Выше мы видим, что разложение функций в степенные ряды позволяет вычислить приближенные значения этих функций с необходимой точностью. Но имеется много функций, которые не разлагаются в степенные ряды (ряды Тейлора или Маклорена), т.к. требования к функциям предъявляются довольно жесткие (функция должна быть бесконечно дифференцируема и т.д.). Поэтому используются и другие виды функциональных рядов, условия разложения в которые менее обременительны. К таким рядам относятся тригонометрические ряды.

Определение : Тригонометрическим рядом функциональный ряд вида:, (1)

где есть постоянные числа, называемые:

Коэффициентами тригонометрического ряда .

Все члены ряда (1) являются функциональными непериодическими и обладают общим наименьшим периодом 2p. Отсюда следует: если функция f(x) разлагается в тригонометрический ряд (1), т.е. она является суммой этого ряда, то эта функция сама должна быть суммой ряда (1) только в некотором интервале длинной 2p.

Основные свойства тригонометрического ряда вытекают jиз основного свойства системы тригонометрических функций. Стачала одно определение.

Определение : Бесконечная система функций j1(x),j2(x),...,j3(x)..., определенных на сегменте , называется ортогональном на этом сегменте , если выполняется следующие условия:
для m¹n;

для любых n.

Теорема : Система тригонометрических функций ортогональна на отрезке [-p,p].

Доказательство: Нужно проверить условия 1) и 2) предыдущего определения.

1)Рассмотрим интегралы:

Применим тригонометрические формулы:

Очевидно с их помощью все предыдущие интегралы сводятся к интегралам вида:
и

Вычислим их.

;

Тем самым, первое требование ортогональности будет выполнено.

2)
;

и второе требование выполнено ч. и т.д.

1. Тригонометрический ряд Фурье.

Пусть периодическая с периодом 2p функция f(x) представляется как сумма тригонометрического ряда
(1).

для всех х из некоторого промежутка длинной 2p. Но сумма ряда S(х) периодическая с периодом 2p функция. Поэтому значение f(x)и S(x)совпадают на всей числовой прямой (-¥, +¥). Поэтому достаточно изучить равенство (1) на некотором промежутке длинной 2p, обычно это [-p,p] .

Итак, пусть f(х) сумма ряда (1) на [-p,p] и, кроме того, предположим, что его можно почленно интегрировать поэтому отрезку. Это, например, возможно если числовой ряд из коэффициентов ряда (1) сходится абсолютно, т.е. сходится ряд

(2).

В этом случаи члены функционального ряда (1) на абсолютной величине не превосходят соответствующих членов ряда (2), откуда следует равномерная сходимость ряда (1), а, значит, и возможность его не членного интегрирования по [-p,p].

Используем это для вычисления коэффициента a 0 . Проинтегрируем почленно обе части неравенства (1) по [-p,p]:

Все интегралы справа согласно свойству ортогональности тригонометрических функций, равны нулю кроме первого. Поэтому:
, откуда
(3).

Чтобы вычислить а к /k¹0/ умножим обе части (1) на coskx. Полученный ряд тоже будет сходится равномерно на [-p,p], т.к. ½coskx½£1 и его можно почленно интегрировать по [-p,p].

По этому же свойству ортогональности все интегралы справа равны нулю кроме содержащего а к.

Тогда
. Откуда

(4).

Умножая обе части (1)на sin kx и интегрируя полученное равенство на , получим
. Откуда

(5).

Коэффициенты, вычисляемые по формулам (3)-(5), называют

коэффициентами фурье для функции f(x), а тригонометрический ряд (1) с этими коэффициентами - рядом Фурье функции (x).

Нужно заметить, что далеко не всегда можно почленно интегрировать ряд (1). Поэтому формально можно вычислить коэффициенты Фурье, составить ряд Фурье (1), но нельзя гарантировать, что этот ряд сходится вообще; а если сходится, то его сумма есть функция f(x). В таких случаях условились вместо равенства (1) “соответствие”:

Возможности приближения рядов Фурье в случае линейного сигнала бывает необходимым для построения функций в случае разрывных периодических элементов. Возможности использования данного метода для построения и разложения их с использованием конечных сумм ряда Фурье использующих при решении многих задач различных наук, таких как физики, сейсмологии и так далее. Процессы океанских приливов, солнечной активности рассматриваются способом разложения колебательных процессов, функций описываемых эти преобразования. С развитием компьютерных технологий ряды Фурье стали применяться для более и более сложных задач, а так же благодаря этому стало возможным использование данных преобразований в косвенных науках, таких как медицина, химия. Преобразование Фурье описывается как в действительной, так и в комплексной форме, второе распределение дало возможность произвести прорыв в исследовании космического пространства. Результатом данной работы является применение рядов Фурье к линеаризации разрывной функции и подбором количества коэффициентов ряда для более точного наложения ряда на функцию. Причем, при использовании разложения в ряд Фурье, данная функция перестает быть разрывной и уже при достаточно малых, осуществляется хорошее приближение используемой функции.

