工程数学附录_傅里叶级数与傅里叶变换
引
这里要首先证明三角函数的正交性然后,既然证明了正交,利用加权求和的形式得到关于周期为 函数的傅里叶级数,再把周期扩展到任意L
为了简化公式,使用欧拉公式把复数域和三角函数混合的形式区别统合起来,于是有了周期函数的复指数表达,最终的周期复指表达中会算得一个系数项,整个展开的矛盾就转移到了该系数中,然后我们将整个函数推广到非周期函数中,即将周期推到无限的函数
三角函数的正交性
我们有个 三角函数系 集合
即
那么什么是正交,向量内积为0是正交,函数则这里有个定义 :
就平面上来说正交是这样,那么如果用向量表达出来,假设两者在n维度场:
如果上述求和公式并非取整数,而是连续实数,那么上述的求和就成为了积分;
于是当我们将向量转为无限维的函数,意味着其向量内元素是无限且稠密的,但某个元素总是可用函数自变量表达
于是我们要在三角函数上证明,,利用三角积化和差公式,以及奇函数性质:
周期为
的函数展开为傅里叶级数
的函数

将其展开为三角函数的加和,那么两个三角函数作为基底进行加权组合,两种表达方式:
我们需要求出这里的
对上述第二式两边积分
于是可以得到 ,这个公式有时为了后续计算方便通常两侧都乘2 得到
接下来求
得到
接下来求解
的时候出现非零项
得到
周期为2L的函数展开为傅里叶级数
的函数

可以直接使用换元方法

那么我们可得到
显然其实形式并没有太大的变化
在工程上 时间通常不会是负数 , 周期为
于是我们得到傅里叶工程表达
那么如果此时T 变为无限大,即函数已经不是周期函数了,或者说 全局只有一个周期的函数 ;
傅里叶级数的复数表达形式
带入上述的工程表达得到傅里叶级数的复数表达
观察上述式子 , 将第三项的n的范围改变符号 得到
此时可以发现n的取值成了,出现了可以合并的项
,最后式子就变为
于是
然后将原先傅里叶级数代入,我们就会有惊奇的发现
傅里叶变换 FT
我们已经得到了傅里叶级数的复数表达;
上述函数原表达,求和式,以及系数式
其求和式中 和
两者 对于任意的傅里叶级数都是一样,已经是一种固定规则了,仅仅由
来决定不同样式的傅里叶级数,这系数是一个复数;
其实把求和式展开, , 表现为如下右图;

就上图来说,左边在工程中总是称为时域,毕竟和事件有关,右侧表达的是系数在不同频率下的大小不同,即每次都以某个频率作为基础,作加权,并对其各频率加权结果之总和就是原函数;
上述是周期函数的情况;
那么如果一个函数不是周期函数,或者说整个函数就一个周期?
那么其周期就趋于无穷,此时就成了一般函数
对基频率来说 ,此时
周期增加导致频率间隔变小,当趋于无穷则频率间隔无限小;此时我们可以将傅里叶级数频率的离散情况,转为连续情况,即各个有微小差异的频率稠密的顺序排在一起组成了频率函数(离散级数成连续函数);
把系数式代入求和式 得到 混合式:
可见当周期无限时会出现如下情况:
将这些变化代入上述混合式得到:
而整体拿出来 就是傅里叶逆向变换 IFT
傅里叶变换简化写法就是拉普拉斯变换 Lplace-Transform LT