周期为2π的周期函数展开成傅里叶级数
第三讲 收敛定理
数学分析第十五章傅里叶级数收敛定理第三讲若以数学分析第十五章傅里叶级数注尽管傅里叶级数的收敛性质不如幂级数, 函数的要求却比幂级数要低得多, 所以应用更广. 而且即将看到函数周期性的要求也可以去掉.概念解释1. 若f 的导函数在[,]a b 上连续, 则称f 在[a ,b ]上光滑.2. 如果定义在[,]a b 上函数f 至多有有限个第一类间断点, 在且连续, 极限存在, 但它对其导函数在[a , b ]上除了至多有限个点外都存f 的左、右并且在这有限个点上导函数[,]a b 上按段光滑.则称f 在数学分析第十五章傅里叶级数f '[,]a b (iii) 在补充定义在上那些至多有限个不存在f 'f '导数的点上的值后( 仍记为), 在[a ,b ]上可积.从几何图形上讲, 在区间[a ,b ] 上按段光滑函数, 多有有限个第一类间断点(图15-1).光滑弧段所组成,151-图O x ()y f x =1x 2x 3x 4x b a y 是由有限个它至若数学分析第十五章傅里叶级数表达式,(),(π,π],ˆ()(2π),((21)π,(21)π],1,2,.f x x f x f x k x k k k ∈-⎧=⎨-∈-+⎩=±± 解为它是定义在整个数轴上以2π为周期的函数,但我们认为它是周期函数. 注2在具体讨论函数的傅里叶级数展开式时, 经常只(π,π]-[π,π)-给出函数在(或)上的解析式, (π,π]-上的解析如f 为但应理即函数本身不一定是定义在整个数轴上的周期函数,那么周期延拓后的函数为数学分析第十五章傅里叶级数ˆ152()y fx -=图实线与虚线的全体表示O x()y f x =π3π-π-3π5πy如图15-2所示.ˆf的傅里叶级数.因此当笼统地说函数的傅里叶级数时就是指函数。
十五章傅里叶级数
2
2
2
当只给出一种周期旳体现式时，傅里叶级数在两端点旳值
可用 上述公式求之.
例1：设
x, f (x) 0,
0 x x 0
求f
旳傅里叶级数展开式.
解： 函数f 及其周期延拓后的图象如图所示，
y
3 2 O 2 3 4
x
显然 f 是按段光滑旳,故由收敛定理，它能够展开成傅里叶级数。
因为
第十五章 傅里叶级数
§15.1 傅里叶级数
一、 三角级数 • 正交函数系
二、以 2 为周期旳函数旳傅里叶级数
三、收敛定理
§15.1 傅里叶级数
一、三角函数 正交函数系
在科学试验与工程技术旳某些现象中，常会遇到一种周期运动，最简
单旳周期运动，可用正弦函数 A sin(x ) 来描写。
所体现旳周期运动也称为简谐运动，其中 A 为振幅， 为初相角，
f (x) cos kxdx
a0 cos kxdx 2
(an cos nx cos kx bn sin nx cos kx)dx n1
cos2 kxdx
f (x) cos kxdx ak
ak
1
f (x) cos kxdx
(k 1, 2, )
同理可得:
bk
1
f (x) sin kxdx
f 的傅里叶级数收敛于f 在点x的左，右极限的算术平均值，即
f
(x
0) 2
f
(x 0)
a0 2
(an
n1
cos nx bn
sin nx)
其中an ,bn为f的傅里叶系数。
推论：
若f 是以2为周期的连续函数，且在[， ]上按段光滑，则 f 的
华东师范大学数学系《数学分析》(第4版)(下册)课后习题-傅里叶级数(圣才出品)
理 13．14（逐项求导）知
g（x），所以级数
的和函数 S（x）
有连续的导函数 g（x）．
§2 以 2l 为周期的函数的展开式
1．求下列周期函数的傅里叶级数展开式： （周期π）； （周期 1）；
解：（1）将 f（x）进行周期延拓，又因 f（x）在（0，2π）内按段光滑，故由收敛定 理，f（x）可展开为傅里叶级数，
所以在区间（0，2π）内，有
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（2）在[－π，π]上 所以
所以在区间（－π，π）内 在 x＝π或 x＝－π时，上式右端收敛于 所以在闭区间[－π，π]上
（3）
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圣才电子书 十万种考研考证电子书、题库视频学习平台所以，在（0，2π源自内所以，在（－π，π）内 故
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故 所以，在（－π，π）内
故 从而在区间（－π，π）内
及其周期延拓的图像如图 15-3 所示，
显见 因为
图 15-3 在（－π，π）内按段光滑，由收敛定理知它可以展开成傅里叶级数，
所以在（－π，π）内， （ii）函数 f（x）及其周期延拓的图像如图 15-4 所示，
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所以
