# 三角函数的正交性
参考视频
给出一个周期函数,能否表示为傅里叶级数,而傅里叶级数中的每一个参数是怎么来的?
之后系列第一个问题的回答是:
# 三角函数系
{0,1,sinx,cosx,sin2x,cos2x,…,sinnx,cosnx}⇓{sin0x,cos0x,sin2x,cos2x,…,sinnx,cosnx}
# 正交
∫−ππsinnxcosmxdx=0(n=m)
注:当 n=m 时,上式仍然为零。
∫−ππcosnxcosmxdx=0(n=m)
注:当 n=m 时,上式为 π。
a=(1,2,5)b=(1,2,−1)a⋅b=1⋅1+2⋅2−5⋅1=0
推广得
a=(a1,a2,a3,…,an)b=(b1,b2,…,bn)a⋅b=a1b1+a2b2+…+anbn=i=1∑naibi=0
继续推广
a=f(x)b=g(x)
加和变成取积分,得到
a⋅b=∫x0x1f(x)g(x)dx=0
这样也称为正交
# 周期为 2π 的函数展开为傅里叶级数
参考视频
T=2πf(x)=f(x+2π)
展开得
f(x)=n=0∑∞ancosnx+n=0∑∞bnsinnx
而教科书上一般是:
f(x)=2a0+n=1∑∞(ancosnx+bnsinnx)
两者是等价得,证明如下:
f(x)=n=0∑∞ancosnx+n=0∑∞bnsinnx=a0cos0x+n=1∑∞ancosnx+b0sin0x+n=1∑∞bnsinnx=a0+n=1∑∞ancosnx+n=1∑∞bnsinnx
∫−ππf(x)dx=a0∫−ππdx=a0x∣−ππ=2π⇒a0=2π1∫−ππf(x)dx
如果在推导过程中把a0 变成2a0,那么最终得到
a0=π1∫−ππf(x)dx
这样看起来更舒服,而且和下面系数an 的数学表达形式一致
∫−ππf(x)cosmxdx=∫−ππn=1∑∞ancosnxcosmxdx
由于三角函数系得正交性,只有 m=n 时,右边得式子才不为零,即
∫−ππf(x)cosmxdx=∫−ππancosnxcosnxdx=an∫−ππcos2nxdx=anπ⇒an=π1∫−ππf(x)cosnxdx
同理得:
bn=π1∫−ππf(x)sinnxdx
总结
T=2πf(x)=f(x+2π)
展开得
f(x)=2a0+n=1∑∞(ancosnx+bnsinnx)
其中
a0=2π1∫−ππf(x)dxan=π1∫−ππf(x)cosnxdxbn=π1∫−ππf(x)sinnxdx
# 周期为 2L 的函数展开为傅里叶级数
参考视频
f(t)=f(t+2L)
换元
x=Lπt⇒t=πLx
t |
x |
2L |
2π |
4L |
4π |
0 |
0 |
函数 g(x) 表达为 f(t) 后,周期T=2π,我们得到以下等式:
f(t)=f(πLx)⇔g(x)
其中 g(x) 的周期 T=2π 为:
g(x)=g(x+2π)
g(x)=2a0+n=1∑∞(ancos(nx)+bnsin(nx))a0=π1∫−ππg(x)dxan=π1∫−ππg(x)cos(nx)dxbn=π1∫−ππg(x)sin(nx)dx
x=Lπtcos(nx)=cos(nLπt)sin(nx)=sin(nLπt)g(x)=f(t)∫−ππdx=∫−LLd(Lπt)
x−ππt−LL
π1∫−ππdx=π1⋅Lπ∫−LLdt=L1∫−LLdt
g(x)=2a0+n=1∑∞(ancos(nx)+bnsin(nx))⇒f(t)=2a0+n=1∑∞(ancos(nLπt)+bnsin(nLπt))
a0=π1∫−ππg(x)dx⇒a0=L1∫−LLf(t)dtan=π1∫−ππg(x)cos(nx)dx⇒an=L1∫−LLf(t)cos(nLπt)dtbn=π1∫−ππg(x)sin(nx)dx⇒bn=L1∫−LLf(t)sin(nLπt)dt
工程中:时间 t 从 0 开始,周期为 T=2L,角频率为 ω=Lπ=T2π
∫−LLdt→∫02Ldt→∫0Tdt
f(t)=2a0+n=1∑∞(ancos(nωt)+bnsin(nωt))
a0=T2∫0Tf(t)dt
an=T2∫0Tf(t)cos(nωt)dt
bn=T2∫0Tf(t)sin(nωt)dt
但是当 T→∞ 时,f(t) 就不再为周期函数。
# 傅里叶级数的复数形式
参考视频
-
角频率:
ω=Lπ=T2π
-
积分关系:
∫−LLdt→∫02Ldt→∫0Tdt
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函数表示:
f(t)=2a0+n=1∑∞(ancos(nωt)+bnsin(nωt))
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系数计算:
a0=T2∫0Tf(t)dt
an=T2∫0Tf(t)cos(nωt)dt
bn=T2∫0Tf(t)sin(nωt)dt
欧拉公式
eiθ=cosθ+isinθ⇓cosθ=21(eiθ+e−iθ)sinθ=−2i1(eiθ−e−iθ)
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将函数f(t) 重新表示为复数形式:
f(t)=2a0+n=1∑∞[an21(einωt+e−inωt)−2i1bn(einωt−e−inωt)]
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进一步整理得到:
f(t)=2a0+n=1∑∞[2an−ibneinωt+2an+ibne−inωt]
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最终表示为:
f(t)=−∞∑∞Cneinωt
系数Cn
Cn=⎩⎨⎧2a0,2an−ibn,2a−n+ib−n,n=0n=1,2,3,…n=−1,−2,−3,…
-
n=0:
C0=2a0=T1∫0Tf(t)dt
-
n=1,2,3,…:
Cn=21(T2∫0Tf(t)cos(nωt)dt−iT2∫0Tf(t)sin(nωt)dt)
=T1∫0Tf(t)(cos(nωt)−isin(nωt))dt
-
n=−1,−2,−3,…:
Cn=21[T2∫0Tf(t)cos(−nωt)dt+iT2∫0Tf(t)sin(−nωt)dt]
=T1∫0Tf(t)[cos(−nωt)+isin(−nωt)]dt
f(t)=f(t+T)
f(t)=−∞∑∞Cneinωt
Cn=T1∫0Tf(t)e−inωtdt