【免费下载】傅里叶级数的数学推导
傅里叶变换推导详解
傅里叶变换推导详解三角函数标准形式为公式2.1所示f\left( t \right) = Asin\left( \omega t + \varphi\right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ \ \ (2.1)\ \在物理意义上这个函数又称之为正弦信号(正弦波),其中的t为时间变量,A为波幅, ω为角速度, φ为相位，我们可以通过公式2.2求得这个正弦波的频率。
f = \frac{\omega}{2\pi}\ (2.2)根据等式2.2，角速度和正弦波的频率是正相关的。
同时，因为三角函数是周期函数，其在-π到π的积分必定为0，由此性质可写出式2.3，2.4\int_{- \pi}^{\pi}{\sin\left( \text{nx} \right){dx =0\ \ \ \ \ \ \ \ \ (2.3)}}\int_{- \pi}^{\pi}{\cos\left( \text{nx} \right){dx =0\ \ \ \ \ \ \ \ \ (2.4)}}设某三角函数为f\left( x \right) = \sin\left( \text{nx} \right)\ \ \ \ \ \ \ \ \ (2.5)在式2.5两边同时乘以 \sin\left( \text{mx} \right) 同时,对两边在-π到π内进行积分,得出\int_{- \pi}^{\pi}{f\left( x \right)sin(mx)dx} =\int_{- \pi}^{\pi}{\sin\left( \text{nx}\right)sin(mx)dx}\ \ \ \ \ (2.6)由三角函数的积化和差公式,上式可变形为\int_{- \pi}^{\pi}{f( x )\sin( \text{mx} )\text{dx}} = \frac{1}{2}\int_{- \pi}^{\pi}{{ \cos\lbrack ( m - n )x \rbrack - \cos\lbrack ( m + n )x \rbrack }\text{dx}} = \frac{1}{2}\int_{- \pi}^{\pi}{\cos\lbrack ( m - n )x \rbrack\text{dx}} - \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi}{\cos\lbrack ( m + n )x \rbrack\text{dx}}\ \ \ (2.7)依据上述推导方法我们可以继续推导出下列公式:\int_{-\pi}^{\pi}{\cos( \text{mx} )\cos( \text{nx} )}dx =\frac{1}{2}\int_{- \pi}^{\pi}{{ \cos\lbrack ( m - n )x \rbrack + \cos\lbrack ( m + nx ) \rbrack }\text{dx}} = \frac{1}{2}\int_{- \pi}^{\pi}{\cos\lbrack ( m - n )x \rbrack\text{dx}} + \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi}{\cos\lbrack ( m + n )x \rbrack\text{dx}}\ (2.8)\int_{-\pi}^{\pi}{\sin( \text{mx} )\cos( \text{nx} )}dx =\frac{1}{2}\int_{- \pi}^{\pi}{{ \sin\lbrack ( m - n )x \rbrack + \sin\lbrack ( m + n )x \rbrack }\text{dx}} = \frac{1}{2}\int_{- \pi}^{\pi}{\sin\lbrack ( m - n )x \rbrack\text{dx}} + \frac{1}{2}\int_{-\pi}^{\pi}{\sin\lbrack ( m + n )x \rbrack\text{dx}}\ \ \ (2.9)因为三角函数在-π到π内的积分为0,因此当 m \neq n 时,式2.7、2.8、2.9的结果必定为0，因此可以得出以下结论，频率不同的三角函数相乘在一个周期内(-π到π)的积分必定为0。
傅里叶级数公式推导
傅里叶级数公式推导
傅里叶级数是一种将周期函数表示为无穷级数的方法，其基本思想是将周期函数表示为具有不同频率的正弦和余弦函数的无穷级数。
以下是傅里叶级数公式的推导过程：
设f(x)是一个周期为T的周期函数，即f(x+T)=f(x)。
第一步，将f(x)在一个周期内进行离散化，即f(x)=∑n=−NNf(xn)δ(x−xn)，其中xn=nT/N，δ(x)是狄拉克δ函数。
第二步，利用三角恒等式sin2(θ)+cos2(θ)=1，将δ(x−xn)展开为正弦和余弦函数的无穷级数。
具体地，δ(x−xn)=2π1[cos(T2π(x−xn))+i sin(T2π(x−xn))]。
第三步，将第二步中的δ(x−xn)代入第一步中的f(x)，得到f(x)=2π1∑n=−NN f(xn)[cos(T2π(x−xn))+i sin(T2π(x−xn))]。
第四步，将第三步中的f(x)表示为傅里叶级数的形式。
由于f(x)是周期函数，因此可以将f(x)表示为无穷级数∑k=−∞∞ak cos(T2πkx)+bk sin(T2πkx)，其
中ak和bk是傅里叶系数。
综上，傅里叶级数公式可以表示为：f(x)=∑k=−∞∞ak cos(T2πkx)+bk sin(T2πk x)，其中ak和bk是傅里叶系数。
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
第11章第6节傅里叶级数2015-03-2405311.2MB
例2.设函数
数展式为
2
3
(93 考研)
解:
的傅里叶级 则其中系数
利用“偶倍奇零”
例1. 设 f (x) 是周期为 2 的周期函数 ,它在
上的表达式为
f (x)
1
,
x0
将
f
(x)
展成傅里叶级数.
