Ряд Фурье. Разложение функции в ряд Фурье.Разложение функции в ряд синусов и косинусов.
|
|
Ряд Фурье позволяет изучать периодические (непериодические) функции, разлагая их на компоненты. Переменные токи и напряжения, смещения, скорость и ускорение кривошипно-шатунных механизмов и акустические волны — это типичные практические примеры применения периодических функций в инженерных расчетах.
Разложение в ряд Фурье основывается на предположении, что все имеющие практическое значение функции в интервале -π ≤x≤ π можно выразить в виде сходящихся тригонометрических рядов (ряд считается сходящимся, если сходится последовательность частичных сумм, составленных из его членов):
Стандартная (=обычная) запись через сумму sinx и cosxf(x)=ao+ a1cosx+a2cos2x+a3cos3x+…+b1sinx+b2sin2x+b3sin3x+…,
где ao, a1,a2,…,b1,b2,.. — действительные константы, т.е.
(1)
Где для диапазона от -π до π коэффициенты ряда Фурье рассчитываются по формулам:Коэффициенты ao,an и bn называются коэффициентами Фурье, и если их можно найти, то ряд (1) называется рядом Фурье, соответствующим функции f(x).
Для ряда (1) член (a1cosx+b1sinx) называется первой или основной гармоникой, Другой способ записи ряда — использование соотношения acosx+bsinx=csin(x+α)f(x)=ao+c1sin(x+α1)+c2sin(2x+α2)+…+cnsin(nx+αn)
Где ao — константа, с 1=(a12+b12)1/2 , с n=(an2+bn2)1/2— амплитуды различных компонент, а фазовый угол равен an=arctg an/bn.
Для ряда (1) член (a1cosx+b1sinx) или c1sin(x+α1) называется первой или основной гармоникой, (a2cos2x+b2sin2x) или c2sin(2x+α
Для точного представления сложного сигнала обычно требуется бесконечное количество членов. Однако во многих практических задачах достаточно рассмотреть только несколько первых членов.
Ряд Фурье непериодических функций с периодом 2π. Разложение непериодических функций в ряд Фурье.Если функция f(x) непериодическая, значит, она не может быть разложена в ряд Фурье для всех значений х. Однако можно определить ряд Фурье, представляющий функцию в любом диапазоне шириной 2π.
Если задана непериодическая функция, можно составить новую функцию, выбирая значения f(x) в определенном диапазоне и повторяя их вне этого диапазона с интервалом 2π. Поскольку новая функция является периодической с периодом 2π, ее можно разложить в ряд Фурье для всех значений х. Например, функция f(x)=x не является периодической. Однако, если необходимо разложить ее в ряд Фурье на интервале от о до 2π, тогда вне этого интервала строится периодическая функция с периодом 2π (как показано на рис.
ниже) .Для непериодических функций, таких как f(x)=х, сумма ряда Фурье равна значению f(x) во всех точках заданного диапазона, но она не равна f(x) для точек вне диапазона. Для нахождения ряда Фурье непериодической функции в диапазоне 2π используется все таже формула коэффициентов Фурье.
Четные и нечетные функции.Говорят, функция y=f(x) четная, если f(-x)=f(x) для всех значений х. Графики четных функций всегда симметричны относительно оси у (т.е. являются зеркально отраженными). Два примера четных функций: у=х2 и у=cosx.
Говорят, что функция y=f(x) нечетная, если f(-x)=-f(x) для всех значений х. Графики нечетных функций всегда симметричны относительно начала координат.
Многие функции не являются ни четными, ни нечетными.
Разложение в ряд Фурье по косинусам.Ряд Фурье четной периодической функции f(x) с периодом 2π содержит только члены с косинусами (т. е. не содержит членов с синусами) и может включать постоянный член. Следовательно,
где коэффициенты ряда Фурье,
Разложение в ряд Фурье по синусам.Ряд Фурье нечетной периодической функции f(x) с периодом 2π содержит только члены с синусами (т.е. не содержит членов с косинусами).
