傅里叶级数(数学)
傅里叶级数公式总结
傅里叶级数公式总结傅里叶级数是一种电磁波、声波等周期性信号的频谱分析方法，通过将一个周期性函数展开成无穷多个正弦和余弦函数的和来描述这个函数。
傅里叶级数公式是傅里叶级数的数学表达式，也是傅里叶分析的核心工具之一。
傅里叶级数公式可以表示为：\[f(x)=\frac{a_{0}}{2}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_{n}\cos(\fra c{2\pi n}{T}x)+b_{n}\sin(\frac{2\pi n}{T}x))\]其中，\(f(x)\)是一个周期为\(T\)的函数，\(a_0\)、\(a_n\)、\(b_n\)是系数，可以通过傅里叶级数的积分公式计算得到。
在这个公式中，\(a_0\)表示函数的直流分量，即函数在一个周期内的平均值。
而\(a_n\)和\(b_n\)则表示函数在一个周期内的振幅和相位信息。
傅里叶级数公式的意义在于它将一个周期函数分解成许多不同频率的正弦和余弦函数的和。
通过傅里叶级数分析，我们可以得到函数在不同频率上的能量分布情况，从而揭示了周期性信号的频谱特性。
通过傅里叶级数公式，我们可以深入理解周期函数的谐波分量以及它们在函数中的作用。
具体来说，\(a_n\)和\(b_n\)分别对应了频率为\(n/T\)的正弦和余弦波的振幅，而相位则决定了每个谐波分量在函数中的位置。
傅里叶级数公式的应用十分广泛。
在信号处理中，它可以用于滤波、降噪、频谱分析等方面。
在图像处理中，傅里叶级数可以用于图像的频域分析和图像的压缩。
在通信领域，傅里叶级数也被广泛应用于调制解调和信号检测等方面。
总之，傅里叶级数公式是一种重要的数学工具，它能够将周期函数分解成不同频率的正弦和余弦波的和，揭示了周期性信号的频谱特性。
通过傅里叶级数的分析，我们可以更好地理解周期性信号的谐波分量和它们在函数中的作用。
傅里叶级数公式的应用广泛，可以用于信号处理、图像处理、通信等领域，对于这些领域的研究和实际应用具有重要的指导意义。
傅里叶级数公式
傅里叶级数公式傅里叶级数是一种数学工具，用于将一个周期性函数表示为无限多个简单的正弦和余弦函数的和。
它由法国数学家傅里叶在19世纪中叶发现，并在物理学、工程学和其他领域中得到广泛应用。
本文将介绍傅里叶级数的定义、数学表达式和一些应用示例。
定义给定一个周期为T的函数f(t)，其傅里叶级数表示为：傅里叶级数公式傅里叶级数公式其中a0、an和bn是傅里叶系数，可以通过以下公式计算：傅里叶系数公式傅里叶系数公式傅里叶系数公式傅里叶系数公式傅里叶系数公式傅里叶系数公式数学表达式傅里叶级数公式可以进一步简化为以下形式：傅里叶级数公式简化形式傅里叶级数公式简化形式其中cn是复傅里叶系数，可以通过以下公式计算：复傅里叶系数公式复傅里叶系数公式应用示例傅里叶级数在信号处理、图像处理和音频处理等领域中有广泛的应用。
以下是一些傅里叶级数的应用示例：1. 信号分析傅里叶级数可以将任意周期性信号分解为不同频率的正弦和余弦函数的和，从而帮助我们理解信号的频谱特征。
通过计算傅里叶系数，我们可以得到信号在不同频率上的幅度和相位信息。
2. 图像压缩傅里叶级数被广泛用于图像压缩算法中，例如JPEG压缩。
通过将图像转换为频域表示，可以将高频部分压缩或丢弃，从而实现图像的压缩和存储。
3. 音频合成傅里叶级数可以用于合成音频信号。
通过给定一些具有不同频率和幅度的正弦和余弦函数的傅里叶系数，我们可以通过求和运算生成一个新的音频信号。
4. 信号滤波傅里叶级数在信号滤波中也有广泛应用。
通过将信号转换到频域，并在频域对信号进行滤波操作，可以实现去除噪声、降低干扰等效果。
总结傅里叶级数是一种将周期性函数表示为正弦和余弦函数的和的数学工具。
它帮助我们理解信号的频谱特征，进行信号分析、图像压缩、音频合成和信号滤波等应用。
通过计算傅里叶系数，我们可以获得信号在不同频率上的幅度和相位信息。
傅里叶级数在现代科学和工程中具有重要的地位，对于理解和处理周期性信号至关重要。
傅里叶级数总结
傅里叶级数总结傅里叶级数是数学中非常重要的概念之一，它在物理、工程、信号处理等领域都有广泛的应用。
本文将以傅里叶级数为主题，介绍傅里叶级数的定义、性质和应用。
让我们来了解一下傅里叶级数的定义。
傅里叶级数是由法国数学家傅里叶在19世纪初提出的，用于描述周期函数的一种方法。
对于一个周期为T的函数f(t)，傅里叶级数将其表示为一组正弦函数和余弦函数的线性组合。
具体地说，傅里叶级数可以写成以下形式：f(t) = a0 + Σ(a_n*cos(nωt) + b_n*sin(nωt))其中，a0是常数项，a_n和b_n是傅里叶系数，n是正整数，ω是角频率，ω=2π/T。
傅里叶级数有许多重要的性质。
首先，傅里叶级数可以用于表示任意周期函数，不论其形状如何。
其次，傅里叶级数是线性的，即如果一个函数可以表示为两个函数的傅里叶级数之和，那么这个函数的傅里叶级数也可以表示为这两个函数傅里叶级数的和。
此外，傅里叶级数还具有很好的逼近性质，即当级数中的项数足够多时，级数可以无限接近原函数。
傅里叶级数在物理、工程和信号处理中有广泛的应用。
首先，在物理学中，傅里叶级数可以用于描述振动和波动现象，例如声波、光波和电磁波等。
其次，在电路分析和电子工程中，傅里叶级数可以用于分析交流电路中的电压和电流信号。
此外，傅里叶级数还可以在图像处理和数据压缩中应用，通过将图像或数据分解为傅里叶级数的组成部分，可以实现对图像和数据的压缩和恢复。
虽然傅里叶级数在理论和应用中都有很大的成功，但是它也有一些局限性。
首先，傅里叶级数要求函数是周期的，这在某些情况下可能不成立。
其次，傅里叶级数在描述非周期函数时可能需要无限多个项，这导致计算和处理的复杂性增加。
为了解决这些问题，人们提出了傅里叶变换和离散傅里叶变换等概念，它们可以处理非周期函数和离散信号，并且具有更广泛的应用领域。
傅里叶级数是一种重要的数学工具，用于描述周期函数，并在物理、工程和信号处理等领域有广泛的应用。
傅里叶级数课件分解
与
在
上可积, 且
则称
与
在பைடு நூலகம்
上是正交的, 或在
上具有正
交性. 由此三角函数系(4)在
上具有正交性.
或者说(5)是正交函数系.
现应用三角函数系(5)的正交性来讨论三角级数(4)
的和函数 f 与级数(4)的系数
之间的关系.
