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傅里叶级数 - 维基百科,自由的百科全书 とべ转到内容ないよう

でんさとかのう级数

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重定しげさだこうでんたてかのう级数
ほうなみてきでんさとかのう级数まえ四项的部份总和。ずい增加ぞうかさらてき谐波,这个份总かずおさむ敛成かた

ざい数学すうがくなかでんさとかのう级数英語えいごFourier series/ˈfʊri, -iər/これ类似なみてき函数かんすう表示ひょうじなり简单谐波てき方式ほうしき更正こうせいしき说,对于满足狄利かつかみなり定理ていりてき周期しゅうき函数かんすう,其傅さとかのう级数よしいち正弦せいげんあずか余弦よげん函数かんすうてき表示ひょうじてき方法ほうほうでんさとかのう级数あずかようらい找出无周函数かんすうてき频率しんいきてきでんさとかのう变换ゆうみつきりてき关系。

でんさとかのう级数でんさとかのう分析ぶんせきてきいち研究けんきゅうぶんささえ,也是さい定理ていり原始げんし证明てき核心かくしんでんさとかのう级数ざいかず组合数学すうがく信号しんごう处理、がいりつ统计がくみつ码学こえがく光学こうがくとう领域ゆう广泛てき应用。

歷史れきし

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でんさとかのう级数とくめい于法こく数学すうがく约瑟おっと·でんさとかのう(1768ねん–1830ねん),提出ていしゅつにんなに函数かんすうてん三角さんかく级数。此前数学すうがくおうひしげ达朗贝尔かつ莱罗やめ发现ざい认定一個函数有三角级数展开后,つう过积ぶん方法ほうほう计算其系すうてき公式こうしき,而ひしげかくろうとうひとやめ经找到りょう一些非周期函数的三角级数展开。はた周期しゅうき函数かんすう分解ぶんかい为简单函数かんすうてき总和てき最早もはやそうほう以追さかのぼいたりこうもとまえ3世紀せいき古代こだい天文學てんもんがくてきひとし和本わほん學說がくせつ

でんさとかのうてき工作こうさくいたりょうたん尔·はくつとむてき赞助[1]でんさとかのう介入かいにゅう三角级数用來解热传导方ほど,其最はつ论文雖經西にし尔维斯特·ひしげかつ鲁瓦えいSylvestre François Lacroix斯帕尔·こうむ同意どうい[2]ただしざい1807ねんひしげかくろうひしげひろしひしげ勒讓とく评審きさきこばめ出版しゅっぱんてき现在しょうでんさと逆轉ぎゃくてん定理ていりえいFourier inversion theoremてき论后らい发表于1822ねん出版しゅっぱんてき《热的解析かいせき论》[3]

定義ていぎ

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うえ展示てんじりょう蓝色无周函数かんすう,它只てい义在红色これじょう以认为傅さとかのう级数,对下图中最初さいしょ函数かんすうてき周期しゅうきのべたくてき分析ぶんせきでんさとかのう级数总是周期しゅうき函数かんすうそく使つかい最初さいしょ函数かんすう周期しゅうき函数かんすう

でんさとかのう级数以用不同ふどうてき形式けいしきおもて达,下面かめんしょう周期しゅうきてきいち周期しゅうき函數かんすうおもて达为不同ふどう形式けいしきてきでんさとかのう级数。

正弦せいげん-余弦よげん形式けいしき

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ひと常用じょうようあずかてき三角さんかく級數きゅうすうらい表示ひょうじ,就是しょう所有しょゆうかい諧波あずかじょう以其かく自在じざいなかてきけんおももとめとく它们てき總和そうわ;这些かい諧波てきけんじゅうしょうためでん立葉たてば級數きゅうすう係數けいすう,它们以藉よし如下積分せきぶんらい獲得かくとく

でん立葉たてば級數きゅうすう係數けいすう
Eq.1

符号ふごう表示ひょうじざい选定うえてき积分,典型てんけいてき选择为あるもの注意ちゅうい函数かんすうてき平均へいきんえいMean of a function[A],这个せい质扩てんいたりょう类似てき变换でんさとかのう变换

