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7.4 Fourier 级数

王绵森、马知恩主编高等教育出版社《工科数学分析基础(第三版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

本节讨论另一类在理论和应用中都有重要价值的函数项级数——Fourier 级数。Fourier 级数是一种三角级数,三角级数的一般形式为

(a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) (aₙ cos nx + bₙ sin nx) (4.1)

其中系数 a₀, aₙ, bₙ (n = 1, 2, …) 都是实数。由于三角级数的通项是三角函数(正弦和余弦函数),因此,它是研究周期性物理现象的重要数学工具。本节主要讨论怎样将一个已知函数表示为三角级数的问题,也就是将函数展开为 Fourier 级数的问题。

在科学技术中,常常会遇到各种各样的周期现象。周期现象在数学上可用周期函数来近似描述。最简单的周期函数是正弦(或余弦)函数

y = A sin(ω x + φ)

它们描述了物理中的所谓简谐振动问题,其中 A, ω 和 φ 分别叫做振幅、频率和初相。它的周期 T = (2π)/(ω),当 ω = 1 时,T = 2π,因此,又称之为正弦波或谐波。

考虑下列正弦函数:

A₁ sin(x + φ₁), A₂ sin(2x + φ₂), …, Aₙ sin(nx + φₙ), …

它们的共同周期为 2π。易见,两个周期为 2π 的正弦函数的叠加仍是一个周期为 2π 的周期函数。一般地,n 个周期为 2π 的正弦函数与常数 A₀ 之和

Sₙ(x) = A₀ + ∑ₖ=1ⁿ Aₖ sin(kx + φₖ)

(称为 n 次三角多项式)也是一个以 2π 为周期的周期函数。如果 limₙ → ∞ Sₙ(x) = S(x),也就是说,由一周期为 2π 的正弦函数列所构成的级数

A₀ + ∑ₙ=1^(∞) Aₙ sin(nx + φₙ)

收敛于 S(x),那么和函数 S(x) 还是以 2π 为周期的周期函数。

现在自然要提出如下相反的问题:能否把一个给定的以 2π 为周期的周期函数 f(x) 表示(展开)成一列正弦函数之和呢?也就是表达式

f(x) = A₀ + ∑ₙ=1^(∞) Aₙ sin(nx + φₙ) (4.2)

能否成立呢?如果能,那么,就可以通过简单的正弦函数来研究复杂的周期函数 f(x) 的性质,用 n 次三角多项式来任意逼近周期函数 f(x)。在物理上,就可以用简单的正弦波的叠加来研究各种复杂的周期现象,这是一件非常有意义的事情。实际上,早在 1807 年,法国数学家和物理学家 Fourier 在研究热传导问题时就研究并解决了这个问题,后人因此称之为把函数 f(x) 展开为 Fourier 级数。

由于 Aₙ sin(nx + φₙ) = Aₙ(sin nx cos φₙ + cos nx sin φₙ) = aₙ cos nx + bₙ sin nx,其中 aₙ = Aₙ sin φₙ, bₙ = Aₙ cos φₙ (n = 1, 2, …)。为与今后得到的系数公式统一起来,记 a₀ = (a₀)/(2),那么 (4.2) 式右端的级数就变成三角级数 (4.1) 的形式了。因此,上面的问题就变为能否将一个周期为 2π 的周期函数 f(x) 展开为形如 (4.1) 式的三角级数。为了研究这类问题,也需要解决两个问题:

  1. f(x) 满足什么条件时,才能展开成三角级数?
  2. 如果 f(x) 能展开成三角级数,展开式中的系数 a₀, aₙ, bₙ (n = 1, 2, …) 如何计算?