定理12.2 若在[-π,π]上
且等式右边级数一致收敛, 则有如下关系式:
光滑弧段所组成,它至
收敛定理指出, f 的傅里叶级数在点 x 处收敛于 在
该点的左、右极限的算术平均值
而当 f 在点 x 连续时,则有
即此时f的傅里叶级数收敛于
. 这样便有
上按段光滑, 则 f 的傅里叶级数在
上收敛
于 f .
推论 若 f 是以 为周期的连续函数, 且在
上每一点都存在
, 如果在不连续
点补充定义
, 或
, 则
还有
(iii) 在补充定义
在
上那些至多有限个不存在
导数的点上的值后 ( 仍记为
),
在[a, b]上可积.
从几何图形上讲, 在
区间[a, b]上按段光滑
光滑函数,是由有限个
多有有限个第一类间
断点 (图15-1).
时,
于是当
当 时, 级数收敛到 0( 实际上级数每一项都为 0 ).
为进一步研究三角级数(4)的收敛性, 先讨论三角函
数系 (5) 的特性. 首先容易看出三角级数系(5)中所
定理 12.1 若级数
其次, 在三角函数系(5)中, 任何两个不相同的函数
傅里叶级数
− 2
n
T 2
= bn ∫ T sin nωt d t
2
− 2
T 2
2 即 bn = T
T = bn 2
∫
T 2
T − 2
fT ( t )sin nω t d t
最后可得:
a0 fT (t) = + ∑(an cos mωt + bn sin nωt) (1.1) 2 n=1 T 2 2 其 中 a0 = ∫ T fT (t) dt T −2 T 2 2 an = ∫T fT (t) cos nωt dt (n =1,2,L ) T −2 T 2 2 bn = ∫T fT (t) sin nωt dt (n =1,2,L ) T −2
1= 12 dt = T ∫T
− 2 T 2 T 2 T 2
1+ cos 2nωt T cos nωt = ∫T cos nωt dt = ∫T dt = − − 2 2 2 2
2
1− cos 2nωt T sin nωt = ∫T sin nωt dt = ∫T dt = − − 2 2 2 2
T 2
f4 (t) =
n=−∞
∑ f (t + 4n),
+∞
2π 2π π nπ = = , ωn = nω = ω= T 4 2 2
f4(t)
−1
T=4
1
3
t
则
1 T 2 − jωnt cn = ∫ T fT (t )e dt T −2 1 2 1 1 − jωnt − jωnt = ∫ f4 (t )e dt = ∫ e dt T −2 T −1 1 1 1 − jωnt jωn − jωn = e = e −e −Tjωn Tjωn −1 2 sinωn 1 = ⋅ Sa(ωn ) (n = 0, ±1, ±2,L ) T =4 = T ωn 2
数学分析课件 傅里叶级数
03
工程学
在工程学中，傅里叶级数可以用于分析和设计各种周期性结构，例如在
机械工程和土木工程等领域中，可以通过傅里叶级数来描述和分析周期
性振动和波动等问题。
02
傅里叶级数的基本性质
三角函数的正交性
三角函数的正交性是指在一周期内，任何两个不同的三角函 数都不相交，即它们的乘积在全周期内的积分值为零。这一 性质在傅里叶级数的展开和重构中起到关键作用，确保了频 谱的纯净性和分离性。
三角函数的周期性使得我们能够将无限长的信号转化为有限长的频谱，从而方便 了信号的分析和处理。
傅里叶级数的收敛性
傅里叶级数的收敛性是指一个信号的傅里叶级数展开在一 定条件下能够无限接近原信号。这一性质保证了傅里叶级 数展开的精度和可靠性，使得我们能够通过有限项的级数 展开来近似表示复杂的信号。
收敛性的判定是数学分析中的重要问题，涉及到级数的收 敛半径、收敛域等概念。在实际应用中，我们需要根据信 号的特性和精度要求来选择合适的收敛域和级数项数，以 保证傅里叶级数展开的准确性。
首先，确定函数的周期和定义域；其次，计算正弦和余弦函数的系数；最后，将得到的系数代入正弦和余弦函数的线 性组合中，得到函数的傅里叶级数表示。
傅里叶级数的表示方法的优缺点
傅里叶级数具有简洁、易计算等优点，能够将复杂的周期函数分解为简单的正弦和余弦函数。然而，傅 里叶级数也存在着一些缺点，例如在非周期函数的情况下，傅里叶级数可能无法得到正确的结果。
图像增强
利用傅里叶级数，可以对图像进行增 强处理，如锐化、降噪等，提高图像 的视觉效果。
数值分析中的傅里叶级数
数值逼近
傅里叶级数可以用于求解某些函数的 数值逼近问题，如求解函数的零点、 极值等。
《傅里叶级数》课件
FFT的出现极大地促进了数字信号处理领域的发展，尤其在实时信号处理 和大数据分析方面。
小波变换与傅里叶级数的关系
01
小波变换是一种时间和频率的局部化分析方法，用于多尺度信 号处理和分析。
02
小波变换与傅里叶级数都是信号的频域表示方法，但小波变换
频域处理
傅里叶变换将图像从空间域转换到频域，使得图 像的频率特征更加明显，便于进行滤波、增强等 操作。
图像压缩
通过分析图像的频谱，可以去除不重要的频率成 分，从而实现图像的压缩，节省存储和传输资源 。
图像去噪
傅里叶变换在图像去噪中发挥了重要作用，通过 滤除噪声对应的频率成分，可以有效去除图像中 的噪声。
傅里叶级数提供了一种将 复杂信号分解为简单正弦 波的方法，有助于理解和 处理信号。
频谱分析
通过傅里叶变换，可以分 析信号的频率成分，这在 通信、音频处理等领域有 广泛应用。
滤波器设计
利用傅里叶级数或其变换 形式，可以设计各种滤波 器，用于提取特定频率范 围的信号或抑制噪声。
图像处理中的应用
1 2 3
数值分析中的应用
求解微分方程
傅里叶级数在数值分析中常用于 求解初值问题和偏微分方程，通 过离散化和变换，将复杂问题转 化为易于处理的简单问题。
数值积分与微分
傅里叶级数在数值积分和微分中 也有应用，可以将复杂的积分或 微分运算转换为易于计算的离散 形式。
插值与拟合
傅里叶级数可以用于多项式插值 和函数拟合，通过选取适当的基 函数，可以构造出精度较高的插 值函数或拟合模型。
04
傅里叶级数的扩展知识
离散傅里叶变换
离散傅里叶变换（DFT）是连续傅里叶变换的离 散化形式，用于将时域信号转换为频域信号。
傅里叶级数的定义与公式
傅里叶级数的定义与公式傅里叶级数是分析函数周期性的重要工具，它在信号处理、图像处理、物理学等领域广泛应用。
在数学上，傅里叶级数可以将一个周期函数表示为一系列的正弦和余弦函数的线性组合。
通过傅里叶级数，我们可以将任意周期函数进行频域分解，从而更好地理解信号的频谱特性。
傅里叶级数的定义如下：假设函数f(x)是一个以T为周期的连续函数，在周期T上可展开成如下的正弦余弦级数：f(x) = a0 + Σ(an*cos(nω0x) + bn*sin(nω0x))其中，n为正整数, ω0=2π/T是基本频率，an和bn为函数f(x)的傅里叶系数。
而a0是傅里叶级数中的直流分量，表示函数的平均值。
要计算函数f(x)的傅里叶系数，我们可以利用傅里叶级数的公式：an = (2/T) * ∫[0,T] (f(x)*cos(nω0x)dx)，n≥1bn = (2/T) * ∫[0,T] (f(x)*sin(nω0x)dx)，n≥1其中，∫[0,T]表示对周期T内的函数进行积分。
