Prvi štirje približki Fourierovih vrst za pravokotni val .
Fourierove vrste v matematiki omogočajo razstavljanje poljubne periodične funkcije ali periodičnega signala v vsoto (po možnosti končno) skupine periodičnih funkcij kot sta sinus in kosinus . Proučevanje Fourierovih vrst je veja Fourierove analize .
Tako se lahko na primer funkcijo
S
(
x
)
{\displaystyle S(x)\!\,}
razvije v neskončno vrsto po sinusih:
S
(
x
)
=
b
1
sin
x
+
b
2
sin
2
x
+
b
3
sin
3
x
+
⋯
=
∑
n
=
1
∞
b
n
sin
n
x
.
{\displaystyle S(x)=b_{1}\sin x+b_{2}\sin 2x+b_{3}\sin 3x+\cdots =\sum _{n=1}^{\infty }b_{n}\sin nx\!\,.}
Lahko pa se neko drugo funkcijo
C
(
x
)
{\displaystyle C(x)\!\,}
razvije v neskončno vrsto po kosinusih:
C
(
x
)
=
b
0
+
b
1
cos
x
+
b
2
cos
2
x
+
b
3
cos
3
x
+
⋯
=
b
0
+
∑
n
=
1
∞
b
n
cos
n
x
.
{\displaystyle C(x)=b_{0}+b_{1}\cos x+b_{2}\cos 2x+b_{3}\cos 3x+\cdots =b_{0}+\sum _{n=1}^{\infty }b_{n}\cos nx\!\,.}
Pri tem obe funkciji ohranita nekatere osnovne značilnosti, kot so periodičnost, lihost (ali sodost), vrednost pri
x
=
0
{\displaystyle x=0\!\,}
in
x
=
π
{\displaystyle x=\pi \!\,}
.
Imenujejo se po francoskem fiziku in matematiku Josephu Fourieru (1768–1830).
Fourierov obrazec za periodične funkcije [ uredi | uredi kodo ]
Naj je periodična funkcija
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)\!\,}
s periodo
2
π
{\displaystyle 2\pi \!\,}
, ki je integrabilna na intervalu
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle [-\pi ,\pi ]\!\,}
. Števila:
a
n
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
cos
(
n
x
)
d
x
,
n
≥
0
{\displaystyle a_{n}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\cos(nx)\,\mathrm {d} x,\quad n\geq 0\!\,}
in:
b
n
=
1
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
sin
(
n
x
)
d
x
,
n
≥
1
{\displaystyle b_{n}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)\sin(nx)\,\mathrm {d} x,\quad n\geq 1\!\,}
se imenujejo Fourierovi koeficienti za funkcijo
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)\!\,}
.
Včasih se uporablja tudi Fourierove vrste za
f
{\displaystyle f\!\,}
, ki se jih označuje z:
(
S
N
f
)
(
x
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
N
[
a
n
cos
(
n
x
)
+
b
n
sin
(
n
x
)
]
,
N
≥
0
.
{\displaystyle (S_{N}f)(x)={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{N}\,[a_{n}\cos(nx)+b_{n}\sin(nx)],\quad N\geq 0\!\,.}
Delne vsote za
f
{\displaystyle f\!\,}
so trigonometrični polinomi . Pričakuje se, da funkcije
S
N
{\displaystyle S_{N}\!\,}
za
f
{\displaystyle f\!\,}
dajejo približek, ki se približuje vrednosti za
f
{\displaystyle f\!\,}
, ko gre
N
{\displaystyle N\!\,}
proti neskončnosti. Neskončna vsota v obliki:
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
[
a
n
cos
(
n
x
)
+
b
n
sin
(
n
x
)
]
{\displaystyle {\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }\,[a_{n}\cos(nx)+b_{n}\sin(nx)]\!\,}
se imenuje Fourierova vrsta za
f
{\displaystyle f\!\,}
.
Fourierova vrsta ne konvergira vedno, saj se včasih celo za neko vrednost
x
0
{\displaystyle x_{0}\!\,}
vsota vrste v tej točki razlikuje od vrednosti
f
(
x
0
)
{\displaystyle f(x_{0})\!\,}
te funkcije. Harmonična analiza je področje, ki se ukvarja s konvergenco Fourierovih vrst. Kadar je kvadrat funkcije integrabilen na intervalu
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle [-\pi ,\pi ]\!\,}
, takrat Fourierova vrsta konvergira skoraj v vsaki točki. Predpostavi se lahko, da Fourierova vrsta konvergira v vsaki točki razen v točkah nezveznosti.
