Funkce komplexní proměnné a integrální transformace

Podobné dokumenty
Integrální transformace T. Kozubek, M. Lampart

9. cvičení z Matematické analýzy 2

Komplexní analýza. Fourierovy řady. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

18 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

16 Fourierovy řady Úvod, základní pojmy

sin(x) x lim. pomocí mocninné řady pro funkci sin(x) se středem x 0 = 0. Víme, že ( ) k=0 e x2 dx.

Nejprve si připomeňme z geometrie pojem orientovaného úhlu a jeho velikosti.

Matematika 3. Úloha 1. Úloha 2. Úloha 3

Matematika I (KMI/PMATE)

Komplexní analýza. Laplaceova transformace. Martin Bohata. Katedra matematiky FEL ČVUT v Praze

Posloupnosti a řady. 28. listopadu 2015

Matematika III. Miroslava Dubcová, Daniel Turzík, Drahoslava Janovská. Ústav matematiky

Otázky k ústní zkoušce, přehled témat A. Číselné řady

Zimní semestr akademického roku 2014/ prosince 2014

11. Číselné a mocninné řady

PŘEDNÁŠKA 2 POSLOUPNOSTI

Učební texty k státní bakalářské zkoušce Matematika Posloupnosti a řady funkcí. študenti MFF 15. augusta 2008

INTEGRÁLY S PARAMETREM

SIGNÁLY A SOUSTAVY, SIGNÁLY A SYSTÉMY

Matematika (KMI/PMATE)

Periodicita v časové řadě, její popis a identifikace, exponenciální vyrovnáván

Mezi elementární komplexní funkce se obvykle počítají tyto funkce: f(z) = az + b,

KTE/TEVS - Rychlá Fourierova transformace. Pavel Karban. Katedra teoretické elektrotechniky Fakulta elektrotechnická Západočeská univerzita v Plzni

UNIVERZITA PARDUBICE. Fakulta elektrotechniky a informatiky. Fourierovy Řady Jakub Jeřábek

Derivace a monotónnost funkce

0.1 Úvod do matematické analýzy

0.1 Funkce a její vlastnosti

Přednáška 3: Limita a spojitost

Limita a spojitost LDF MENDELU

Definice (Racionální mocnina). Buď,. Nechť, kde a a čísla jsou nesoudělná. Pak: 1. je-li a sudé, (nebo) 2. je-li liché, klademe

Matematika 2 LS 2012/13. Prezentace vznikla na základě učebního textu, jehož autorem je doc. RNDr. Mirko Rokyta, CSc. J. Stebel Matematika 2

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

FOURIEROVA TRANSFORMACE FOURIEROVA VĚTA

Základy matematické analýzy

Limita a spojitost funkce

GE - Vyšší kvalita výuky CZ.1.07/1.5.00/

ŘADY KOMPLEXNÍCH FUNKCÍ

Funkce a limita. Petr Hasil. Podpořeno projektem Průřezová inovace studijních programů Lesnické a dřevařské fakulty MENDELU v Brně (LDF)

FOURIEROVA TRANSFORMACE

MKI Funkce f(z) má singularitu v bodě 0. a) Stanovte oblast, ve které konverguje hlavní část Laurentova rozvoje funkce f(z) v bodě 0.

Z transformace. Definice. Z transformací komplexní posloupnosti f = { } f n z n, (1)

Derivace funkce. Přednáška MATEMATIKA č Jiří Neubauer

Kapitola 2: Spojitost a limita funkce 1/20

Úvodní informace. 17. února 2018

Vzorové řešení zkouškové písemky

Matematika 1 pro PEF PaE

Určete (v závislosti na parametru), zda daný integrál konverguje, respektive zda konverguje. dx = t 1/α 1 dt. sin x α dx =

Zimní semestr akademického roku 2015/ ledna 2016

Diferenciální rovnice 3

Funkce jedn e re aln e promˇ enn e Derivace Pˇredn aˇska ˇr ıjna 2015

Funkce základní pojmy a vlastnosti

Obsah. Aplikovaná matematika I. Gottfried Wilhelm Leibniz. Základní vlastnosti a vzorce

Monotonie a lokální extrémy. Konvexnost, konkávnost a inflexní body. 266 I. Diferenciální počet funkcí jedné proměnné

Nechť je číselná posloupnost. Pro všechna položme. Posloupnost nazýváme posloupnost částečných součtů řady.