4.2 三角函数系的正交性与 Fourier 级数

Section titled “4.2 三角函数系的正交性与 Fourier 级数”

首先讨论问题 (2)。我们知道,三角级数 (4.1) 是由函数系

{1, cos x, sin x, cos 2x, sin 2x, …, cos nx, sin nx, …}

构成的,通常称之为三角函数系。这个函数系有一个非常重要的性质:其中任意两个不同函数的乘积在 [-π, π] 上的积分等于零,而任一函数的平方在 [-π, π] 上的积分都不等于零。即 ∀ m, n ∈ ℕ_+,

∫_(-π)^(π) cos nx dx = 0, ∫_(-π)^(π) sin nx dx = 0; ∫_(-π)^(π) cos mx cos nx dx = 0, ∫_(-π)^(π) sin mx sin nx dx = 0 (m ≠ n), ∫_(-π)^(π) sin mx cos nx dx = 0; ∫_(-π)^(π) cos² nx dx = ∫_(-π)^(π) sin² nx dx = π, ∫_(-π)^(π) 1² dx = 2π.

读者不难用积分法直接证明上述等式。而且,根据三角函数的周期性,它们在长为一个周期的任何区间 [a, a + 2π] (a 为常数)上都成立。

正交函数系定义

一般地,若 f, g ∈ mathscrR[a, b],且 ∫ₐ^(b) f(x)g(x) dx = 0,则称函数 f 与 g 在 [a, b] 上正交。设 {fₙ} 是区间 [a, b] 上的一个函数列,若其中任意两个不同的函数在 [a, b] 上正交,且 ∫ₐ^(b) fₙ²(x) dx ≠ 0 (n = 1, 2, …),则称 {fₙ} 是 [a, b] 上的正交函数系。三角函数系的上述性质表明,它在长为一个周期的任何区间 [a, a + 2π] 上都构成一个正交函数系。两个函数正交的概念是两个向量正交的推广。

利用三角函数的正交性可以解决问题 (2)。设 f 是以 2π 为周期的可积函数,由于周期性,只要在 [-π, π] 上讨论就可以了。假定 f 在 [-π, π] 上能展开为三角级数,即

f(x) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) (aₙ cos nx + bₙ sin nx) (4.3)

并且假定右端级数在 [-π, π] 上一致收敛于 f。在 (4.3) 式两端同乘 cos kx (k = 0, 1, 2, …),并在 [-π, π] 上逐项积分,得

∫_(-π)^(π) f(x) cos kx dx = (a₀)/(2) ∫_(-π)^(π) cos kx dx + ∑ₙ=1^(∞) ( aₙ ∫_(-π)^(π) cos nx cos kx dx + bₙ ∫_(-π)^(π) sin nx cos kx dx ).

根据正交性,当 k = 0 时,

∫_(-π)^(π) f(x) dx = (a₀)/(2) ∫_(-π)^(π) dx = π a₀,

从而得

a₀ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) dx;

当 k ≠ 0 时,

∫_(-π)^(π) f(x) cos kx dx = aₖ ∫_(-π)^(π) cos² kx dx = π aₖ,

从而得

aₖ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) cos kx dx (k = 1, 2, …).

类似地,用 sin kx 同乘 (4.3) 式两端,并逐项积分可得

bₖ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) sin kx dx (k = 1, 2, …).

将上面的结果结合起来就得到系数公式:

aₖ &= (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) cos kx dx (k = 0, 1, 2, …), bₖ &= (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) sin kx dx (k = 1, 2, …). (4.4)

称 (4.4) 式为 Euler-Fourier 公式,系数由这个公式确定的三角级数称为 f 的 Fourier 级数,这些系数称为 f 的 Fourier 系数。

系数公式 (4.4) 是在 f 能展开为 (4.3) 式并且右端的三角级数一致收敛于 f 的条件下求得的,但仅从公式本身来看,只要 f 在 [-π, π] 上可积,就可以按此公式计算出系数 aₖ 与 bₖ,并唯一地写出 f 的 Fourier 级数,即

f(x) ∼ (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) (aₙ cos nx + bₙ sin nx).

