傅里叶级数 Fourier Series
正交函数系
正交函数
若 ,则称 与 在 上正交。
正交函数系
函数列 定义在 上,若 则称 为正交函数系。
三角函数系的正交性
三角函数系
函数系 在 上正交
傅里叶级数的定义
傅里叶级数
设 在 上可积,则傅里叶级数为 其中系数为:
、 称为 的傅里叶系数。
奇偶函数的简化
- 若 为奇函数:,级数为正弦级数
- 若 为偶函数:,级数为余弦级数
谐波分析
- :直流分量(非正弦波的常数项)
- :基波(与 同频)
- : 阶谐波( 为振幅频谱)
复数形式中:
可将各阶谐波的振幅与频率的函数关系画出频谱图。
Dirichlet 收敛定理
Dirichlet 条件
设 以 为周期,在 上满足:
- 只有有限个第一类间断点
- 只有有限个极值点
则 的傅里叶级数处处绝对收敛,且在:
- 连续点:级数收敛到
- 间断点:级数收敛到
- 端点(周期延拓后的间断点):收敛到
注意
Dirichlet 条件是充分条件,不是必要条件。很多不满足该条件的函数,其傅里叶级数仍然收敛。
吉布斯现象
用无限个光滑正弦波去逼近具有跳变的信号时,在跳变点附近必然产生无法消除的过冲:
- 高度固定:无论叠加多少项,最大过冲始终约为跳变幅度的 9%
- 宽度收缩:项数增加时,过冲不变矮,只会变窄并向跳变点压缩
延拓
延拓的核心思想
傅里叶级数要求函数定义在完整周期 上,但实际问题中 不一定有完整定义。 此时一般构造辅助函数 满足 Dirichlet 条件,将其展开为傅里叶级数并限制定义域。
延拓后再进行周期延拓(以 为周期向两侧重复),即为傅里叶级数所表示的函数。
偶延拓(余弦级数)
偶延拓
设 仅在 上有定义,若将其偶延拓到 (即 ),则:
- (奇函数在对称区间积分为零)
- 级数为余弦级数: 其中
奇延拓(正弦级数)
奇延拓
设 仅在 上有定义,若将其奇延拓到 (即 ),则:
- (偶函数在对称区间积分为零)
- 级数为正弦级数: 其中
周期 的傅里叶级数
一般周期
设 以 为周期,在 上满足 Dirichlet 条件,则 其中
变量代换
令 ,可将周期 的问题化为周期 的标准形式。
常见函数的傅里叶级数
| 函数 | 傅里叶级数 |
|---|---|
| () | |
| () | |
| () | |
| (常数) | (仅有 ) |
复数形式
Euler 公式
由此可得
复数形式傅里叶级数
其中复数傅里叶系数为
系数对应关系
优势
复数形式更简洁,在信号处理和物理学中使用更方便。
Parseval 恒等式
Parseval 恒等式
设 的傅里叶级数为 ,若 在 上平方可积,则
复数形式下:
信号的平均功率等于各次谐波功率之和。