傅里叶级数 Fourier Series

正交函数系

正交函数

,则称 正交

正交函数系

函数列 定义在 上,若 则称 正交函数系


三角函数系的正交性

三角函数系

函数系 上正交


傅里叶级数的定义

傅里叶级数

上可积,则傅里叶级数 其中系数为:

称为 傅里叶系数

奇偶函数的简化

  • 奇函数,级数为正弦级数
  • 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

为周期,在 上满足:

  1. 只有有限个第一类间断点
  2. 只有有限个极值点

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

仅在 上有定义,若将其偶延拓(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

仅在 上有定义,若将其奇延拓(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

为周期,在 上满足 Dirichlet 条件,则 其中

变量代换

,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

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

的傅里叶级数为 ,若 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。