background image

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

NIVERSITY OF 

T

ECHNOLOGY

Electromechanical Department 

2009‐2010

 

Fourier series 

Dr.Eng Muhammad.A.R.Yass 

Sultan 

M O H D

_

Y A S S

9 7 @

Y A H O O

.

C O M

 


background image

 

 

Advance Mathematics  

Fourier series  

 

 

3

rd

 Class 

Electromechanical Eng. 

 

 

 

 

Dr. Eng 

Muhammad. A. R. Yass 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

 

 

Fourier series  

Definition  

 The 

series 

 

1
2

 

 

cos

sin

 

 

Si the Fourier series of 

f

 on ( -L , L ) when the constant are chosen to be the 

Fourier coefficient of “

f

 “on (-L , L) 

Where  

1

 

cos

  

            

  

0 , 1 , 2  

And 

1

 

sin

 

          

  

1 , 2 , 3  

And  

1

 

Example  

 

Let  f(x) = x for –π ≤ x ≤ π . we will write the Fourier series of  “f” on [ -π , π] 

. the coefficient are  

1

0  

1

cos

 

1

cos

sin


background image

 

 

1

 

sin

 

1

sin

cos

2

cos

2

1

 

Since  cos ( n  ) = (-1)

n

 if n  is an integer . the fourier series of “x” on [ -   ,   ] is  

2

 

1

sin

2 sin

sin 2

2
3

sin 3

1
2

sin 4

2
5

sin 5  …  

 

Example  

Find the fourier series of the periodic function  

1              0

1

0              1

2

 

Solution 

d = 0 

2 p = 2                     p = 1 

2

cos

 … … 

cos

 … … sin

 … …

sin

 

1

 

1
1

 

1

0

 

|    1           

1  

1

 

cos

 

1
1

1 cos

 

0 cos

 

1

sin

    |    0

1

sin

0

  f(t) 

1 2 


background image

 

 

      

           0 

1

 

sin

   

1

 

1 sin

  0 sin

     

1

cos

 |    

1

cos

1

cos 0  

1

1

cos

   

1

  1

cos

 

2/  

1

2

 1

cos

1

3

1

2

2

3

 

1

4

1

4

The fourier series become  

1
2

2

sin

 

 0

2

3

sin 3

0

3

5

sin 5   

Example  

             

0

                 0

 

Solution  

d = -    

d + 2p =    

p =    

1

 

1

 

1

 

 

Always   sin (n   ) = 0  

 

 

f(t) 

-  

 


background image

 

 

 

1

 

cos

1

 

cos

  cos

 

 

Integral by partial we get  

0 if   n = even and 

  if n = odd  

1

 

sin 

1

 

sin

 

Fourier series will be  

1
2

 

cos

2

 

2

2

 

Example  

Let f (x) = x for  -   ≤ x ≤    

 

 

 

 

 

1

 

1

2

1

cos

1

cos

 

1

cos

sin

1

cos

1

cos

 

 

           period 

 

-  

3

 

 

-3  


background image

 

 

1

sin

1

sin

 

sin

cos

 

2

cos

2

1

      

Fourier series will be  

2

1

sin

2 sin

sin 2

2
3

sin 3

1
2

sin 4

 … … 

Example  

Let  

0           

         

3

0

          

            0

3

 

Solution   

L = 3  

 

1
3

1
3

 

3
2

 

1
3

cos

3

1
3

 

 

3

   

3

cos

3

sin

3

 

3

1

1
3

sin

3

1
3

sin

3

 

3

sin

3

cos

3

   

3

1

 

cos

1

 

 

period 

-3 

-6 


background image

 

 

The Fourier series  

3
4

 

3

  1

1 cos

3

3

1

sin

3

 

 

 

Example  

Let  

 

  

  

2   find fourier series  

1
2

dx

1
8

 

1
2

 cos 

nπx

2

dx 

 

8 1

64

  

1
2

 

sin

2

   

3

sin

3

cos

3

 

3

 