傅里叶级数的计算过程可以通过数值积分方法等多种途径实现。
计算出傅里叶系数之后，我们可以通过将级数的每一项相加，逐渐逼近原始函数f(x)。
这样可以实现对任意周期函数进行分析和重建。
傅里叶级数的应用非常广泛。
在信号处理领域，傅里叶级数可用于时域和频域的转换，从而实现滤波、频谱分析和频谱合成等任务。
在图像处理领域，傅里叶级数可以用来进行图像的压缩和频域滤波等操作。
在物理学领域，傅里叶级数可以用来解决波动方程、热传导方程等偏微分方程的初值问题。
在学习和应用傅里叶级数时，我们需要注意一些问题。
首先，要判断函数是否满足周期性条件，周期必须是确定的。
其次，要注意函数的奇偶性，奇函数的傅里叶级数只包括正弦项，偶函数的傅里叶级数只包括余弦项。
此外，对于非周期函数，我们可以通过周期延拓的方式来逼近其傅里叶级数。
总之，傅里叶级数是一种重要的分析工具，可以将周期函数展开成具有不同频率的正弦和余弦函数的线性组合。
《傅里叶级数》课件
傅里叶系数： a_n和b_n，可 以通过积分计算 得到
傅里叶级数的收 敛性：对于满足 一定条件的函数， 傅里叶级数收敛 于该函数
傅里叶级数的计算步骤
傅里叶级数的计算实例
实例：计算正弦函数的傅里 叶级数
计算步骤：确定周期、确定 频率、确定振幅、确定相位
傅里叶级数的定义：将周期函 数分解为无穷多个正弦和余弦 函数的和
傅里叶级数未来的研究方向与挑战
傅里叶级数的快速算法研究 傅里叶级数的应用领域拓展 傅里叶级数的理论研究与证明 傅里叶级数的计算复杂性与优化
感谢您的观看
汇报人：PPT
实例：计算余弦函数的傅里 叶级数
实例：计算三角函数的傅里 叶级数
实例：计算复杂函数的傅里 叶级数
傅里叶级数的应 用实例
信号处理中的应用
滤波器设计：傅里叶级数可以用于设计各种滤波器，如低通滤波器、高通滤波器等。 信号分析：傅里叶级数可以用于分析信号的频率成分，如分析信号的频谱、功率谱 等。
信号处理：傅里叶级数可以用于处理信号，如信号的压缩、增强、去噪等。
傅里叶级数的周期性
傅里叶级数是一种周期函数 周期性是傅里叶级数的基本性质之一 周期性是指函数在一定区间内重复出现 周期性是傅里叶级数在信号处理、图像处理等领域里叶级数的展开式
傅里叶级数的定 义：将周期函数 分解为无穷多个 正弦函数和余弦 函数的线性组合
傅里叶级数的展 开式：f(x) = a_0 + Σ[a_n * cos(nωx) + b_n * sin(nωx)]
数值分析中的应用
傅里叶级数在信号处理中的应用 傅里叶级数在图像处理中的应用 傅里叶级数在音频处理中的应用 傅里叶级数在金融数据分析中的应用
其他应用领域
傅里叶级数的定义及应用
傅里叶级数的定义及应用傅里叶级数是一种将周期函数表示为三角函数和正弦函数之和的数学工具。
它在信号处理、图像处理和电子通信等领域中有着广泛的应用。
本文将介绍傅里叶级数的定义及其在实际中的应用。
第一部分：傅里叶级数的定义傅里叶级数是由法国数学家约瑟夫·傅里叶在19世纪初提出的。
它将周期函数表示为无穷级数的形式，其中每一项为三角函数或正弦函数的乘积。
一个周期为T的函数f(t)可以表示为以下无穷级数的形式：f(t) = a₀ + Σ(aₙcos(nω₀t) + bₙsin(nω₀t))在公式中，a₀是常数项，aₙ和bₙ是系数，n是正整数，ω₀是基波角频率。
根据傅里叶级数的定义，周期函数f(t)可以通过确定其系数来表示。
系数的计算可以通过将函数f(t)与三角函数进行内积运算来实现。
这种数学上的运算使得我们能够将任意周期函数表示为一系列简单的三角函数的和，从而更好地理解和分析函数的特性。
第二部分：傅里叶级数在信号处理中的应用傅里叶级数在信号处理中有着广泛的应用。
信号处理是指对信号进行分析、合成、编码和解码的过程，傅里叶级数为信号处理提供了有效的工具。
首先，傅里叶级数可以将时域信号转换为频域信号。
通过对信号进行傅里叶级数分解，我们可以将信号的频谱表示出来，了解信号在不同频率下的成分情况。
这对于音频信号的合成、滤波、去噪等处理非常有用。
其次，傅里叶级数在通信系统中起着重要的作用。
在数字通信中，信号需要经过调制、解调等处理。
傅里叶级数可以帮助我们理解信道传输中的信号畸变情况，从而对传输信号进行补偿和恢复。
此外，傅里叶级数还广泛应用于图像处理领域。
图像可以看作是由像素点组成的二维数组，每个像素点的灰度值可以用一个周期为1的函数表示。
通过对图像进行傅里叶级数分析，我们可以提取图像中的频域特征，如边缘、纹理等。
这对于图像压缩、增强和恢复等处理具有重要意义。
第三部分：傅里叶级数在其他领域的应用除了信号处理领域，傅里叶级数还在许多其他领域有着广泛的应用。
傅里叶级数基础知识
傅里叶级数基础知识傅里叶级数是数学中的一个重要概念，它在信号处理、图像处理、物理学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍傅里叶级数的基础知识，包括傅里叶级数的定义、性质以及应用。
一、傅里叶级数的定义傅里叶级数是一种将周期函数表示为正弦函数和余弦函数的无穷级数的方法。
对于一个周期为T的函数f(t)，它可以表示为以下形式的级数：f(t) = a0 + Σ(an*cos(nωt) + bn*sin(nωt))其中，a0、an、bn是系数，ω是角频率，n是正整数。
二、傅里叶级数的性质1. 周期函数的傅里叶级数是收敛的，即级数的和可以无限接近于原函数。
2. 傅里叶级数是唯一的，即给定一个周期函数，它的傅里叶级数是唯一确定的。
3. 傅里叶级数具有线性性质，即两个周期函数的线性组合的傅里叶级数等于它们各自的傅里叶级数的线性组合。
4. 傅里叶级数的系数可以通过积分计算得到，具体的计算公式为：an = (2/T) * ∫[0,T] f(t)*cos(nωt) dtbn = (2/T) * ∫[0,T] f(t)*sin(nωt) dt三、傅里叶级数的应用1. 信号处理：傅里叶级数可以将一个信号分解为不同频率的正弦波的叠加，从而实现信号的频域分析和滤波处理。
2. 图像处理：傅里叶级数可以将一个图像分解为不同频率的正弦波的叠加，从而实现图像的频域滤波和压缩等处理。
3. 物理学：傅里叶级数在物理学中有着广泛的应用，例如在波动现象、振动现象、电磁场等方面的研究中都可以使用傅里叶级数进行分析和计算。
四、总结傅里叶级数是一种将周期函数表示为正弦函数和余弦函数的无穷级数的方法。
它具有收敛性、唯一性和线性性质等基本性质，可以通过积分计算得到系数。
傅里叶级数在信号处理、图像处理、物理学等领域有着广泛的应用。
通过傅里叶级数的分析和计算，我们可以更好地理解和处理周期函数的特性，从而在实际应用中发挥作用。
以上就是傅里叶级数的基础知识的介绍。
希望本文能够帮助读者对傅里叶级数有一个初步的了解，并对其在实际应用中的重要性有所认识。
傅里叶级数数学
f
(x)
4
[sin
x
1 3
sin
3x
1 sin(2k 2k 1
1)x
]
.
