来,咱们一块打爆傅里叶级数的狗头

学高数时,我们先背周期 2π、区间 [−π,π] 的傅里叶;后来遇到 [−L,L] 对称区间;到电路、信号处理直接上手「任意起点 t0、任意周期 T」的工程公式。我已经头晕到分不清 1π、1L、2T 和里面 nx、nπxL、nωt ,到底是干嘛的了。

傅里叶级数(无论是实数形式还是复指数形式)的成立,有一个绝对死板的前提:函数必须是周期函数,因此本章默认都是周期函数,等有空去写非周期的,现在我还是从头捋一遍,希望所有公式都能自己推出来。


大杀器理论:完备正交基需要的条件

一组函数 {ϕn(t)} 在区间 [a,b] 上构成完备正交基,需要满足:

  1. 正交性:任意两个不同基函数的内积为 0

    ∫abϕm(t)ϕn(t)dt=0(m≠n)

  2. 非零性:每个基函数与自身的内积大于 0

    ∫abϕn2(t)dt>0

  3. 完备性:区间内任意平方可积函数 f(t) 都可以唯一表示为这些基函数的线性组合

    f(t)=∑n=0∞cnϕn(t)

有了这个基础,后面的所有公式,都是从它长出来的。


一、入门最简模型,周期 T=2π,区间 [−π,π]

这一段可以参考我之前的一篇文章,写的小白也可以读懂:
傅里叶级数:从坐标系到频谱

1. 最简级数展开式

设 f(x) 周期 2π,在 [−π,π] 可积,展开:

f(x)∼a02+∑n=1∞[ancos⁡nx+bnsin⁡nx]

2. 配套系数公式

{a0=1π∫−ππf(x)dxan=1π∫−ππf(x)cos⁡nxdxbn=1π∫−ππf(x)sin⁡nxdx

3. 基础定义

周期 T=2π,基波角频率 ω0=2πT=1,所以三角函数是 cos⁡(n⋅1⋅x)=cos⁡nx。

这套仅适合区间刚好 [−π,π],实际工程几乎用不上,只是教学简化工具,方便学习者理解傅里叶级数。


二、从正交基出发,推广到任意周期 T=2L

也可以用换元法去做,但是页面空白太小,我写不下,哈哈哈

第一层教学公式的本质是什么?是我们在一组完备正交基上分解函数 f(x)。这组基函数在区间 [−π,π] 上满足正交性:

  • ∫−ππcos⁡mxcos⁡nxdx=0 (m≠n)
  • ∫−ππsin⁡mxsin⁡nxdx=0 (m≠n)
  • ∫−ππcos⁡mxsin⁡nxdx=0 (任意 m,n)

image.png

系数公式 1π∫f(x)cos⁡nxdx 正是利用这种正交性“投影”求出的。

现在,设想我们有一个周期 T=2L 的函数 f(t),定义在 [−L,L] 上。我们想找到它在这段区间上的新正交基。

1. 构建周期 2L 上的正交基

我们希望新基函数 cos⁡(⋅)、sin⁡(⋅) 在区间 [−L,L] 上正交,且周期为 2L。最自然的构造是:将第一层的基函数进行“压扩”。

新的一组正交基为:

{1,cos⁡(nπtL),sin⁡(nπtL)}(n=1,2,3,…)

也可以统一用角频率 ω 的形式书写:

{1, cos⁡(nωt), sin⁡(nωt)}(n=1,2,3,…)

角频率公式为:

ω=2πf=2πT

其中:

  • ω:角频率(单位:rad/s)

  • f:频率(单位:Hz)

  • T:周期(单位:s)

  • 第一层基函数的角频率为 1,周期为 2π。

  • 新基函数的角频率应为 πL,此时周期为 2L。

验证新的一组正交基的正交性(以 cos 为例):

在区间 [−L,L] 上,计算:

∫−LLcos⁡(mπtL)cos⁡(nπtL)dt

令 x=πtL,则 t=Lπx,dt=Lπdx,

  • 当 t=−L 时,x=π(−L)L=−π
  • 当 t=L 时,x=π(L)L=π

所以积分下限从 −L 变成 −π,上限从 L 变成 π,即 [−π,π]。积分变量变了,积分限也要同步变换。
上式化为:

Lπ∫−ππcos⁡(mx)cos⁡(nx)dx

第一层已知 ∫−ππcos⁡(mx)cos⁡(nx)dx=0(m≠n),且当 m=n>0 时等于 π。因此新基在 [−L,L] 上正交,且:

  • 当 m=n>0 时:∫−LLcos2⁡(nπtL)dt=L
  • 同理,∫−LLsin2⁡(nπtL)dt=L
  • ∫−LL12dt=2L(直流分量的归一化因子)