9.2. Zkrácená lineární rovnice s konstantními koeficienty

Necht na hmotný bod působí pouze pružinová síla F 1 = ky, k > 0. Podle druhého Newtonova zákona je pohyb bodu popsán diferenciální rovnicí

1. Obyčejné diferenciální rovnice

Limita a spojitost funkce. 3.1 Úvod. Definice: [MA1-18:P3.1]

9. přednáška 26. listopadu f(a)h < 0 a pro h (0, δ) máme f(a 1 + h, a 2,..., a m ) f(a) > 1 2 x 1

7. Aplikace derivace

1 Množiny, výroky a číselné obory

Diferenciální počet 1 1. f(x) = ln arcsin 1 + x 1 x. 1 x 1 a x 1 0. f(x) = (cos x) cosh x + 3x. x 0 je derivace funkce f(x) v bodě x0.

8.3). S ohledem na jednoduchost a názornost je výhodné seznámit se s touto Základní pojmy a vztahy. Definice

Drsná matematika III 6. přednáška Obyčejné diferenciální rovnice vyšších řádů, Eulerovo přibližné řešení a poznámky o odhadech chyb

Riemannův určitý integrál

Je založen na pojmu derivace funkce a její užití. Z předchozího studia je třeba si zopakovat a orientovat se v pojmech: funkce, D(f), g 2 : y =

Základní pojmy o signálech

LDF MENDELU. Simona Fišnarová (MENDELU) LDR druhého řádu VMAT, IMT 1 / 22

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium 2018

SIGNÁLY A LINEÁRNÍ SYSTÉMY

Limita posloupnosti a funkce

1 Modelování systémů 2. řádu

GONIOMETRIE A TRIGONOMETRIE

Funkce základní pojmy a vlastnosti

y = 1 x (y2 y), dy dx = 1 x (y2 y) dy y 2 = dx dy y 2 y y(y 4) = A y + B 5 = A(y 1) + By, tj. A = 1, B = 1. dy y 1

SPECIÁLNÍCH PRIMITIVNÍCH FUNKCÍ INTEGRACE RACIONÁLNÍCH FUNKCÍ

Matematická analýza ve Vesmíru. Jiří Bouchala

Derivace funkce. prof. RNDr. Čestmír Burdík DrCs. prof. Ing. Edita Pelantová CSc. Katedra matematiky BI-ZMA ZS 2009/2010

Lineární a adaptivní zpracování dat. 2. SYSTÉMY a jejich popis v časové doméně a frekvenční doméně

Přijímací zkouška na navazující magisterské studium Studijní program Fyzika obor Učitelství fyziky matematiky pro střední školy

Nauka o Kmitání Přednáška č. 4

LEKCE10-RAD Otázky

To je samozřejmě základní pojem konvergence, ale v mnoha případech je příliš obecný a nestačí na dokazování některých užitečných tvrzení.

Nejčastějšími funkcemi, s kterými se setkáváme v matematice i v jejích aplikacích, jsou

9.7. Vybrané aplikace

FUNKCE A JEJICH VLASTNOSTI

Metody výpočtu limit funkcí a posloupností

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2011/2012. x + y + 3z = 1 (2a 1)x + (a + 1)y + z = 1 a

Integrální počet - I. část (neurčitý integrál a základní integrační metody)

Diferenciální počet - II. část (Taylorův polynom, L Hospitalovo pravidlo, extrémy

17. Posloupnosti a řady funkcí

Goniometrické a hyperbolické funkce

Cvičné texty ke státní maturitě z matematiky

Texty k přednáškám z MMAN3: 4. Funkce a zobrazení v euklidovských prostorech

4. OBYČEJNÉ DIFERENCIÁLNÍ ROVNICE

Derivace funkce. Obsah. Aplikovaná matematika I. Isaac Newton. Mendelu Brno. 2 Derivace a její geometrický význam. 3 Definice derivace

Užití nekonečných řad při řešení obyčejných diferenciálních rovnic. Michal Ostřanský

8. Elementární funkce. I. Exponenciální funkce Definice: Pro komplexní hodnoty z definujeme exponenciální funkci předpisem ( ) e z z k k!.

