傅里叶级数

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方波的傅里叶级数前四项的部份总和。随着增加更多的谐波,这个部份总和收敛成方波。

数学中,傅里叶级数(英語:Fourier series/ˈfʊri, -iər/)是把类似的函数表示成简单谐波的方式。更正式地说,对于满足狄利克雷定理周期函数,其傅里叶级数是由一组正弦余弦函数加权和表示的方法。傅里叶级数与用来找出无周期函数的频率信息的傅里叶变换有密切的关系。

傅里叶级数是傅里叶分析的一个研究分支,也是采样定理原始证明的核心。傅里叶级数在数论组合数学信号处理、概率论统计学密码学声学光学等领域都有着广泛的应用。

歷史[编辑]

傅里叶级数得名于法国数学家约瑟夫·傅里叶(1768年–1830年),他提出任何函数都可以展开三角级数。此前数学家欧拉达朗贝尔克莱罗,已发现在认定一個函数有三角级数展开后,通过积分方法计算其系数的公式,而拉格朗日等人已经找到了一些非周期函数的三角级数展开。将周期函数分解为简单振荡函数的总和的最早想法,可以追溯至公元前3世紀古代天文學家的均輪和本輪學說。

傅里叶的工作得到了丹尼尔·伯努利的赞助[1],傅里叶介入三角级数用來解热传导方程,其最初论文雖經西尔维斯特·拉克鲁瓦英语Sylvestre François Lacroix加斯帕尔·蒙日同意[2],但在1807年经拉格朗日拉普拉斯勒讓德评審后被拒绝出版,他的现在被称为傅里葉逆轉定理英语Fourier inversion theorem的理论后来发表于1822年出版的《热的解析理论》[3]

定義[编辑]

上图展示了蓝色无周期函数,它只定义在红色区间之上。可以认为傅里叶级数,是对下图中最初函数的“周期延拓”的分析,傅里叶级数总是周期函数,即使最初函数不是周期函数。

傅里叶级数可以用不同的形式来表达,下面将周期的一个周期函數表达为不同形式的傅里叶级数。

正弦-余弦形式[编辑]

人们常用三角級數來表示,就是将所有諧波,乘以其各自在中的權重,求得它们的總和;这些階諧波的權重稱爲傅立葉級數係數,它们可以藉由如下積分來獲得:

傅立葉級數係數

符号表示在选定区间上的积分,典型的选择为或者。注意是函数平均值英语Mean of a function[A],这个性质扩展到了类似的变换比如傅里叶变换

通过这些系数定义傅里叶级数为:

傅立葉級數,正弦-余弦形式

这里使用符号,表示傅里叶级数的求和不一定总是等于。普遍來說是理論上趨近於無限大的,但是就算趨近於無限大,對所有的(例如在某一點上不連續),傅立葉級數也不一定收斂到 。尽管不收斂的可能性始终存在,在科学和工程领域中经常将Eq. 2中的直接替代为

在傅里叶级数系数中的整数索引,是级数中相应的,在这个函数的周期中,形成的圆周(cycle)的数目。因此对应于的项有着:

  • 波长等于,并且有着同于的单位。
  • 频率等于,并且有着的倒数单位。

指数形式[编辑]

下面藉由歐拉公式,将傅里叶级数系数简化成复数指數形式。

根據定義,我們可以得到:

复数傅里叶级数系数

通过将等式Eq. 1代入Eq. 3,可以证实[4]

复数傅里叶级数系数

给定复数傅里叶级数系数,可以用公式复原出

复数傅里叶级数系数

通过这些定义,傅里叶级数可以写为:

傅立葉級數,指數形式

这是可推广到复数值域函数的惯用形式。的负数值对应于负频率

複數值函數[编辑]

人们習慣將值域普遍化到複數上,设是一個複數值函數,它的實部和虛部,都是實數值函數:

定义则:

对于这个复数值函数,它的傅里叶级数的实部,是它的实部的傅里叶级数;它的傅里叶级数的虚部,是它的虚部的傅里叶级数:

振幅-相位形式[编辑]

還可以利用三角恆等式,把正弦-余弦形式中後面的正弦函數跟餘弦函數合併起來:

然後定義振幅相位,这里的对应正弦-余弦形式中平均值英语Mean of a function

傅立葉級數,振幅-相位形式

部份求和算子[编辑]

在描述傅里叶级数行为的时候,经常会为一个函数介入部份求和算子[5]

这里的的傅里叶系数。不同于微积分中的级数,傅里叶级数的部份求和必须采用对称形式,否则收敛结果可能不成立。

假設是在上的可積函數,捲積為:

周期为的函數的傅立葉級數的部份求和,可以经由狄利克雷核摺積来表示:

收敛性概要[编辑]

近似了,该近似程度会随着逐渐改善。这个无穷和叫做 的傅里叶级数表示。傅里叶级数的收敛性取决于函数有限数量的极大值和极小值,这就是通常称为傅里叶级数的狄利克雷条件。参见傅里叶级数的收敛性英语Convergence of Fourier series之一。对于广义函数或分布也可以用范数或弱收敛英语Weak convergence (Hilbert space)定义傅里叶系数。在不可导点上,如果我们只取无穷级数中的有限项求和,那么在这些点上会有幅度不随增大而持续变小的起伏,这叫做吉布斯现象,一个简单的例子是方波信号