(<x<;x 0, , 2, ).
第7页/共22页
例2 设周期为2的函数f(x)在[)上的表达式为
f (x)0x
x0 0 x
将f(x)展开成傅里叶级数.
解 所给函数满足收敛定理的条件由收敛定理知道f(x)的傅里叶级数收敛. 当x(2k1)时傅里叶级数收敛于
>>>
第1页/共22页
二、函数展开成傅里叶级数
❖傅里叶系数
设f(x)是周期为2的周期函数 且能展开成三角级数:
f
(x)
a0 2
(ak
k 1
cosk
xbk
sin
k
x)
且假定三角级数可逐项积分 则
a0
1
f (x)dx
an
1
f
(x)cosnxdx
(n
12)
提示:
f
f(x()xc)soisnnnxfx(xa2)a020ca0sao002i0nsnnxxk1k(ka1k1[(caok0ksckoxa0snkbxkcs0soinisnnkxx)bk
a0
2
an
2
n2
0
n1, 3, 5, n2, 4, 6,
bn
(1)n1 n
(n
12)
所以当x(2k1)时f(x)的傅里叶级数展开式为
f
(x)
4
(2
cosxsin
x)
1 2
sin
2x ( 322
cos3x
1 sin 3
《高数-傅里叶级数》课件
02
该公式将复杂的函数f(x)表示为简单的三角函数之和，便于分析函数的性质和求 解相关问题。
03
展开公式中的系数a0、an、bn可以通过函数的积分得到。
傅里叶级数的展开步骤
01
第一步是将待展开的函数f(x)进行傅里叶级数的展开，得到展开式。
02
第二步是求解展开式中的系数a0、an、bn，可以通过函数的积分得 到。
傅里叶级数的应用领域
傅里叶级数在数学、物理、工程等领 域有广泛的应用。
在信号处理、图像处理、振动分析、 量子力学等领域，傅里叶级数被用于 分析信号和系统的频率成分，以及进 行频域分析和处理。
02
傅里叶级数的性质
傅里叶级数的收敛性
收敛的条件
傅里叶级数在满足一定条件下收敛， 如狄利克雷条件和黎曼条件等。这些 条件限制了周期函数的波形和振幅， 以确保级数收敛。
傅里叶级数的对称性可以通过数学证明得到。证明过程中需要利用三角函数的 性质和级数的运算规则。
傅里叶级数的周期性
周期性的应用
周期性在信号处理、图像处理等领域中有着广泛的应用。例如，在信号处理中， 可以利用周期性来分析信号的频率成分和周期性变化。
周期性的证明
傅里叶级数的周期性可以通过数学证明得到。证明过程中需要利用三角函数的周 期性和级数的运算规则。
03
第三步是将求解出的系数代入展开式中，得到函数的傅里叶级数展开 式。
04
第四步是利用傅里叶级数的性质和公式，对展开后的函数进行分析和 求解相关问题。
04
傅里叶级数的应用实例
信号处理中的傅里叶级数
信号分析
傅里叶级数提供了一种将复杂信号分解为简单正弦波的方法，有 助于信号的频谱分析和特征提取。
常用傅里叶级数公式总结
常用傅里叶级数公式总结傅里叶级数是一种非常重要的数学工具，可以将周期函数分解为一系列正弦和余弦函数的和，从而方便进行分析和计算。
在信号处理、图像处理、物理学等领域都有广泛的应用。
本文将以常用傅里叶级数公式为线索，介绍傅里叶级数的基本概念和性质。
1. 傅里叶级数的基本形式任何周期为T的周期函数f(t)，都可以表示为正弦函数和余弦函数的线性组合，即傅里叶级数。
其基本形式为：f(t) = a0 + Σ(an*cos(2πnft) + bn*sin(2πnft))其中，a0为直流分量，an和bn分别为函数f(t)的傅里叶系数，f为基本频率，n为正整数。
2. 傅里叶级数的计算公式傅里叶系数an和bn的计算公式为：an = (2/T) * ∫[0,T] f(t)*cos(2πnft) dtbn = (2/T) * ∫[0,T] f(t)*sin(2πnft) dt这两个公式描述了函数f(t)在频率为nf时的正弦和余弦分量的大小，通过计算这些系数，可以得到傅里叶级数的展开式。
3. 傅里叶级数的性质傅里叶级数具有许多重要的性质，其中包括线性性、偶函数和奇函数的傅里叶级数、周期延拓性等。
这些性质使得傅里叶级数在实际应用中具有广泛的适用性。
4. 傅里叶级数的收敛性对于一个周期为T的周期函数f(t)，其傅里叶级数展开并不一定收敛于原函数f(t)。
在一定条件下，傅里叶级数可以收敛于原函数，这就是傅里叶级数的收敛性问题。
5. 傅里叶级数的频谱分析傅里叶级数可以将一个周期函数表示为不同频率的正弦和余弦函数的叠加，从而可以对信号进行频谱分析。
通过分析不同频率成分的幅值和相位，可以了解信号的频谱特性，对信号进行处理和识别。
6. 傅里叶级数的离散化在数字信号处理中，通常需要对离散信号进行傅里叶变换。
离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）是常用的算法，可以高效地计算离散信号的频谱。
7. 傅里叶级数的应用傅里叶级数在信号处理、通信、图像处理、物理学等领域都有广泛的应用。
傅里叶级数理解傅里叶级数的概念和计算方法
傅里叶级数理解傅里叶级数的概念和计算方法傅里叶级数：理解傅里叶级数的概念和计算方法傅里叶级数是一种数学工具，用于将任意周期函数分解成一系列正弦和余弦函数的和。
它是由法国数学家傅里叶提出的，具有重要的物理和工程应用。
本文将介绍傅里叶级数的概念和计算方法。
一、傅里叶级数的概念傅里叶级数的核心思想是利用正弦和余弦函数的线性组合来表示周期函数。
对于一个周期为T的函数f(t)，如果它满足一定条件（可积、狄利克雷条件等），则可以用以下公式表示：f(t) = a0 + Σ(an*cos(nωt) + bn*sin(nωt))其中，a0、an、bn是待确定的系数，n表示正整数，ω=2π/T是角频率。
a0表示直流分量，即周期函数在一个周期内的平均值。
an和bn表示交流分量，分别代表正弦和余弦函数的振幅。
二、傅里叶级数的计算方法1. 计算a0：将周期函数在一个周期内的积分除以周期T即可得到a0。
2. 计算an和bn：将周期函数与正弦或余弦函数相乘后在一个周期内积分，最后除以周期T即可得到an或bn。
3. 根据需要确定级数的取舍：当n趋向于无穷大时，傅里叶级数能准确地还原原始函数。
但实际应用中，通常会根据需要截断级数，只考虑前几项的和来逼近原函数。
三、傅里叶级数的应用傅里叶级数在物理和工程领域有广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 信号处理：傅里叶级数可以将信号分解成不同频率的分量，用于信号滤波、降噪等处理。
2. 电路分析：傅里叶级数可以将电路中的周期性电信号转化为频域上的分布，用于电路分析和设计。
3. 通信系统：傅里叶级数是调制和解调过程的基础，用于信号的传输和接收。
4. 图像处理：傅里叶级数在图像压缩、频域滤波和图像识别等方面有重要应用。
四、总结傅里叶级数是将任意周期函数分解成正弦和余弦函数的和的数学工具。
通过计算待确定的系数，可以将周期函数用傅里叶级数表示。