Matematika I A ukázkový test 1 pro 2014/2015

Transkript:

Funkce komplexní proměnné a integrální transformace Fourierovy řady I. Marek Lampart Text byl vytvořen v rámci realizace projektu Matematika pro inženýry 21. století (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/07.0332), na kterém se společně podílela Vysoká škola báňská Technická univerzita Ostrava a Západočeská univerzita v Plzni

Fourierovy řady Funkce f (t) reálné proměnné t, pro kterou existuje T R kladné takové, že pro každé t z definičního oboru platí f (t + T ) = f (t). (1) se nazývá periodická funkce. Číslo T se nazývá perioda, funkce f je periodická s periodou T. Nejmenší takové číslo T, nazýváme zálkadní periodou. Poznamenejme, že základní perida nemusí existovat. Pro libovolné α R nazveme interval (α, α + T ] intervalem periodicity a specielně základní interval periodicity je případ, kdy α = 0 nebo α = T /2, tedy základní interval periodicity má tvar (0, T ] nebo ( T /2, T /2].

Fourierovy řady Lema 1 Ke každé periodické funkci f (t) s periodou T existuje transformace argumentu t = tr(x) taková, že transformovaná funkce f (tr(x)) má periodou 2π. Jako elementární příklad nám poslouží jednoduchý harmonický kmit daný obecnou sinovou funkcí Zde f (t) = A sin(ωt + ϕ). (2) nezávislou proměnnou t interpretujeme jako čas, A je amplituda udávající výchylku z rovnovážné polohy, celý argument ωt + ϕ nazýváme fáze kmitu, pro t = 0 dostáváme počáteční fázi, konstantu ω, udávající počet kmitů za 2π vteřin, nazýváme kruhovou frekvencí (úhlovou rychlostí). Doba jednoho kmitu, perioda, se označuje T. V našem příkladě je T = 2π/ω.

Fourierovy řady Periodická funkce vyjadřující složené harmonické kmitání je popsána nekonečnou řadou s členy Tyto lze ekvivalentně zapsat ve tvaru Zde pro jednoduchost klademe Řadu u n = A n sin(nωt + ϕ n ). (3) u n = a n cos(nωt) + b n sin(nωt). (4) u 0 = a 0 2. (5) u n = a 0 2 + (a n cos(nωt) + b n sin(nωt)) (6) n=1 n=1 nazýváme trigonometrickou řadou. Pokud řada konverguje, tak konverguje k funkci s periodou T = 2π/ω, tj. s periodou členu s indexem 1. (Skutečně?) Koeficienty a n a b n se nazývají Fourierovy koeficienty funkce f (t).

Fourierova řada Je-li trigonometrická řada a 0 2 + (a n cos(nt) + b n sin(nt)) (7) n=1 stejnoměrně konvergentní v R,dává součet, který je spojitou periodickou funkcí f (t) s periodou prvního členu řady, tj. T = 2π. (Skutečně?) Platí tedy f (t) = a 0 2 + (a n cos(nt) + b n sin(nt)). (8) n=1

Fourierova řada Koeficient a 0 určíme integrací rovnice (8) v mezích od π do π. Tedy π π f (t) d t = π π ( ) a 0 2 + (a n cos(nt) + b n sin(nt)) d t = πa 0, n=1 a 0 = 1 π π π f (t) d t. (9) Koeficienty a n určíme tak, že rovnici (8) přenásobíme funkcí cos(nt) a opět integrujeme ve stejných mezích. Pak dostáváme π π f (t) cos(nt) d t = a n cos 2 (nt) d t = a n π, π a n = 1 π π π π f (t) cos(nt) d t. (10)

Fourierova řada Koeficienty b n určíme analogicky jako a n : π π π f (t) sin(nt) d t = b n sin 2 (nt) d t = b n π, b n = 1 π π π π f (t) sin(nt) d t. (11) Vzorce pro výpočet koeficientů se nazývají (Eulerovy)-Fourierovy. Daná trigonometrická řada se nazývá Fourierova řada funkce f (t). Koeficienty a n a b n Fourierovy koeficienty funkce f (t).

