高等数学课件：13.8 一般周期的傅里叶级数.ppt

1、第八节第八节一般周期函数的傅里叶级数一般周期函数的傅里叶级数 一、以一、以2 l 为周期的函数的为周期的函数的傅里叶展开傅里叶展开 机动 目录 上页 下页 返回 结束 二、傅里叶级数的复数形式二、傅里叶级数的复数形式 第13章 一、以一、以2 l 为周期的函数的傅里叶展开为周期的函数的傅里叶展开周期为 2l 函数 f (x)周期为 2 函数 F(z)变量代换lxz将F(z) 作傅氏展开 f (x) 的傅氏展开式机动 目录 上页 下页 返回 结束 设周期为2l 的周期函数 f (x)满足收敛定理条件,则它的傅里叶展开式为10sincos2)(nnnlxnblxnaaxf(在 f (x) 的连续点

2、处)naxlxnxflbllndsin)(1其中定理定理.l1xlxnxflldcos)(),2, 1,0(n),2, 1(n机动 目录 上页 下页 返回 结束 证明证明: 令lxz, 则,llx,z令)(zF, )(z lf则)2()2(zlfzF)2(lz lf)(z lf)(zF所以)(zF且它满足收敛定理条件, 将它展成傅里叶级数:10sincos2)(nnnznbznaazF( 在 F(z) 的连续点处 )(xf变成是以 2 为周期的周期函数 , 机动 目录 上页 下页 返回 结束 zznzFandcos)(1其中zznzFbndsin)(1令lxzlan1xlxnxflbllnds

3、in)(1lxnblxnaaxfnnnsincos2)(10),2, 1,0(n),3,2, 1(n),2, 1,0(n),3,2, 1(n( 在 f (x) 的 连续点处 )xlxnxflldcos)(证毕 机动 目录 上页 下页 返回 结束 说明说明:1)(nnbxf),2, 1(dsin)(nxlxnxfbn其中(在 f (x) 的连续点处)lxnsinl20l如果 f (x) 为偶函数, 则有(在 f (x) 的连续点处)2)(0axf),2, 1,0(dcos)(nxlxnxfan其中1nnalxncos注注: 无论哪种情况 ,).()(21xfxf在 f (x) 的间断点 x 处,

4、 傅里叶级数收敛于l20l如果 f (x) 为奇函数, 则有 机动 目录 上页 下页 返回 结束 )(tfto0d) 1sin() 1sin(ttntn例例1. 交流电压tEtEsin)(经半波整流后负压消失,试求半波整流函数的解解: 这个半波整流函数2,它在)(tfna0dcossinttntE,sintE,0傅里叶级数.,上的表达式为0t t02E的周期是22机动 目录 上页 下页 返回 结束 000d2sintt21Ea 2cos212E时1n0d) 1sin() 1sin(ttntn2Eantnn) 1cos() 1(12E0tnn) 1cos() 1(1111) 1(111) 1(2

5、1nnnnEnn) 1(1) 1(21nEn32 ,0 kn,)41 (22kE), 1,0(kkn2机动 目录 上页 下页 返回 结束 tttEbdsinsin01ttntnEd) 1cos() 1cos(20) 1() 1sin(2ntnEbn0) 1() 1sin(0ntnttntEbndsinsin0ttEd)2cos1 (20022sin2ttE2En 1 时机动 目录 上页 下页 返回 结束 由于半波整流函数 f ( t ),),(上连续在Etf)(tEsin2tkkEk2cos411212)(t直流部分说明说明:交流部分由收收敛定理可得2 k 次谐波的振幅为,14122kEAk

6、k 越大振幅越小,因此在实际应用中展开式取前几项就足以逼近f (x)了.to22)(tf上述级数可分解为直流部分与交流部分的和. 机动 目录 上页 下页 返回 结束 例例2. 把展开成)20()(xxxf(1) 正弦级数; (2) 余弦级数.解解: (1) 将 f (x) 作奇周期延拓, 则有2oyx),2, 1,0(0nan2022xbnxxnd2sin0222sin22cos2xnnxnxnnncos4),2, 1() 1(41nnn14)(nxf2sin) 1(1xnnn)20( x在 x = 2 k 处级数收敛于何值?机动 目录 上页 下页 返回 结束 2oyx(2) 将 作偶周期延拓