1

 

 The Fourier series will be  

3
4

 

3

    1

1

cos

3

3

1

sin

3

   

 

 

 

 


background image

 

 

 

 

Even and odd function 

Even Function 

f

  is an even function on [-L , L ] if f(-x) = f(x) for  -L ≤ x ≤ L  

Odd Function 

 is an odd function on [-L , L] if f(-x) = - f (x)  -L≤ x ≤ L 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Fig(1) Even function 

,

cos

 

-3 

+3 

-1 

 

Fig (2) Even function symmetrical a bout y-axis

 

Fig (3) Odd function 

,

sin

 

 

Fig (4) Odd function symmetric through  

     the origin  

+2 

-2 

+4 

-4 

+3 

-3 -1 

+1 

-2 

+2 

+4 

-1 

   


background image

 

10 

 

If the function is even then  

/

/

 2

/

 

While if is odd then 

/

/

Also even function  

2

   

2

cos

                

0  

Then the function will be 

2

cos

  

0        

2

 

sin

 

sin

 

 

Symmetric a bout the origin  

 

 

 

 

 

 


background image

 

11 

 

Example  

Find the fourier series of the function of the  

 

 

2       

1            

0

1                 0
2                

 

Solution  

Its an odd-function 

       

0     

  

2

 

sin

 

2

 

1 sin

  2 sin

       

2

 

1

cos 

 

2

cos

 

2

4

cos

2

cos

2

  

 

2

  1

2 1

2

cos

2

 

 

2

   1

2 1

cos

2

  sin

 

Example  

Find fourier series of the function  

       

0

                  0

 

The function is odd then 

0  ;   

 

-  

-2 

+2 

2

 

-  

 

+1 

-1 


background image

 

12 

 

 

sin

 

cos

 

  1  1

0   

 

 

      

 

 

 

   

 

sin

 

Example  

Let 

 

     1,1    find Fourier series 

Solution  

 

 is an even function because f(-x) = f (x) ( 

i.e.

 example 

 f(-3) = f (3) on so on ) then 

0  

 

 

cos

 

cos

6

  

1  

 the Fourier series  

1
5

 

8

6

 

1 cos

 

 

Example  

 

 

 

4

 

Solution  

 

  

    

 

 

1
4

 

sin

4

 

1
2

 

sin

4

1

   128 

6/

 

 

-  

 

-h 


background image

 

13 

 

The Fourier series will be  

1

128 

6

 sin

4

 

Conclusion 

Even Function  

Fourier series will be 

1
2

cos

 

2

cos

            

0 , 1 , 2 

 

Odd Function 

Fourier series will be  

sin

 

2

sin

                  

1 , 2 

Example  

Find the Fourier series if f(x) = x

2

       0 < x < 2  

 

 

 

Neither even nor odd  

Period = 2L = 2     L =   

 

2  

-2  

f(t) 

4  

4  


background image

 

14 

 

1

 

8

3

 

1

cos

 

1

sin

 2  

– cos

2

sin

 

4

      

1

sin

 

1

   

 

cos

 2

cos

 

2

sin

4

     

1

 

sin

 

1

   

cos

2  

sin

2

cos

4

 

The Fourier series will be  

 

4

3

 

4

cos 4

4

sin

 

#Example  

“a” odd                    f (-x) = - f (x) 

2         0

3

2      

3

0

       

 

 

 

 

 

 

 

 

-2 

3 6 

-3 

-6 


background image

 

15 

 

“b” Neither EVEN nor odd 

 

         0

0               

2

      

2  

 

 

 

 

 

 

“C” EVEN             f (-x) = f (x) 

10

           0

10         

10 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1 

 

2  

-  

-2  

0   5   10  

-10  

2.5  


background image

 

16 

 

Half Range Expansions 

 

Half range fourier series if function f (x) is defined only in the half fourier interval 

(0       ) the equation of such function can be problem into other half of period  (-     0) 
infinite way . 