至于这个级数是否收敛;如果收敛,是否收敛于 f 的问题还需要进一步研究。一旦证明了该级数收敛,而且收敛于 f 之后,就可以把上式中的符号 “∼” 换成等号 “=”。因此,下面我们来研究问题 (1)。

函数的 Fourier 级数的收敛性问题是一个相当复杂的理论问题,至今还没有便于应用的判别敛散性的充要条件,下面不加证明地给出一个应用较为广泛的充分条件。为此,先说明什么叫分段单调函数。设有函数 f: [a, b] → ℝ,如果在 [a, b] 内插入 n-1 个分点

a = x₀ < x₁ < x₂ < … < xₙ-1 < xₙ = b,

能使 f 在每个开区间 (xₖ-1, xₖ) 内都单调,那么就称 f 在 [a, b] 上分段单调(图 7.5)。

图 7.5 分段单调函数示意图

Dirichlet 定理

设函数 f 在 [-π, π] 上分段单调,而且除有限个第一类间断点外都是连续的,那么它的 Fourier 级数在 [-π, π] 上收敛,且其函数为

S(x) = f(x), & x 是 f 的连续点, displaystyle(f(x - 0) + f(x + 0))/(2), & x 是 f 的间断点, displaystyle(f(-π + 0) + f(π - 0))/(2), & x = ± π.
注意

由 Dirichlet 定理易见:(1) 将函数 f 展开为 Fourier 级数的条件比展开为 Taylor 级数的条件要弱得多;(2) 只要函数 f 满足 Dirichlet 条件,不论 x 是连续点还是间断点,它的 Fourier 级数都收敛,但其函数不一定等于该函数的数值,在间断点处仅等于 f 在该点处左、右极限的算术平均值。

在上述定理中,虽然并非对 [-π, π] 上的每个点 x,f(x) 的 Fourier 级数都收敛于 f(x) 自身,但为方便起见,常把定理中的三种收敛情形都说成是 f 的 Fourier 级数在 [-π, π] 上收敛于 f,或者 f 在 [-π, π] 上被展开为 Fourier 级数。

定理中的条件称为 Dirichlet 条件,它是判别收敛性的一个充分条件。在实际应用中,许多函数都能满足这个条件。

还应当指出的是,虽然定理中的 f 仅定义在 [-π, π] 上,但由于 Fourier 级数的各项是以 2π 为周期的函数,所以它的和函数也是以 2π 为周期的函数。只要将 f 按照周期 2π 向左右两侧作周期延拓,即在每个区间 [(2n-1)π, (2n+1)π] (n = ± 1, ± 2, …) 上重复取它在 [-π, π] 上的值,那么它的 Fourier 级数就在整个数轴上都收敛于 f 了,即

f(x) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) (aₙ cos nx + bₙ sin nx), x ∈ (-∞, +∞).

此时,就说 f 在整个数轴上被展开为 Fourier 级数,上式右端的级数也称为 f 在 (-∞, +∞) 上的 Fourier 展开式。

注意

函数 f 的 Fourier 级数与函数 f 的 Fourier 展开式是两个不同的概念。前者是指系数公式 (4.4) 确定的三角级数,并不要求该级数收敛于 f;而后者则要求该级数收敛,且在连续点收敛于 f。

特别地,如果 f 在 [-π, π] 上是奇函数,那么由于 f(x)cos nx 也是奇函数,而 f(x)sin nx 是偶函数,所以

aₙ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) cos nx dx = 0 (n = 0, 1, 2, …), bₙ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) sin nx dx = (2)/(π) ∫₀^(π) f(x) sin nx dx (n = 1, 2, …).

从而,它的 Fourier 展开式变为

f(x) = ∑ₙ=1^(∞) bₙ sin nx, x ∈ (-∞, +∞).

由此可见,奇函数的 Fourier 展开式只含正弦项,称这种级数为 f 的 Fourier 正弦级数。

类似可知,如果 f 在 [-π, π] 上是偶函数,那么它的 Fourier 展开式中只含余弦项。即

f(x) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) aₙ cos nx, x ∈ (-∞, +∞),

其中

aₙ = (2)/(π) ∫₀^(π) f(x) cos nx dx (n = 0, 1, 2, …).

称它为 f 的 Fourier 余弦级数。

例 4.1

设 f 是以 2π 为周期的函数,它在 [-π, π] 上的定义为

f(x) = 0, & -π < x < 0, x, & 0 ≤ x ≤ π.