Следовательно,
где коэффициенты ряда Фурье,
Ряд Фурье на полупериоде.Если функция определена для диапазона, скажем от 0 до π, а не только от 0 до 2π, ее можно разложить в ряд только по синусам или тольо по косинусам. Полученный ряд Фурье называется рядом Фурье на полупериоде.
Если требуется получить разложение Фурье на полупериоде по косинусам функции f(x) в диапазоне от 0 до π, то необходимо составить четную периодическую функцию. На рис. ниже показана функция f(x)=х, построенная на интервале от х=0 до х=π. Поскольку четная функция симметрична относительно оси f(x), проводим линию АВ, как показано на рис. ниже. Если предположить, что за пределами рассмотренного интервала полученная треугольная форма является периодической с периодом 2π, то итоговый график имеет вид, показ. на рис. ниже. Поскольку требуется получить разложение Фурье по косинусам, как и ранее, вычисляем коэффициенты Фурье ao и an
Если требуется получить разложение Фурье на полупериоде по синусам функции f(x) в диапазоне от 0 до π, то необходимо составить нечетную периодическую функцию. На рис. ниже показана функция f(x)=x, построенная на интервале от от х=0 до х=π. Поскольку нечетная функция симметрична относительно начала координат, строим линию CD, как показано на рис. Если предположить, что за пределами рассмотренного интервала полученный пилообразный сигнал является периодическим с периодом 2π, то итоговый график имеет вид, показанный на рис.
Разложение периодической функции с периодом L.
Периодическая функция f(x) повторяется при увеличении х на L, т.е. f(x+L)=f(x). Переход от рассмотренных ранее функций с периодом 2π к функциям с периодом L довольно прост, поскольку его можно осуществить с помощью замены переменной.
Чтобы найти ряд Фурье функции f(x) в диапазоне -L/2≤x≤L/2, введем новую переменную u таким образом, чтобы функция f(x) имела период 2π относительно u. Если u=2πх/L, то х=-L/2 при u=-π и х=L/2 при u=π. Также пусть f(x)=f(Lu/2π)=F(u). Ряд Фурье F(u) имеет вид
Где коэффициенты ряда Фурье,
Однако чаще приведенную выше формулу приводят к зависимости от х. Поскольку u=2πх/L, значит, du=(2π/L)dx, а пределы интегрирования — от -L/2 до L/2 вместо — π до π. Следовательно, ряд Фурье для зависимости от х имеет вид
где в диапазоне от -L/2 до L/2 коэффициенты ряда Фурье,
(Пределы интегрирования могут быть заменены на любой интервал длиной L, например, от 0 до L)
Ряд Фурье на полупериоде для функций, заданных в интервале L≠2π.Для подстановки u=πх/L интервал от х=0 до х=L соответствует интервалу от u=0 до u=π. Следовательно, функцию можно разложить в ряд только по косинусам или только по синусам, т.е. в
Разложение по косинусам в диапазоне от 0 до L имеет вид
Ряд Фурье. Разложение функции в ряд Фурье.Разложение функции в ряд синусов и косинусов.
|
|
Ряд Фурье позволяет изучать периодические (непериодические) функции, разлагая их на компоненты. Переменные токи и напряжения, смещения, скорость и ускорение кривошипно-шатунных механизмов и акустические волны — это типичные практические примеры применения периодических функций в инженерных расчетах.
Разложение в ряд Фурье основывается на предположении, что все имеющие практическое значение функции в интервале -π ≤x≤ π можно выразить в виде сходящихся тригонометрических рядов (ряд считается сходящимся, если сходится последовательность частичных сумм, составленных из его членов):
Стандартная (=обычная) запись через сумму sinx и cosxf(x)=ao+ a1cosx+a2
где ao, a1,a2,…,b1,b2,.. — действительные константы, т.е.