ряд фурье

преобразование фурье

фазовый спектр.

1. Алашеева Е.А., Рогова Н.В. Численный метод решения задачи электродинамики в тонкопроволочном приближении. Наука и мир. Международный научный журнал, № 8(12), 2014. Том 1. г. Волгоград. С.17-19.

2. Воробьев Н.Н. Теория рядов. Изд. Наука, Главная редакция физико-математической литературы, М., 1979, -408 С.

3. Калинина В.Н., Панкин В.Ф. Математическая статистика. - М.: Высшая школа, 2001.

4. Р.Эдвардс Ряды Фурье в современном изложении. Изд. Мир. В 2 томах. Том 1. 1985 год. 362 стр.

5. Сигорский В.П. Математический аппарат инженера. Изд. 2-е стереотипное. «Технiка»,1997. – 768 с.

Представление произвольно взятой функции с конкретным периодом в виде ряда называется рядом Фурье. Разложением по ортогональному базису называют данное решение в общем виде. Разложение функций в ряд Фурье является довольно мощным инструментом при решении разнообразных задач. Т.к. хорошо известны и изучены свойства данного преобразования при интегрировании, дифференцировании, а также сдвиге выражения по аргументу и свертке . Человек, не знакомый с высшей математикой, а также с трудами французского ученого Фурье, скорее всего, не поймет, что это за «ряды» и для чего они нужны. Данное преобразование Фурье очень плотно вошло в нашу жизнь. Им пользуются не только математики, но и физики, химики, медики, астрономы, сейсмологи, океанографы и многие другие.

Ряды Фурье используются при решении многих прикладных задач. Преобразование Фурье можно проводить аналитическими, числительными и другими методами. Такие процессы как океанские приливы и световые волны до циклов солнечной активности относятся к числительному способу разложения любых колебательных процессов в ряд Фурье. Используя эти математические приемы, можно разбирать функции, представляя любые колебательные процессы в качестве ряда синусоидальных составляющих, которые переходят от минимума к максимуму и обратно. Преобразование Фурье является функцией, описывающей фазу и амплитуду синусоид, соответствующих определенной частоте. Данное преобразование используется для решения весьма сложных уравнений, которые описывают динамические процессы, возникающие под действием тепловой, световой или электрической энергии. Также ряды Фурье позволяют выделять постоянные составляющие в сложных колебательных сигналах, благодаря чему стало возможным правильно интерпретировать полученные экспериментальные наблюдения в медицине, химии и астрономии .

С ростом технологий, т.е. появление и развития компьютера, вывело преобразование Фурье на новый уровень. Данная методика прочно закрепилась практически во всех сферах науки и техники. В качестве примера можно привести цифровой аудио- и видеосигнал. Который стал наглядной реализацией роста научного процесса и применения рядов Фурье. Так, ряд Фурье в комплексной форме позволил совершить прорыв в изучении космического пространства. Кроме того, это повлияло на изучение физики полупроводниковых материалов и плазмы, микроволновой акустики, океанографии, радиолокации, сейсмологии .

Рассмотрим фазовый спектр периодического сигнала определяется из следующего выражения:

где символами и соответственно обозначены мнимая и действительная части величины, заключенной в квадратные скобки.

Если умножить на действительную постоянную величину K, то разложение в ряд Фурье имеет следующий вид:

Из выражения (1) следует, что фазовый Фурье-спектр обладает следующими свойствами:

1) является функцией , т. е. в отличие от спектра мощности, который не зависит от , , изменяется при сдвиге сигнала вдоль оси времени;

2) не зависит от К, т. е. инвариантен к усилению или ослаблению сигнала, в то время как спектр мощности является функцией К.

3) т. е. является нечетной, функцией n.