时
当 x＝0 时，上式的右端收敛到 0．
（1）当
时，由于
，因此
（2）因为 所以
（3）
时，因
，故
所以
4．设函数 f（x）满足条件：f（x＋π）＝－f（x），问此函数在（－π，π）上的傅里叶 级数具有什么特性．
3.3-周期序列的离散傅立叶级数
X 2 ( k ) = DFS [ x 2 ( n )]
线性
~ ~ ~ ~ DFS [ a x 1 ( n ) + b x 2 ( n )] = a X 1 ( k ) + bX 2 ( k )
移位
~ − DFS [ x ( n + m )] = W N mk X ( k ) = e
-N
0 1 ~ x 2 (1 − m ) 2 1
0 1
N-1 N
m
-N
N-1 N
——电子信息工程 电子信息工程 表格法求周期卷积 x1(m) 1 x (n-m) n
2
1 0 0 1 2 1 0
1 0 0 0 1 2 1
1 1 0 0 0 1 2
0 2 1 0 0 0 1
0 1 2 1 0 0 0
y(n) 1 1 3 4 4 3
则
∑ x(n)z
n=0
N −1
k=0
Re[z]
X ( k ) = X ( z ) | Z =W − k
N
~
为Z变换在单位圆上的抽样 变换在单位圆上的抽样
比较
X ( z) X (e ) X (k )
jω
在整个Z平面上的取值 在整个 平面上的取值 在Z平面单位圆上的取值 平面单位圆上的取值 在Z平面单位圆上离散点的取值 平面单位圆上离散点的取值
m=0 N− 1 N− 1
——电子信息工程 电子信息工程 计算周期卷积的方法
~ y(n) =
m =0
∑
N −1
~ (m ) x (n − m ) = x (n) ∗ x (n) ~ ~ ~ x1 2 1 2
傅里叶变换常用公式
傅里叶变换常用公式1.傅里叶变换定义：F(w) = ∫[f(t)e^(-jwt)] dt2.傅里叶逆变换定义：f(t) = ∫[F(w)e^(jwt)] dw / (2π)傅里叶逆变换定义了将频域函数F(w)转换回时域函数f(t)的方式。
3.单位冲激函数的傅里叶变换：F(w) = ∫[δ(t)e^(-jwt)] dtδ(t)是单位冲激函数，其傅里叶变换结果为14.周期函数的傅里叶级数展开：f(t) = ∑[a(n)cos(nω0t) + b(n)sin(nω0t)]f(t)可以用无穷级数形式表示，其中ω0为基本角频率，a(n)和b(n)为系数。
5.周期函数的傅里叶变换：F(w)=2π∑[δ(w-nω0)]周期函数f(t)的频谱是一系列频率为nω0的冲激函数。
6.卷积定理：FT[f*g]=F(w)G(w)f*g表示函数f(t)和g(t)的卷积，FT表示傅里叶变换，*表示复数乘法。
卷积定理说明卷积在频域中的运算等于对应的傅里叶变换相乘。
7.积分定理：∫[f(t)g(t)] dt = 1/2π ∫[F(w)G(-w)] dw积分定理表明函数f(t)和g(t)的乘积在时域中的积分等于它们在频域中的乘积的逆变换。
8.平移定理：g(t) = f(t - t0) 对应的傅里叶变换 F(w) = e^(-jwt0) G(w)平移定理说明在时域中将函数f(t)右移t0单位，等价于在频域中将F(w)乘以e^(-jwt0)。
9.缩放定理：g(t) = f(at) 对应的傅里叶变换 G(w) = 1/，a， F(w/a)缩放定理说明在时域中将函数f(t)横向拉伸为af(t)，等价于在频域中将F(w)纵向压缩为1/，a，F(w/a)。
除了以上列举的公式，傅里叶变换还有许多性质和定理，如频移定理、频域微分定理、频域积分定理等，这些公式和定理在信号处理中非常有用，可以加速计算和简化问题的分析。
傅里叶级数展开公式大全
傅里叶级数展开公式大全一、正弦展开公式：对于一个周期为T的函数f(t)，可以将其正弦展开为以下形式：f(t) = a0 + Σ(an*sin(nω0t) + bn*cos(nω0t))其中，a0、an和bn是常数，n为正整数，ω0=2π/T为基本频率。
1.常数项a0的计算公式：a0 = (2/T) * ∫[t0, t0+T] f(t)dt其中，[t0,t0+T]为f(t)的一个周期。
2.正弦系数an的计算公式：an = (2/T) * ∫[t0, t0+T] f(t)*sin(nω0t)dt3.余弦系数bn的计算公式：bn = (2/T) * ∫[t0, t0+T] f(t)*cos(nω0t)dt二、余弦展开公式：对于一个周期为T的函数f(t)，可以将其余弦展开为以下形式：f(t) = a0/2 + Σ(an*cos(nω0t))其中，a0、an和bn是常数，n为正整数，ω0=2π/T为基本频率。
1.常数项a0的计算公式：a0 = (2/T) * ∫[t0, t0+T] f(t)dt2.余弦系数an的计算公式：an = (2/T) * ∫[t0, t0+T] f(t)*cos(nω0t)dt需要注意的是，正弦展开公式中同时包含了正弦和余弦函数，而余弦展开公式只包含余弦函数。