(1)
Где для диапазона от -π до π коэффициенты ряда Фурье рассчитываются по формулам:Коэффициенты ao,an и bn называются коэффициентами Фурье, и если их можно найти, то ряд (1) называется рядом Фурье, соответствующим функции f(x). Для ряда (1) член (a1cosx+b1sinx) называется первой или основной гармоникой,
Другой способ записи ряда — использование соотношения acosx+bsinx=csin(x+α)f(x)=ao+c1sin(x+α1)+c2sin(2x+α2)+…+cnsin(nx+αn)
Где ao — константа, с 1=(a12+b12)1/2 , с n=(an2+bn2)1/2— амплитуды различных компонент, а фазовый угол равен an=arctg an/bn.
Для ряда (1) член (a1cosx+b1sinx) или c1sin(x+α1) называется первой или основной гармоникой, (a2cos2x+b2sin2x) или c2sin(2x+α2) называется второй гармоникой и так далее.
Для точного представления сложного сигнала обычно требуется бесконечное количество членов. Однако во многих практических задачах достаточно рассмотреть только несколько первых членов.
Ряд Фурье непериодических функций с периодом 2π. Разложение непериодических функций в ряд Фурье.Если функция f(x) непериодическая, значит, она не может быть разложена в ряд Фурье для всех значений х. Однако можно определить ряд Фурье, представляющий функцию в любом диапазоне шириной 2π.
Если задана непериодическая функция, можно составить новую функцию, выбирая значения f(x) в определенном диапазоне и повторяя их вне этого диапазона с интервалом 2π. Поскольку новая функция является периодической с периодом 2π, ее можно разложить в ряд Фурье для всех значений х. Например, функция f(x)=x не является периодической. Однако, если необходимо разложить ее в ряд Фурье на интервале от о до 2π, тогда вне этого интервала строится периодическая функция с периодом 2π (как показано на рис. ниже) .
Для непериодических функций, таких как f(x)=х, сумма ряда Фурье равна значению f(x) во всех точках заданного диапазона, но она не равна f(x) для точек вне диапазона. Для нахождения ряда Фурье непериодической функции в диапазоне 2π используется все таже формула коэффициентов Фурье.
Четные и нечетные функции.Говорят, функция y=f(x) четная, если f(-x)=f(x) для всех значений х. Графики четных функций всегда симметричны относительно оси у (т.е. являются зеркально отраженными). Два примера четных функций: у=х2 и у=cosx.
Говорят, что функция y=f(x) нечетная, если f(-x)=-f(x) для всех значений х. Графики нечетных функций всегда симметричны относительно начала координат.
Многие функции не являются ни четными, ни нечетными.
Разложение в ряд Фурье по косинусам.Ряд Фурье четной периодической функции f(x) с периодом 2π содержит только члены с косинусами (т. е. не содержит членов с синусами) и может включать постоянный член. Следовательно,
где коэффициенты ряда Фурье,
Разложение в ряд Фурье по синусам.Ряд Фурье нечетной периодической функции f(x) с периодом 2π содержит только члены с синусами (т.е. не содержит членов с косинусами).
Следовательно,
где коэффициенты ряда Фурье,
Ряд Фурье на полупериоде.Если функция определена для диапазона, скажем от 0 до π, а не только от 0 до 2π, ее можно разложить в ряд только по синусам или тольо по косинусам. Полученный ряд Фурье называется рядом Фурье на полупериоде.