7、,)(xf),2, 1(0nbn2022xanxxnd2cos0222cos22sin2xnnxnxn1) 1(422nnxxf)(200d22xxa2kn2,0,) 12(822k),2, 1(k则有1222) 12(cos) 12(181kxkk)20( x12 kn机动 目录 上页 下页 返回 结束 说明说明: 此式对0 x也成立,8) 12(1212kk由此还可导出121nn8212141nn61212nn12)2(1kk1222) 12(cos) 12(181)(kxkkxxf)20( x12) 12(1kk据此有2oyx机动 目录 上页 下页 返回 结束 当函数定义在任意有限区间上

8、时,方法方法1, , )(baxxf令,2abzx即2abxzzabzfxfzF, )2()()(2,2abab在2,2abab上展成傅里叶级数)(zF周期延拓将2abxz)(xf在,ba代入展开式上的傅里叶级数 其展开方法为:xab2ba方法方法2, , )(baxxf令,azxzazfxfzF, )()()(ab,0在ab,0上展成正弦或余弦级数)(zF奇或偶式周期延拓将 代入展开式axz)(xf在,ba即axz上的正弦或余弦级数 xab)(zFz55例例3. 将函数)155(10)(xxxf展成傅里叶级数.解解: 令,10 xz设)55( )10()()(zzzfxfzF将F(z) 延拓

9、成周期为 10 的周期函数, 理条件.由于F(z) 是奇函数, 故),2, 1,0(0nan5052zbnzznd5sinnn10) 1(),2,1(n则它满足收敛定5sin) 1(10)(1znnzFnn)55(z5sin) 1(10101xnnxnn)155( x机动 目录 上页 下页 返回 结束 利用欧拉公式欧拉公式二、傅里叶级数的复数形式二、傅里叶级数的复数形式设 f (x)是周期为 2 l 的周期函数 , 则lxnblxnaaxfnnnsincos2)(1021coslxnlxnlxniiee2sinilxnlxnlxniiee1022)(nnaaxflxnlxniiee2nbilx

10、nlxniiee1022nnnbiaa2nnbia lxnielxnie0cncnc机动 目录 上页 下页 返回 结束 llxfl)(21llxxfld)(21200ac llxlxnxfldcos)(1212nnnbiacllxlxnxflidsin)(llxlxnilxnxfldsincos)(21llxfl)(21),2, 1(dnxlxnie注意到2nnnbacxd同理),2, 1(nlxnie机动 目录 上页 下页 返回 结束 傅里叶级数的复数形式:xexflcTxnillnd)(212Txninnecxf2)(),2, 1,0(n因此得机动 目录 上页 下页 返回 结束 式的傅里叶

11、级数 . 例例4. 把宽为 ,高为 h ,周期为 T 的矩形波展成复数形解解: 在一个周期,22TT)(tu它的复数形式的傅里叶系数为 2 2d1thTTh内矩形波的函数表达式为 022d)(1TTttuTc22Toyx22Th22,th2222,0TTtt机动 目录 上页 下页 返回 结束 tetuTTtnid)(12 22nc22 2d1tehTTtniTnnhsin),2,1(nThtu)(hTtnineTnn2sin10n), 1,0,2(kTkt 2inTThTniTnieeinh21Ttnie222机动 目录 上页 下页 返回 结束 为正弦 级数. 内容小结内容小结1. 周期为2l

12、 的函数的傅里叶级数展开公式)(xf20alxnblxnannnsincos1(x 间断点)其中naxlxnxfllldcos)(1nbxlxnxfllldsin)(1), 1 ,0(n),2, 1(n当f (x)为奇 函数时,(偶)(余弦)2. 在任意有限区间上函数的傅里叶展开法变换延拓3. 傅里叶级数的复数形式利用欧拉公式导出机动 目录 上页 下页 返回 结束 思考与练习思考与练习1. 将函数展开为傅里叶级数时为什么最好先画出其图形?答答: 易看出奇偶性及间断点, 2. 计算傅里叶系数时哪些系数要单独算 ?答答: 用系数公式计算如分母中出现因子nk从而便于计算系数和写出收敛域 .,时nnb

13、akkba 或则必须单独计算.习题课 目录 上页 下页 返回 结束 备用题备用题) 11(2)(xxxf将期的傅立叶级数, 并由此求级数121nn(91 考研) 解解:y1ox12)(xf为偶函数,0nb100d)2(2xxa5xxnxand)cos()2(2101) 1(222nn因 f (x) 偶延拓后在,),(上连续 x225,) 12cos() 12(14122kkk展开成以2为周1 , 1x的和.故得 机动 目录 上页 下页 返回 结束 , 0 x令得122) 12(14252kk故8) 12(1212kk121nn12) 12(1nn12)2(1nn12141nn121nn12) 12(134nn62机动 目录 上页 下页 返回 结束