求 f 的 Fourier 展开式。

解

函数 f 的图像如图 7.6 所示。显然,它在 [-π, π] 上满足 Dirichlet 条件。根据系数公式 (4.4) 得

图 7.6 周期三角波函数图像

a₀ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) dx = (1)/(π) ∫₀^(π) x dx = (π)/(2),aₙ &= (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) cos nx dx = (1)/(π) ∫₀^(π) x cos nx dx &= (1)/(π) [ . (x sin nx)/(n) |₀^(π) - ∫₀^(π) (sin nx)/(n) dx ] = ((-1)ⁿ - 1)/(n² π) = -displaystyle(2)/(n² π), & n 为奇数, 0, & n 为偶数,bₙ &= (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) sin nx dx = (1)/(π) ∫₀^(π) x sin nx dx &= (1)/(π) [ . -(x cos nx)/(n) |₀^(π) + ∫₀^(π) (cos nx)/(n) dx ] = frac(-1)ⁿ+1n = displaystyle1/n, & n 为奇数, -displaystyle1/n, & n 为偶数.

因此,根据 Dirichlet 定理,当 x ∈ (-π, π) 时,

f(x) &= (π)/(4) - ( (2)/(π) cos x + sin x ) - (sin 2x)/(2) - ( (2)/(3² π) cos 3x - 1/3 sin 3x ) - … &= (π)/(4) - ∑ₖ=1^(∞) [ (2)/((2k-1)² π) cos (2k-1)x + ((-1)^k)/(k) sin kx ].

当 x = ± π 时,f 的 Fourier 级数收敛于

1/2 [f(-π + 0) + f(π - 0)] = (π)/(2).

易见,在整个数轴上,函数 f 的 Fourier 级数除了在点 x = nπ (n = ± 1, ± 3, ± 5, …) 处收敛于 (π)/(2) 外,在其各点 x 处都收敛于 f(x)。

想一想

画出例4.1 中函数 f(x) 的 Fourier 级数的和函数的图像,并与 f(x) 的图像加以比较,指出它们之间有何不同。

在此例中,由于 f 的 Fourier 级数在 x = nπ (n = ± 1, ± 3, ± 5, …) 处收敛于 (π)/(2),将它们代入 f 的 Fourier 级数,便得到了一个常数项级数的和,即

例 4.2 阶跃函数的 Fourier 级数

设 f(x) 的周期为 2π,它在 [-π, π] 上的定义为

f(x) = 0, & -π ≤slant x < 0, 1, & 0 ≤slant x < π,

求 f(x) 的 Fourier 级数及此 Fourier 级数的和函数 S(x)。

解

显然 f 满足 Dirichlet 条件,根据系数公式,有

& a₀ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) dx = (1)/(π) ∫₀^(π) dx = 1, & aₙ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) cos nx dx = (1)/(π) ∫₀^(π) cos nx dx = 0 (n = 1, 2, …), & bₙ = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f(x) sin nx dx = (1)/(π) ∫₀^(π) sin nx dx = (1 - (-1)ⁿ)/(nπ) = (2)/(nπ), & n 为奇数, 0, & n 为偶数.

所以,f(x) 的 Fourier 级数为 1/2 + (2)/(π) ∑ₖ=1^(∞) (sin(2k-1)x)/(2k-1)。根据 Dirichlet 定理,它在 [-π, π] 上收敛于和函数

S(x) = 0, & -π < x < 0, 1, & 0 < x < π, 1/2, & x = 0, ±π.

由于 f(x) 是以 2π 为周期的函数,所以它的 Fourier 级数在 (-∞, +∞) 上除去 x = nπ (n = 0, ± 1, ± 2, …) 的点处都收敛于 f(x),在点 x = nπ 处收敛于 1/2。

前面已经指出,在 Dirichlet 定理中,f(x) 的 Fourier 级数并非处处收敛于 f(x),更不一定一致收敛于 f(x),这种情况在上面两个例图中也可以很清楚地看到。例如,在例4.2 中 f(x) 的 Fourier 级数的前三个部分和为

S₁(x) = 1/2 + (2)/(π)sin x, S₂(x) = 1/2 + (2)/(π)(sin x + (sin 3x)/(3)), S₃(x) = 1/2 + (2)/(π)(sin x + (sin 3x)/(3) + (sin 5x)/(5)).

