1. 傅里叶正交函数集

傅里叶函数集Φ是正交函数集,其中任意两个函数的内积都为0。Φ的定义如式 1 所示。

Φ={1,sin(𝑤𝑡),cos(𝑤𝑡),sin(2𝑤𝑡),cos(2𝑤𝑡),,sin(𝑛𝑤𝑡),cos(𝑛𝑤𝑡)}

傅里叶基函数之间内积的定义如式 2 所示。

𝑓,𝑔=𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·𝑔(𝑥)d𝑥

2. 傅里叶级数

任意一个周期为𝑇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:

𝑓(𝑥)=𝑛=0(𝑎𝑛sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛cos𝑛𝜔𝑥)

对于式 10,我们需要求解系数𝑎𝑛𝑏𝑛。根据傅里叶正交函数系的性质可知:

𝑛>0时,求解系数𝑎𝑛时,可以利用公式:

𝑓(𝑥),sin(𝑛𝜔𝑥)=𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·sin𝑛𝜔𝑥=sin𝑛𝜔𝑥·(𝑛=0(𝑎𝑛sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛cos𝑛𝜔𝑥))=𝑛=0(𝑎𝑛·sin𝑛𝜔𝑥·sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛sin𝑛𝜔𝑥·cos𝑛𝜔𝑥)=𝑎𝑛sin𝑛𝜔𝑥·sin𝑛𝜔𝑥=𝑎𝑛·𝑇2

因此,可以得到

𝑎𝑛=2𝑇·𝑓(𝑥),sin𝑛𝜔𝑥=2𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·sin𝑛𝜔𝑥d𝑥

同理,对于系数𝑏𝑛,可以得到:

𝑏𝑛=2𝑇·𝑓(𝑥),cos𝑛𝜔𝑥=2𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·cos𝑛𝜔𝑥d𝑥

对于𝑛=0的特殊情况,由于由于当𝑛=0时,

{sin𝑛𝑤𝑡=0cos𝑛𝑤𝑡=1

因此式 10 中的项𝑎0·sin(0·𝜔𝑥)没有意义,系数𝑎0可以为任意值。 对于项𝑏0·cos(0·𝜔𝑥)而言,其值为1,则系数𝑏0可以求解。对于系数𝑏0,可以求得:

𝑓(𝑥),1=𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·1=(𝑖=0(𝑎𝑛sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛cos𝑛𝜔𝑥))·1=𝑖=0(𝑎𝑛·sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛·cos𝑛𝜔𝑥)(1sin𝑛𝜔𝑥,cos𝑛𝜔𝑥的函数正交性)=𝑏0·cos(0·𝜔𝑥)=𝑏0·𝑇

因此可得:

𝑏0=1𝑇·𝑓(𝑥),1=1𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)d𝑥

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𝑛=0时的特殊常数项𝑎0sin0+𝑏0cos0=𝑏0可以使用单个常数项来表示,即令:

𝑐02=𝑎0sin0+𝑏0cos0=𝑏0

因此,式 10 可以表述为:

𝑓(𝑥)=𝑐02+𝑖=1(𝑎𝑛·sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛·cos𝑛𝜔𝑥)

其中的系数可以使用统一的形式来表示为:

{𝑐0=2𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)d𝑥𝑎𝑛=2𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·sin𝑛𝜔𝑥d𝑥𝑏𝑛=2𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·cos𝑛𝜔𝑥d𝑥

3. 复数傅里叶级数

3.1. 复数傅里叶级数推导

傅里叶级数中的每项𝑎𝑛sin𝑛𝜔𝑥+𝑏𝑛cos𝑛𝜔𝑥都同时含有两个基函数sin𝑛𝜔𝑥cos𝑛𝜔𝑥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sin𝑛𝜔𝑥cos𝑛𝜔𝑥函数。

欧拉公式的数学表述为:

𝑒𝑖𝑥=cos𝑥+𝑖sin𝑥

变形可以得到:

𝑒𝑖𝑥=cos𝑥𝑖sin𝑥

因此,sin𝑥cos𝑥可以表示为:

{sin𝑥=𝑒𝑖𝑥𝑒𝑖𝑥2𝑖cos𝑥=𝑒𝑖𝑥+𝑒𝑖𝑥2

因此,式 18 可以表述为:

𝑓(𝑥)=𝑐02+𝑛=1(𝑎𝑛·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥2𝑖+𝑏𝑛·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥+𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥2)=𝑐02+𝑛=1(𝑎𝑛·𝑖22𝑖(𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)+𝑏𝑛2·(𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥+𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥))=𝑐02+𝑛=1(𝑖·𝑎𝑛2(𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)+𝑏𝑛2·(𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥+𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥))=𝑐02+𝑛=1(𝑖·𝑎𝑛+𝑏𝑛2·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥+𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)=𝑐02+𝑛=1(𝑖·𝑎𝑛+𝑏𝑛2·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)+𝑛=1(𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)=𝑐02+𝑛=1(𝑖·𝑎𝑛+𝑏𝑛2·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)+𝑛=1(𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2·𝑒𝑖𝑛𝑤𝑥)

𝑛=0时,则𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥为:

𝑒𝑖0𝑤𝑥=cos0+𝑖sin0=1

因此式 23 可以使用复数表示为

𝑓(𝑥)=𝑛=𝑑𝑛𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥

其中𝑑𝑛为:

𝑑𝑛={𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2,𝑛>012𝑐0,𝑛=0𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2,𝑛<0

式 19 代入,可以得到:

12𝑐0=12·2𝑇𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)=1𝑇𝑓(𝑥)·𝑒𝑖𝑛0𝑥𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2=12·2𝑇·𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)(𝑖sin𝑛𝑤𝑥+cos𝑛𝑤𝑥)=1𝑇·𝑓(𝑥)·𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥𝑖𝑎𝑛+𝑏𝑛2=12·2𝑇𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)(𝑖sin(𝑛𝜔𝑥)+cos(𝑛𝜔𝑥))=1𝑇·𝑓(𝑥)·𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥

因此,参数𝑑𝑛可以统一表述为:

𝑑𝑛=1𝑇𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥

3.2. 复数傅里叶级数的正交函数系

对于周期为𝑇的函数𝑓(𝑥),从复数域角度来讲,周期函数𝑓(𝑥)可以表示为实变复值函数系ℛ︀的线性组合,其中函数系ℛ︀为:

ℛ︀={𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥|𝑛𝑍}

因此,函数𝑓(𝑥)可以表示为:

𝑓(𝑥)=𝑑𝑛·𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥

对于函数系ℛ︀而言,其定义的内积为Hermit内积,如:

𝑓(𝑥),𝑔(𝑥)=1𝑇𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·𝑔(𝑥)d𝑥

事实上,可以证明函数系ℛ︀规范正交的,即:

𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥,𝑒𝑖𝑚𝜔𝑥=1𝑇𝑇2𝑇2𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥·𝑒𝑖𝑚𝜔𝑥=1𝑇𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥·𝑒𝑖𝑚𝜔𝑥=1𝑇𝑒𝑖(𝑛𝑚)𝜔𝑥

𝑛=𝑚时,有:

𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥,𝑒𝑖𝑚𝜔𝑥=1𝑇𝑇2𝑇21=1

𝑛𝑚时,有:

𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥,𝑒𝑖𝑚𝜔𝑥=1𝑇𝑇2𝑇2𝑒𝑖(𝑛𝑚)𝜔𝑥=1𝑇cos(𝑛𝑚)𝜔𝑥+𝑖sin(𝑛𝑚)𝜔𝑥=1𝑇(cos(𝑛𝑚)𝜔𝑥+𝑖sin(𝑛𝑚)𝜔𝑥)=0

因此,系数𝑑𝑛可以通过hermit内积来进行求解:

𝑑𝑛=𝑓(𝑥),𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥=1𝑇𝑇2𝑇2𝑓(𝑥)·𝑒𝑖𝑛𝜔𝑥

4. 附录

4.1. 三角函数积化和差公式

𝑒𝑖𝑥=cos𝑥+𝑖sin𝑥

因此,可以得到

{sin𝑥=𝑒𝑖𝑥𝑒𝑖𝑥2𝑖cos𝑥=𝑒𝑖𝑥+𝑒𝑖𝑥2{sin𝛼·sin𝛽=12(cos(𝛼𝛽)cos(𝛼+𝛽))cos𝛼·cos𝛽=12(cos(𝛼𝛽)+cos(𝛼+𝛽))sin𝛼·cos𝛽=12(sin(𝛼+𝛽)+sin(𝛼𝛽))


sin𝛼·sin𝛽为例,使用式 39 进行证明。

4.2. 三角函数的内积