1, 0 x
y
解: 先求傅里叶系数
1
o
x
1
它的傅里叶级数在 x 处收敛于 (n 1, 2, 3,...)
f1n(2fx1()0(n1010)4ss2ci([inocns,ffsion在nn((nsx0xnxdx0x)x)xd213nxsf1210in(n20[11310处1x,)s收0ixn(n1敛10nn0141xc0于)c2ond,2os]0ks1xn1nxx0d1,00sx0in2(nn.2n1,k
第十一章
11.6 傅里叶级数
一、函数展开成傅里叶级数 二、正弦级数和余弦级数
一、函数展开成傅里叶级数
设 f (x) 是周期为 2 的周期函数， 若 f (x) 并满足狄利克雷 ( Dirichlet ) 条件:
1) 在一个周期内连续 或只有有限个第一类间断点;
2) 在一个周期内只有有限个极值点,
则 f (x) 的傅里叶级数 收敛，且
a0 2
n1
(an
cos nx
bn
sin nx)
f (x) 的傅里叶系数
f (x) ,
f (x) 2
x 为连续点
f ( x ) , x 为间断点
例1. 设周期函数 在一个周期内 的表达式为
高数第9章傅里叶级数
0
2
x
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数学分析
1 a0 f ( x )dx
1 0 1 ( x )dx 0 xdx ,
1 an f ( x ) cos nxdx
1 0 1 ( x ) cos nxdx 0 x cos nxdx
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三、函数展开成傅里叶级数
问题: 1.若能展开, ai , bi 是什么? 2.展开的条件是什么? 1.傅里叶系数
a0 若有 f ( x ) (ak cos kx bk sin kx) 2 k 1
且等式右边级数一致收敛。
(1) 求a0 .
a0 f ( x )dx dx [ (ak cos kx bk sin kx)]dx 2 k 1
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较为复杂的周期运动，则常是几个简谐振动
yk Ak sin k x k
的叠加
n n
k 1, 2,
,n
y yk Ak sin k x k
k 1 k 1
（2）
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如：非正弦周期函数:矩形波
1, 当 t 0 u( t ) 当0 t 1, u
m
u
E
o
Em
t
将其展开为傅立叶级数.
解 所给函数满足狄利克雷充分条件.
在点t k( k 0, 1, 2,)处不连续.