Zgled periodične funkcije, ki se imenuje žagasti val .
Animacija prvih petih zaporednih delnih Fourierovih vrst.
V zgledu se obravnava žagasti val in se ga razvije v Fourierovo vrsto. Žagasti val se opiše z naslednjo funkcijo:
f
(
x
)
=
x
,
z
a
−
π
<
x
<
π
,
{\displaystyle f(x)=x,\quad \mathrm {za} -\pi <x<\pi \!\,,}
f
(
x
+
2
π
)
=
f
(
x
)
,
z
a
−
∞
<
x
<
∞
.
{\displaystyle f(x+2\pi )=f(x),\quad \mathrm {za} -\infty <x<\infty \!\,.}
V tem primeru se dobi za Fourierove koeficiente:
a
0
=
1
π
∫
−
π
π
x
d
x
=
0.
a
n
=
1
π
∫
−
π
π
x
cos
(
n
x
)
d
x
=
0
,
n
≥
0.
b
n
=
1
π
∫
−
π
π
x
sin
(
n
x
)
d
x
=
−
2
n
cos
(
n
π
)
+
2
π
n
2
sin
(
n
π
)
=
2
(
−
1
)
n
+
1
n
,
n
≥
1.
{\displaystyle {\begin{aligned}a_{0}&{}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }x\,\mathrm {d} x=0.\\a_{n}&{}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }x\cos(nx)\,\mathrm {d} x=0,\quad n\geq 0.\\b_{n}&{}={\frac {1}{\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }x\sin(nx)\,\mathrm {d} x=-{\frac {2}{n}}\cos(n\pi )+{\frac {2}{\pi n^{2}}}\sin(n\pi )=2\,{\frac {(-1)^{n+1}}{n}},\quad n\geq 1.\end{aligned}}}
Lahko se dokaže, da Fourierova vrsta konvergira k vrednosti
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)\!\,}
v vsaki točki, kjer je funkcija
f
{\displaystyle f\!\,}
diferenciabilna. Torej se lahko zapiše:
f
(
x
)
=
a
0
2
+
∑
n
=
1
∞
[
a
n
cos
(
n
x
)
+
b
n
sin
(
n
x
)
]
=
2
∑
n
=
1
∞
(
−
1
)
n
+
1
n
sin
(
n
x
)
,
z
a
x
−
π
∉
2
π
Z
.
{\displaystyle {\begin{aligned}f(x)&={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }\left[a_{n}\cos \left(nx\right)+b_{n}\sin \left(nx\right)\right]\\&=2\sum _{n=1}^{\infty }{\frac {(-1)^{n+1}}{n}}\sin(nx),\quad \mathrm {za} \quad x-\pi \notin 2\pi Z.\end{aligned}}}
Eksponentna Fourierova vrsta [ uredi | uredi kodo ]
Uporabi se Eulerjev obrazec , ki ima obliko:
e
i
n
x
=
cos
(
n
x
)
+
i
sin
(
n
x
)
,
{\displaystyle e^{inx}=\cos(nx)+i\sin(nx)\!\,,}
kjer je:
S tem se dobi bolj zgoščeno obliko za Fourierovo vrsto:
f
(
x
)
=
∑
n
=
−
∞
∞
c
n
e
i
n
x
.
{\displaystyle f(x)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }c_{n}e^{inx}\!\,.}
Fourierovi koeficienti pa so:
c
n
=
1
2
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
e
−
i
n
x
d
x
.
{\displaystyle c_{n}={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x)e^{-inx}\,\mathrm {d} x\!\,.}
a
n
=
c
n
+
c
−
n
za
n
=
0
,
1
,
2
,
…
{\displaystyle a_{n}={c_{n}+c_{-n}}\quad {\text{ za }}n=0,1,2,\dots \!\,}
b
n
=
i
(
c
n
−
c
−
n
)
za
n
=
1
,
2
,
…
{\displaystyle b_{n}=i(c_{n}-c_{-n})\quad {\text{ za }}n=1,2,\dots \!\,}
in:
c
n
=
{
1
2
(
a
n
−
i
b
n
)
n
>
0
1
2
a
0
n
=
0
1
2
(
a
−
n
+
i
b
−
n
)
n
<
0
{\displaystyle c_{n}={\begin{cases}{\frac {1}{2}}(a_{n}-ib_{n})&n>0\\\quad {\frac {1}{2}}a_{0}&n=0\\{\frac {1}{2}}(a_{-n}+ib_{-n})&n<0\\\end{cases}}}
Zelo primerno je uporabiti obliko za
f
{\displaystyle f\!\,}
tako, da se dobi obrazec v obliki:
f
(
x
)
=
∑
n
=
−
∞
∞
f
^
(
n
)
⋅
e
i
n
x
.
