傅里叶级数

Fourier Series

本质上是函数空间中以三角函数系为基底,来表达函数。将周期函数分解为一系列简单正弦和余弦函数(或复指数函数)之和的数学方法,揭示了周期信号的频率成分

fT(t) 是以 T周期的实值函数,且在 [T2,T2] 上满足狄利克雷条件:

一、傅里叶级数的三角形式

对于满足狄利克雷条件的周期函数 fT(t),其傅里叶级数展开式为:

fT(t)=a02+n=1(ancosnω0t+bnsinnω0t) ω0=2πTan=2TT/2T/2fT(t)cosnω0tdtbn=2TT/2T/2fT(t)sinnω0tdt

二、傅里叶级数的复数形式

利用欧拉公式 ejx=cosx+jsinx,傅里叶级数可以表示为更简洁的复数形式:

fT(t)=n=+cnejnω0t

其中 cn 是复傅里叶系数,计算公式为:

cn=1TT/2T/2fT(t)ejnω0tdt(n=0,±1,±2,)

由傅里叶级数的三角形式和欧拉公式知:

cos(nω0t)=12(ejnω0t+ejnω0t)sin(nω0t)=12i(ejnω0tejnω0t)fT(t)=a02+n=1(anjbn2ejnω0t+an+jbn2ejnω0t)

复傅里叶系数与三角形式系数的关系如下:

c0=a02,cn=anjbn2,cn=an+jbn2

三、傅里叶级数的物理意义

在三角形式中,令 :

A0=a02,An=an2+bn2,cosθn=anAn,sinθn=bnAnfT(t)=a02+n=1(ancosnω0t+bnsinnω0t)=A0+n=1+An(cosθncosnω0tsinθnsinnω0t)=A0+n=0+Ancos(nω0t+θn)

傅里叶级数展开说明:周期为 T 的函数 fT(t) 仅包含离散的频率成分
如果 fT(t)信号,那么一个周期为 T 的信号可以被分解为一系列以 ω0=2πT 为间隔的离散频率的简谐波之和。

T 越来越大,取值间隔 ω0=2πT 越来越小, T 时,周期函数变为非周期函数,离散的频率成分变得无限密集,将离散的求和变为连续函数的积分,引出傅里叶积分

四、相关推导

傅里叶级数的推导

正交基展开视角

傅里叶级数可看成在正交基上的展开。为了突出投影结构,下面把常数项直接记为 a0

f(x)=a0+k=1(akcoskx+bksinkx),0x2π.

函数族

1,cosx,sinx,cos2x,sin2x,

[0,2π] 的积分内积下两两正交,且归一化常数为

02π12dx=2π,02πcos2kxdx=02πsin2kxdx=π(k1).

因此标准正交形式是

12π,cosxπ,sinxπ,cos2xπ,sin2xπ,

系数由正交投影给出:

a0=12π02πf(x)dx,ak=1π02πf(x)coskxdx,bk=1π02πf(x)sinkxdx(k1).

这与有限维正交矩阵中的 c=QTb 是同一件事:乘以某个基方向再取内积,其他正交方向都会消去。

Parseval 等式给出能量守恒:

fL22=02π|f(x)|2dx=2πa02+πk=1(ak2+bk2).

截断和

SN(x)=a0+k=1N(akcoskx+bksinkx)

不是随便截掉高频,而是 f 在这些三角基函数张成的有限维子空间中的 L2 最佳逼近。

方波是最典型的分段例子。令

f(x)={1,0<x<π,1,π<x<2π,

并按 2π 周期延拓,则余弦系数为零,正弦系数只在奇数项非零:

f(x)=4π(sinx+sin3x3+sin5x5+).

x=π/2 处代入,得到

π4=113+1517+.

这就是 π/4 的交错奇数倒数展开。
再由 f2=2π 和 Parseval 等式可得奇数倒数平方和

m=01(2m+1)2=π28.

收敛边界也必须写清楚:在连续点,满足常见收敛条件的 Fourier 级数收敛到 f(x);在跳跃点,级数收敛到左右极限的平均值。例如上面的方波在跳跃处给出 0,正是 (1+1)/2。在一般 L2 意义下,Fourier 级数保证能量意义的逼近;这不等于每个函数都能在每一点良好地逐点展开。