つう过这些系すうてい义傅さとかのう级数为:

でん立葉たてば級數きゅうすう正弦せいげん-余弦よげん形式けいしき
Eq.2

这里使用しよう符号ふごう表示ひょうじでんさとかのう级数てきもとめ一定总是等于普遍ふへんらいせつ理論りろんじょう趨近於無げんだいてきただし就算趨近於無げんだいたい所有しょゆうてきれい如在ぼういちてんじょう不連續ふれんぞく),でん立葉たてばきゅう數也かずや一定いってい收斂しゅうれんいたつきかん收斂しゅうれんてき可能かのうせいはじめ存在そんざいざい科学かがく工程こうてい领域ちゅう经常しょうEq. 2なかてき直接ちょくせつがえだい

ざいでんさとかのう级数けいすうちゅうてき整数せいすう索引さくいん级数ちゅうしょう应的あるざい这个函数かんすうてき周期しゅうきなか形成けいせいてき圆周(cycle)てきすうもくよし此对应于てき项有

  • なみとう,并且ゆうどうてき单位。
  • 频率とう,并且ゆうてきたおせすう单位。

指数しすう形式けいしき

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下面かめん藉由おうひしげ公式こうしきはたでんさとかのう级数けいすう化成かせい复数指數しすう形式けいしき

根據こんきょ定義ていぎわが們可以得いた:

复数でんさとかのう级数けいすう
Eq. 3

つう过将等式とうしきEq. 1代入だいにゅうEq. 3以证实[4]

复数でんさとかのう级数けいすう

给定复数でんさとかのう级数けいすう以用公式こうしき复原

复数でんさとかのう级数けいすう

つう过这些定义,でんさとかのう级数以写为:

でん立葉たてば級數きゅうすう指數しすう形式けいしき
Eq. 4

这是推广到复数值域函数かんすうてき惯用形式けいしきてき负数值对应于负频りつ

複數ふくすう值函すう

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ひと们習慣將てき值域普遍ふへんいた複數ふくすううえ,设いち複數ふくすう值函すう,它的きょみやこただし實數じっすう值函すう

てい则:

对于这个复数值函すう,它的でんさとかのう级数てき实部,它的实部てきでんさとかのう级数;它的でんさとかのう级数てききょ它的きょてきでんさとかのう级数:

振幅しんぷく-そう形式けいしき

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かえ利用りよう三角さんかく恆等こうとうしき正弦せいげん-余弦よげん形式けいしき中後なかごめんてき正弦せいげん函數かんすう餘弦よげん函數かんすう合併がっぺいおこりらい

しかこう定義ていぎ振幅しんぷくそう,这里てき对应正弦せいげん-余弦よげん形式けいしきちゅうこれてき平均へいきんえいMean of a function

でん立葉たてば級數きゅうすう振幅しんぷく-そう形式けいしき
Eq. 5

份求和算わさん

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ざい描述でんさとかのうすうぎょう为的时候,经常かい为一个函すう介入かいにゅう份求さん[5]

Eq. 6

这里てきこれてきでんさとかのうけいすう不同ふどう于微积分ちゅうてき级数,でんさとかのう级数てき份求必须さいよう对称形式けいしきいや则收敛结はて可能かのう不成立ふせいりつ

假設かせつあずかざいうえてきせき函數かんすうあずかざいてきめくせきため:

周期しゅうきてき函數かんすうてきでん立葉たてば級數きゅうすうてき份求以经ゆかりあずか狄利かつかみなりかくてきすりせきらい表示ひょうじ

おさむ敛性概要がいよう

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ざい近似きんじりょう,该近似きんじ程度ていどかいずい逐渐改善かいぜん。这个无穷さけべてきでんさとかのう级数表示ひょうじでんさとかのう级数てきおさむ敛性决于函数かんすう有限ゆうげん数量すうりょうてき极大值和极小值,这就通常つうじょうしょう为傅さとかのう级数てき狄利かつかみなり条件じょうけんまいりでんさとかのう级数てきおさむ敛性えいConvergence of Fourier seriesこれいち。对于广义函数かんすうある分布ぶんぷ也可以用范数あるじゃくおさむえいWeak convergence (Hilbert space)てい义傅さとかのうけいすうざいてき不可ふかてんじょう,如果わが们只无穷级数ちゅうてき有限ゆうげん项求么在这些てんじょうかいゆうはば不随ふずい增大ぞうだい而持续变しょうてき起伏きふく,这叫做よしぬの斯现ぞう,一个简单的例子是ほうなみ信号しんごう

