傅里叶函数集是正交函数集,其中任意两个函数的内积都为0。的定义如式 1 所示。
傅里叶基函数之间内积的定义如式 2 所示。
任意一个周期为的函数都可以展开为不同频率的的正弦与余弦函数的线性组合,即:
对于式 10,我们需要求解系数与。根据傅里叶正交函数系的性质可知:
当时,求解系数时,可以利用公式:
因此,可以得到
同理,对于系数,可以得到:
对于的特殊情况,由于由于当时,
因此式 10 中的项没有意义,系数可以为任意值。 对于项而言,其值为,则系数可以求解。对于系数,可以求得:
因此可得:
为了后续方便讨论,以及统一形式系数的表述形式。式 10 中当时的特殊常数项可以使用单个常数项来表示,即令:
因此,式 10 可以表述为:
其中的系数可以使用统一的形式来表示为:
傅里叶级数中的每项都同时含有两个基函数与。为了表达的简单性,我们需要寻找一种方式来将每项中的两个基函数表示为单个基函数。 利用欧拉公式,我们可以使用复数来同时表示与函数。
欧拉公式的数学表述为:
变形可以得到:
因此,与可以表示为:
因此,式 18 可以表述为:
当时,则为:
因此式 23 可以使用复数表示为
其中为:
将式 19 代入,可以得到:
因此,参数可以统一表述为:
对于周期为的函数,从复数域角度来讲,周期函数可以表示为实变复值函数系的线性组合,其中函数系为:
因此,函数可以表示为:
对于函数系而言,其定义的内积为Hermit内积,如:
事实上,可以证明函数系是规范正交的,即:
当时,有:
当时,有:
因此,系数可以通过hermit内积来进行求解:
因此,可以得到
以为例,使用式 39 进行证明。