傅立叶(Fourier)级数的展开方法ppt课件

1 傅立叶 Fourier 级数的展开方法 2 傅立叶 Fourier 积分的展开条件与展开方法 3 傅立叶谱的物理意义 重点 傅里叶生平 1768年生于法国1807年提出 任何周期信号都可用正弦函数的级数表示 1822年发表 热的分析理论 首次提出 任何非周期信号都可用正弦函数的积分表示 5 1傅里叶 Fourier 级数 一 周期函数的傅里叶展开 在工程计算中 无论是电学 力学 光学 经常要和随时间而变的周期函数fT t 打交道 例如 最常用的一种周期函数是三角函数fT t Asin t 其中 2 T 具有性质fT t T fT t 的函数称为周期函数 t 工程中使用的周期函数都可以用一系列的三角函数的线性组合来逼近 方波 4个正弦波的逼近 100个正弦波的逼近 数学表示为 则函数f x 可在 l l 展为傅里叶级数 1 傅里叶级数 满足狄里希利 Dirichlet 条件 即在区间 l l 上 说明 1 三角函数族是两两正交的 2 可以由函数的正交性求出傅立叶级数中的系数 称为傅里叶系数 3 函数以傅立叶级数展开是在函数空间中以三角函数为基进行分解 基矢量 4 第一类间断点和第二类间断点的区别 函数的间断点分为两类 第一类间断点 x0是函数的间断点 且 第二类间断点 不是第一类的间断点 而在工程上所应用的函数 尤其是物理量的变化函数 全部满足狄氏条件 5 傅立叶展开的意义 理论意义 把复杂的周期函数用简单的三角级数表示 应用意义 用三角函数之和近似表示复杂的周期函数 解函数满足狄氏条件 它在x k k 0 1 1 2 2 点不连续 收敛于 在连续点上收敛于 则 二 奇函数和偶函数的傅里叶展开 若f x 是奇函数 则ak为0 展开式为 叫做傅里叶正弦级数 f 0 f l 0 若f x 是偶函数 则bk为0 展开式为 叫做傅里叶余弦级数 解首先 所给函数满足狄氏条件 在 处不连续 因此 f x 的傅立叶级数在收敛于 在连续点处收敛于f x 不计点函数是周期为2 且是奇函数 则 1 定义在 l l 上的函数f x 展开 三 定义在有限区间上的函数的傅里叶展开 工程以及物理上用到的函数一般是定义在有限区间上的 方法 将函数f x 解析延拓到 区间 构成的周期函数g x 其周期为2l 仅在 l l 上 g x f x 解 函数曲线如图 将函数做周期为2的解析延拓 如图 将延拓后的函数做傅立叶展开 所以 2 定义在 0 l 上的函数f x 展开 方法 将函数f x 解析延拓到 l l 区间 再将 l l 区间的函数再延拓到 区间上 构成周期函数g x 其周期为2l 例4定义在 0 l 上的函数f x a 1 x l 将该函数展开为傅立叶级数 解 函数曲线如图 延拓到 l l 后再周期延拓 如图做偶延拓 所以 如图做奇延拓 延拓的方式有无数种 因而展开式也有无数种 但他们在 0 l 上均代表f x 且函数值相等 有时 对函数f x 边界的限制就决定了延拓的方式 如要求f 0 f l 0 则应延拓成奇周期函数 如要求 则应延拓成偶的周期函数 四复数形式的傅立叶级数 而利用三角函数的指数形式可将级数表示为 有些时候利用三角函数和复指数函数的关系 将函数以复指数函数展开讨论函数的性质更方便 设 k k 所以 复数形式的傅立叶级数是以为基展开的级数 例5把锯齿波f x 在 0 T 这个周期上可表示为f x Hx T 试把它展为复数形式的傅立叶级数 解 函数曲线如图 周期为 五 周期函数的频谱 n次谐波的频率 振幅 在实数形式中 在复数形式中 