正弦展开的系数an和bn分别对应了傅里叶级数中正弦和余弦函数的系数。
除了上述的正弦展开和余弦展开公式外，还存在一些特殊的函数的傅里叶级数展开公式，例如矩形脉冲函数和三角波函数的展开公式。
这些特殊函数的展开公式可以通过将其分解为更基本的正弦和余弦函数来求解。
总结起来，傅里叶级数展开公式是一种将周期函数表示为正弦和余弦函数的线性组合的数学工具。
正弦展开和余弦展开是两种常见的展开形式，可以通过对周期函数进行积分求解展开系数。
在实际应用中，傅里叶级数展开公式有着广泛的应用，可以分析信号的频谱特性，计算信号的谐波含量，以及进行信号的合成和滤波等操作。
傅里叶级数和函数
傅里叶级数和函数傅里叶级数和函数是数学中重要的概念，广泛应用于物理、工程、计算机科学等领域。
本文将介绍傅里叶级数和函数的概念、性质、应用，并给出相关实例，以帮助读者更加深入理解。
一、傅里叶级数的概念傅里叶级数指的是将一个周期函数表示为一系列正弦余弦函数的线性组合。
具体而言，设f(x)为定义在区间[-L,L]上的周期函数，则其傅里叶级数为：f(x) = a0/2 + ∑[an*cos(nπx/L) + bn*sin(nπx/L)]其中，a0,a1,a2,...,an,b1,b2,...,bn为一系列常数，又称为傅里叶系数，多项式∑成为称为傅里叶级数。
二、傅里叶函数的概念傅里叶函数指的是由傅里叶级数展开得到的一系列正弦余弦函数。
具体而言，傅里叶函数包括正弦函数、余弦函数、复指数函数等。
三、傅里叶级数和函数的性质傅里叶级数和函数具有以下性质：1. 傅里叶级数是周期为2L的函数。
2. 傅里叶级数及其导数在周期内可积。
3. 傅里叶级数对应的傅里叶函数构成一组完备正交基。
4. 对于周期函数f(x)，其傅里叶级数和函数的系数可以使用奇偶性、对称性、平移性等方式求得。
四、傅里叶级数和函数的应用傅里叶级数和函数在物理、工程、计算机科学等领域有广泛应用，例如：1. 信号分析和处理：傅里叶级数可以将不同频率的信号进行分解，而傅里叶函数可用于频域滤波和信号重构。
2. 图像处理和压缩：傅里叶变换可将图片分解为不同频率的正弦余弦函数，从而实现图片压缩和去噪等操作。
3. 物理学中的波动和振动：声波、电磁波、机械波等可以被表示为傅里叶级数和函数的组合。
五、实例以信号处理为例，假设有一个周期为T的方波信号，其傅里叶级数为：f(x) = 4/π * ∑[1/(2n-1)*sin(2π(2n-1)x/T)]则该信号的傅里叶级数系数为an = 4/(π(2n-1))，bn = 0。
其对应的傅里叶函数为：f(x) = 4/π * [sin(2πx/T) + 1/3*sin(6πx/T) +1/5*sin(10πx/T) + ...]通过傅里叶级数可以得到该方波信号的频域表示，即不同频率正弦函数在信号中的占比，从而可以用于滤波、降噪等信号处理操作。
高等数学一(2)课外复习题
高等数学一（2）课外复习题期末测试题一一、求下列各函数的偏导数（每小题6分，共12分）1、设22222222,0(,)0,0x y xy x y f x y x y x y ⎧-+≠⎪=+⎨⎪+=⎩，求 (1) (0,)x f y ，(2) (0,0)xy f 。
2、设,x y z f xy g y x ⎛⎫⎛⎫=+ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭，其中f ，g 均可微，求,z z x y ∂∂∂∂。
二、(本题8分)设函数z ＝z (x ，y )由方程222y x y z x f x ⎛⎫++=⎪⎝⎭，且可微，求dz 。
三、(本题10分) 设f (x ，y )在区域D 上连续，且f (x ，y )＝xy ＋(,)Df u v dudv ⎰⎰，其中D 是由20,,1y y x x ===所围成的区域，求f (x ，y )。
四、(本题10分) 求半径为R五、(本题10分) 计算3222x zdydz x yzdxdz x z dxdy ∑--⎰⎰，其中∑为222z xy =--（12z ≤≤）。
六、(本题10分) 求曲线积分()()()sin cos xx LI ey b x y dx e y ax dy =-++-⎰，其中a ，b为常数，L 为从点A （2a ，0）沿曲线y =0，0）的弧。
七、(本题10分) 将函数21()43f x x x =-+展开成（x －2）的幂级数，并指出收敛区间。
八、(本题10分) 求级数11!nn n x n ∞=+∑的收敛半径与和函数。
九、(本题10分) 求微分方程76sin y y y x '''-+=的通解。
十、(本题10分) 已知()1ϕπ=，试确定()x ϕ，使线积分()()cos AByx x dx x dyx ϕϕ-+⎡⎤⎣⎦⎰与路径无关，并求当A ，B 两点分别为（1，0），（π，π）时，曲线积分的值。
期末测试题二一、填空题（每小题3分，共15分） 1、1y x y →→＝ 。