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DEPARTMENT OF MATHEMATICS

MATHS 361

Tutorial 2

The aim of this tutorial is to practice calculating Fourier series expansions and to do more practice on the method of separation of variables.

1. For each of the following functions determine whether the function is odd, even or neither. For any functions that are neither odd nor even, find fe  and fo .

(a)  _ -x-

(b) sinh(x) = (ex _ eox )/2

(c) xeox

(d) ln(1 + x2 )

2. Using pen and paper, calculate the Fourier coefficients a0 , an  and bn  for the function f (x) = 2 _ -x- defined on the interval _1 < x < 1.

3.  (Optional)1   Download the matlab notebook fourierseries.mlx from CANVAS and save it somewhere in your home directory.  This le uses matlab symbolic calculations to compute the Fourier coefficients for a defined function and plots partial sums of the Fourier series.

By adapting the matlab code in this le, do the following tasks.

(a) Plot the graph of the function f (x) = 2 _ -x- on the interval [_1, 1]. Also

plot the sum of the rst 2N +1 terms of the Fourier series for the following choices of N :  N  =  1, 3, 10, 30. Plot all the graphs on the same gure. Note: Some of the terms may be zero; when you count terms, include the zero terms in your count.

(b) Repeat (a) for the function f (x) = xeox  on the interval [_1, 1].

(c) What do you notice about convergence of the two Fourier series?  Which Fourier series converges faster? Is this what you expected? Why?

(d) Do you see any evidence for Gibbs’ phenomenon in either example?  Ex- plain your answer.

4. Let L be a positive real number. Using paper and pen, calculate

0 L cos cos dx.

5. This problem concerns the heat conduction problem considered in lectures. The temperature u of a rod of length 1 satisfies

ut  = u北北          0 < x < 1,    t > 0.

The end x = 0 is held at temperature 0 and the end x = 1 is perfectly insulated. Hence the boundary conditions are,

u(0, t) = 0,        u (1, t) = 0.

(a)  Considering the  boundary  conditions,  sketch the  steady-state  solution.

Then solve the steady state problem to check whether your sketch is cor- rect.

(b) Using the method of separation of variables, show that the following func-

tion is a solution to the PDE plus boundary conditions for all n = 0, 1, 2, 3, . . . .

un (x, t) = sin ││n + πxeo((n+)π)2 t .

(c)  Show that the sine functions satisfy the following orthogonality property: 0 1 sin ││n + πxsin ││m + πxdx = ,

(d)  Given that the initial condition is u(x, 0) = f (x), show that

u(x, t) = n cnun (x, t) = n cn sin ││n + πxeo((n+)π)2 t

where

cn  = 2  0 1 f (x) sin ││n + πxdx

You can use the orthogonality property that you just proved, and you can also assume that f  is sufficiently smooth that you can interchange the order of summation and integration when using a series representation of f .

6.  Challenge question: If the Fourier coefficients of a periodic function f (x) are an  (n = 0, 1, 2, . . . ) and bn  (n = 1, 2, 3, . . . ), what are the Fourier coefficients of the shifted periodic function f (x _ c), where c is some positive constant?