从它们的图像(图 7.7)易见,虽然从局部上看,在某些点处(如 x = 0, ±π 等)Sₙ(x) 与 f(x) 的值相差甚大,可能等于 1/2,但是从整体上看,随着 n 的增大,Sₙ(x) 的图像越来越逼近于 f(x) 的图像,因此,Sₙ(x) 不失为对 f(x) 的一种很好的逼近!为了从数量关系上讨论这种逼近,人们采用

( ∫_(-π)^(π) [f(x) - Sₙ(x)]² dx )¹/2

来刻画它们之间的误差。粗略地说,就是用 [-π, π] 上各点处 Sₙ(x) 近代代替 f(x) 产生的误差 |f(x) - Sₙ(x)| 的平方在 [-π, π] 上无限累加后再开方来度量。这就是所谓的平均平方逼近,简称均方逼近。因此,将函数 f 展开为它的 Fourier 级数,实际上就是用 f 的 Fourier 三角多项式来均方逼近 f。可以证明,在所有的三角多项式中,f 的 Fourier 三角多项式是对 f 的最佳均方逼近。

图 7.7

例 4.3 三角波的 Fourier 展开式

设 f 是以 2π 为周期的函数,它在 [-π, π] 上的定义为

f(x) = -(A)/(π)x, & -π ≤slant x < 0, (A)/(π)x, & 0 ≤slant x < π,

求 f 的 Fourier 展开式,其中 A 为常数。

解

函数 f 的图像如图 7.8 所示,电子学中称之为三角波。显然,它在 [-π, π] 上满足 Dirichlet 条件(以后所给函数均满足此条件,不再一一说明)。

图 7.8

由于它是偶函数,所以 bₙ = 0 (n = 1, 2, …)。而

& a₀ = (2)/(π) ∫₀^(π) f(x) dx = (2)/(π) ∫₀^(π) (A)/(π) x dx = A, & aₙ = (2)/(π) ∫₀^(π) f(x) cos nx dx = (2)/(π) ∫₀^(π) (A)/(π) x cos nx dx = (2A)/(π²) [ . (x sin nx)/(n) |₀^π - ∫₀^π (sin nx)/(n) dx ] & = (2A)/(n²π²) [(-1)ⁿ - 1] = 0, & n 为偶数, -(4A)/(n²π²), & n 为奇数.

从而得 f 的 Fourier 展开式为

f(x) = A/2 - (4A)/(π²) ∑ₖ=1^(∞) (cos(2k-1)x)/((2k-1)²), x ∈ (-∞, +∞).

下面讨论周期为 2l(l 为任意实数)的函数如何展开为 Fourier 级数的问题。设 f 是周期为 2l 的函数,并且在 [-l, l] 上满足 Dirichlet 条件。为了求得它的 Fourier 展开式,我们先通过变量代换将该问题转化为周期为 2π 函数的 Fourier 展开问题。令 x = (l)/(π)t,则 f(x) = f((l)/(π)t)。若记 g(t) = f((l)/(π)t),不难验证,g 就是一个周期为 2π 的函数,并在 [-π, π] 上满足 Dirichlet 条件。根据 Dirichlet 定理,它的 Fourier 级数在 [-π, π] 上收敛于 g(此处收敛的含义也包含该定理中的三种情形),即

g(t) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) (aₙ cos nt + bₙ sin nt),

其中

aₙ &= (1)/(π) ∫_(-π)^(π) g(t) cos nt dt = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f((l)/(π)t) cos nt dt (n = 0, 1, 2, …), bₙ &= (1)/(π) ∫_(-π)^(π) g(t) sin nt dt = (1)/(π) ∫_(-π)^(π) f((l)/(π)t) sin nt dt (n = 1, 2, …).