工程应用中,一般假定傅里叶级数除了在不连续点以外处处收敛,原因是工程上遇到的函数比数学家提供的这个假定的反例表现更加良好。特别地,傅里叶级数绝对收敛一致收敛,只要在的导数(或许不会处处存在)是平方可积的[6]。如果一个函数在区间上是平方可积的,那么此傅里叶级数在几乎处处的点都收敛于该函数。

其他常用表示法[编辑]

符号在讨论多个不同函数的傅里叶系数时是不够用的。因此习惯上将其替代为函数(这里是函数)的某种修改形式,即采用函数式符号比如,来替代下标式符号:

常用的数学符号
常用的工程符号

在工程上,特别是在变量表示时间的时候,系数序列叫做频域表示。经常使用方括号来强调这个函数的定义域是频率的离散集合。

另一个常用频域表示,使用傅里叶级数系数,调制像梳子一样的狄拉克采样函数英语Dirac comb

这里的表示连续频域。在变量以秒为单位的时候,赫兹为单位。采样的间隔为基本频率倍(即为谐波)。 可以通过逆傅里叶变换英语Fourier inversion theorem从这种表示恢复出来:

构造出的函数,因而通常称为“傅里叶变换”,即使一个周期函数的傅里叶积分在这个谐波频率上不收敛[B]

常用的傅里叶级数[编辑]

下表列出常用的周期函数及其傅里叶级数系数。

  • 指示周期的周期函数。
  • 指示周期函数的傅里叶级数系数(正弦-余弦形式)。
时域
绘图 频域(正弦-余弦形式)
注释 引用
全波整流正弦 [8]:p. 193
半波整流正弦 [8]:p. 193
[8]:p. 192
[8]:p. 192
[8]:p. 193

基本性質[编辑]

下表展示在时域中的一些数学运算及其对应的在傅里叶级数系数上的效果。

  • 复数共轭指示为上标星号
  • 指示周期为的函数或只定义在中的函数。
  • 指示的傅里叶级数系数(指数形式)。
性质 时域 频域(指数形式) 注释 引用
线性
时间反转/频率反转 [9]:p. 610
时间共轭 [9]:p. 610
时间反转且共轭
时间实部
时间虚部
频率实部
频率虚部
时间移位/频率调制 [9]:p. 610
频率移位/时间调制 [9]:p. 610

对称性质[编辑]

所有的函数都可以分解成唯一性的偶部和奇部英语Even–odd decomposition,这里的。实数参数的复数值函数,对于所有,如果则称其为“偶对称”,如果则称其为“奇对称”,这里的上顶横线指示复数共轭

一个复数值函数的实部和虚部,分解成各自的偶部和奇部,就有了四个分量,分别用下标标明为RE、RO、IE和IO。一个复数值时间参数函数的四个分量,与它的复数频率变换的四个分量之间,有着一一映射[10]

由此可见,各种关系是显而易见的,例如:

  • 实数值函数sRE + sRO的变换,是偶对称函数SRE + i SIO。反过来说,偶对称变换蕴含了实数值时域。
  • 虚数值函数i sIE + i sIO的变换,是奇对称函数SRO + i SIE,反过来说也成立。
  • 偶对称函数sRE + i sIO的变换,是实数值函数SRE + SRO,反过来说也成立。
  • 奇对称函数sRO + i sIE的变换,是虚数值函数i SIE + i SIO,反过来说也成立。

範例[编辑]

一个简单的傅里叶级数[编辑]

锯齿波周期函数的图
前五个部分傅里叶级数的动态图

我们现在用上面的公式给出一个简单函数的傅里叶级数展开式。考虑一个锯齿波:

在这种情况下,傅里叶级数为:

可以证明,当可微时,傅立叶级数在每个点都收敛于,于是:

时,傅里叶级数收敛于,为在的左极限和右极限之和的一半。这是傅里叶级数的狄利克雷定理的特例。

这个例子为我们引出了巴塞尔问题的一种解法。

傅里叶诱导[编辑]

金属板内的热分布,使用傅里叶方法求解

在上例中我们的函数的傅里叶级数展开式看起来不比简单,因此人们需要傅里叶级数的原因也就不会立即显现出来。但还有很多应用,我们举用傅里叶诱导解热方程的例子。考虑边长为米的方形金属版,坐标为。如果板内没有热源,并且四个边中三个都保持在摄氏度,而第四条边,对于,保持在温度梯度摄氏度。在这种情况下,稳态(或者说很长时间过后的)热分布函数不能得出解析解,但却可以证明:

这里的双曲正弦函数。热方程的这个解是通过将的傅里叶级数的每一项乘以得到的。尽管示例的函数的傅里叶级数似乎很复杂,用傅里叶的方法却可以求解这个热分布问题。

其他例子[编辑]