Примечание. С учетом геометрической интерпретации приведенных выше рассуждений, можно выразить через спектр мощности и фазовый спектр следующим образом:

Поскольку

то из (2) и (3) следует, что может быть восстановлен однозначно, если известны амплитудный (или спектр мощности) и фазовый спектры.

Рассмотрим пример. Нам дана функция на промежутке

Общий вид ряда Фурье:

Подставим свои значения и получим:

Подставим свои значения и получим.

Введение

Частным случаем функциональных рядов являются тригонометрические ряды. К изучению тригонометрических рядов привела известная проблема звучащей струны, над которой работали такие математики как Эйлер, Даламбер, Фурье и другие.

В настоящее время тригонометрические ряды, наряду со степенными рядами, играют важную роль в науке и технике.

1.Тригонометрическая система функций. Ряд Фурье.

Определение. Последовательность функций

1, cosx, sinx,cos2x, sin2x, … , cosnx, sinnx, …

называется тригонометрической системой функций.

Для тригонометрической системы функций справедливы следующие равенства:

Эти равенства легко доказываются с помощью известных формул тригонометрии:

в котором коэффициенты a n , b n определены формулами (2), называется

тригонометрическим рядом Фурье функции f (x ) , а сами коэффициенты –

коэффициентами Фурье.

Тот факт, что ряд (3) является тригонометрическим рядом Фурье функции f (x ) , записывается следующим образом:

Каждое слагаемое ряда (4) называется гармоническим колебанием. В ряде прикладных задач требуется представить периодическую функцию в виде ряда (4), то есть в виде суммы гармонических колебаний.

2.Разложение в ряд Фурье периодических функций с периодом 2π .

Определение. Говорят, что функция f(x) кусочно-непрерывна на отрезке

Если f(x) непрерывна на отрезке за исключением, быть может, конечного числа точек, в каждой из которых функция f(x) имеет пределы справа и слева.

Сформулируем теорему, которая дает достаточные условия сходимости тригонометрического ряда.

Теорема Дирихле . Пусть периодическая периода 2π функция f(x) удовлетворяет условиям:

1) f (x ) иf ′ (x ) кусочно-непрерывны на отрезке [-π ,π ];

2) если х=с – точка разрыва функции f(x), то

f (c )= 1 2 (f (c − 0)+ f (c + 0)).

Тогда тригонометрический ряд Фурье функции f(x) сходится к f(x), то есть имеет место равенство

где коэффициенты a n , b n определяются формулами (2).

Доказательство. Пусть имеет место равенство (4) и пусть ряд (4) допускает почленное интегрирование. Найдем коэффициенты в равенстве (4). Для этого умножим обе части равенства (4) на cosnx и проинтегрируем его в пределах от -π доπ ; в силу ортогональности тригонометрической системы получимa n . Аналогично, умножая на sinnx и интегрируя, получимb n .

3.Ряды Фурье четных и нечетных функций.

Следствие 1 (ряд Фурье для четной функции). Пусть четная функция f(x)

удовлетворяет условиям теоремы Дирихле.

Следствие 2 (ряд Фурье для нечетной функции). Пусть нечетная функция f(x) удовлетворяет условиям теоремы Дирихле.

Тогда имеет место следующее разложение в ряд Фурье

Для доказательства следствий 1 и 2 воспользуемся следующей леммой, которая геометрически очевидна (интеграл как площадь).

Лемма. Пусть на отрезке [-a,a] заданы две интегрируемые функции: четная функция g(x) и нечетная функция h(x).

Тогда справедливы равенства

Пример1. Разложить в ряд Фурье функцию f(x)=x, (x [-π ,π ].

Так как функция нечетная, то согласно формулам (8) и (7) будем иметь:

В точках х=±π сумма этого ряда равна нулю.

Полагая в ряде (9) х = π 2 , получим условно сходящийся ряд

f (x )= x .

7. Разложить на отрезке [ 0,π ] в тригонометрический ряд Фурье по косинусам функцию

< x ≤ π .

8. Разложить на отрезке

f (x )= 2x .

f (x) = ex .

Контрольные вопросы по теме занятия:

1. Напомните определение ряда Фурье.

2. Дайте определение сходимости функционального ряда Фурье.

Заключение.

Введение.