ざい工程こうてい应用ちゅう,一般假定傅里叶级数除了在不连续点以外处处收敛,原因げんいん工程こうていじょうぐういたてき函数かんすう数学すうがく提供ていきょうてき这个假定かていてき反例はんれいひょう现更良好りょうこうとく别地,でんさとかのう级数绝对おさむいち致收敛ただようざいてき导数(ある许不かい处处存在そんざい平方へいほう积的[6]。如果一个函数在区间うえただし平方へいほうてき么此でんさとかのう级数ざい几乎处处まとてんみやこおさむ敛于该函すう

其他常用じょうよう表示法ひょうじほう

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符号ふごうざい讨论个不どう函数かんすうてきでんさとかのうけいすう时是够用てきよし此习惯上はた其替だい为函すう(这里函数かんすうてきぼう种修あらため形式けいしきそくさいよう函数かんすうしき符号ふごうあるらいがえだい标式符号ふごう

常用じょうようてき数学すうがく符号ふごう
常用じょうようてき工程こうてい符号ふごう

ざい工程こうていじょうとく别是ざい变量表示ひょうじ时间てき时候,けいすう序列じょれつさけべ频域表示ひょうじ。经常使用しようかたくくごうらいきょう调这个函すうてきてい义域频率てき离散集合しゅうごう

另一个常用频域表示,使用しようでんさとかのう级数けいすう调制ぞうくしけずいち样的狄拉かつさい样函すうえいDirac comb

这里てき表示ひょうじ连续频域。ざい变量以秒为单てき时候,赫兹为单さい样的间隔为基本きほん频率てきばいそく谐波)。 以通过ぎゃくでんさとかのう变换えいFourier inversion theorem从这种表示ひょうじ恢复出来でき:

构造てき函数かんすういん通常つうじょうしょう为“でんさとかのう变换”,そく使つかい一个周期函数的傅里叶积分在这个谐波频率上不收敛[B]

常用じょうようてきでんさとかのう级数

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下表かひょうれつ常用じょうようてき周期しゅうき函数かんすう及其でんさとかのう级数けいすう

  • 指示しじ周期しゅうきてき周期しゅうき函数かんすう
  • 指示しじ周期しゅうき函数かんすうてきでんさとかのう级数けいすう正弦せいげん-余弦よげん形式けいしき)。
时域
绘图 频域(正弦せいげん-余弦よげん形式けいしき
ちゅう 引用いんよう
全波ぜんぱ整流せいりゅう正弦せいげん [8]:p. 193
はんなみ整流せいりゅう正弦せいげん [8]:p. 193
锯齿函数かんすう [8]:p. 192
はん锯齿函数かんすう [8]:p. 192
はん全波ぜんぱ整流せいりゅう [8]:p. 193

基本きほん性質せいしつ

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下表かひょう展示てんじざい时域ちゅうてき一些数学运算及其对应的在傅里叶级数系数上的效果。

  • 复数ども指示しじ为上标星ごう
  • 指示しじ周期しゅうきてき函数かんすうあるただてい义在なかてき函数かんすう
  • 指示しじてきでんさとかのう级数けいすう指数しすう形式けいしき)。
せい 时域 频域(指数しすう形式けいしき ちゅう 引用いんよう
线性
时间はん转/频率はん [9]:p. 610
时间ども [9]:p. 610
时间はん转且ども
时间实部
时间きょ
频率实部
频率きょ
时间うつり/频率调制 [9]:p. 610
频率うつり/时间调制 [9]:p. 610