a)  An odd 
b)  An even  
c)  Neither odd nor even  

Example  

Give f(x) = x    in the interval  0    

 

   0 < x <   

a)  Find the Fourier series an a even function ( cos function) 
b)  Find the Fourier series an odd function (sin function) 

a- Even function b

n

 = 0 

2

 

 

2

cos

     

  

   

  

U = x       du = dx  

dv = cos (nx) dx                 v =   sin (nx) 

2

     sin

1

sin

 

2

      sin

sin 0 

 

1

cos

 

2

  

1

  cos

cos 0  

2

1

1

 

 

  

4

   

 

 

  

 

2

4

 

cos

, ,

 


background image

 

17 

 

b – odd function    

0      

2

sin

 

   

  

 

 

sin

 

 

 

1

cos

 

2

 

cos

1

  cos

0    

2

 

cos

 0 cos 0

2 1

 

 

 

2

 

cos

 

2

1  

2

 

 

 

2

 

 

  

2

cos

 

cos

  sin

  

Example  

 

Find the sine and the cosine half range series of the function series  

 

     0

 

a.  Even function 

 

 

   

 

cos    

cos

 

cos

1  

2
3

4

1

cos 

 

 

 

 

f(x) 


background image

 

18 

 

b.  Odd function      

     

  

 

Solved Examples 

The formula for a Fourier series on an interval [c,c+T] is: 

 

 

 

 

 

Example (1) 

Find the Fourier series for 

.  

 
Following the rules from the link above,  

 

 

 

 

 
 

 

 


background image

 

19 

 

 

So, 

 

 

Example (2) 

 

Find the Fourier series for . 

 

 

 

 
FOURIER SERIES BOOKS 

 

 

 

 

 

 


background image

 

20 

 

 

 

Example (3) 

 

Find the Fourier series for 

on 

 

The general Fourier series on 

is: 

 

 

 

The 

n

 = 0 case is not needed since the integrand in the formula for  is 

In the present problem, 

But since the right hand side is not defined if 

n

 = 0, the 0 index for 

a

 will have to be 

calculated seperately. 

 

 

 

So the Fourier series is 

for  


background image

 

21 

 

Example (4) Find the Fourier series for 

on  

The general Fourier series on 

is: 

 

 

 

In the present problem, 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

22 

 

 

 

So the Fourier series is: 

 

Setting 

x

 = 0 gives 

 

Example (5) Find the Fourier series for 

on  

 

 

 

 

 

 

 

So the Fourier series is: 


background image

 

23 

 

 

 
Example (6) Find the Fourier series for 

on  

The general Fourier series on 

is: 

 

 

 

In the present problem, 

 

 

 

 

So the Fourier series is: 

on  

 

Example (7) Find the Fourier series for a function 

on . 

Make the change of variables 

Now, look for the Fourier series of the function 

on  


background image

 

24 

 

 

 

 

 

Since , 

 

Example (8) 

Find the Fourier series for 

on 

A general formula for the Fourier series of a function on an interval 

is: 

 

 

 

In the current problem, 

and 

 

The function 

is odd, so the cosine coefficients will all equal zero. 

Nevertheless, 

should still be calculated separately. 

 

 


background image

 

25 

 

 

 

So the Fourier series for 

is 

 

Example (9)   Find the Fourier series for 

 

 

This is the general Fourier Series: 

 

 

 

 

 

So the given function can be replaced by its Fourier expansion:  

 

 

 

 


background image

 

26 

 

So the solution is  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


background image

 

27 

 

Home Work 

 

Problem (1)   Find the Fourier series of the function  

 

 
 
Answer.  

 

 
Problem (2)   . Find the Fourier series of the function  

 

 
 
Answer. We have  
Therefore, the Fourier series of f(x) is  

 

 
 

Problem 

(3

)   Find the Fourier series of  

 

 
 
Answer.  

 

 

 




رفعت المحاضرة من قبل: ضرغام العزاوي
المشاهدات: لقد قام 7 أعضاء و 223 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