n + ib n )e inx

Vi har altså a n cos nx + b n sin nx = 1 2 (a n ib n )e inx + 1 2 (a n + ib n )e inx Vi lar c n = 1 2 (a n ib n ) c n = 1 2 (a n + ib n ) Da er a n cos nx + b n sin nx = c n e inx + c n e inx

Repeterer a n cos nx + b n sin nx = c n e inx + c n e inx f(x) a 0 + (a n cos nx + b n sin nx) La i tillegg c 0 vare gitt ved c 0 = a 0 Vi kan nå skrive fourierrekken over som f(x) c 0 + (c n e inx + c n e inx ) Dette forenkler vi videre til f(x) n= c n e inx

9 Den komplekse fourierrekken Denne er så elegant at den fortjener en egen side: f(x) n= c n e inx Vi kaller denne for den komplekse fourierrekken til f(x).

10 Utregning av komplekse koeffisientene f(x) n= c n e inx Vi vil finne koeffisientene c n for n =..., 3, 2, 1, 0, 1, 2, 3,... Disse koeffisienetene er gitt ved én formel. c n = 1 2π f(x)e inx dx

Vi vil bevise formelen c n = 1 2π f(x)e inx dx direkte. Bevis. Sett inn m= c me imx for f(x) i H.S.: 1 π 2π m= c m e imx e inx dx = 1 2π 1 2π m= m= c m e i(m n)x dx c m e i(m n)x dx =

Betrakt integralet e i(m n)x dx 1. Når m = n er integranden 1 og vi får verdien 2π 2. Når m n blir integralet 0: [ e i(m n)x 1 dx = i(m n) ei(m n)x = 1 i(m n) (ei(m n)π e i(m n)π ) = 2 sin(m n)π = 0 m n ] π

Vi repeterer fra 2 foiler siden: 1 π f(x)e inx dx = 1 2π 2π m= c m e i(m n)x dx Vi viste over at alle leddene i summen er null bortsett fra når m = n. 1 Vi har derfor at H.S. er c n 2π 2π = c n 1 π f(x)e inx dx = c n 2π som vi ønsket å bevise.

14 Periode 2L Definisjon Om perioden er 2L istedet for 2π så er den komplekse fourierrekken definert ved f(x) n= c n e inπx/l Setning Dens coeffisienter er gitt ved c n = 1 L f(x)e inπx/l dx 2L L

15 Eksempel Finn den komplekse fourierrekken til den periodiske funksjonen f(x) = e x ( < x < π) med periode 2π. Dvs f(x + 2π) = f(x). Løsning: Vi regner ut integralet c n = 1 f(x)e inx dx = 1 e x e inx dx 2π 2π = 1 e (1 in)x dx = 1 1 [ e x e inx] π 2π 2π 1 in = 1 1 2π 1 in (eπ e )( 1) n Vi brukte at e ±iπ = 1.

Vi repeterer fra forige foil Husk at sinh x er definert ved Da har vi c n = 1 1 2π 1 in (eπ e )( 1) n sinh = ex e x. 2 c n = sinh π ( 1) n π 1 in = sinh π ( 1) n (1 + in) π 1 + n 2 Så den komplekse fourierrekken til f(x) er gitt ved e x sinh π π n= ( 1) n (1 + in) 1 + n 2 e inx

17 Oversettelse til reelle fourierrekker Vi regnet ut de komplekse fourier koeffisientene til e x : c n = sinh π ( 1) n (1 + in) π 1 + n 2 Vi vil nå finne de reelle koeffisientene. = sinh π ( 1) n π (1 + n 2 ) + isinh π n( 1) n π (1 + n 2 ) Vi definerte c n = 1 2 (a n ib n ) så vi har og a n = 2 sinh π π ( 1) n (1 + n 2 ), b n = 2 sinh π π a 0 = c 0 = sinh π π n( 1) n (1 + n 2 )

18 Approksimering ved Trigonometriske Polynomer 10.7 Mål: 1. Finne beste tilnærming av periodiske funksjoner ved trigonometriske polynomer 1 1 Vil bli nærmere definert.

