夢(mèng)開始的地方——Fourier級(jí)數(shù)與變換

這篇文章肯定是寫不下太多內(nèi)容的,因此我會(huì)寫一些以后會(huì)用到的一些東西,因?yàn)槟芰τ邢匏晕恼驴赡軙?huì)稍微有些簡略……

Euler公式
對(duì)展開為Maclaurin級(jí)數(shù),有
根據(jù)正弦余弦的Maclaurin級(jí)數(shù),便有
這只是及其簡略且不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)淖C明,不嚴(yán)謹(jǐn)在于這里并沒有指出它滿足交換求和次序的條件
它的詳細(xì)證明以及推廣什么的這里就不討論了,互聯(lián)網(wǎng)一搜就是一堆

Fourier級(jí)數(shù)
眾所周知,正弦函數(shù)和余弦函數(shù)都是周期為2π的連續(xù)函數(shù),因此多個(gè)正弦函數(shù)和余弦函數(shù)的和仍然是周期函數(shù)
?
那么反過來,是不是周期函數(shù)都可以寫成正弦函數(shù)與余弦函數(shù)的和呢?
Fourier就正好注意到了這點(diǎn),他認(rèn)為,任何在一個(gè)周期內(nèi)只有有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)的周期函數(shù)都可表為正余弦函數(shù)之和,即對(duì)周期函數(shù)f(t),有
其中T為f(t)的最小正周期,此即為經(jīng)典的Fourier三角級(jí)數(shù)
假設(shè)f(t)是處處連續(xù)的,且Fourier級(jí)數(shù)收斂于f(t),我們來求解他的Fourier系數(shù),利用歐拉公式,有
代入到其中
看起來越變?cè)綇?fù)雜了,但我們可以做如下變換
則
到這一步后就看上去似乎無從下手了,
但如果我們用一指數(shù)函數(shù)乘以f(t)再對(duì)其在一個(gè)周期上進(jìn)行積分(這里選[-T/2,T/2])
其中,積分與和式可以交換次序是因?yàn)樵摷?jí)數(shù)的和收斂
假設(shè)該積分絕對(duì)值收斂,這樣我們便可以對(duì)其每一項(xiàng)討論
n=k時(shí)
n≠k時(shí)
于是我們得到
根據(jù)的定義對(duì)比實(shí)部與虛部又可得:
這樣就能得到周期函數(shù)的Fourier級(jí)數(shù)展開了,
為的Fourier三角級(jí)數(shù),同樣有一下更優(yōu)美形式的三角級(jí)數(shù)

Fourier積分
看到這里的同學(xué)不難發(fā)現(xiàn)Fourier級(jí)數(shù)僅僅局限于對(duì)周期函數(shù)展開,那么非周期函數(shù)要怎么辦呢?
對(duì)此,我們可以將一個(gè)非周期連續(xù)函數(shù)看為周期為無窮大的周期函數(shù)
令?,則
令?,則
運(yùn)用小學(xué)二年級(jí)學(xué)過的微積分知識(shí),可知右邊為一黎曼和,于是可以將級(jí)數(shù)寫成積分
這樣,我們就得到了Fourier積分,其中
稱為f(t)的Fourier變換,且其逆變換為

那么本篇文章就到此結(jié)束了
今后呢也是會(huì)不定期更新一些文章的
拜拜~