2. 用新正交基求系数

将 f(t) 在这组新基上展开:

f(t)∼a02+∑n=1∞[ancos⁡(nπtL)+bnsin⁡(nπtL)]

对等式两边同乘 cos⁡(nπtL),并在 [−L,L] 上积分,利用正交性(只有与自己平方项乘积后保留):

∫−LLf(t)cos⁡(nπtL)dt=an⋅∫−LLcos2⁡(nπtL)dt=an⋅L

所以:

an=1L∫−LLf(t)cos⁡(nπtL)dt

同理:

bn=1L∫−LLf(t)sin⁡(nπtL)dt

直流分量 a0 通过对两边乘 1 并积分得到:

∫−LLf(t)dt=a02⋅2L⟹a0=1L∫−LLf(t)dt

结果完全一致:

{a0=1L∫−LLf(t)dtan=1L∫−LLf(t)cos⁡(nπtL)dtbn=1L∫−LLf(t)sin⁡(nπtL)dt

于是傅里叶级数公式出来了:
image.png|397


三、终极通用——任意起点 t0、任意周期 T

继续从正交基出发

现在周期记为 T,则 L=T/2。新基的角频率 πL=2πT=ω(工程标准角频率)。

因此,周期 T 上的正交基为:

{1,cos⁡(nωt),sin⁡(nωt)}(n=1,2,…)

用正交性直接求系数

在任意长度为 T 的区间 [t0,t0+T] 上,利用周期函数积分与起点无关的性质,有:

  • ∫t0t0+Tcos⁡(mωt)cos⁡(nωt)dt=0(m≠n)
  • ∫t0t0+Tcos2⁡(nωt)dt=T2

因此:

an=∫t0t0+Tf(t)cos⁡(nωt)dt∫t0t0+Tcos2⁡(nωt)dt=2T∫t0t0+Tf(t)cos⁡(nωt)dt

同理:

bn=2T∫t0t0+Tf(t)sin⁡(nωt)dt

直流分量 a0(对应基函数 1):

∫t0t0+Tf(t)dt=a02⋅T⟹a0=2T∫t0t0+Tf(t)dt

完整工程形式:

f(t)=a02+∑n=1∞[ancos⁡(nωt)+bnsin⁡(nωt)]an=2T∫t0t0+Tf(t)cos⁡(nωt)dtbn=2T∫t0t0+Tf(t)sin⁡(nωt)dt

从几何图像看懂复指数 ejωt 与正负频率

想要真正理解复指数形式,我们必须先越过一关:**复指数在几何上到底是个什么图形?负频率真的存在吗?

前置基础:复指数 ejωt 是什么几何图形

根据欧拉公式定义:

ejθ=cos⁡θ+jsin⁡θ

令 θ=nωt,则有:

ejnωt=cos⁡(nωt)+jsin⁡(nωt)

1. 复平面视角

我们将复平面的横轴作为实轴(Re),纵轴作为虚轴(Im):

image.png

  • ejnωt 对应单位圆上一个逆时针旋转的矢量。

  • 角速度:nω。随着时间 t 增大,该矢量绕原点不断逆时针转圈。

  • 矢量端点坐标:(cos⁡nωt,sin⁡nωt)。

image.png

2. 同理:e−jnωt=cos⁡(nωt)−jsin⁡(nωt)

  • 对应单位圆上一个顺时针旋转的矢量。

  • 角速度:−nω。其中的负号,在物理几何上唯一代表的就是旋转方向相反。


一、cos⁡(nωt)=ejnωt+e−jnωt2 几何图像拆解

1.

物理空间合成
这个仅仅是一个旋转矢量的分解,但是可以想象有两根同样长、旋转速度相同、但方向相反的螺旋线,它们顶端相加的组合矢量,他们的的周期大小都一样的时候,随着时间推移,这个合成矢量在实轴上来回伸缩,它的运动轨迹就是我们熟悉的、没有虚部的纯实数余弦波。

  • 矢量 1(正频率分量 +nω):ejnωt,逆时针旋转,坐标为 (cos⁡nωt,sin⁡nωt)

  • 矢量 2(负频率分量 −nω):e−jnωt,顺时针旋转,坐标为 (cos⁡nωt,−sin⁡nωt)

现在,我们将这两个矢量在复平面上首尾相加:

实部相加:cos⁡(nωt)+cos⁡(nωt)=2cos⁡(nωt)虚部相加:sin⁡(nωt)−sin⁡(nωt)=0

相加后的总矢量为:2cos⁡(nωt)+j⋅0。可以看到,虚分量被完全抵消,合成矢量全程死死地落在实数轴上。

两边同时除以 2,正好得到余弦公式:

ejnωt+e−jnωt2=cos⁡(nωt)


