1. 三角函数基本性质
本文主要用于复习一下傅里叶级数、傅里叶变换的基础
基本定理
- 三角函数的正交性: 频率不同的三角函数乘积在一个周期内的积分是0,即:
∫π−πsin(mx±π2)cos(nx±π2)dx=0m≠n(0)∫T0sin(x±π2)dt=0
对于任意mnm≥1n≥1,
∫π−πsin(mx)cos(nx)dx=0(1)
- 和差化积、积化和差 公式
根据欧拉公式:
eiθ=cos(θ)+isin(θ)ei(θ+α)=cos(θ+α)+isin(θ+α)=eiαeiα=[cos(θ)+isin(θ)][cos(α)+isin(α)]=cos(θ)cos(α)−sin(θ)sin(α)+i[cos(θ)sin(α)+sin(θ)cos(α)]→cos(θ+α)=cos(θ)cos(α)−sin(θ)sin(α)sin(θ+α)=cos(θ)sin(α)+sin(θ)cos(α)cos(2x)=cos(x)2−sin(x)2
由和差化积可以得到 积化和差公式:
sin(θ)sin(α)=sin(θ+α)−cos(θ+α)2....
2. 实数域傅里叶级数
满足狄利克雷条件的周期函数,可以展开成傅里叶级数,傅里叶级数表示为:
f(t)=c0+∞∑n=1cncos(nωt+ϕ)=c0+∞∑n=1cncos(ϕ)cos(nωt)−cnsin(ϕ)sin(nωt)
c0 是其中的直流分量, 令an=cncos(ϕ),bn=−cnsin(ϕ), 上式写作:
f(t)=c0+∞∑n=1[ancos(nωt)+bnsin(nωt)]
对上述级数的系数求解方式如下
令K(t)=f(t)sin(kωt), 则:
∫T0K(t)dt=∫T0c0sin(kωt)dt+∫T0sin(kωt)∞∑n=1[ancos(ωt)+bnsin(ωt)]dt
根据第一节的定理,可以得知:
∫T0c0sin(kωt)dt=0
∫T0sin(kωt)∞∑n=1[ancos(nωt)+bnsin(nωt)]dt=∫T0∞∑0[sin(kωt)ancos(nωt)]dt+∫T0∞∑0[sin(kωt)bnsin(nωt)]dt=∞∑n=1∫T0[sin(kωt)ancos(nωt)]dt+∞∑n=1∫T0[sin(kωt)bnsin(nωt)]dt=a(t)+b(t)
根据(1),a(t)=0, 根据(0), 当k=n,b(t)≠0,此时继续推导:
∞∑n=1∫T0[sin(kωt)bnsin(nωt)]dt=bn∫sin(ωt)2dt
根据:
sin(x)2+cos(x)2=1cos(2x)=cos(x)2−sin(x)2=(1−sin(x)2)−sin(x)2sin2(x)=1−cos(2x)2bn∫sin(ωt)2dt=bn∫1−cos(2t)2dt=bnT2bn=2T∫f(t)sin(nωt)dt
类似的,求出an
an=2T∫f(t)cos(nωt)dt
对于傅里叶级数的第n项,其能量和相位分别是:
c2n=a2n+b2nΦ=arctan(−bnan)
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