傅里叶级数在物理和工程领域的应用广泛，包括信号处理、电路分析、通信系统和图像处理等。
数学分析15.1傅里叶级数
第十5章 傅里叶级数1傅里叶级数一、三角级数·正交函数系概念1：由正弦函数y=Asin(ωx+φ)表示的周期运动称为简谐振动，其中A 为振幅，φ为初相角，ω为角频率，其周期T=ω2π.常用几个简谐振动y k =A k sin(k ωx+φk ), k=1,2,…,n 的叠加来表示较复杂的周期运动，即：y=∑=n 1k k y =∑=n1k k k )φ+ x sin(k ωA ，其周期为T=ω2π.若由无穷多个简谐振动叠加得函数项级数A 0+∑∞=1n n n )φ+ x sin(n ωA 收敛，当ω=1时，sin(nx+φn )=sin φn cosnx+cos φn sinnx ，所以 A 0+∑∞=1n n n )φ+sin(nx A = A 0+∑∞=1n n n n n sinnx )cos φA +cosnx sin φ(A ，记A 0=2a 0，A n sin φn =a n ，A n cos φn =b n ，n=1,2,…，则该级数可以表示为： 2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a . 它是由三角函数列(或称为三角函数系) 1,cosx,sinx,cos2x, sin2x,…,cosnx,sinnx,…构成一般形式的三角级数.定理15.1：若级数2a 0+∑∞=+1n n n |)b ||a (|收敛，则三角级数2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 在整个数轴上绝对收敛且一致收敛.证：对任何实数x ，∵|a n cosnx+b n sinnx|≤|a n |+|b n |， 由魏尔斯特拉斯M 判别法得证.概念2：若两个函数φ与ψ在[a,b]上可积，且⎰ba φ(x )ψ(x )dx=0，则 称函数φ与ψ在[a,b]上是正交的, 或称它们在[a,b]上具有正交性，若有一系列函数两两具有正交性，则称其为正交函数系.注：三角函数列：1,cosx,sinx,cos2x, sin2x,…,cosnx,sinnx,…有以下性质： 1、所有函数具有共同的周期2π；2、任何两个不相同的函数在[-π, π]上具有正交性，即为在 [-π, π]上的正交函数系. 即有：⎰ππ-cosnx dx=⎰ππ-sinnx dx=0；⎰ππ-cosmx cosnx dx=0 (m ≠n)；⎰ππ-sinmx sinnx dx=0 (m ≠n)；⎰ππ-cosmx sinnx dx=0 (m ≠n).3、任何一个函数的平方在[-π, π]上的积分都不等于零，即⎰ππ-2nx cos dx=⎰ππ-2nx sin dx=π；⎰ππ-21dx=2π.二、以2π为周期的函数的傅里叶级数定理15.2：若2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 在整个数轴上一致收敛于f ，则：a n =⎰ππ-f(x)cosnx π1dx, b n =⎰ππ-f(x)sinnx π1dx, n=1,2,…. 证：由定理条件可知，f(x)在[-π, π]上连续且可积，∴⎰ππ-f(x )dx=2a⎰ππ-dx +∑⎰⎰∞=1n ππ-n ππ-n )sinnx dx b +dx cosnx (a =2a 0·2π=a 0π.即a 0=⎰ππ-f(x)π1dx. 对f(x)=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a两边同时乘以coskx(k 为正整数)，可得：f(x)coskx=2a 0coskx +∑∞=1n n n )sinnx coskx b +cosnx coskx (a ，则新级数收敛，有coskx f(x )ππ-⎰dx=2a 0⎰ππ-coskx dx +∑⎰⎰∞=1n ππ-n ππ-n )dx sinnx coskx b +coskx dx cosnx a (.由三解函数的正交性，等式右边除了以=a k 为系数的那一项积分kx cos a 2ππ-k ⎰dx= a k π外，其余各项积分都为0，∴coskx f(x )ππ-⎰dx= a k π，即a k =⎰ππ-f(x)coskx π1dx (k=1,2,…). 同理，对f(x)=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a两边同时乘以sinkx(k 为正整数)，可得：b k =⎰ππ-f(x)sinkx π1dx (k=1,2,…).概念3：若f 是以2π为周期且在[-π, π]上可积的函数，则按定理15.2中所求a n , b n 称为函数f(关于三角函数系)的傅里叶系数，以f 的傅里叶系数为系数的三角级数2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 称为f(关于三角函数系)的傅里叶级数，记作f(x)~2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a .注：若2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 在整个数轴上一致收敛于f ，则，f(x)=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a .三、收敛定理概念4：若f 的导函数在[a,b]上连续，则称f 在[a,b]上光滑. 若定义在[a,b]上除了至多有限个第一类间断点的函数f 的导函数在[a,b]上除了至多有限个点外都存在且连续，在这有限个点上导函数f ’的左右极限存在，则称f 在[a,b]上按段光滑.注：若函数f 在[a,b]上按段光滑，则有： 1、f 在[a,b]上可积；2、在[a,b]上每一点都存在f(x ±0)，且有t 0)f(x -t)f(x lim 0t +++→=f ’(x+0)，t-0)f(x -t)f(x lim 0t ---→=f ’(x-0)；3、补充定义f ’在[a,b]上那些至多有限个不存在点上的值后，f ’在[a,b]上可积.定理15.3：(傅里叶级数收敛定理)若周期为2π的函数f 在[-π, π]上按段光滑，则在每一点x ∈[-π, π]，f 的傅里叶级数2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a 收敛于f 在点x 的左右极限的算术平均值，即20)-f(x 0)f(x ++=2a 0+∑∞=1n n n sinnx )b +cosnx (a ，其中a n , b n 为傅里叶系数.注：当f 在点x 连续时，则有20)-f(x 0)f(x ++=f(x)，即f 的傅里叶级数收敛于f(x).