二、sin⁡(nωt)=ejnωt−e−jnωt2j 几何图像拆解

为了更直观地看图,我们先对公式做个小改写(利用 1j=−j):

sin⁡(nωt)=12j[ejnωt−e−jnωt]=−j2[ejnωt−e−jnωt]

1. 先做矢量相减:ejnωt−e−jnωt

ejnωt−e−jnωt=[cos⁡(nωt)+jsin⁡(nωt)]−[cos⁡(nωt)−jsin⁡(nωt)]=0+j⋅2sin⁡(nωt)

相减之后,实部被完全抵消,只剩下纯虚轴分量。这意味着合成矢量全程死死地落在竖直的虚轴上。

2. 再除以 2j(相当于乘以 −j2)

j⋅2sin⁡(nωt)2j=sin⁡(nωt)

物理空间差值

正负频率矢量做差值,水平实轴分量抵消,只剩下竖直虚轴上的振动。此时,再除以虚数单位 j,本质上就是顺时针旋转 90°,把虚轴上的振动完美映射回实数时域,从而得到了实数的正弦波。


三、统一物理结论:负频率不是虚假概念,而是反向旋转

1. 实数信号必须“正负频率成对存在”

单独一个 ejnωt 是复数旋转信号,现实物理世界中不存在纯复值的物理信号。我们电路、力学里观测到的所有实数波形,一定是正、负频率一对复指数共轭叠加、抵消虚部后留下的实信号。

2. 对应傅里叶复数级数

  • 余弦分量:cn=c−n,正负频率幅值相等、同相,叠加出偶对称的余弦波。

  • 正弦分量:cn=−c−n,正负频率相位相反,叠加出奇对称的正弦波。

  • 任意实周期信号:其复系数必然满足共轭对称 c−n=cn∗,这是保证叠加后虚部全消、结果为纯实数的根本数学底线。

四、复指数形式:从实数到复数的终极统一

1. 从实数到复数的公式对应

前面的实数傅里叶级数:

f(t)=a02+∑n=1∞[ancos⁡(nωt)+bnsin⁡(nωt)]

利用欧拉公式:

cos⁡(nωt)=ejnωt+e−jnωt2,sin⁡(nωt)=ejnωt−e−jnωt2j

代入整理后,得到复指数形式的傅里叶级数:

f(t)=∑n=−∞∞cnejnωt

2. 系数之间的对应关系

实数系数 (an,bn) 与复数系数 cn 的关系为:

cn={a02,n=0an−jbn2,n>0a|n|+jb|n|2,n<0

反过来,由 cn 求 (an,bn):

{a0=2c0an=cn+c−nbn=j(cn−c−n)

3. 复数系数的直接计算公式

利用正交性,复数系数 cn 可以直接由内积求出:

cn=1T∫t0t0+Tf(t)e−jnωtdt

其中 ω=2πT,t0 为任意起点。

  • 实数信号的复系数必然满足共轭对称性:c−n=cn∗
  • 共轭对称保证了正负频率叠加后虚部抵消,结果才是纯实数
  • 复数形式用一个系数 cn 同时打包了幅度和相位信息,比分开算 an 和 bn 更简洁

image.png

image.png

image.png

image.png


暂无评论

发送评论 编辑评论


				
|´・ω・)ノ
ヾ(≧∇≦*)ゝ
(☆ω☆)
(╯‵□′)╯︵┴─┴
 ̄﹃ ̄
(/ω\)
∠( ᐛ 」∠)_
(๑•̀ㅁ•́ฅ)
→_→
୧(๑•̀⌄•́๑)૭
٩(ˊᗜˋ*)و
(ノ°ο°)ノ
(´இ皿இ`)
⌇●﹏●⌇
(ฅ´ω`ฅ)
(╯°A°)╯︵○○○
φ( ̄∇ ̄o)
ヾ(´・ ・`。)ノ"
( ง ᵒ̌皿ᵒ̌)ง⁼³₌₃
(ó﹏ò。)
Σ(っ °Д °;)っ
( ,,´・ω・)ノ"(´っω・`。)
╮(╯▽╰)╭
o(*////▽////*)q
>﹏<
( ๑´•ω•) "(ㆆᴗㆆ)
😂
😀
😅
😊
🙂
🙃
😌
😍
😘
😜
😝
😏
😒
🙄
😳
😡
😔
😫
😱
😭
💩
👻
🙌
🖕
👍
👫
👬
👭
🌚
🌝
🙈
💊
😶
🙏
🍦
🍉
😣
Source: github.com/k4yt3x/flowerhd
颜文字
Emoji
小恐龙
花!
上一篇
下一篇