再将变量换回到 x 便得 f 在 [-l, l] 上的 Fourier 展开式

f(x) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) ( aₙ cos (nπ x)/(l) + bₙ sin (nπ x)/(l) ), (4.5)

其中系数 aₙ 与 bₙ 可由下面的公式求得:

aₙ = 1/l ∫_(-l)^(l) f(x) cos (nπ x)/(l) dx (n = 0, 1, 2, …), bₙ = 1/l ∫_(-l)^(l) f(x) sin (nπ x)/(l) dx (n = 1, 2, …). (4.6)

若 f 定义在有限区间 [-l, l] 上,关于 f 作周期延拓以及 f 为奇函数或偶函数的情形如何展开等问题与 f 为以 2π 为周期的函数类似,不再一一重述。

例 4.4 矩形脉冲的 Fourier 级数

将以 4 为周期,在 [-2, 2] 上定义为

f(x) = (1)/(2δ), & |x| < δ, 0, & δ ≤slant |x| ≤slant 2

的函数 f 展开为 Fourier 级数。

解

f 的图像如图 7.9 所示,电子学中称之为矩形脉冲。

图 7.9

由于它是偶函数,所以 bₙ = 0 (n = 1, 2, …),而

a₀ = 2/l ∫₀^(l) f(x) dx = ∫₀^(δ) (1)/(2δ) dx = 1/2,aₙ = 2/l ∫₀^(l) f(x) cos (nπ x)/(l) dx = ∫₀^(δ) (1)/(2δ) cos (nπ x)/(2) dx = (1)/(nπδ) sin (nπδ)/(2) (n = 1, 2, …).

因此,当 x ∈ [-2, -δ) ∪ (-δ, δ) ∪ (δ, 2] 时,

f(x) = 1/4 + (1)/(πδ) ∑ₙ=1^(∞) 1/n sin (nπδ)/(2) cos (nπ x)/(2);

当 x = ±δ 时,它的 Fourier 级数收敛于 (1)/(4δ)。

4.4 定义在 [0, l] 上函数的 Fourier 展开

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设函数 f 定义在区间 [0, l] 上,周期为 2l,并且满足 Dirichlet 条件。为了求得它的 Fourier 展开式,将它任意延拓到区间 [-l, 0] 上,即在 [-l, 0] 上对函数 f 作任意补充定义,得到一个定义在 [-l, l] 上的辅助函数 F,使得 F 在 [-l, l] 上满足 Dirichlet 条件,并且在 [0, l] 上等于 f。只要我们能将 F 在 [-l, l] 上展开为 Fourier 级数,那么就得到 f 在 [0, l] 上的 Fourier 展开式。

在理论上,延拓的方式有无穷多种,可以根据问题不同的要求采用不同的延拓方式,但常用的是下面两种:

如果要求将 f 在 [0, l] 上展开成 Fourier 余弦级数,可采用偶延拓的方式,就是使 F 是 [-l, l] 上的偶函数,即

F(x) = f(x), & 0 ≤slant x ≤slant l, f(-x), & -l ≤slant x < 0.

将 F 在 [-l, l] 上展开为 Fourier 级数,得

bₙ = 0 (n = 1, 2, …), aₙ = 2/l ∫₀^(l) f(x) cos (nπ x)/(l) dx.

从而可知

f(x) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1^(∞) aₙ cos (nπ x)/(l)

就是 f 在 [0, l] 上的 Fourier 余弦展开式。

如果要求将 f 在 [0, l] 上展开为 Fourier 正弦级数,可采用奇延拓的方式,就是使 F 是 [-l, l] 上的奇函数,即

F(x) = f(x), & 0 < x ≤slant l, -f(-x), & -l ≤slant x < 0.

根据奇函数的定义,必须有 f(0) = 0。如果不满足这个条件,那么首先应当改变它在 x = 0 的值,使它符合这个要求,然后再将 F 在 [-l, l] 上展开,得

aₙ = 0 (n = 0, 1, 2, …), bₙ = 2/l ∫₀^(l) f(x) sin (nπ x)/(l) dx.

从而可知 f 在 [0, l] 上的 Fourier 正弦展开式就是

f(x) = ∑ₙ=1^(∞) bₙ sin (nπ x)/(l).