推论：若周期为2π的续连函数f 在[-π, π]上按段光滑，则f 的傅里叶级数在(-∞,+∞)上收敛于f.注：由f 周期为2π，可将系数公式的积分区间[-π, π]任意平移，即：a n =⎰+2πc c f(x)cosnx π1dx, b n =⎰+2πc c f(x)sinnx π1dx, n=1,2,….c 为任意实数. 在(-π, π]以外的部分，按函数在(-π, π]上的对应关系作周期延拓，如 f 通过周期延拓后的函数为：,2,1k ],1)π(2k , 1)π-(-(2k x ，) 2π-f(x ]π, (-πx ，f(x)(x)f ˆ⎩⎨⎧⋯±±=+∈∈= 函数f 的傅里叶级数就是指函数(x)fˆ的傅里叶级数.例1：设f(x) )0, (-πx ，0]π[0,x x ，⎩⎨⎧∈∈=，求f 的傅里叶级数展开式.解：f 及其周期延拓后图象如图：可见f 按段光滑.由收敛定理，有a 0=⎰ππ-f(x)π1dx=⎰π0x π1dx=2π. 当n ≥1时，a n =nx cos f(x)π1ππ-⎰dx=⎰π0xcosnx π1dx=⎰-π0π0sinnx n π1|xsinnx n π1dx=π2|cosnx πn 1 =πn 12(cosn π-1)=πn 1(-1)2n -；b n =⎰ππ-f(x)sinnx π1dx=⎰π0xsinnx π1dx=-⎰+π0π0cosnx n π1|xcosnx n π1dx=n (-1)1n +.∴在(-π, π)上，f(x)=4π+∑∞=⎥⎦⎤⎢⎣⎡+-1n n2n sinnx n (-1)cosnx πn 1-)1(.当x=±π时，该傅里叶级数收敛于20)πf(0)πf(+±+-±=20π+=2π.∴f 在[-π, π]上的傅里叶级数图象如下图：例2：把函数f(x)= π2x πx πx 0πx 0 x 22⎪⎩⎪⎨⎧≤<-=<<，，，展开成傅里叶级数. 解：f 及其周期延拓后图象如图：可见f 按段光滑.由收敛定理，有a 0=⎰2π0f(x)π1dx=⎰π02x π1dx-⎰2ππ2x π1dx =-2π2. 当n ≥1时，a n =nx cos f(x)π1ππ-⎰dx =⎰π02cosnx x π1dx-⎰2ππ2cosnx x π1dx ； 又⎰π02cosnx x π1dx=⎰-π0π02xsinnx n π2|sinnx x n π1dx=21n n 2(-1)+-；⎰2ππ2cosnx x π1dx=⎰-2ππ2ππ2xsinnx n π2|sinnx x n π1=21n 2n 2(-1)n 4++； ∴a n =21n 221n n 2(-1)n 4n 2(-1)++---=2n4[(-1)n -1]. b n =⎰2π0f(x)sinnx π1dx=⎰π02sinnx x π1dx-⎰2ππ2sinnx x π1dx ；又⎰π02sinnx x π1dx=-⎰-π0π02xcosnx n π2|cosnx x n π1dx=πn ](-1)-2[1n π)1(3n 1n --+；⎰2ππ2sinnx x π1dx=-⎰-2ππ2ππ2xcosnx n π2|cosnx x n π1dx=-πn ](-1)-2[1n π)1(n 4π3n 1n +--+； ∴b n =πn ](-1)-2[1n π)1(3n 1n --++πn ](-1)-2[1n π)1(n 4π3n 1n --++ =πn ](-1)-4[1n 2π)1(n 4π3n n ---=πn ](-1)-4[1n (-1)]-[1 2πn 2π3n n -+ =⎪⎭⎫ ⎝⎛-+πn 4n 2π](-1)-[1n 2π3n ；∴当x ∈(0, π)∪(π, 2π]时， f(x)= -π2+∑∞=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-++1n 3n n 2sinnx πn 4n 2π](-1)-[1n 2π1]cosnx -[(-1)n 4 .当x=π时，该傅里叶级数收敛于20)f(π0)f(π++-=2)π(π22-+=0；当x=0或2π时，该傅里叶级数收敛于20)f(00)f(0++-=204π-2+=-2π2.注：由当x=2π时，有f(x)= -π2+∑∞=⎭⎬⎫⎩⎨⎧⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-++1n 3n n 2sinnx πn 4n 2π](-1)-[1n 2π1]cosnx -[(-1)n 4=-π2+∑∞=1n n 21]-[(-1)n4=-π2-8∑∞=+0n 21)(2n 1=-2π2. 可求得∑∞=+0n 21)(2n 1=8π2.例3：在电子技术中经常用到矩形波，用傅里叶级数展开后，就可以将巨形波看成一系列不同频率的简庇振动的叠加，在电工学中称为谐波分析。
傅里叶级数概念
傅里叶级数概念什么是傅里叶级数傅里叶级数是一种数学工具，用于将周期函数分解成一系列正弦和余弦函数的和。
它是由法国数学家傅里叶在19世纪提出的，被广泛应用于信号处理、图像处理、物理学、工程学等领域。
傅里叶级数的基本原理傅里叶级数的基本原理是任何一个周期函数都可以表示为一系列正弦和余弦函数的和。
具体而言，对于一个周期为T的函数f(t)，可以表示为以下形式的级数：其中，a0、an和bn是系数，可以通过计算积分得到。
an和bn表示了不同频率的正弦和余弦函数在级数中的权重。
傅里叶级数的应用信号处理傅里叶级数在信号处理中起到了至关重要的作用。
通过将信号分解成不同频率的正弦和余弦函数的和，可以对信号进行频谱分析，从而了解信号的频率成分和能量分布。
这对于音频、视频等信号的压缩、滤波、特征提取等操作非常有用。
图像处理傅里叶级数在图像处理中也有广泛应用。
通过将图像看作一个二维函数，可以将其分解成一系列二维正弦和余弦函数的和。
这样可以对图像进行频域处理，例如图像去噪、边缘检测、图像增强等操作。
物理学傅里叶级数在物理学中的应用非常广泛。
例如，它可以用于描述周期性运动，如弦乐器的振动、电磁波的传播等。
此外，傅里叶级数还可以用于解决热传导方程、波动方程等偏微分方程的初值问题。
工程学在工程学中，傅里叶级数可以用于信号处理、控制系统分析、电路分析等方面。
通过将信号或系统分解成不同频率的正弦和余弦函数的和，可以对系统的频率特性进行研究和设计。
傅里叶级数的性质傅里叶级数具有许多重要的性质，这些性质使得它在各个领域中得到广泛应用。
线性性质傅里叶级数具有线性性质，即线性组合的函数的傅里叶级数等于各个函数的傅里叶级数的线性组合。
周期性质傅里叶级数适用于周期函数，并且周期函数的傅里叶级数也是周期函数。
当函数不是周期函数时，可以通过将其扩展为周期函数来应用傅里叶级数。
对称性质对称函数的傅里叶级数具有特殊的性质。
例如，奇对称函数的傅里叶级数只包含正弦函数，偶对称函数的傅里叶级数只包含余弦函数。
傅里叶级数 公式