Если требуется получить разложение Фурье на полупериоде по косинусам функции f(x) в диапазоне от 0 до π, то необходимо составить четную периодическую функцию. На рис. ниже показана функция f(x)=х, построенная на интервале от х=0 до х=π. Поскольку четная функция симметрична относительно оси f(x), проводим линию АВ, как показано на рис. ниже. Если предположить, что за пределами рассмотренного интервала полученная треугольная форма является периодической с периодом 2π, то итоговый график имеет вид, показ. на рис. ниже. Поскольку требуется получить разложение Фурье по косинусам, как и ранее, вычисляем коэффициенты Фурье ao и an
Если требуется получить разложение Фурье на полупериоде по синусам функции f(x) в диапазоне от 0 до π, то необходимо составить нечетную периодическую функцию. На рис. ниже показана функция f(x)=x, построенная на интервале от от х=0 до х=π. Поскольку нечетная функция симметрична относительно начала координат, строим линию CD, как показано на рис. Если предположить, что за пределами рассмотренного интервала полученный пилообразный сигнал является периодическим с периодом 2π, то итоговый график имеет вид, показанный на рис. Поскольку требуется получить разложение Фурие на полупериоде по синусам, как и ранее, вычисляем коэффициент Фурье. b
Ряд Фурье для произвольного интервала.Разложение периодической функции с периодом L.
Периодическая функция f(x) повторяется при увеличении х на L, т.е. f(x+L)=f(x). Переход от рассмотренных ранее функций с периодом 2π к функциям с периодом L довольно прост, поскольку его можно осуществить с помощью замены переменной.
Чтобы найти ряд Фурье функции f(x) в диапазоне -L/2≤x≤L/2, введем новую переменную u таким образом, чтобы функция f(x) имела период 2π относительно u. Если u=2πх/L, то х=-L/2 при u=-π и х=L/2 при u=π. Также пусть f(x)=f(Lu/2π)=F(u). Ряд Фурье F(u) имеет вид
Где коэффициенты ряда Фурье,
Однако чаще приведенную выше формулу приводят к зависимости от х. Поскольку u=2πх/L, значит, du=(2π/L)dx, а пределы интегрирования — от -L/2 до L/2 вместо — π до π. Следовательно, ряд Фурье для зависимости от х имеет вид
где в диапазоне от -L/2 до L/2 коэффициенты ряда Фурье,
(Пределы интегрирования могут быть заменены на любой интервал длиной L, например, от 0 до L)
Ряд Фурье на полупериоде для функций, заданных в интервале L≠2π.Для подстановки u=πх/L интервал от х=0 до х=L соответствует интервалу от u=0 до u=π. Следовательно, функцию можно разложить в ряд только по косинусам или только по синусам, т.е. в ряд Фурье на полупериоде.
Разложение по косинусам в диапазоне от 0 до L имеет вид
11.3: Серия Фурье II — Mathematics LibreTexts
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Идентификатор страницы
- 9462
- Уильям Ф. Тренч
- Университет Тринити
В этом разделе мы обсуждаем разложения Фурье по собственным функциям задач 1-4 раздела 11.1.
Косинусный ряд Фурье
Из Упражнение 11.1.20 собственные функции
\[1,\, \cos{\pi x\over L}, \, \cos{2\pi x\over L},\ точки, \, \cos{n\pi x\over L},\dots\nonumber \]
краевой задачи