Em Em E m ( E m ) 0, 收敛于 2 2
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傅里叶级数推导
傅⾥叶级数推导物理意义：把⼀个⽐较复杂的周期运动看成是许多不同频率的简谐振动的叠加。
三⾓函数系cos x, sinx, cos2x, sin2x.…, cosnx, sinnx.…正交性在[-，]上正交，即其中任意两个不同的函数之积在[-，]上的积分等于0.可以证明：当m=n时设是周期为2的周期函数，且可逐项积分，利⽤三⾓级数得想要表达得求出 ，对两边进⾏积分得因为为常数，利⽤三⾓函数的正交性ππππcos nxdx =∫−ππsin nxdx =∫−ππcos mx cos nxdx =0(m =1,2,3,⋯,n =1,2,3,⋯m =n )∫−ππsin mx sin nxdx =0(m =1,2,3,⋯,n =1,2,3,⋯m =n )∫−ππsin mx cos nxdx ∫−π=0(m =1,2,3,⋯,n =1,2,3,⋯)(n =1⋅1d x =2π∫−ππcos nxdx =π∫−ππ2sin nxdx=π∫−ππ21,2,⋯)f (x )πf (x )=+2a 0a cos nx +b sin nx n =1∑∞(n n )f (x )a ,a ,b 0n n f (x )d x =∫−ππd x +a cos nx d x +b sin nx d x ]∫−ππ2a 0n =1∑[∫−ππn ∫−ππn a ,a ,b 0n n cos nxdx =∫−ππ得到为了求，在等式两边 当k=n时，由三⾓函数的正交性可知其余各项均为零.因此同理整理⼀下得：sin nxdx =∫−ππf (x )d x =∫−ππd x =∫−ππ2a 0πa 0a =0f (x )dx π1∫−ππa n cos kxf (x )cos kxdx ∫−π=cos kxdx ∫−π2a 0+I a cos kx cos nxdx n =1∑∞−ππn +b cos kx sin nxdx ]∫−ππn =a cos kx cos nxdx =a cos nxdx ∫−πn ∫−πn 2a dx =a πn ∫−ππ21+cos 2nx n a =n f (x )cos nxdx (n =π1∫−ππ1,2,3,⋯)b =n f (x )sin nxdx (n =π1∫−ππ1,2,3,⋯)⎩⎨⎧a =f (x )cos nxdx n π1∫−ππb =f (x )sin nxdx n π1∫−ππ(n =0,1,2,⋯)(n =1,2,3,⋯)称为傅⾥叶系数。
傅里叶级数的数学推导
t 0 T 1 t0
a0
cos( kw1t ) dt [ an
cos( nw1t )cos( kw1t )dt bn
t 0 T 1
t0
sin( nw1t )cos( kw1t ) dt ]
当 k=n 时
t 0 T 1
t0
cos( nw1t ) f (t ) dt an
1.傅里叶级数展开表达式为：（ T 1 为 f(t)的周期）
f (t ) a 0 a1 cos( w1t ) b1 sin( w1t ) a 2 cos(2 w1t ) b 2 sin( w2t )
.....+an cos(nw1t ) bn sin( nw1t ) a 0 [an cos(nw1t ) bn sin( nw1t )]
n 1
直流分量： a 0
1 t 0 T 1 f (t )dt T 12 t 0 T 1 cos(nw1t ) f (t )dt T 1 t 0
2 t 0 T 1 正弦分量的幅度： bn T 1 t 0 sin(nw1t ) f (t )dt
2.三角函数的正交性： 一个三角函数系：1，cosx, sinx, cos2x, sin2x……cosnx, sinnx,……….如果这一堆函数（包括 常数 1）中任何两个不同函数的乘积在区间[- , ]上 的积分等于 0，就说三角函数系在区间[- , ]上正交。 即有如下式子：
t 0 T 1
t0
cos( nw1t )cos( kw1t )dt an
t 0 T 1
t0
cos 2 ( nw1t )dt
an t 0 T 1 an (1 cos 2nw1t )dt T 1 2 t0 2
经典傅里叶级数公式的系数推导.ppt
T f (t)e jntdt 0
T 0
Fk e jkte jnt dt
k
• 这里T 是f (t)的基波周期，以上就是在该周期内积分。
2
• 将上式右边的积分和求和次序交换后得
T f (t)e jntdt 0
Fk [
T e j(k n)t dt]
0
k
(3)
• (3)式右边括号内的积分式很容易的，为此利用欧拉关系
可得 T e dt j(kn)t
T
T
cos(k n)tdt j sin(k n)tdt
0
0
0
• 综合上述得到
T 0
e
dt j(k n)t
T 0
k n kn
• 这样(3)式的右边就化为 TFn 。因此有
Fn
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 T
T f (t)e jnt dt
0
• 该式给出了确定系数的关系式。
3
傅里叶级数公式的系数推导
2012-03-11 TJUT
1
• 假设一个给定的周期信号能表示成
• •
f (t) Fke jkt k
(1)
• 的级数形式，这就需要一种办法来确定这些系数。将(1)
式两边各乘以e jnt ，可得
•
f (t)e jnt
Fk e jkt e jnt
k
(2)
• 将上式两边从0 到T 2 对 t 积分，有