傅里叶级数公式傅里叶级数是数学中的一个重要概念，它可以将任意周期函数表示为一组正弦和余弦函数的线性组合。
这个公式的应用非常广泛，涵盖了信号处理、波动理论、热传导等领域。
我们来介绍一下傅里叶级数的定义。
对于一个周期为T的函数f(t)，傅里叶级数可以表示为以下形式：f(t) = a0 + Σ(an*cos(nωt) + bn*sin(nωt))其中，a0是f(t)的直流成分，an和bn是f(t)的交流成分，ω是圆频率，n是一个正整数。
傅里叶级数的重要性在于它可以将一个复杂的周期函数分解成无穷多个简单的正弦和余弦函数的叠加。
傅里叶级数的计算方法是通过求解函数f(t)与正弦余弦函数的内积来确定系数an和bn。
这里的内积是指两个函数在一个周期内的乘积再求平均。
具体来说，an和bn可以通过以下公式计算得到：an = (2/T) * ∫[0,T] f(t)*cos(nωt) dtbn = (2/T) * ∫[0,T] f(t)*sin(nωt) dt这里，∫[0,T]是对一个周期内的积分，dt表示微元。
通过计算这两个积分，我们可以得到函数f(t)的傅里叶系数an和bn。
傅里叶级数的应用非常广泛。
在信号处理中，我们可以利用傅里叶级数将一个复杂的信号分解成频谱，以便进一步分析和处理。
在波动理论中，傅里叶级数可以帮助我们理解波的传播和干涉现象。
在热传导问题中，傅里叶级数可以用来解决非稳态热传导方程。
除了傅里叶级数的定义和计算方法，还有一些重要的性质值得我们关注。
首先是傅里叶级数的收敛性。
对于一个连续函数f(t)，如果它在一个周期内满足一定的条件，那么它的傅里叶级数就会收敛于f(t)。
这个条件就是函数f(t)在一个周期内是有界的，并且具有有限个有限间断点。
另外一个重要的性质是傅里叶级数的线性性。
这意味着如果我们有两个函数f(t)和g(t)，它们的傅里叶级数分别为：f(t) = Σ(an*cos(nωt) + bn*sin(nωt))g(t) = Σ(cn*cos(nωt) + dn*sin(nωt))那么它们的线性组合h(t) = af(t) + bg(t)的傅里叶级数就是：h(t) = Σ[(a*an + b*cn)*cos(nωt) + (a*bn + b*dn)*sin(nωt)]这个性质对于我们进行信号处理和波动分析非常有帮助，可以将不同的信号叠加在一起进行处理。
高中数学(人教版)傅里叶级数课件
其导函数在[a, b]上除了至多有限个点外都存 并且在这有限个点上导函数
在且连续, 极限存在,
f 的左、右
则称 f 在
[a , b]上按段光滑.
§1 傅里叶级数
三角级数 · 正交函数系
以2π为周期的函数的傅里叶级数
收敛定理
在[a, b]上按段光滑的函数 f ,有如下重要性质: (i) f 在 (ii) 在
所产生的一般形式的三角级数. 容易验证,若三角级数(4)收敛, 则它的和一定是一
个以
为周期的函数. 2π
关于三角级数(4)的收敛性有如下定理:
§1 傅里叶级数
三角级数 · 正交函数系
以2π为周期的函数的傅里叶级数
收敛定理
定理15.1
若级数
| a0 | (| an | | bn, |) 收敛 2 n 1
(8)
( x ) ( x )dx 0,
a
b
则称 交性.
与 在 [a , b] 上是正交的,
由此三角函数系(5)在
或在
[a , b]上具有正
[ π, π] 上具有正交性.
或者说(5)是正交函数系.
§1 傅里叶级数
三角级数 · 正交函数系
以2π为周期的函数的傅里叶级数
收敛定理
(10a ) (10b周期的函数的傅里叶级数
收敛定理
以的傅里叶系数为系数的三角级数(9)称为 f (关于三
角函数系) 的傅里叶级数,
记作
a0 f ( x ) ~ (an cos nx bn sin nx ). 2 n1
这里记号“~”表示上式右边是左边函数的傅里叶级
π
(7)
§1 傅里叶级数
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
例5 将周期函数u(t)=E|sin 1t|展开成傅里叶级数, 其中E 2 是正的常数. 解 函数u(t)在整个数轴上连续, 满足收敛定理的条件, 因 此u(t)的傅里叶级数处处收敛于u(t). 因为u(t)是周期为2π的偶函数, 其傅里叶级数是余弦级数, 而 an =− 4E (n=0, 1, 2, ⋅ ⋅ ⋅), (4n2 −1π ) 所以u(t)的傅里叶级数展开式为
延拓后
y=F(x)
例3 将函数 f (x)=−x −π ≤x<0 展开成傅里叶级数. x 0≤x≤π 解 所给函数在区间[−π, π]上满足收敛定理的条件, 并且 拓广为周期函数时, 它在每一点x处都连续, 因此拓广的周期 函数的傅里叶级数在[−π, π]上收敛于f(x).
例3 将函数 f (x)=−x −π ≤x<0 展开成傅里叶级数. x 0≤x≤π 解 所给函数在区间[−π, π]上满足收敛定理的条件, 并且 拓广为周期函数时, 它在每一点x处都连续, 因此拓广的周期 函数的傅里叶级数在[−π, π]上收敛于f(x). 因为傅里叶系数为>>> − 4 n= , 3 5 ⋅⋅⋅ Байду номын сангаас 1 , , , b =0(n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅). a0 =π , an = n π n 0 n=2, 4, 6, ⋅⋅⋅ 所以f(x)的傅里叶级数展开式为 f (x)= π − 4 (cosx+ 1 cos3x+ 1 cos5x+⋅⋅⋅ ) (− ≤x≤π) . π 2 2 2 π 3 5
例1 设周期为2π的函数f(x)在[−π, π)上的表达式为 −1 −π ≤x<0 f (x)= 1 0≤x<π , 将f(x)展开成傅里叶级数. 解 所给函数满足收敛定理的条件, 由收敛定理知道f(x)的 傅里叶级数收敛. 因为傅里叶系数为>>>
4 n=1 3 5 ⋅⋅⋅ , , , an =0 (n=0 1, 2, ⋅⋅⋅ ) , b =nπ , , n 0 n=2, 4, 6, ⋅⋅⋅ 所以f(x)的傅里叶级数展开式为
一个定义在(−∞, +∞)上周期为2π的函数f(x), 如果它在一 个周期上可积, 则一定可以作出f(x)的傅里叶级数. 然而, 函数f(x)的傅里叶级数是否一定收敛? 如果它收敛, 它是否一定收敛于函数f(x)? 一般来说, 这两个问题的答案都 不是肯定的.
傅里叶级数 三角级数
a0 ∞ +∑ an cosnx+b sinnx) ( n 2 n=1 称为傅里叶级数, 其中a0, a1, b1, · · ·是傅里叶系数.
解 所给函数满足收敛定理的条件, 由收敛定理知道f(x)的 傅里叶级数收敛. 当x=(2k+1)π时傅里叶级数收敛于
1[ f (x−0 + f (x+0 =1(0−π)=−π ) )] . 2 2 2 当x≠(2k+1)π时级数收敛于f(x).