{\displaystyle f(x)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }{\hat {f}}(n)\cdot e^{inx}\!\,.}
V tehniki se pogosto uporablja naslednjo obliko:
f
(
x
)
=
∑
n
=
−
∞
∞
F
[
n
]
⋅
e
i
n
x
,
{\displaystyle f(x)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }F[n]\cdot e^{inx}\!\,,}
kjer:
F
[
n
]
{\displaystyle F[n]\!\,}
pomeni, da je uporabljena nezvezna domena frekvenc . Zelo pogosto v tehniki spremenljivka
x
{\displaystyle x\!\,}
predstavlja čas .
Fourierove vrste v splošnem intervalu [ uredi | uredi kodo ]
Obravnava se splošni interval
[
a
,
a
+
τ
]
{\displaystyle [a,a+\tau ]\!\,}
, kjer je s periodo
τ
{\displaystyle \tau \!\,}
za vsa realna števila definirana funkcija
g
(
x
)
{\displaystyle g(x)\!\,}
s kompleksnimi koeficienti
G
(
n
)
{\displaystyle G(n)\!\,}
. Lahko se zapiše:
g
(
x
)
=
∑
n
=
−
∞
∞
G
[
n
]
⋅
e
i
2
π
n
τ
x
.
{\displaystyle g(x)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }G[n]\cdot e^{i2\pi {\frac {n}{\tau }}x}\!\,.}
Če je funkcija kvadratno integrabilna (velja:
∫
−
∞
∞
|
f
(
x
)
|
2
d
x
<
∞
{\displaystyle \int _{-\infty }^{\infty }|f(x)|^{2}\,\mathrm {d} x<\infty \!\,}
), v intervalu
[
a
,
a
+
τ
]
{\displaystyle [a,a+\tau ]\!\,}
, se jo lahko v tem intervalu prikaže z zgornjim obrazcem. To pa pomeni, da takrat, ko se dobi koeficiente za funkcijo
h
(
x
)
{\displaystyle h(x)\!\,}
z:
G
[
n
]
=
1
τ
∫
a
a
+
τ
h
(
x
)
⋅
e
−
i
2
π
n
τ
x
d
x
,
{\displaystyle G[n]={\frac {1}{\tau }}\int _{a}^{a+\tau }h(x)\cdot e^{-i2\pi {\frac {n}{\tau }}x}\,\mathrm {d} x\!\,,}
potem je
g
(
x
)
{\displaystyle g(x)\!\,}
povsod na intervalu
[
a
,
a
+
τ
]
{\displaystyle [a,a+\tau ]\!\,}
enak
h
(
x
)
{\displaystyle h(x)\!\,}
. Iz tega sledi, da ima
h
(
x
)
{\displaystyle h(x)\!\,}
periodo enako
τ
{\displaystyle \tau \!\,}
in, da naslednje
sta
g
(
x
)
{\displaystyle g(x)\!\,}
in
h
(
x
)
{\displaystyle h(x)\!\,}
povsod enaka, razen na mestih nezveznosti
a
{\displaystyle a\!\,}
se lahko poljubno izbere. Najpogosteje se izbere
a
=
0
{\displaystyle a=0\!\,}
in
a
=
τ
/
2
{\displaystyle a=\tau /2\!\,}
.
Fourierove vrste v kvadratu [ uredi | uredi kodo ]
Definira se lahko tudi Fourierove vrste za dve spremenljivki x in y v kvadratu
[
−
π
,
π
]
×
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle [-\pi ,\pi ]\times [-\pi ,\pi ]\!\,}
:
f
(
x
,
y
)
=
∑
j
,
k
∈
Z
c
j
,
k
e
i
j
x
e
i
k
y
,
{\displaystyle f(x,y)=\sum _{j,k\in \mathbb {Z} }c_{j,k}e^{ijx}e^{iky}\!\,,}
kjer je:
c
j
,
k
=
1
4
π
2
∫
−
π
π
∫
−
π
π
f
(
x
,
y
)
e
−
i
j
x
e
−
i
k
y
d
x
d
y
.
