工程數(shù)學(xué)附錄_傅里葉級數(shù)與傅里葉變換
引
這里要首先證明三角函數(shù)的正交性然后,既然證明了正交,利用加權(quán)求和的形式得到關(guān)于周期為 函數(shù)的傅里葉級數(shù),再把周期擴(kuò)展到任意L
為了簡化公式,使用歐拉公式把復(fù)數(shù)域和三角函數(shù)混合的形式區(qū)別統(tǒng)合起來,于是有了周期函數(shù)的復(fù)指數(shù)表達(dá),最終的周期復(fù)指表達(dá)中會算得一個系數(shù)項,整個展開的矛盾就轉(zhuǎn)移到了該系數(shù)中,然后我們將整個函數(shù)推廣到非周期函數(shù)中,即將周期推到無限的函數(shù)
三角函數(shù)的正交性
我們有個 三角函數(shù)系 集合
即
那么什么是正交,向量內(nèi)積為0是正交,函數(shù)則這里有個定義 :
就平面上來說正交是這樣,那么如果用向量表達(dá)出來,假設(shè)兩者在n維度場:
如果上述求和公式并非取整數(shù),而是連續(xù)實數(shù),那么上述的求和就成為了積分;
于是當(dāng)我們將向量轉(zhuǎn)為無限維的函數(shù),意味著其向量內(nèi)元素是無限且稠密的,但某個元素總是可用函數(shù)自變量表達(dá)
于是我們要在三角函數(shù)上證明,,利用三角積化和差公式,以及奇函數(shù)性質(zhì):
?
?
周期為
的函數(shù)展開為傅里葉級數(shù)
的函數(shù) ?
?

將其展開為三角函數(shù)的加和,那么兩個三角函數(shù)作為基底進(jìn)行加權(quán)組合,兩種表達(dá)方式:
我們需要求出這里的
對上述第二式兩邊積分
于是可以得到? ,這個公式有時為了后續(xù)計算方便通常兩側(cè)都乘2 得到
接下來求
得到
接下來求解
的時候出現(xiàn)非零項
得到
周期為2L的函數(shù)展開為傅里葉級數(shù)
的函數(shù)?

可以直接使用換元方法?

那么我們可得到
顯然其實形式并沒有太大的變化
在工程上 時間通常不會是負(fù)數(shù)? ?, 周期為
于是我們得到傅里葉工程表達(dá)
那么如果此時T 變?yōu)闊o限大,即函數(shù)已經(jīng)不是周期函數(shù)了,或者說 全局只有一個周期的函數(shù) ;
傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá)形式
帶入上述的工程表達(dá)得到傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá)
觀察上述式子 , 將第三項的n的范圍改變符號 得到
此時可以發(fā)現(xiàn)n的取值成了,出現(xiàn)了可以合并的項
,最后式子就變?yōu)?img type="latex" class="latex" src="http://api.bilibili.com/x/web-frontend/mathjax/tex?formula=%5Csum%5Climits%5E%7B%5Cinfty%7D_%7B-%5Cinfty%7DC_n%20e%5E%7Bin%5Comega%20t%7D" alt="%5Csum%5Climits%5E%7B%5Cinfty%7D_%7B-%5Cinfty%7DC_n%20e%5E%7Bin%5Comega%20t%7D">
于是
然后將原先傅里葉級數(shù)代入,我們就會有驚奇的發(fā)現(xiàn)
傅里葉變換 FT
我們已經(jīng)得到了傅里葉級數(shù)的復(fù)數(shù)表達(dá);
上述函數(shù)原表達(dá),求和式,以及系數(shù)式
其求和式中 和
兩者 對于任意的傅里葉級數(shù)都是一樣,已經(jīng)是一種固定規(guī)則了,僅僅由
來決定不同樣式的傅里葉級數(shù),這系數(shù)是一個復(fù)數(shù);
其實把求和式展開, , 表現(xiàn)為如下右圖;

就上圖來說,左邊在工程中總是稱為時域,畢竟和事件有關(guān),右側(cè)表達(dá)的是系數(shù)在不同頻率下的大小不同,即每次都以某個頻率作為基礎(chǔ),作加權(quán),并對其各頻率加權(quán)結(jié)果之總和就是原函數(shù);
上述是周期函數(shù)的情況;
那么如果一個函數(shù)不是周期函數(shù),或者說整個函數(shù)就一個周期?
那么其周期就趨于無窮,此時就成了一般函數(shù)
對基頻率來說 ,此時
周期增加導(dǎo)致頻率間隔變小,當(dāng)趨于無窮則頻率間隔無限??;此時我們可以將傅里葉級數(shù)頻率的離散情況,轉(zhuǎn)為連續(xù)情況,即各個有微小差異的頻率稠密的順序排在一起組成了頻率函數(shù)(離散級數(shù)成連續(xù)函數(shù));
把系數(shù)式代入求和式 ?得到 混合式:
可見當(dāng)周期無限時會出現(xiàn)如下情況:
將這些變化代入上述混合式得到:
而整體拿出來 就是傅里葉逆向變換 IFT
傅里葉變換簡化寫法就是拉普拉斯變換 Lplace-Transform ? LT