从上面讨论可见,无论是偶延拓还是奇延拓,在计算展开式的系数时,只用到 f 在 [0, l] 上的值。所以,在解题过程中并不需要具体作出辅助函数 F,只要指明采用哪一种延拓方式就够了。

例 4.5 奇延拓求正弦级数

将函数

f(x) = x, & 0 ≤slant x ≤slant 1, 2-x, & 1 < x ≤slant 2

在 [0, 2] 上展开为周期为 4 的 Fourier 正弦级数。

解

根据要求,本题应应用奇延拓。因此有

aₙ = 0 (n = 0, 1, 2, …),bₙ &= ∫₀² f(x) sin (nπ x)/(2) dx = ∫₀¹ x sin (nπ x)/(2) dx + ∫₁² (2-x) sin (nπ x)/(2) dx &= -(2)/(nπ) ( . xcos(nπ x)/(2) |₀¹ - ∫₀¹ cos(nπ x)/(2) dx ) - (4)/(nπ) cos(nπ x)/(2) |₁² + (2)/(nπ) ( . xcos(nπ x)/(2) |₁² - ∫₁² cos(nπ x)/(2) dx ) &= (8)/(n²π²) sin (nπ)/(2) = (8)/((2k+1)²π²) (-1)^k, & n = 2k+1, 0, & n = 2k. (k = 0, 1, 2, …)

从而得

f(x) = (8)/(π²) ∑ₖ=0^(∞) ((-1)^k)/((2k+1)²) sin ((2k+1)π x)/(2), x ∈ [0, 2].

令 ω = (π)/(l),则由 Euler 公式:

cos (nπ x)/(l) = cos nω x = 1/2(eⁱnω x + e⁻inω x), sin (nπ x)/(l) = sin nω x = (1)/(2i)(eⁱnω x - e⁻inω x)

代入 Fourier 级数的三角函数形式中,得:

f(x) = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1⁺∞ [ (aₙ)/(2)(eⁱnω x + e⁻inω x) - (bₙ i)/(2)(eⁱnω x - e⁻inω x) ] = (a₀)/(2) + ∑ₙ=1⁺∞ ( (aₙ - i bₙ)/(2) eⁱnω x + (aₙ + i bₙ)/(2) e⁻inω x )

把上式中各项系数分别记成:

C₀ = (a₀)/(2), Cₙ = (aₙ - i bₙ)/(2), C_(-n) = (aₙ + i bₙ)/(2) (n = 1, 2, …)

那么,f 的 Fourier 展开式就可以写成更简洁的复数形式:

f(x) = ∑ₙ=0⁺∞ Cₙ eⁱnω x + ∑ₙ=1⁺∞ C_(-n) e⁻inω x = ∑ₙ=-∞⁺∞ Cₙ eⁱnω x (4.7)

其中:

C₀ &= (a₀)/(2) = (1)/(2l) ∫_(-l)^(l) f(x) dx C_(± n) &= (aₙ ∓ i bₙ)/(2) = (1)/(2l) ∫_(-l)^(l) f(x) (cos nω x ∓ i sin nω x) dx = (1)/(2l) ∫_(-l)^(l) f(x) e^(∓ inω x) dx (n = 1, 2, …)

也能写成统一的形式:

Cₙ = (1)/(2l) ∫_(-l)^(l) f(x) e⁻inω x dx (n = 0, ± 1, ± 2, …) (4.8)

函数 f 的 Fourier 级数的复数形式与实数形式没有本质上的差异,但应用上常常更为方便。例如,在电子技术中,可以利用它来作频谱分析。本节开始就曾指出,为了研究复杂的周期现象,常常将一个描写该周期现象的周期函数 f 展开为 Fourier 级数。在物理上就是将一个复杂的周期波 f(非正弦波)分解为一系列不同频率的简单正弦波(谐波)的叠加,这些正弦波的频率通常称为 f 的频率成分。在工程应用中,经常需要分析各种频率成分的正弦波振幅的大小,称之为频谱分析。

在 f 的 Fourier 展开式中,(a₀)/(2) 称为非正弦波 f 的直流分量,与 f 同频率的正弦波 a₁ cos ω x + b₁ sin ω x 称为基波,而 aₙ cos nω x + bₙ sin nω x = Aₙ sin(nω x + φₙ)(其中 Aₙ = √(aₙ² + bₙ²))称为 n 阶谐波。在复数形式 (4.7) 中,由于:

|Cₙ| = |C_(-n)| = 1/2√(aₙ² + bₙ²) = 1/2Aₙ

因此,系数 Cₙ 与 C_(-n) 直接反映了 n 阶谐波振幅 Aₙ 的大小。通常称 Aₙ 为周期波(或信号)f 的振幅频谱,简称为频谱。在作频谱分析时,根据各阶谐波的振幅与频率之间的函数关系画出相应的频谱图。例如,考察例4.4 中的矩形脉冲,将它的 Fourier 级数与 Fourier 系数化成复数形式,得:

