傅里叶级数
傅里叶级数
一:指数形式
给定一个周期为T 的函数f(t),那么它可以表示为无穷级数:
f(t)=∑k=-∞+∞a k *eik(2∏/T)t(i 为虚数单位)(1)
ak=(1/∏) ∫02∏f(t)*e-ik(2∏/T)td t
二:正弦形式
1:在物理学中, 我们已经知道最简单的波是谐波(正弦波), 它是形如Asin(ωt+Φ) 的波, 其中 A 是振幅, ω是角频率, Φ是初相位. 其他的波如矩形波, 锯形波等往往都可以用一 系列谐波的叠加表示出来. 这就是说, 设 f(t)是一个周期为T 的波, 在一定条件下可以把它写成
f(t)=A0+∑n=1+∞A n sin(nωt+Φ) =A0+∑n=1+∞a n cos(nωt)+bn sin(nωt)
(根据sin(α+β)=sinαcosβ+cosαsinβ)
其中A n sin(nωt+Φ)=an cos(nωt)+bn sin(nωt) 是n 阶谐波,
我们称上式右端的级数是由f(t) 所确定的傅里叶级数
2:三角函数正交性
设 c 是任意实数, 是长度为[c,c+2∏] 的区间, 由于三 角函数 是周期为2∏ 的函数, 经过简单计算, 有
利用积化和差的三角公式容易证明
还有
我们考察三角函数系
其中每一个函数在长为 的区间上定义,其中任何 两个不同的函数乘积沿区间上的积分等零 , 而每个函数自身平方的积分非零 。我们称这个 函数系在长为 的区间上具有正交性。
三:傅里叶级数
设函数f(x)已展开为全区间设的一致收敛的三角级数f(x)=(a0/2)+Σk=1+∞a k cos(kx)+bk sin(kx),现在利用三角函数系数的正交性来研究系数a 0,a k ,b k (k=1,2....n)与f(x) 的关系。将上述展开式沿区间[-Π,+Π]积分,右边级数可以逐项积分,由(1)得到
又设n 是任一正整数,对f(x)的展开式两边乘以cos(nx)沿[-Π,+Π]积分,由假定,右边可以逐项积分,由(1)和(2)(3) ,得到
即:
同样可得:
因此得到欧拉-傅里叶公式:
自然,这些系数也可以 沿别的长度为 的区间来积 分。
以上是在f(x) 已展开为一致收敛的三角级数的假定下得到系数的表达式的。然而从欧拉-傅里叶公式的形式上看,只要周期为2Π的函数f(x)在区间[-Π,+Π]上可积和绝对可积(如果f(x)是有界函数,则假定它是可积的。这时它一定是绝对可积的;如果f(x)是无界函数,就假定他是绝对可积,因而也是可积的,这样,不论在哪一种情形,都是可积和绝对可积了),就可以按欧拉-傅里叶公式来确定所有的数 ,从而作出三角级数
我们称这级数是f(x)
关于三角函数系
k ,b k 的傅里叶级数,而a 称为f(x)的傅里叶系数,记为