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数学代写|偏微分方程代写partial difference equations代考|Orthogonality
Recall that two vectors $\vec{a}$ and $\vec{b}$ in $\mathcal{R}^n$ are called orthogonal vectors if
$$
\vec{a} \cdot \vec{b}=\sum_{i=1}^n a_i b_i=0 .
$$
We would like to extend this definition to functions. Let $f(x)$ and $g(x)$ be two functions defined on the interval $[\alpha, \beta]$. If we sample the two functions at the same points $x_i, i=$ $1,2, \cdots, n$ then the vectors $\vec{F}$ and $\vec{G}$, having components $f\left(x_i\right)$ and $g\left(x_i\right)$ correspondingly, are orthogonal if
$$
\sum_{i=1}^n f\left(x_i\right) g\left(x_i\right)=0 .
$$
If we let $n$ to increase to infinity then we get an infinite sum which is proportional to
$$
\int_\alpha^\beta f(x) g(x) d x .
$$
Therefore, we define orthogonality as follows:
Definition 14. Two functions $f(x)$ and $g(x)$ are called orthogonal on the interval $(\alpha, \beta)$ with respect to the weight function $w(x)>0$ if
$$
\int_\alpha^\beta w(x) f(x) g(x) d x=0 .
$$
Example 1
The functions $\sin x$ and $\cos x$ are orthogonal on $[-\pi, \pi]$ with respect to $w(x)=1$,
$$
\int_{-\pi}^\pi \sin x \cos x d x=\frac{1}{2} \int_{-\pi}^\pi \sin 2 x d x=-\left.\frac{1}{4} \cos 2 x\right|{-\pi} ^\pi=-\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=0 . $$ Definition 15. A set of functions $\left{\phi_n(x)\right}$ is called orthogonal system with respect to $w(x)$ on $[\alpha, \beta]$ if $$ \int\alpha^\beta \phi_n(x) \phi_m(x) w(x) d x=0, \quad \text { for } m \neq n .
$$
数学代写|偏微分方程代写partial difference equations代考|Computation of Coefficients
Suppose that $f(x)$ can be expanded in Fourier series
$$
f(x) \sim \frac{a_0}{2}+\sum_{k=1}^{\infty}\left(a_k \cos \frac{k \pi}{L} x+b_k \sin \frac{k \pi}{L} x\right) .
$$
The infinite series may or may not converge. Even if the series converges, it may not give the value of $f(x)$ at some points. The question of convergence will be left for later. In this section we just give the formulae used to compute the coefficients $a_k, b_k$.
$$
\begin{gathered}
a_0=\frac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) d x, \
a_k=\frac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) \cos \frac{k \pi}{L} x d x \quad \text { for } k=1,2, \ldots
\end{gathered}
$$
$$
b_k=\frac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) \sin \frac{k \pi}{L} x d x \quad \text { for } k=1,2, \ldots
$$
Notice that for $k=0$ (5.3.3) gives the same value as $a_0$ in (5.3.2). This is the case only if one takes $\frac{a_0}{2}$ as the first term in (5.3.1), otherwise the constant term is
$$
\frac{1}{2 L} \int_{-L}^L f(x) d x .
$$
The factor $L$ in (5.3.3)-(5.3.4) is exactly the square of the norm of the functions $\sin \frac{k \pi}{L} x$ and $\cos \frac{k \pi}{L} x$. In general, one should write the coefficients as follows:
$$
\begin{aligned}
&a_k=\frac{\int_{-L}^L f(x) \cos \frac{k \pi}{L} x d x}{\int_{-L}^L \cos ^2 \frac{k \pi}{L} x d x}, \
&b_k=\frac{\int_{-L}^L f(x) \sin \frac{k \pi}{L} x d x}{\int_{-L}^L \sin ^2 \frac{k \pi}{L} x d x}, \quad \text { for } k=1,2, \ldots
\end{aligned} \quad \text { for } k=1,2, \ldots
$$
These two formulae will be very helpful when we discuss generalized Fourier series.