C₀ &= (a₀)/(2) = 1/4 Cₙ &= (aₙ - i bₙ)/(2) = (1)/(2nπ δ) sin (nπ δ)/(2) (n = ± 1, ± 2, …) f(x) &= 1/4 + (1)/(2nπ δ) ∑_(substackn=-∞ (n ≠ 0))⁺∞ 1/n sin (nπ δ)/(2) eⁱnω x, x ∈ [-2, 2] ∖ [-δ, δ]

有了 Cₙ,就容易画出它的频谱图。取脉冲宽度 2δ = T/3,即 δ = T/6 = 2/3(本题中 T = 4),则:

|Cₙ| = | (3)/(4π |n|) sin (nπ)/(3) | (n = ± 1, ± 2, …)

列表如下:

n01234567…
$C_n$1/4 (直流分量)(3√(3))/(8π)(3√(3))/(8π)1/20(3√(3))/(8π)1/4

画出矩形脉冲的频谱图如图 7.10 所示,它是一条一条离散的谱线。随着谐波阶数 n 的增大,振幅很快减小,并且当 n → ∞ 时趋于 0。

图 7.10 矩形脉冲的离散频谱图

例 4.6 半波整流函数的 Fourier 级数

设 f 是以 T = (2π)/(ω) 为周期的函数,它在 [-(π)/(ω), (π)/(ω)] 上定义为:

f(x) = 0, & -(π)/(ω) ≤ t < 0, Esin ω t, & 0 ≤ t ≤ (π)/(ω),

求 f 复数形式的 Fourier 展开式。

解

函数 f 的图像如图 7.11 所示。电子学中它表示一个交变电压 Esin ω t 经整流后所得到的周期波形,称为半波整流。

图 7.11 半波整流波形图

由系数公式 (4.8) 得:

C₀ &= (1)/(2 · (π)/(ω)) ∫₀^((π)/(ω)) f(t) dt = (ω)/(2π) ∫₀^((π)/(ω)) Esin ω t dt = (ω E)/(2π) ( -(cos ω t)/(ω) )g|₀^((π)/(ω)) = (E)/(π) Cₙ &= (1)/(2 · (π)/(ω)) ∫₀^((π)/(ω)) f(t) e⁻inω t dt = (ω E)/(2π) ∫₀^((π)/(ω)) sin ω t e⁻inω t dt (n = ± 1, ± 2, …)

当 n ≠ ± 1 时,利用 Euler 公式上式又可化为:

Cₙ &= (ω E)/(4π i) ∫₀^((π)/(ω)) [ e⁻i(n-1)ω t - e⁻i(n+1)ω t ] dt = (E)/(4π i) [ frace⁻i(n-1)ω tn-1 - frace⁻i(n+1)ω tn+1 ]₀^((π)/(ω)) &= (E)/(2π) · frac(-1)ⁿ-1 - 1n² - 1 = -(E)/(π) (1)/((2k)² - 1), & n = 2k, 0, & n = 2k + 1 (k = ± 1, ± 2, …)

而当 n = ± 1 时:

C_(± 1) = (ω E)/(2π) ∫₀^((π)/(ω)) sin ω t e^(∓ iω t) dt = (ω E)/(2π) ∫₀^((π)/(ω)) (sin ω t cos ω t ∓ i sin² ω t) dt = ∓ E/4 i

因此,我们有:

f(t) &= (E)/(π) - (E i)/(4) eⁱω t + (E i)/(4) e⁻iω t - (E)/(π) ∑_(substackk=-∞ k ≠ 0)⁺∞ (1)/((2k)² - 1) e²kω ti &= (E)/(π) + E/2sin ω t - (E)/(π) ∑_(substackk=-∞ k ≠ 0)⁺∞ (1)/(4k² - 1) e²kω ti, t ∈ (-∞, +∞)

与矩形脉冲类似,读者不难对半波整流画出相应的频谱图,进行频谱分析。

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