Fourierova řada Věta 1 (Dirichlet) Vyhovuje-li funkce f (t) tzv. Dirichletovým podmínkám, pak daná Fourierova řada funkce f (t) konverguje v každém t k hodnotě a platí 1 (f (t + 0) + f (t 0)) 2 1 2 (f (t + 0) + f (t 0)) = a 0 2 + a n cos(nt) + b n sin(nt). n=1 Navíc v bodech t, kde je f (t) spojitá, je 1 (f (t + 0) + f (t 0)) = f (t). 2 V předešlé větě používáme standardní notaci f (t + 0) = lim t1 t + f (t 1) a f (t 0) = lim t 1 t f (t 1).

Fourierova řada Dirichletovy podmínky jsou následující: 1. funkce f (t) je periodická, 2. funkce f (t) má v intervalu periodicity jen konečný počet nespojitostí 1. druhu, 3. funkce f (t) má v intervalu periodicity po částech spojitou derivaci.

Fourierova řada Příklad 1 Následující funkce nesplňují na intervalu [ π, π] Dirichletovy podmínky: f 1 (t) = 2 ( ) 2 1 t, f 2(t) = sin. 2 t Skutečně, f 1 (t) má v bodě t 0 = 1 bod nespojitosti 2. druhu. Funkce f 2 (t) má v okolí bodu t 0 = 2 nekonečně mnoho extrémů.

Fourierova řada Výše uvedené vztahy lze zobecnit pro funkce s periodou T = 2l, tedy pro funkce s intervalem periodicity [ l, l]. Pomocí Lematu 1 provedeme transformaci t = π t a dostaneme pro l n N vzorce: Fourierova řada má tvar a 0 = 1 l a n = 1 l b n = 1 l l l l l l l f (t) d t, (12) f (t) cos(n π t) d t, (13) l f (t) sin(n π t) d t (14) l f (t) = a 0 2 + (a n cos( π l nt) + b n sin( π nt)). (15) l n=1

Fourierova řada v komplexním oboru Fourierovy koeficienty a n a b n Fourierovy řady dané perodické funkce peridy 2π mají tvar f (t) = 1 2 a 0 + a 0 = 1 π a n = 1 π b n = 1 π π π π π π π (a n cos(nt) + b n sin(nt)), (16) n=1 f (t) d t, (17) f (t) cos(nt) d t, (18) f (t) sin(nt) d t. (19)

Fourierova řada v komplexním oboru Užijeme následujícího exponenciálního vyjádření: cos(nt) = 1 2 (eint + e int ), (20) sin(nt) = 1 2i (eint e int ) = i 2 (eint e int ). (21) Po dosazení do řady (16) dostáváme f (t) = 1 2 a 0 + (a n ( eint + e int 2 n=1 = 1 2 a 0 + n=1 ) ib n ( eint e int ) ) 2 ) ( 1 2 (a n ib n )e int + 1 2 (a n + ib n )e int ) (22). (23)

Fourierova řada v komplexním oboru Položme nyní c 0 = 1 2 a 0, (24) c n = 1 2 (a n ib n ), (25) c n = 1 2 (a n + ib n ). (26) Nyní můžeme vyjádřit pomocí Fourierových koeficientů komplexní koeficienty c n a c n takto: π c n = 1 2 (a n ib n ) = 1 f (t)(cos(nt) i sin(nt)) d t (27) 2π π = 1 π f (t)e int d t, n = 1, 2, 3,..., (28) 2π π c n = 1 2 (a n + ib n ) = 1 π f (t)(cos(nt) + i sin(nt)) d t (29) 2π π = 1 π f (t)e int d t, n = 1, 2, 3,... (30) 2π π

Fourierova řada v komplexním oboru Pro koeficient c 0 dostáváme c 0 = 1 2 a 0 = 1 2π π π f (t) d t. Vidíme tedy, že je možné vyjádřit všechny koeficienty c i pomocí jediného vzorce c n = 1 2π π π f (t)e int d t, n = 0, ±1, ±2, ±3,... (31) Po dosazení koeficientů c n do (23) dostáváme následující tvar Fourierovy řady f (t) = c 0 + (c n e int + c n e int ) = c n e int. (32) n=1 n= Tvar řady (32) nazýváme komplexní zápis Fourierovy řady funkce f (t). Koeficienty c n nazýváme komplexní Fourierovy koeficienty.