n次谐波的频率 波函数 振幅 举例 矩形脉冲函数 它清楚地表明了一个非正旋周期函数包含了哪些频率分量及各分量所占的比重 如振幅的大小 5 2傅立叶积分与傅立叶变换 一 复数形式的傅立叶积分 对任何一个非周期函数f x 都可以看成是由某个周期函数g x 当2l 时转化而来的 1 问题 函数f x 定义在 上 无周期 研究函数的性质 怎么办 2 方法 作周期为2l的函数f x 使其在 l l 之内等于f2l x 在 l l 之外按周期2l延拓到整个数轴上 则l越大 g x 与f x 相等的范围也越大 这就说明当2l 时 周期函数g x 便可转化为f x 即有 改为对称形式 3 结论 Fourier积分定理 4 频谱 注意 这是一个连续频谱 因为是连续变化的 称为函数f x 的频谱函数 称为函数f x 的振幅频谱函数 记为称作f t 的象函数 f x 称作的原函数 象函数F w 和象原函数f t 构成了一个傅氏变换对 解 t f t 解 这就是指数衰减函数的傅氏变换 因此 解 如果令b 1 2 就有 可见钟形函数的傅氏变换也是钟形函数 因此有 钟形脉冲函数的积分表达式 因此 二 实数形式的傅立叶积分 1 积分和变换形式 解 f x 是无界的非周期函数 可展为傅立叶积分 2 讨论 的傅立叶正弦变换 称为 其中 称为傅立叶正弦积分 分为 为奇函数 则傅立叶积 若 x f x f 1 其中 称为傅立叶余弦积分 例5矩形函数为 将矩形脉冲 解 f x 是偶函数 可展为余玄傅立叶积分 展为傅立叶积分 频谱图是连续谱 含有一切频率 傅立叶变换为 傅立叶积分为 例6 解 f t F 1 F 三 傅立叶变换的基本性质 1 线形性质 根据定义即可证明 根据定义自证 0 证明1 由傅氏变换的定义 并利用分步积分可得 2 导数定理 证明2 3 积分定理 证明 证明 4 相似性定理 令则 5 延迟定理 证明 由傅氏变换的定义 可知 6 位移定理 证明 若F1 F f1 x F2 F f2 x 则 证明 按傅氏变换的定义 有 7 卷积定理 8 能量积分 称为能量密度函数 或称能量谱密度 解 分析 解 解 根据能量积分性质 运用傅氏变换的微分性质以及积分性质 可以把线性常系数微分方程转化为代数方程 通过解代数方程与求傅氏逆变换 就可以得到此微分方程的解 另外 傅氏变换还是求解数学物理方程的方法之一 例5 求微分积分方程 的解 其中 t a b c均为常数 根据傅氏变换的微分性质和积分性质 且记F x t X F h t H 在方程两边取傅氏变换 可得 x t F 1 X 在物理和工程技术中 常常会碰到单位脉冲函数 因为有许多物理现象具有脉冲性质 如在电学中 要研究线性电路受具有脉冲性质的电势作用后产生的电流 在力学中 要研究机械系统受冲击力作用后的运动情况等 研究此类问题就会产生我们要介绍的单位脉冲函数 5 3 函数 一 函数引入的必要性 在原来电流为零的电路中 某一瞬时 设为t 0 进入一单位电量的脉冲 现在要确定电路上的电流i t 以q t 表示上述电路中的电荷函数 则 由于电流强度是电荷函数对时间的变化率 即 所以 当t 0时 i t 0 由于q t 是不连续的 从而在普通导数意义下 q t 在这一点是不能求导数的 如果我们形式地计算这个导数 则得 这表明在通常意义下的函数类中找不到一个函数能够表示这样的电流强度 为了确定这样的电流强度 引进一称为狄拉克 Dirac 的函数 简单记成 函数 有了这种函数 对于许多集中于一点或一瞬时的量 例如点电荷 点热源 集中于一点的质量及脉冲技术中的非常窄的