傅立叶级数
一、三角级数 三角函数系的正交性
正弦函数是一种常见而简单的周期函数,例如描述简谐振动的函数:
就是一个以2pi/w
为周期的正弦函数,其中y表示动点的位置,t表示时间,A为振幅,w为角频率,fi为初相。
在实际问题中,除了正弦函数外,还会遇到非正弦函数的周期函数,它们反应了较为复杂的周期运动。
比如电子技术中常用的周围为T的矩形波,如下图:
是一个非正弦周期函数的例子。
如何深入研究非正弦周期函数呢?我们之前用函数的幂级数展开式表示与讨论函数,我们想将周期函数展开成由简单的周期函数例如三角函数组成的级数。
二、函数展开成傅立叶级数
设f(x)是周期为2pi的周期函数,且能展开成三角级数。
我们自然要问:系数a0,a1,b1,与函数f(x)之间存在着怎样的关系呢?
换句话说,如何利用f(x)把a0,a1,b1,,,表达出来?
先求a0. 对于上式从-pi到pi积分。
所以变为:
由三角函数系的正交性,等式右端除第一项外,其余各项均为零,所以:
然后我们求an。
我们用cosnx乘上式两端,再从-pi到pi积分,我们得到:
根据三角函数系的正交性,等式右端除k=n的一项外,其余各项均0,所以:
类似地,用sinx乘上式的两端,再从-pi到pi积分,可得到:
由于当n=0时,an的表达式正好给出a0,因此,已得结果可以合并写成:
如果上式的积分都存在,这时她们定出的系数a0,a1,b1…叫做函数f(x)的傅立叶系数(Fourier),将这些系数带入:
所得到的:
叫作函数f(x)的傅立叶级数。