\[\label{eq:11.3.1} y»+\lambda y= 0,\quad y'(0)=0,\quad y'(L)=0\]
(задача 2) ортогональны на \([0,L]\). Если \(f\) интегрируема на \([0,L]\), то разложение Фурье \(f\) по этим функциям называется 9Lf(x)\cos{n\pi x\over L}\,dx,\quad n=1,2,3,\dots.\nonumber \]
Сравнение этого определения с теоремой 11.2.6a показывает, что функция Фурье Косинусный ряд \(f\) на \([0,L]\) — это ряд Фурье функции
\[f_{1}(x)=\left\{\begin{array}{cc}{ f(-x),}&{-L получается расширением \(f\) на \([-L,L]\) как четная функция (рис. 11.3.1). ). Применение теоремы 11.2.4 к \(f_1\) дает следующую теорему. 9Lf(x)\cos{n\pi x\over L}\,dx,\quad n=1,2,3,\dots,\nonumber \] сходится для всех \(x\) в \([0,L];\), причем \[C(x)=\left\{\begin{array}{cl}{f(0+),}&{\text{if}x=0}\\[5pt]{f(x), } & {\ text {если} 0 Пример 11.3.1
Теорема 11.3.1 подразумевает, что
\[C(x)=x,\quad 0\le x\le L.\nonnumber \]
Ряд синусов Фурье
Из Упражнение 11.1.19 , собственные функции
\[\sin{\pi x\over L}, \, \sin{2\pi x\over L},\dots, \, \sin{n\pi x\over L},\dots\nonumber \]
краевой задачи
\[y»+\lambda y=0,\quad y(0)=0,\quad y(L)=0\nonumber \]
(задача 1) ортогональны на \([0,L]\). Если \(f\) интегрируема на \([0,L]\), то разложение Фурье \(f\) по этим функциям называется 9Lf(x)\sin{n\pi x\over L}\,dx,\quad n=1,2,3,\dots.\nonumber \]
Сравнение этого определения с теоремой 11.2.6b показывает, что функция Фурье ряд синусов \(f\) на \([0,L]\) — это ряд Фурье функции
\[f_{2}(x)=\left\{\begin{array}{cc}{ -f(-x),}&{-L , полученное расширением \(f\) над \([-L,L]\) как нечетной функцией (рис. 11.3.2).
). Применение теоремы 11.2.4 к \(f_2\) дает следующую теорему. 9Lf(x)\sin{n\pi x\over L}\,dx,\nonumber \] сходится для всех \(x\) в \([0,L];\), причем \[S (x) = \ left \ {\ begin {array} {cl} {0} & {\ text {if} x = 0} \\ [5pt] {f (x),} & {\ text {если}0 Найдите ряд Фурье по синусу \(f(x)=x\) на \([0,L]\). 9n\over n} \sin{n\pi x\over L}.\nonumber \] Теорема 11.3.2
следует, что \[S(x)= \left\{\begin{array}{cl} x,&0\le x< L,\\0,& x=L. \end{array}\right.\nonumber \] Из Упражнение 11.1.22 собственные функции \[\cos{\pi x\over 2L}, \, \cos{ 3\pi x\over 2L},\dots, \, \cos{(2n-1)\pi x\over 2L},\dots\nonumber \] краевой задачи \[\label{ eq:11.3.2} y»+\lambda y=0,\quad y'(0)=0,\quad y(L)=0\] 9Lf(x)\cos{(2n-1)\pi x\over2L}\,dx.\nonumber \] Мы будем называть это разложение смешанным косинусным рядом Фурье функции \(f\) на \( [0,L]\), потому что граничные условия (Уравнение \ref{eq:11.3.2}) «смешанные» в том смысле, что они требуют, чтобы \(y\) было равно нулю в одной граничной точке и \(y’ \) быть равным нулю на другом. Напротив, «обычный» ряд косинусов Фурье связан с ( Уравнение \ref{eq:11.3.1}), где граничные условия требуют, чтобы \(y’\) было равно нулю в обеих конечных точках. Можно показать ( Упражнение 11.3.57 ), что смешанный ряд косинусов Фурье \(f\) на \([0,L]\) является просто ограничением на \([0,L]\) ряда косинусов Фурье \[f_3(x)=\left\{\begin{array}{cl} f(x),&0\le x\le L,\\-f(2L-x), &L< x\le 2L \end{array}\right.\nonumber \] on \([0,2L]\) (рис. 11.3.3).
