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文檔簡介
第十二章傅立葉級數2009/03/11Fourier法國數學家、物理學家1768.3.21-1830.3.16
1817年當選為科學院院士1807年,《熱的傳播》熱傳導方程指,
出任一周期函數都可以展成三角函數的無窮級數§12.1
周期函數的Fourier級數一、問題的提出簡諧波:x(t
)=a
sin(w
t+j
)wj--初相;a--振幅.T
=2p
--周期;w
--頻率;x1
(t
)
=
sin
t,
x2
(t
)
=
sin
3t,
x1
(t
)
+
x2
(t
)?問題¥f
(t
)
=
A0
+
An
sin(nw
t
+
jn
)?n=1otu--1-
p
£
t
<
0
1, 0
£
t
<
p非正弦周期函數:矩形波u(t
)=-1,不同頻率正弦波的疊加4
sin
t,
4 1
sin
3t,
4 1
sin
5t,
4 1
sin
7t,
p p
3
p
5
p
74
sin
tp34
(sin
t+
1
sin
3t
)p3
54
(sin
t+
1
sin
3t+
1
sin
5t
)p3
5
74
(sin
t
+
1
sin
3t
+
1
sin
5t
+
1
sin
7t
)pp
3
5
7u(t
)
=
4
(sin
t
+
1
sin
3t
+
1
sin
5t
+
1
sin
7t
+
)(-p
<
t
<
p,
t
?
0)3
5
7
94
(sin
t
+
1
sin
3t
+
1
sin
5t
+
1
sin
7t
+
1
sin
9t
)p二、三角級數三角函數系的正交性¥1.三角級數¥n=1f
(t
)
=
A0
+
An
sin(nw
t
+
jn
)n=1=
A0
+
(
An
sin
jn
cos
nw
t
+
An
cosjn
sin
nw
t
)¥2n=10
+
(an
cos
nx
+
bn
sin
nx)a200a=
A
,令an
=
An
sin
jn
,
bn
=
An
cosjn
,
w
t
=
x,三角級數p-pcos
nxdx
=
0,p-psin
nxdx
=
0,2.三角函數系的正交性三角函數系1,cos
x,sin
x,cos
2
x,sin
2
x,cos
nx,sin
nx,正交:任意兩個不同函數的乘積在[-p
,p
]上的積分等于零.(n
=
1,2,3,),0,
m
?
n1,
m
=
nmnd
=
0,
m
?
n=
,mnp
,
m
=
npsin
mx
sin
nxdx
=
pd-p0,
m
?
n=
,mnp
,
m
=
npcos
mx
cos
nxdx
=pd-pp-p
sin
mx
cos
nxdx
=
0.(其中m,n
=1,2,)2sin
mx
sin
nx
=
1[cos(m
-
n)
x
-
cos(m
+
n)
x]2cos
mx
cos
nx
=
1[cos(m
-
n)
x
+
cos(m
+
n)
x]2cos
mx
sin
nx
=
1[sin(m
+
n)
x
-
sin(m
-
n)
x]三、函數的傅里葉級數問題:1.若能展開,an
,bn是什么?2.展開的條件是什么? (下節課介紹)1.傅里葉系數¥2
k
=1k
k(a
cos
kx
+
b
sin
kx)若有f
(x)=a0
+(1)求a0
.kk[2(a
cos
kx
+
b
sin
kx)]dxa0
dx
+f
(
x)dx
=p-p¥k
=1p-pp-p22p,=
a0p-pa
=f
(
x)dx1p0kkb
sin
kxdx2a0¥¥a
cos
kxdx
+=
dx
+p-p
k
=1p-p
k
=1p-p(2)求an
.p-pp-pacos
nxdx2f
(
x)cos
nxdx
=0p-pp-p¥+sin
kx
cos
nxdx]cos
kx
cos
nxdx
+
b[akk
=1kp-p=
an2cos
nxdxn=
a
p,p-pa
=nf
(
x)cos
nxdx1p(n
=
1,2,3,)p-pb
=nf
(
x)sin
nxdx1p(n
=
1,2,3,)p-p(3)求bn
.p-pasin
nxdx2f
(
x)sin
nxdx
=0p-pp-p¥+[acos
kx
sin
nxdx
+
bkk
=1ksin
kx
sin
nxdx]
=
bnp,p-pp-p=
1p=
1p(n
=
1,2,)f
(
x)sin
nxdx,b(n=
0,1,2,)f
(
x)cos
nxdx
,ann00=
1p=
1p(n
=
1,2,)2pf
(
x)sin
nxdx,b(n=
0,1,2,)2pf
(
x)cos
nxdx
,ann或傅里葉系數¥2n=1nn+
b
sin
nx)(a
cos
nxa0
+2.
傅里葉級數若
f
是以
2p為周期的可積或絕對可積函數,?
?¥+2n=1(an
cos
nx
+
bn
sin
nx)a0f
(
x)
~解例1
以2p
為周期的矩形脈沖的波形-
p
£
t
<
0
1, 0
£
t
<
pu(t
)
=
-
1,寫出它的Fourier級數?tu-
o-
11anpu(t
)
cos
ntdt-p=
1p=p-ppp00111cos
ntdt(-1)cos
ntdt
+=
0 (n
=
0,1,2,)看奇偶得有無正弦余弦bnpu(t
)
sin
ntdt-p=
1p=p-ppp00111sin
ntdt(-1)sin
ntdt
+np=
2
(1
-
cos
np
)
=
2
[1
-
(-1)n
]np0,4,
n
=
2k
-
1,
k
=
1,2,n
=
2k,
k
=
1,2,=
(2k
-
1)p¥4n=1sin(2n
-
1)t\
u(t
)~(2n
-
1)p作業習題12.12、3、4.思考題若函數j
(-x)=y
(x),問:j
(x)與y
(x)(n
=
0,1,2,)的傅里葉系數an
、bn
與a
n
、bn之間有何關系?思考題解答-ppanpj
(
x)cos
nxdx=
1=-pp1j
(-t
)cos(-nt
)d
(-t
)=p-pj
(-
x)cos
nxdxp1=p-ppy
(
x)cos
nxdxp1n=
a(n
=
0,1,2,)-
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