对称せい

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所有しょゆうてき函数かんすう分解ぶんかいなり唯一ゆいいつ性的せいてき偶部えいEven–odd decomposition,这里てき。实数さんすうてき复数值函すう,对于所有しょゆう,如果则称其为“偶对しょう”,如果则称其为“对称”,这里てきじょう顶横线指示しじ复数ども

一个复数值函数的实部和虚部,分解ぶんかいなり各自かくじてき偶部,就有りょうよん个分りょうふん别用标标あかり为RE、RO、IEIO。一个复数值时间参数函数的四个分量,あずか它的复数频率变换てき四个分量之间,ゆういちいちうつ[10]

よし此可见,かく种关けい显而えき见的,れい如:

  • 实数值函すうsRE + sROてき变换,偶对しょう函数かんすうSRE + i SIOはん过来说,偶对しょう变换蕴含りょう实数值时いき
  • 虚数きょすう值函すうi sIE + i sIOてき变换,对称函数かんすうSRO + i SIEはん过来说也成立せいりつ
  • 偶对しょう函数かんすうsRE + i sIOてき变换,实数值函すうSRE + SROはん过来说也成立せいりつ
  • 对称函数かんすうsRO + i sIEてき变换,虚数きょすう值函すうi SIE + i SIOはん过来说也成立せいりつ

はんれい

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一个简单的傅里叶级数

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锯齿周期しゅうき函数かんすうてき
ぜん五个部分傅里叶级数的动态图

わが们现ざいよう上面うわつらてき公式こうしき给出一个简单函数的傅里叶级数展开式。こう虑一个锯齿波:

ざい这种じょう况下,でんさとかのう级数为:

以证あきらとうほろ时,でんたてかのう级数ざいまい个点みやこおさむ敛于,于是:

Eq.1

とう时,でんさとかのう级数おさむ敛于,为在てきひだり极限みぎ极限てき一半いっぱん。这是でんさとかのう级数てき狄利かつかみなり定理ていりてき特例とくれい

这个れい为我们引りょうともえふさが尔问题てきいち种解ほう

でんさとかのう诱导

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金属きんぞくいたないてき分布ぶんぷ使用しようでんさとかのう方法ほうほうもとめかい

ざいうえれいちゅうわが们的函数かんすうてきでんさとかのう级数てん开式おこり简单,いん此人们需ようでんさとかのう级数てき原因げんいん也就かいりつそく显现出来できただし还有很多应用,わが们举ようでんさとかのう诱导かい热方ほどてきれいこう虑边长为べいてき方形ほうけい金属きんぞくばんすわ标为。如果いたないぼつゆう热源,并且四个边中三个都保持在摄氏,而第よんじょう,对于保持ほじざい温度おんどはしご摄氏ざい这种じょう况下,稳态(あるもの说很长时间过きさきてき)热分布ぶんぷ函数かんすう不能ふのうとく解析かいせきかいただし却可以证あきら

这里てきこれそうきょく正弦せいげん函数かんすう。热方ほどてき这个かいどおり过将てきでんさとかのう级数てきごといち项乘以いたてきつきかんしめせれいてき函数かんすうてきでんさとかのう级数乎很复杂,ようでんさとかのうてき方法ほうほう却可以求かい这个热分布ぶんぷ问题。

其他れい

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わが們也應用おうようでん立葉たてば級數きゅうすう證明しょうめいとうしゅう不等式ふとうしきある構造こうぞう處處しょしょ連續れんぞく處處しょしょ不可ふかほろてき函數かんすう

收斂しゅうれんせい

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いたりこん还没ゆう判断はんだんでんさとかのう级数てきおさむ敛性充分じゅうぶん必要ひつよう条件じょうけんただし对于实际问题中出なかいで现的函数かんすうゆう很多种判别条件じょうけん可用かよう判断はんだんおさむ敛性。まとほろせいある级数てきいち致收敛性ざい闭区间上满足狄利かつかみなり条件じょうけんてき函数かんすう表示ひょうじなりてきでんさとかのう级数みやこおさむ敛。狄利かつかみなり条件じょうけん如下:

