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
设 是以 为周期的实值函数,且在 上满足狄利克雷条件:
- 连续或只有有限个第一类间断点
- 只有有限个极值点
则在 的连续点处可以表示为无穷级数
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 ,其傅里叶级数展开式为:
- 是基波角频率。
- 是傅里叶系数,计算公式如下:
二、傅里叶级数的复数形式
利用欧拉公式 ,傅里叶级数可以表示为更简洁的复数形式:
其中 是复傅里叶系数,计算公式为:
由傅里叶级数的三角形式和欧拉公式知:
复傅里叶系数与三角形式系数的关系如下:
三、傅里叶级数的物理意义
在三角形式中,令 :
傅里叶级数展开说明:周期为 的函数 仅包含离散的频率成分
如果 为信号,那么一个周期为 的信号可以被分解为一系列以 为间隔的离散频率的简谐波之和。
当 越来越大,取值间隔 越来越小, 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 :
函数族
在 的积分内积下两两正交,且归一化常数为
因此标准正交形式是
系数由正交投影给出:
这与有限维正交矩阵中的 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:
截断和
不是随便截掉高频,而是 在这些三角基函数张成的有限维子空间中的 最佳逼近。
方波是最典型的分段例子。令
并按 周期延拓,则余弦系数为零,正弦系数只在奇数项非零:
在 处代入,得到
这就是 的交错奇数倒数展开。
再由 和 Parseval 等式可得奇数倒数平方和
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 ;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 ,正是 。在一般 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。