19 Tilnærming av funksjoner ved minimering av kvadratfeil Definisjon En funksjon på formen N F (x) = A 0 + (A n cos nx + B n sin nx) kalles for et trigonometrisk polynom av grad N. (For enkelthets skyld lar vi perioden til funksjonene være 2π.)

F (x) = A 0 + N (A n cos nx + B n sin nx) La f(x) være en periodisk funksjon med periode 2π. Hva må A 0, A 1,..., B 0,..., B N være for at F (x) skal være beste tilnærming av f(x)? Upresist spørsmål!! Vi må først ha en felles forståelse av hva som menes med beste tilnærming.

Definisjon La F (x) være et trigonometrisk polynom av grad N som tilnærmer den periodiske funksjonen f(x) med periode 2π.Vi definerer kvadratfeilen E ved E = (F f) 2 dx. At F (x) er beste tilnærming av f(x) betyr at F (x) minimerer kvadratfeilen E. For å kunne jobbe med E må vi forenkle. Dette starter jeg med nå:

Vi har at (f F ) 2 = f 2 2fF + F 2. Setter vi dette inn i utrykket for E, får vi E = f 2 dx 2 ff dx + F 2 dx.

E = f 2 dx 2 ff dx + F 2 dx. La f(x) ha fourier utvikling f(x) a 0 + Repeterer at F (x) er gitt ved Vi vil regne ut: F (x) = A 0 + (a n cos nx + b n sin nx) N (A n cos nx + B n sin nx) ff dx og F 2 dx

Vi bruker at det trigonometriske systemet 1, sin x, cos x, sin 2x, cos 2x,..., sin nx, cos nx,... er ortogonalt.dvs at 1 sin nxdx = 0, 1 cos nxdx = 0, cos nx sin mxdx = 0, m, n N, cos nx cos mxdx = 0, m n N, sin nx sin mxdx = 0, m n N, sin 2 nxdx = π, dx = 2π. cos 2 nxdx = π og

Bruker vi dette kan vi regne ut integralene: ff dx = π { F 2 dx = π 2A 0 a 0 + { } N (A n a n + B n b n ) } N 2A 2 0 + (A 2 n + B2 n )

Følgelig har vi E = f 2 dx 2π { 2A 0 a 0 + } N (A n a n + B n b n ) + π { 2A 2 0 + } N (A 2 n + Bn) 2 Om vi setter koeffisienetene til F (x) lik koeffisientene til de første N leddene til fourierrekken til f(x): så får vi kvadratfeilen E = A 0 = a 0, A 1 = a 1,..., B N = b n, f 2 dx π { 2a 2 0 + } N (a 2 n + b 2 n)

Differansen mellom E og E er E E = π { 2(A 0 a 0 ) 2 + } N [(A n a n ) 2 + (B n b n ) 2 ] Det betyr at E E 0 og derfor er E E for alle trigonometriske polynomer av grad N. Dvs at E er minimum for kvadratfeilen og at F (x) = a 0 + N (a n cos nx + b n sin nx) er den beste tilnærmelsen til f(x).

Setning Den beste tilnærming av f(x)ved trigonometriske polynomer av grad N er de N første leddene av fourier rekken til f(x): F (x) = a 0 + N (a n cos nx + b n sin nx)

29 Besselulikheten og Parsevals teorem Siden E 0 så har vi E = f 2 dx π { } N 2a 2 0 + (a 2 n + b2 n ) 0 for alle N. Om vi lar N gå mot uendelig får vi { } π f 2 dx π 2a 2 0 + (a 2 n + b2 n ) Denne ulikheten kalles for besselulikheten.

30 Parsevals teorem Om det er slik at integralet på H.S. eksisterer så sier Parsevals teorem at vi har likhet: { } π f 2 dx = π 2a 2 0 + (a 2 n + b2 n )

Eksempel: La periodiske funksjonen f(x) med periode 2π være gitt ved f(x) = x, ( x π). Dens fourier rekke er gitt ved f(x) π 2 4 (cos x + 13 π 2 cos 3x + 15 ) 2 cos 5x + Vi finner f 2 dx = 2π3 3 Kvadratfeilen for den beste tilnærmingen for N = 5 blir E = 2π3 3 π3 2 16 (1 + 13 π 4 + 15 ) 4 0.0037