Ряд Фурье составляет значительную часть теории тригонометрических рядов. Впервые ряд Фурье появился в работах Ж. Фурье (1807 г.), посвященных исследованию задач теплопроводности. В дальнейшем ряды Фурье получили широкое распространение как в теоретической, так и в прикладной математики. Так, при изучении темы «Уравнения математической физики» ряды Фурье применяются для нахождения решений уравнения теплопроводности, волнового уравнения с различными начальными и краевыми условиями. Значительное распространение получил также интегральное преобразование Фурье, которое применяется к широкому классу функций.

При разделении переменных во многих задачах математической физики, в частности в краевых задачах теории потенциала для цилиндрической области, приходят к решению так называемых уравнений Бесселя.

Первым систематическое изучение решения уравнения уравнений такого типа предпринял Ф. Бессель, но еще раньше они встречались в работах Д. Бернулли, Л. Эйлера, Ж. Лагранжа.

1. Ряды Фурье функций с любым периодом 2L.

В ряд Фурье можно разлагать функции любого периода 2L. Имеет место следующая теорема.

Теорема. Пусть периодическая периода 2L функция f(x) на отрезке [-L,L] удовлеиворяет условиям теоремы Дирихле.

Тогда на отрезке [-L,L] имеет место разложение в ряд Фурье

(n = 0,1,2,...)

Доказательство. Рассмотрим функцию

равенства (10) и (11).

Замечание. Если функция f(x) – четная на отрезке [-L,L], то ее

ряд Фурье будет содержать только свободный член a 2 0 и косинусы, если же

f(x) – нечетная функция, то ее ряд Фурье будет содержать только синусы. Пример 2. Разложить в ряд Фурье функцию f(x) с периодом 2, которая на

отрезке [-1,1] задается формулой f(x)=| x| .

Следовательно,

2. Ряды Фурье непериодических функций.

Пусть непериодическая функция f(x) определена на отрезке [-L,L]. Для того, чтобы разложить ее в тригонометрический ряд, на этом отрезке строим

Фурье на интервале ]0,L[. Для этого строим периодическую функцию g(x) периода 2L

f (x ),0< x < L ,g (x ) = f 1((x ),− L < x < 0.

Так как функцию f 1 (x ) можно выбрать бесчисленным количеством

способов (лишь бы g(x) удовлетворяла условиям теоремы Дирихле), то получаем бесконечное множество рядов Фурье

для функции g(x).

В частности, функцию g(x) можно выбрать четной или нечетной.

Пусть, теперь, непериодическая функция f(x) определена на некотором интервале ]a,b[. Для того, чтобы эту функцию представить

рядом Фурье, строим произвольную периодическую функцию f 1 (x ) с

периодом 2L≥ b-a, совпадающую на интервале ]a,b[ с функцией f(x), и и раскладываем ее в ряд Фурье.

3. Комплексная форма ряда Фурье.

Преобразуем ряд (10) и его кэффициенты (11) с помощью формул Эйлера

(ω n = π L n )

В результате получим ряд

который называется тригонометрическим рядом Фурье в комплексной форме

функции f(x) периода 2L.

Принята, особенно в электротехнике и радиотехнике, следующая терминология. Выражения e i ω n x называютсягармониками,

числа ω n называютсяволновыми числами функции f(x). Совокупность волновых

чисел называется дискретным спектром. Коэффициенты (16) называюткомплексной амплитудой.

Изучением свойств кэффициентов (16) занимается спектральный анализ. Пример 3. Найти тригонометрический ряд Фурье в комплексной форме

функции f(x)=e ax , (a≠ 0), при L=π .

Формулы (15) и (16) дают:

5. Разложить по синусам в промежутке [ 0,1] функцию

f (x )= x .

6. Найти коэффициенты Фурье функции f (x ) тригонометрического ряда

< x ≤ π .

8. Разложить на отрезке [ 0,π ] в тригонометрический ряд Фурье по косинусам0 при 2

9. В промежутке [ 0,1] разложить в тригонометрический ряд Фурье функцию

f (x )= 2x .

10. В промежутке [ − 1,1] разложить в тригонометрический ряд Фурье функцию

f (x) = ex .

Заключение.

В лекции были рассмотрены ряды Фурье функций периодических на разных интервалах. Рассмотрено преобразование Фурье, а также получено решение уравнения Бесселя, возникающего при разделении переменных во многих задачах математической физики.

Введение.

В лекции рассматриваются предельный случай ряда Фурье, приводящий к интегралу Фурье. Записываются формулы интеграла Фурье для четных и нечетных функций. Отмечается, какую роль играет интеграл Фурье в различных приложениях. Интеграл Фурье представляется в комплексной форме, которая аналогична комплексному представлению ряда Фурье.