  1. ざいてい义区间上,绝对
  2. 在任ざいにんいち有限ゆうげん间中,ただ能取のとろ有限ゆうげん个极值点;
  3. 在任ざいにんなん有限ゆうげん间上,ただのうゆう有限ゆうげんだいいち类间だんてん

满足以上いじょう条件じょうけんてきでんさとかのう级数みやこおさむ敛,且:

1.とうこれてき连续てん时,级数おさむ敛于
2.とうこれてき间断てん时,级数おさむ敛于

1966ねんさと纳特·卡尔まつ证明りょう勒贝かく函数かんすうてきでんたてかのう级数一定是几乎处处收敛的,そく级数ざいじょりょう一个勒贝格零测集外均收敛。

でん立葉たてば級數きゅうすう收斂しゅうれん证明

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假設かせついち函數かんすうざいざいうえただし平方へいほうせきのりかいゆう:

とう

證明しょうめいてき第一步だいいっぽ:

考慮こうりょいち系列けいれつせい交基そこ,其中,且有

しかこうゆう

特別とくべつてきゆうてきでん立葉たてば級數きゅうすうてき部分ぶぶん

しかこう根據こんきょ 以及畢氏定理ていり以有:

かえかわいちゆう

如果右邊うへんだいいちこう收斂しゅうれんいた0,さい根據こんきょせい交的性質せいしつ以看上述じょうじゅつしき子中こなかてき右手みぎてだいこう:

,這就證明しょうめいりょう帕塞かわら定理ていり

证明てきだい:

かいいた證明しょうめい右邊うへんだいいちこういんため函數かんすうせき,找到いち連續れんぞく函數かんすうしかこう根據こんきょさいけい逼近引理,以找到いちさんかく多項式たこうしきp(x),使つかいとく

とう函數かんすうまとため0。

其他せい

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でん立葉たてば級數きゅうすうてきただいちせい

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如果ゆういち定義ていぎざいてき函數かんすう,其中函數かんすうてきでん立葉たてば係數けいすうかえゆうあいどう,且傅立葉たてば級數きゅうすう收斂しゅうれんいた函數かんすう本身ほんみ麼可以證明しょうめい此傅立葉たてば級數きゅうすう具有ぐゆう唯一ゆいいつせい,也就かわはなしせつ,如果函數かんすうざいうえせきでん立葉たてば係數けいすうため0,たい所有しょゆうてき麼函すう

まき定理ていり

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给定周期しゅうきてき函数かんすう,它们具有ぐゆうでんさとかのう级数けいすう,这里てき

  • 逐点じょう,也是周期しゅうき,并且它的でんさとかのう级数けいすう序列じょれつてき离散まき
  • 周期しゅうきまき,也是周期しゅうき,它具有ぐゆうでんさとかのう级数けいすう
  • ざいなかてきそう无限序列じょれつざいなかてきでんさとかのうけいすうてき序列じょれつとう且仅とう它是ざいなかてき两个序列じょれつてきまき[11]

微分びぶん性質せいしつ

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わが們說ぞく於在 如果一個在實數上以ためしゅうてき函數かんすう,且つぎほろ而且かい連續れんぞく

  • 如果ぞく於在でん立葉たてば係數けいすう以被ようでん立葉たてば係數けいすうてき表示ひょうじ,藉由公式こうしき
  • 如果ぞく於在特別とくべつてきとう固定こていわが們有趨近於0とう,且有

はじむ曼-勒贝かく定理ていり

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如果これ积函すう,则

帕塞かわら定理ていり

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如果函數かんすうぞく於在これちゅう麼便ゆう

ひろしろう歇爾定理ていり

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如果けいすう,并且,则有いち个唯いちてき函数かんすう使つかいとく对于所有しょゆうゆう

延伸えんしん

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まれ尔伯とくそら间的かい

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正弦せいげん餘弦よげん形成けいせいりょうせい集合しゅうごう正弦せいげん餘弦よげん及其じょうせきてき積分せきぶんとうmあずかn不同ふどうある函數かんすう不同ふどう0(綠色みどりいろ紅色こうしょく區域くいき相等そうとう抵消),僅當mn相等そうとうなみ且函すうそう同時どうじためπぱい