我們也可以應用傅立葉級數去證明等周不等式,或是構造處處連續處處不可微的函數。

收斂性[编辑]

至今还没有判断傅里叶级数的收敛性充分必要条件,但是对于实际问题中出现的函数,有很多种判别条件可用于判断收敛性。比如的可微性或级数的一致收敛性。在闭区间上满足狄利克雷条件的函数表示成的傅里叶级数都收敛。狄利克雷条件如下:

  1. 在定义区间上,绝对可积
  2. 在任一有限区间中,只能取有限个极值点;
  3. 在任何有限区间上,只能有有限个第一类间断点

满足以上条件的傅里叶级数都收敛,且:

1.当的连续点时,级数收敛于
2.当的间断点时,级数收敛于

1966年,里纳特·卡尔松证明了勒贝格二次可积函数的傅立叶级数一定是几乎处处收敛的,即级数在除了一个勒贝格零测集外均收敛。

傅立葉級數收斂证明[编辑]

假設一個函數在上是平方可積,則會有:

證明的第一步:

考慮一系列正交基底,,其中,且有

然後有

特別的有,的傅立葉級數的部分和

然後根據 以及畢氏定理,可以有:

替換一下後有

如果右邊第一項收斂到0,再根據正交的性質,可以看出上述式子中的右手邊第二項:

,這就證明了帕塞瓦尔定理

证明的第二步:

回到證明右邊第一項,因為函數可積,找到一個連續函數,然後根據最佳逼近引理,可以找到一個三角多項式p(x),使得

故當,函數的差為0。

其他性质[编辑]

傅立葉級數的唯一性[编辑]

如果有一個定義在的函數,其中函數的傅立葉係數還有相同,且傅立葉級數都收斂到函數本身,那麼可以證明此傅立葉級數具有唯一性,也就是。換句話說,如果函數上可積,傅立葉係數為0,對所有的,那麼函數

卷积定理[编辑]

给定周期为的函数,它们具有傅里叶级数系数,这里的

  • 逐点乘积,也是周期为,并且它的傅里叶级数系数是序列离散卷积
  • 周期卷积,也是周期为,它具有傅里叶级数系数:
  • 中的双无限序列,是在中的傅里叶系数的序列,当且仅当它是在中的两个序列的卷积[11]

微分性質[编辑]

我們說屬於在 如果是一個在實數上以為週期的函數,且次可微而且階連續。

  • 如果屬於在,那麼傅立葉係數可以被用傅立葉係數的表示,藉由公式
  • 如果屬於在。特別的,當固定,我們有趨近於0當,且有

黎曼-勒贝格定理[编辑]

如果可积函数,则

帕塞瓦尔定理[编辑]

如果函數屬於在之中,那麼便有

普朗歇爾定理[编辑]

如果是系数,并且,则有一个唯一的函数使得对于所有有着

延伸[编辑]

希尔伯特空间的解读[编辑]

正弦和餘弦形成了正交集合。正弦、餘弦及其乘積的積分,當mn不同或二函數不同時是0(綠色和紅色區域相等抵消),僅當mn相等並且函數相同時為π。

所谓的两个不同向量正交是指它们的内积为0,这也就意味着这两个向量之间没有任何相关性,例如,在三维欧氏空间中,互相垂直的向量之间是正交的。事实上,正交是垂直在数学上的一种抽象化和一般化。一组n个互相正交的向量必然是线性无关的,所以必然可以张成一个n维空间,也就是说,空间中的任何一个向量可以用它们来线性表出。

希爾伯特空間釋義下,函數的集合{en = einx; nZ}是[−π, π]平方可積函數L2([−π, π])的正交基。這個空間實際上是一個希爾伯特空間,有著針對任何兩個的元素fg的如下內積:

三角函数族的正交性用公式表示出来就是:

(這裡的δmn克羅內克函數),而

参阅[编辑]

注释[编辑]

  1. ^ 一些作者定义了与此不同的,使得可以用相同的积分定义。这改变了Eq. 2使得第一项需要除以
  2. ^ 因为周期函数的傅里叶变换的积分定义不是收敛的,需要将周期函数和它的变换视为分布。在这种意义上,是一个狄拉克δ函数,它是分布的是例子。

引用[编辑]

  1. ^ 详见莫里斯·克莱因《古今数学思想》,第20章无穷级数,第5节三角级数;第28章十九世纪的偏微分方程,第5节热方程与傅里叶级数。
    see here, pg.s 209 & 210, 页面存档备份,存于互联网档案馆
  2. ^ 李狗嗨. 如何给文科生解释傅里叶变换?. 知乎专栏. 2019-07-25 [2020-02-07]. (原始内容存档于2020-10-24) (中文). 
  3. ^ Théorie analytique de la chaleur. Paris: Firmin Didot Père et Fils. 1822. OCLC 2688081 (法语). 
  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. ^ 这里页面存档备份,存于互联网档案馆
  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 (德语). 
  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]. 

延伸阅读[编辑]

外部链接[编辑]

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