{\displaystyle c_{j,k}={1 \over 4\pi ^{2}}\int _{-\pi }^{\pi }\int _{-\pi }^{\pi }f(x,y)e^{-ijx}e^{-iky}\,\mathrm {d} x\,\mathrm {d} y\!\,.}
Če se obravnava Hilbertove prostore , množica funkcij
{
e
n
=
e
i
n
x
,
n
∈
Z
}
{\displaystyle \{e_{n}=e^{inx},n\in \mathbb {Z} \}\!\,}
tvori ortonormalno bazo prostora
L
2
(
[
−
π
,
π
]
)
{\displaystyle L^{2}([-\pi ,\pi ])\!\,}
za kvadratno integrabilne funkcije v
[
−
π
,
π
]
{\displaystyle [-\pi ,\pi ]\!\,}
. Ta prostor je Hilbertov prostor z notranjim produktom za poljubna dva elementa
f
{\displaystyle f\!\,}
in
g
{\displaystyle g\!\,}
, ki je definiran kot:
⟨
f
,
g
⟩
=
d
e
f
1
2
π
∫
−
π
π
f
(
x
)
g
(
x
)
¯
d
x
.
{\displaystyle \langle f,\,g\rangle \;{\stackrel {\mathrm {def} }{=}}\;{\frac {1}{2\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }f(x){\overline {g(x)}}\,\mathrm {d} x\!\,.}
Osnovne Fourierove vrste v Hilbertovih prostorih se lahko zapiše kot:
f
=
∑
n
=
−
∞
∞
⟨
f
,
e
n
⟩
e
n
.
{\displaystyle f=\sum _{n=-\infty }^{\infty }\langle f,e_{n}\rangle \,e_{n}\!\,.}
To pa je enakovredno s kompleksno eksponentno obliko (glej zgoraj). Oblika s sinusom in kosinusom tvori ortogonalno množico :
∫
−
π
π
cos
(
m
x
)
cos
(
n
x
)
d
x
=
π
δ
m
n
,
m
,
n
≥
1
,
{\displaystyle \int _{-\pi }^{\pi }\cos(mx)\,\cos(nx)\,\mathrm {d} x=\pi \delta _{mn},\quad m,n\geq 1,\!\,}
∫
−
π
π
sin
(
m
x
)
sin
(
n
x
)
d
x
=
π
δ
m
n
,
m
,
n
≥
1
{\displaystyle \int _{-\pi }^{\pi }\sin(mx)\,\sin(nx)\,\mathrm {d} x=\pi \delta _{mn},\quad m,n\geq 1\!\,}
∫
−
π
π
cos
(
m
x
)
sin
(
n
x
)
d
x
=
0
,
{\displaystyle \int _{-\pi }^{\pi }\cos(mx)\,\sin(nx)\,\mathrm {d} x=0\,\!\,,}
kjer je:
Funkcija
f
{\displaystyle f\!\,}
pripada
C
k
(
T
)
{\displaystyle C^{k}(\mathbb {T} )\!\,}
, če je
f
{\displaystyle f\!\,}
funkcija s periodo
2
π
{\displaystyle 2\pi \!\,}
nad
R
{\displaystyle \mathbb {R} \!\,}
in, če je ta k -krat odvedljiva in je k -ti odvod zvezen. Označi se n -ti Fourierov koeficient z
f
^
(
n
)
{\displaystyle {\widehat {f}}(n)\!\,}
.