). Применение теоремы 11.3.1
с заменой \(f\) на \(f_3\) и \(L\) на \(2L\) получается следующая теорема. 9Lf(x)\cos{(2n-1)\pi x\over2L}\,dx,\nonumber \] сходится для всех \(x\) в \([0,L];\), причем \[C_{M}(x)=\left\{\begin{array}{cl}{f(0+),}&{\text{if}x=0}\\[5pt]{f( x),} & {\ text {если} 0 Найдите смешанный ряд косинусов Фурье для \(f(x)=x-L\) на \([0,L]\). 92} \cos{(2n-1)\pi x\over2L}. \nonumber \] Теорема 11.3.3
следует, что \[C_M(x)= x-L,\quad 0\le x\le L.\nonumber \] Из Упражнение 11.1.21 собственные функции \[\ sin{\pi x\over 2L}, \, \sin{3\pi x\over 2L},\dots, \, \sin{(2n-1)\pi x\over 2L},\dots\nonumber \ ] краевой задачи \[y»+\lambda y=0,\quad y(0)=0,\quad y'(L)=0\nonnumber \] (задача 3) ортогональны на \([0,L]\). Если \(f\) интегрируема на \([0,L]\), то Фурье-разложение \(f\) по этим функциям равно 9Lf(x)\sin{(2n-1)\pi x\over2L}\,dx.\nonumber \] Мы назовем это разложение смешанным рядом синусов Фурье функции \(f\) на \( [0,L]\). Можно показать ( Упражнение 11.3.58 ), что смешанный ряд Фурье по синусам \(f\) на \([0,L]\) является просто ограничением на \([0,L]\) ряда синусов Фурье \[f_4(x)=\left\{\begin{array}{cl} f(x),&0\le x\le L,\\f(2L-x),&L < x\le 2L, \end{array}\right.\nonumber \] on \([0,2L]\) (рис. 11.3.4
). 9Lf(x)\sin{(2n-1)\pi x\over2L}\,dx,\nonumber \] сходится для всех \(x\) в \([0,L];\), причем \[S{M}(x)=\left\{\begin{array}{cl}{0,}&{\text{if}x=0}\\[5pt]{f(x),} &{\ text{if}0 Найдите смешанный ряд Фурье по синусам \(f(x)=x\) на \([0,L]\). 92} \sin{(2n-1)\pi x\over2L}.\nonumber \] Теорема 11.3.4
следует, что \[S_M(x)=x,\quad 0\le x\le L.\nonumber \] В приложениях, включающих разложение по собственным функциям задач 1-4, разлагаемые функции часто являются полиномами, удовлетворяющими граничным условиям рассматриваемой задачи. В этом случае следующая теорема предлагает эффективный способ получения коэффициентов в разложении. Мы докажем (а), а остальное предоставим вам ( Упражнения 11. 2(3L-2x)\) на \([0,L]\). 9{n}\frac{4}{(2n-1)\pi } \right]\sin\frac{(2n-1)\pi x}{2L}\nonumber\] Эта страница под названием 11.3: Серия Фурье II распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 3.0 и была создана, изменена и/или курирована Уильямом Ф. Тренчем посредством исходного контента, который был отредактирован в соответствии со стилем и стандартами Платформа LibreTexts; подробная история редактирования доступна по запросу. Формула ряда Фурье дает разложение периодической функции f(x) через бесконечную сумму синусов и косинусов. Он используется для разложения любой периодической функции или периодического сигнала на сумму набора простых осциллирующих функций, а именно синусов и косинусов. Давайте разберемся с формулой ряда Фурье на решенных примерах. В рядах Фурье используются ортогональные соотношения функций косинуса и синуса. Формула ряда Фурье для функции имеет вид 9{\pi}f(x)sin\;nx\;dx\) Есть вопросы по основным математическим понятиям? Станьте чемпионом по решению проблем, используя логику, а не правила. Узнайте, почему математика стоит за нашими сертифицированными экспертами. 9{2}}\) Ряд Фурье представляет собой разложение периодической функции f(x) по бесконечной сумме синусов и косинусов. Пример 11.
3.2 Смешанный ряд косинусов Фурье
Пример 11.3.3
Смешанный ряд по синусу Фурье
Пример 11.3.4
Полезное наблюдение
Формула ряда Фурье. Что такое формула ряда Фурье?
Что такое формулы ряда Фурье?
Примеры формул ряда Фурье
Часто задаваемые вопросы о формулах ряда Фурье
Что подразумевается под рядом Фурье?