Будут получены формулы для преобразования и обратного преобразования Фурье, косинус и синус преобразования Фурье. Приводятся сведения о применении преобразования Фурье к задачам математической физики, электротехники.

1.Интеграл Фурье, как предельный случай ряда Фурье

Пусть функция f(x) определена на бесконечном интервале

]-∞ ,∞ [ и абсолютно интегрируема на нем, то есть существует сходящийся интеграл

∞ ∫ f(x) dx.

Выражение, стоящее справа в формуле (4), называется интегралом Фурье для функции f(x). Равенство (4) имеет место для всех точек, где функция непрерывна. В точках разрыва f(x) в левой части формулы (4) нужно заменить на

Ряды Фурье и их применение в технике связи

Разложение непрерывного сигнала в ортогональные ряды

Лекция 6. Непрерывный канал

Критерии качества восстановления.

Существуют следующие критерии:

1) Критерий наибольшего отклонения

где: допускаемая погрешность восстановления, - max значение - текущая погрешность приближения.

При этом имеется уверенность, что любые изменения исходного сигнала, включая кратковременные выбросы будут зафиксированы.

2) Критерий СКЗ. где: - дополнительная СК погрешность приближения, - СК погрешность приближения.

3) Интегральный критерий

Определяется max среднее значение за период дискретизации.

4) Вероятностный критерий

Задаётся допустимый уровень, величина Р – вероятности того, что текущая погрешность приближения не зависит от некоторого определённого значения.

Цель лекции: ознакомление c непрерывным каналом

а) разложение непрерывного сигнала в ортогональные ряды;

б) Ряды Фурье и их применение в технике связи;

в) теорема Котельникова (Основная теорема Шеннона);

г) пропускная способность непрерывного канала;

д) модель НКС.

В теории связи для представления сигналов широко используются два частных случая разложения функций в ортогональные ряды: разложение по тригонометрическим функциям и разложение по функциям вида sin x/x. В первом случае получаем спектральное представление сигнала в виде обычного ряда Фурье, а во втором случае – временное представление в виде ряда В.А. Котельникова.

Простейшей с практической точки зрения формой выражения сигнала является линœейная комбинация некоторых элементарных функций

В общем случае, сигнал представляет собой сложное колебание, в связи с этим возникает крайне важно сть представить сложную функцию s(t), определяющую сигнал, через простые функции.

При изучении линœейных систем такое представление сигнала весьма удобно. Оно позволяет решение многих задач расчленить на части, применяя принцип суперпозиции. К примеру, чтобы определить сигнал на выходе линœейной системы, вычисляется реакция системы на каждое элементарное воздействие ψ k (t), а затем результаты, умноженные на соответствующие коэффициенты а k легко вычислялись и не зависели от числа членов суммы. Указанным требованиям наиболее полно удовлетворяет совокупность ортогональных функций.

Функции ψ 1 (t), ψ 2 (t), . . . . , ψ n (t) . (6.2)

Заданные на интервале, называются ортогональными,

если при. (6.3)

Основой спектрального анализа сигналов является представление функций времени в виде ряда или интеграла Фурье. Любой периодический сигнал s(t), удовлетворяющий условию Дирихле, должна быть представлен в виде ряда по тригонометрическим функциям

Величина а 0, выражающая среднее значение сигнала за период, принято называть постоянной составляющей. Она вычисляется по формуле

Весьма удобной является комплексная форма записи ряда Фурье

Величина A k есть комплексная амплитуда, она находится по формуле

Соотношения (6.8) и (6.9) составляют пару дискретных преобразований Фурье. Необходимо отметить, что рядом Фурье можно представить не только периодический сигнал, но и любой сигнал конечной длительности. В последнем случае сигнал S(t ) принимается периодически продолженным на всœей оси времени. При этом равенство (6.4) или (6.8) представляет сигнал только на интервале его длительности (-Т/2,Т/2 ). Случайный сигнал (или помеха), заданный на интервале (-Т/2,Т/2 ), должна быть также представлен рядом Фурье

где a k и b k являются случайными величинами (для флуктационной помехи – независимыми случайными с нормальным распределœением) .

Ряды Фурье и их применение в технике связи - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Ряды Фурье и их применение в технике связи" 2017, 2018.