偏微分方程代考
数学代写|偏微分方程代写partial difference equations代考|Orthogonality
回想一下两个向量 $\vec{a}$ 和 $\vec{b}$ 在 $\mathcal{R}^n$ 被称为正交向量,如果
$$
\vec{a} \cdot \vec{b}=\sum_{i=1}^n a_i b_i=0 .
$$
我们想将这个定义扩展到函数。让 $f(x)$ 和 $g(x)$ 是定义在区间上的两个函数 $[\alpha, \beta]$. 如果我们在相同点对两 个函数进行采样 $x_i, i=1,2, \cdots, n$ 然后向量 $\vec{F}$ 和 $\vec{G}$, 有组件 $f\left(x_i\right)$ 和 $g\left(x_i\right)$ 相应地,如果
$$
\sum_{i=1}^n f\left(x_i\right) g\left(x_i\right)=0 .
$$
如果我们让 $n$ 增加到无穷大,然后我们得到一个无穷大的总和,它与
$$
\int_\alpha^\beta f(x) g(x) d x .
$$
因此,我们定义正交性如下:
定义 14. 两个函数 $f(x)$ 和 $g(x)$ 在区间上称为正交 $(\alpha, \beta)$ 关于权重函数 $w(x)>0$ 如果
$$
\int_\alpha^\beta w(x) f(x) g(x) d x=0 .
$$
示例 1
函数 $\sin x$ 和 $\cos x$ 正交于 $[-\pi, \pi]$ 关于 $w(x)=1$ ,
$$
\int_{-\pi}^\pi \sin x \cos x d x=\frac{1}{2} \int_{-\pi}^\pi \sin 2 x d x=-\frac{1}{4} \cos 2 x \mid-\pi^\pi=-\frac{1}{4}+\frac{1}{4}=0 .
$$
$$
\int \alpha^\beta \phi_n(x) \phi_m(x) w(x) d x=0, \quad \text { for } m \neq n \text {. }
$$
数学代写|偏微分方程代写partial difference equations代考|Computation of Coefficients
假设 $f(x)$ 可以展开为傅里叶级数
$$
f(x) \sim \frac{a_0}{2}+\sum_{k=1}^{\infty}\left(a_k \cos \frac{k \pi}{L} x+b_k \sin \frac{k \pi}{L} x\right) .
$$
无宇级数可能收敛也可能不收敛。即使级数收敛,也可能无法给出 $f(x)$ 在某些时候。收敛的问题留到以 后再说。在本节中,我们只给出用于计算系数的公式 $a_k, b_k$.
$$
\begin{gathered}
a_0=\frac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) d x, a_k=\frac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) \cos \frac{k \pi}{L} x d x \quad \text { for } k=1,2, \ldots \
b_k=\frac{1}{L} \int_{-L}^L f(x) \sin \frac{k \pi}{L} x d x \quad \text { for } k=1,2, \ldots
\end{gathered}
$$
请注意,对于 $k=0(5.3 .3)$ 给出相同的值 $a_0$ 在(5.3.2)中。只有当一个人采取这种情况时才会出现这种 情况 $\frac{a_0}{2}$ 作为 $(5.3 .1)$ 中的第一项,否则常数项是
$$
\frac{1}{2 L} \int_{-L}^L f(x) d x .
$$
因雔 $L(5.3 .3)$-(5.3.4)中的正是函数范数的平方 $\sin \frac{k \pi}{L} x$ 和 $\cos \frac{k \pi}{L} x$.一般来说,系数应该写成如下形式:
$$
a_k=\frac{\int_{-L}^L f(x) \cos \frac{k \pi}{L} x d x}{\int_{-L}^L \cos ^2 \frac{k \pi}{L} x d x}, \quad b_k=\frac{\int_{-L}^L f(x) \sin \frac{k \pi}{L} x d x}{\int_{-L}^L \sin ^2 \frac{k \pi}{L} x d x}, \quad \text { for } k=1,2, \ldots \quad \text { for } k=1,2, \ldots
$$
这两个公式在我们讨论广义傅里叶级数时会有很大的帮助。

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