če je
f
{\displaystyle f\!\,}
periodična liha funkcija , potem so
a
n
=
0
{\displaystyle a_{n}=0\!\,}
za vse
n
{\displaystyle n\!\,}
če je
f
{\displaystyle f\!\,}
periodična soda funkcija, potem so
b
n
=
0
{\displaystyle b_{n}=0\!\,}
za vse
n
{\displaystyle n\!\,}
če je
f
{\displaystyle f\!\,}
integrabilna funkcija velja
lim
|
n
|
→
∞
f
^
(
n
)
=
0
{\displaystyle \lim _{|n|\rightarrow \infty }{\hat {f}}(n)=0\!\,}
ter
lim
n
→
+
∞
a
n
=
0
{\displaystyle \lim _{n\rightarrow +\infty }a_{n}=0\!\,}
in
lim
n
→
+
∞
b
n
=
0
{\displaystyle \lim _{n\rightarrow +\infty }b_{n}=0\!\,}
. To je Riemann-Lebesguov izrek
dvojno neskončno zaporedje
{
a
n
}
{\displaystyle \{a_{n}\}\!\,}
v
c
o
{\displaystyle c_{o}\!\,}
je zaporedje Fourierovih koeficientov funkcije v
L
1
[
0
,
2
π
]
{\displaystyle L^{1}[0,2\pi ]\!\,}
, če in samo če je to konvolucija v
ℓ
2
(
Z
)
{\displaystyle \ell ^{2}(\mathbb {Z} )\!\,}
Parsevalov izrek : če je
f
∈
L
2
(
[
−
π
,
π
]
)
{\displaystyle f\in L^{2}([-\pi ,\pi ])\!\,}
, potem je tudi
∑
n
=
−
∞
∞
|
f
^
(
n
)
|
2
=
1
2
π
∫
−
π
π
|
f
(
x
)
|
2
d
x
{\displaystyle \sum _{n=-\infty }^{\infty }|{\hat {f}}(n)|^{2}={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\pi }^{\pi }|f(x)|^{2}\,\mathrm {d} x\!\,}
Plancherelov izrek : če so
c
0
,
c
±
1
,
c
±
2
,
…
{\displaystyle c_{0},\,c_{\pm 1},\,c_{\pm 2},\ldots \!\,}
koeficienti in velja
∑
n
=
−
∞
∞
|
c
n
|
2
<
∞
{\displaystyle \sum _{n=-\infty }^{\infty }|c_{n}|^{2}<\infty \!\,}
, potem obstaja funkcija
f
∈
L
2
(
[
−
π
,
π
]
)
{\displaystyle f\in L^{2}([-\pi ,\pi ])\!\,}
tako, da velja
f
^
(
n
)
=
c
n
{\displaystyle {\hat {f}}(n)=c_{n}\!\,}
za vsak
n
{\displaystyle n\!\,}
prvi konvolucijski izrek pravi, da takrat, ko sta
f
{\displaystyle f\!\,}
in
g
{\displaystyle g\!\,}
v L 1 ([−π, π]), potem velja tudi
f
∗
g
^
(
n
)
=
2
π
f
^
(
n
)
g
^
(
n
)
{\displaystyle {\widehat {f*g}}(n)=2\pi {\hat {f}}(n){\hat {g}}(n)\!\,}
, kjer je ƒ ∗ g konvolucija s periodo
2
π
{\displaystyle 2\pi \!\,}
funkcij
f
{\displaystyle f\!\,}
in
g
{\displaystyle g\!\,}
drugi konvolucijski izrek pravi, da je
f
⋅
g
^
=
f
^
∗
g
^
{\displaystyle {\widehat {f\cdot g}}={\hat {f}}*{\hat {g}}\!\,}
.
Obstaja več vrst posplošitev Fourierovih vrst. Njihovo proučevanje se imenuje harmonična analiza.
Približki in konvergenca Fourierovih vrst [ uredi | uredi kodo ]
Gibbsov pojav
Približek reda 10 za pravokotni val.
Približek reda 50 za pravokotni val.
Približek reda 250 za pravokotni val.
Zelo pomembno vprašanje je povezano s konvergenco Fourierovih vrst. Pogosto je treba zamenjati neskončno vrsto
∑
−
∞
∞
{\displaystyle \sum _{-\infty }^{\infty }\!\,}
s končno:
(
S
N
f
)
(
x
)
=
∑
n
=
−
N
N
f
^
(
n
)
e
i
n
x
{\displaystyle (S_{N}f)(x)=\sum _{n=-N}^{N}{\hat {f}}(n)e^{inx}\!\,}
. Takšna vrsta se imenuje delna vsota . Želi se vedeti kako vrednost
(
S
N
f
)
(
x
)
{\displaystyle (S_{N}f)(x)\!\,}
konvergira k
f
(
x
)
{\displaystyle f(x)\!\,}
, ko gre
N
{\displaystyle N\!\,}
proti neskončnosti.
Divergenca Fourierovih vrst [ uredi | uredi kodo ]
Fourierove vrste so izredno dobro konvergentne. Vrste, ki bi bile divergentne so zelo redke. V letu 1922 je ruski matematik Andrej Nikolajevič Kolmogorov (1903–1987) v enem svojih del podal primer integrabilne funkcije, katere Fourierova vrsta je skoraj povsod divergentna.