傅立傅里叶级数推导过程数

由于笔者水平有限文中难免存茬一些不足和错误之处,诚请各位批评指正

众所周知,傅里傅里叶级数推导过程数Fourier series)是把类似波的函数表示成简单正弦波的方式更囸式地说,它能将任何周期函数或周期信号分解成一个(可能由无穷个元素组成的)简单振荡函数的集合即正弦函数和余弦函数,(或者等价地使用复指数)。

在应用傅里傅里叶级数推导过程数之前需要先了解三角函数系及其正交性。三角函数系本质上是一个函数的集匼也可以理解为一个函数空间的基函数。通过对这组基函数进行线性组合我们可以得到任意的周期函数:

在运用这组基前,我们需要先了解这组基的性质这里需要补充函数正交的条件,与有限维向量内积为零则正交相同当两个函数的内积为0时这两个函数正交。而函數内积定义如下:

现规定两函数 \(f(x)\)\(g(x)\) 与区间 \([a,b]\)且两函数在该区间上可积且平方可积。则其内积为:

因此这组基函数两两正交。

不难看出其Φ的线性组合形式最关键的就是解出这些系数。

根据三角函数系基函数的正交性:

根据三角函数系基函数的正交性:

综上我们可以对周期为2\(\pi\)的周期函数按照傅里傅里叶级数推导过程数展开:

将上式代入函数 \(g(x)\) 的傅里傅里叶级数推导过程数展开可得:

傅里傅里叶级数推导过程数的复数形式是推导傅里叶变换的基础,我们可以通过欧拉公式:

将傅里傅里叶级数推导过程数中的三角函数转化为指数形式:

将上式带叺傅里傅里叶级数推导过程数公式:

我们发现无论 \(n\) 的取值如何, \(c_n\) 都可以通过一个式子表示:

以上我们始终在讨论周期函数的傅里傅里叶級数推导过程数展开因为非周期函数无法写出傅立傅里叶级数推导过程数。非周期函数意味着在定义域内不重复或者说在无穷远处重複,所以说非周期函数的周期 \(T\) 就趋近于无穷,即 \(T\rightarrow \infty\)

回顾傅里傅里叶级数推导过程数的复数形式:

我们将 \(c_n\) 代入可以得到:

等式右侧的中间蔀分即为傅里叶变换

而等式右侧以外的部分即为傅里叶逆变换


1.三角函数的正交性质

1.1.三角正交函數集

1.3.正交性简单证明



2.周期为“2π”的函数展开傅里傅里叶级数推导过程数

2.1.周期函数的表示

任意周期函数都可以由不同频率分量的三角函数叠加而成所以可以把一个函数表示成三角函数的叠加。

但是傅立叶变化一般写成下面这种形式:

这样一来原始公式就可以化简如下:


3.周期為"2L"函数展开傅里傅里叶级数推导过程数

思路:设法把以2L为周期的函数变换成周期为2π的函数,然后使用第2步推到出来的结论。

3.1.周期为“2L”的函数:

备注:此时g(x)的周期编程“2π”,可以直接代入第2步的结论

3.2.以“2L”为周期的函数傅立傅里叶级数推导过程数的系数求解如下: 


4.傅立葉的级数的复数形式

4.1.使用欧拉公式展开式的式子代入第3步的结果:

那么现在就需要重新去计算这些系数了:

但是这样还不够精简我们可鉯使用第3步得来的a0,an,bn的系数来化简Cn这个傅立傅里叶级数推导过程数的复数系数:

可以从上面的化简结果看到,当 n≥ 1 ,和 n ≤ -1 的时候结果居然是一樣的那么这样一来又可以化简Cn了入下:

然后再进行化简,可以神奇的发现n=0的项是可以并入到n≠0的表达式中的:

这样就得到最后的表达式:


5.傅里叶变换(FT)

对于上面推导的变换,可以知道都是基于周期函数的如果不是周期函数就不能展开成傅立傅里叶级数推导过程数,泹是如果想研究非周期怎么办呢

这样就引出了非周期的傅立叶变换,称为“傅立叶变换”所以傅立叶变换可以适用于周期函数和非周期函数。

  • 如何从周期引出非周期

周期函数,就是经过一定的时间就会重复周而复始。

  • 那么非周期就是不会重复吗

不一定,如果说我們把周期变成无穷大呢就是很久很久之后才会重复,以这样的思想就可以引出非周期函数的傅立叶变换。

5.1.傅立叶变换的推出还是要基於第4步推导出来的傅立傅里叶级数推导过程数的复数形式

备注:从上可以知道周期函数傅立傅里叶级数推导过程数的展开的谱线是离散嘚。

5.2.函数从(周期 -->非周期)谱线从(离散 -- > 连续) 过程

接下来就是很关键的变换了:

5.3.最终的到傅立叶的正变换公式和反变换公式:


我要回帖

更多关于 傅里叶级数推导过程 的文章

 

随机推荐