ところ谓的两个不同ふどうむかいりょうせい交是ゆび它们てきうち为0,这也就意味いみ这两个向りょう间没ゆうにんなんそう关性,れい如,ざい三维欧氏空间中,互相垂直すいちょくてきむこうりょう是正ぜせい交的。こと实上,せい交是垂直すいちょくざい数学すうがくじょうてき一种抽象化和一般化。いち组n个互しょうせい交的むこうりょう必然ひつぜん线性无关てき所以ゆえん必然ひつぜん以张なりいち个n维空间,也就说,そら间中てきにんなん一个向量可以用它们来线性表出。

ざいまれしかはくとく空間くうかん釋義しゃくぎ函數かんすうてき集合しゅうごう{en = einx; nZ}[−πぱいπぱい]平方へいほうせき函數かんすうL2([−πぱいπぱい])てきせい交基。這個空間くうかん實際じっさいじょう一個希爾伯特空間,ゆうちょはりたいにんなん兩個りゃんこてき元素げんそfgてき如下內積:

三角函数族的正交性用公式表示出来就是:

(這裡てきδでるたmnこれかつ內克函數かんすう),而

まいり

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ちゅう

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  1. ^ 一些作者定义了与此不同的使つかいとく以用しょうどうてき积分てい。这改变了Eq. 2使つかいとくだい一项需要除以
  2. ^ いん为周函数かんすうてきでんさとかのう变换てき积分てい义不おさむ敛的,需要じゅようはた周期しゅうき函数かんすう它的变换视为分布ぶんぷざい这种义上,いち狄拉かつδでるた函数かんすう,它是分布ぶんぷてきれい

引用いんよう

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  1. ^ 详见莫里斯·かつ莱因古今ここん数学すうがく思想しそう》,だい20しょう无穷级数,だい5节さんかく级数;だい28しょうじゅう九世纪的偏微分方程,だい5节热かたほどあずかでんさとかのう级数。
    see here, pg.s 209 & 210, 页面そん档备份そん互联网档あん
  2. ^ いぬ嗨. 如何いか给文せいかい释傅さとかのう变换?. 乎专栏. 2019-07-25 [2020-02-07]. (原始げんし内容ないようそん于2020-10-24) ちゅうぶん. 
  3. ^ Théorie analytique de la chaleur. Paris: Firmin Didot Père et Fils. 1822. OCLC 2688081 ほう语). 
  4. ^ Pinkus, Allan; Zafrany, Samy. Fourier Series and Integral Transforms 1st. Cambridge, UK: Cambridge University Press. 1997: 42–44. ISBN 0-521-59771-4. 
  5. ^ Katznelson, Yitzhak. An introduction to Harmonic Analysis 2nd corrected. New York, NY: Dover Publications, Inc. 1976: 46. ISBN 0-486-63331-4. 
  6. ^ Georgi P. Tolstov. Fourier Series. Courier-Dover. 1976. ISBN 0-486-63317-9. 
  7. ^ 这里页面そん档备份そん互联网档あん
  8. ^ 8.0 8.1 8.2 8.3 8.4 Papula, Lothar. Mathematische Formelsammlung: für Ingenieure und Naturwissenschaftler [Mathematical Functions for Engineers and Physicists]. Vieweg+Teubner Verlag. 2009. ISBN 978-3834807571 とく语). 
  9. ^ 9.0 9.1 9.2 9.3 Shmaliy, Y.S. Continuous-Time Signals. Springer. 2007. ISBN 978-1402062711. 
  10. ^ Proakis, John G.; Manolakis, Dimitris G. Digital Signal Processing: Principles, Algorithms, and Applications需要免费注册 3rd. Prentice Hall. 1996: 291. ISBN 978-0-13-373762-2. 
  11. ^ Characterizations of a linear subspace associated with Fourier series. MathOverflow. 2010-11-19 [2014-08-08]. 

延伸えんしん阅读

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外部がいぶ链接

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Hobson, Ernest. Fourier's Series. Encyclopædia Britannica 10 (だい11はん). London: 753–758. 1911. 

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