和函数图形 f(x)的图形
例2 设周期为2π的函数f(x)在[−π, π)上的表达式为
f(x)的图形 和函数的图形
例4 设f(x)是周期为2π的周期函数, 它在[−π, π)上的表达 式为f(x)=x. 将f(x)展开成傅里叶级数. 解 所给函数满足收敛定理的条件, 因此f(x)的傅里叶级数 收敛. 当x=(2k+1)π(k=0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅)时, 傅里叶级数收敛于
4E(1−1cost − 1 cos2 − 1 cos3 −⋅⋅⋅ u(t)= t t π 2 3 15 35 − 1 cosnt −⋅⋅⋅ )(−∞<t<+∞). 4n2 − 1
奇延拓与偶延拓 设函数f(x)定义在区间[0, π]上并且满足收敛定理的条件, 我们在开区间(−π, 0)内补充函数f(x)的定义, 得到定义在(−π, π] 上的函数F(x), 使它在(−π, π)上成为奇函数(偶函数). 按这种方 式拓广函数定义域的过程称为奇延拓(偶延拓). 限制在(0, π] 上, 有F(x)=f(x).
f (x)= 4[sinx+1sin3x+⋅⋅⋅ + 1 sin(2k− )x+⋅⋅⋅ ] 1 π 3 2k− 1 (−∞<x<+∞; x ≠0, ±π, ±2π, ⋅ ⋅ ⋅).
例2 设周期为2π的函数f(x)在[−π, π)上的表达式为
x −π ≤x<0, f (x)= 0 0≤x<π 将f(x)展开成傅里叶级数.
三角函数系 1, cos x, sin x, cos 2x, sin 2x, ⋅ ⋅ ⋅ , cos nx, sin nx, ⋅ ⋅ ⋅. 三角函数系的正交性 三角函数系中任何两个不同的函数的乘积在 [−π, π]上的 积分等于零, 而任何两个相同的函数的乘积在[−π, π]上的积分 不等于零. >>>
π −π −
− π
二、函数展开成傅里叶级数
傅里叶系数 设f(x)是周期为2π的周期函数, 且能展开成三角级数: a0 ∞ f (x)= +∑ ak coskx+b sinkx , ( ) k 2 k=1 且假定三角级数可逐项积分, 则
a =1
0
∫−π f (x)dx , π
π
π
π
1 π f (x)cosnxdx (n 1 2 an = ∫−π = , , ⋅ ⋅ ⋅),
例1 设周期为2π的函数f(x)在[−π, π)上的表达式为 −1 −π ≤x<0 f (x)= 1 0≤x<π , 将f(x)展开成傅里叶级数. 解 所给函数满足收敛定理的条件, 由收敛定理知道f(x)的 傅里叶级数收敛. 当x=kπ时傅里叶级数收敛于
1[ f (x−0 + f (x+0 =1(−1+1 =0 ) )] ) . 2 2 当x≠kπ时级数收敛于f(x).
b =1
n
系数a0, a1, b1, ⋅ ⋅ ⋅ 叫做函数f(x)的傅里叶系数.
∫−π f (x)sinnxdx (n =1, 2, ⋅ ⋅ ⋅). π
傅里叶级数 三角级数
a0 ∞ +∑ an cosnx+b sinnx) ( n 2 n=1 称为傅里叶级数, 其中a0, a1, b1, · · ·是傅里叶系数.
奇延拓 偶延拓
例6 将函数f(x)=x+1(0≤x≤π)分别展开成正弦级数和余弦 级数. 解 先求正弦级数. 为此对函数f(x)进行奇延拓. 正弦级数的系数为>>>
2⋅π +2 n=1 3 5 ⋅⋅⋅ , , , π n b = , n n=2, 4, 6, ⋅⋅⋅ −2 n 函数的正弦级数展开式为 x+1= 2[( +2 sinx−π sin2x+1(π +2 sin3x π ) ) π 2 3 x−π sin4x+⋅⋅⋅ ] (0<x<π). 4 在端点x=0及x=π处, 级数的和为零.
§10.7 傅里叶级数
一、三角级数 三角函数系的正交性 二、函数展开成傅里叶级数 三、正弦级数和余弦级数
一、三角级数 三角函数系的正交性
三角级数 形如
1a + ∞ (a cosnx+b sinnx) ∑ n 2 0 n=1 n 的级数称为三角级数, 其中a0, an, bn(n=1, 2, ⋅ ⋅ ⋅)都是常数.
1[ f ( −0 + f (− −0 =1[ +(− )]=0 π ) π )] π π . 2 2 当x≠(2k+1)π (k=0, ±1, ±2, ⋅ ⋅ ⋅)时, 傅里叶级数收敛于f(x).
因为f(x)在(−π, π)上是奇函数, 其傅里叶级数是正弦级数,
b =2(−1 n+1 (n=1, 2, 3, ⋅ ⋅ ⋅), >>> ) n n 所以f(x)的傅里叶级数展开式为 f (x)=2 x−1sin2x+1sin3x−⋅⋅⋅ +(−1 n+1 1sinnx+⋅⋅⋅ (sin ) 2 3 n (−∞<x<+∞ , x≠±π, ±3π , ⋅ ⋅ ⋅ ).
2 π f (x)cosnxdx (n 0 1 2 3 an = ∫ = , , , , ⋅ ⋅ ⋅), 0
bn=0 (n=1, 2, ⋅ ⋅ ⋅).
π
正弦级数和余弦级数 如果f(x)为奇函数, 那么它的傅里叶级数是只含有正弦项 的正弦级数
n= 1
∑bnsinnx .
∞
如果f(x)为偶函数, 那么它的傅里叶级数是只含有余弦项 的余弦级数 a ∞ 0 +∑ancosnx. 2 n=1
定理(收敛定理 狄利克雷充分条件) 设f(x)是周期为2π的周期函数, 如果它满足: (1)在一个周期内连续或只有有限个第一类间断点, (2)在一个周期内至多只有有限个极值点, 则f(x)的傅里叶级数收敛, 并且 当x是f(x)的连续点时, 级数收敛于f(x); 当x是f(x)的间断点时, 级数收敛于 1[ f (x−0 + f (x+0 . ) )] 2
2 f (x)=−π +(2 cosx+sinx)−1sin2x+( 2 cos3x+1sin3x) 4 π 2 3π 3 1sin4x+( 2 cos5x+1sin5x)−⋅⋅⋅ − . 2π 4 5 5
周期延拓 设f(x)只在[−π, π]上有定义, 我们可以在[−π, π)或(−π, π]外 补充函数f(x)的定义, 使它拓广成周期为2π的周期函数F(x), 在 (−π, π)内, F(x)=f(x). 延拓前 y=f(x)
提示:
∞ ∞ a a00 a0 + ∞ (a coskx+b sinkx , f= f fx)cosnx=x)=sinnx+∑[ak coskxk nx+b sinkxsinnx) ((x)sinnx( cos nx+∑ k cos ) k cosnx] sin ∑ k( 2 2 k=1k=1 2 k= 1 π π π = 00 + 0 + + b nπ 0 0 a nπ 0 + ∫ ∫ ∫= = a0π + +