Fourierova řada v komplexním oboru Výhodou komplexního zápisu Fourierovy řady je výpočet koeficientů jediným integrálem (integrál komplexní funkce reálné proměnné). Má-li funkce f (t) periodu T, pak vzorce (31) a (32) mají tvar f (t) = c 0 + (c n e inωt + c n e inωt ), (33) T n=1 c n = 1 T 0 f (t)e inωt d t, n = 0, ±1, ±2, ±3,..., (34) kde ω = 2π/T. Chceme-li Fourierovu řadu v komplexním tvaru převést do tvaru reálného, pak stačí pro výpočet koeficientů použít vzorců a n = c n + c n, (35) b n = i(c n c n ). (36)

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 2 Určeme komplexní a reálný zápis Fourierovy řady funkce f (t) = 1/2 e t se základním intervalem periodicity (0, π] a f (0) = f (π). Postupujme podle výše uvedené poznámky, tj. hledejme nejprve komplexní tvar a pak provedeme převod na tvar reálný. Tedy podle (34) je (zde ω = 2) c n = 1 π π 0 1 2 et e 2int d t = 1 2π π = 1 1 2π 1 2in (eπ 1), n = 0, ±1, ±2, ±3,... 0 e (1 2in)t d t = 1 1 [e (1 2in)t] π 2π 1 2in 0

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 2 Komplexní zápis Fourierovy řady zadané funkce má tvar f (t) = 1 2π (eπ 1) + eπ 1 2π = 1 2π (eπ 1) + eπ 1 2π n=1 n= ( ) 1 1 1 2in e2int + 1 + 2in e 2int 1 1 2in e2int. Převed me danou řadu do reálného tvaru. Nejprve určíme podle vzorců (35) a (36) koeficienty a n a b n : a n = c n + c n = 1 ( ) 1 2π (eπ 1) 1 2in + 1 1 + 2in 1 = eπ 1 π, n = 0, 1, 2, 3,..., 1 + 4n2 b n = i(c n c n ) = i 2π (eπ 1) = 2 eπ 1 n, n = 1, 2, 3,... 2 ( 1 1 2in 1 1 + 2in )

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 2 Konečně, reálný tvar hledané Fourierovy řady je f (t) = 1 ( 2π (eπ 1) + eπ 1 cos(2t) π 1 + 4 1 2 + cos(4t) ) 1 + 4 2 2 +... ( 2 eπ 1 sin(2t) π 1 + 4 1 2 + sin(4t) ) 1 + 4 2 2 +... = 1 2π (eπ 1) + eπ 1 1 π 1 + 4n 2 cos(2nt) 2 eπ 1 π n=0 n=1 n 1 + 4n 2 sin(2nt).

Fourierova řada v komplexním oboru Nedílnou součástí harmonické analýzy je analýza spekter. Zde se budeme zabývat otázkou fázového a amplitudového spektra. Prvně, jednostranným spektrem rozumíme uspořádanou dvojici posloupností ({A n } n=0, {ϕ n } n=1). Zde {A n } n=0 představuje jednostranné amplitudové spektrum a je definováno vzorci A 0 = a 0 = c 0, (37) 2 A n = an 2 + bn 2 = 2 c n, n = 1, 2,... (38) Dále {ϕ n } n=1 je jednostranné fázové spektrum definované vztahem ϕ n = arg c n ( π, π], n = 1, 2,.... (39)

Fourierova řada v komplexním oboru Dvoustranným spektrem rozumíme uspořádanou dvojici posloupností ({ c n } n=, {ϕ ±n } n=1). Zde { c n } n= představuje dvoustranné amplitudové spektrum. Dále {ϕ ±n } n=1 představuje dvoustranné fázové spektrum definované ϕ n = arg c n ( π, π], n = ±1, ±2, ±3.... (40) Poznamenejme, že fáze ϕ 0 není definována. Je-li analyzována komplexní funkce s nenulovou imaginární částí, pak platí, že koeficienty c n a c n nejsou komplexně sdružené. Tedy amplitudové spektrum není sudé a fázové spektrum není liché.

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Rozviňme ve Fourierovu řadu periodickou funkci f (t) se základním intervalem periodicity ( π, π] zadanou předpisem t pro t ( π, π], f (t) = (41) π pro t = π, a proved me spektrální analýzu. Zadaná funkce je znázorněna grafem

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Nejprve je zapotřebí ověřit Dirichletovy podmínky: funkce je zřejmě periodická, funkce je uvnitř intervalu periodicity spojitá, nespojitá je v krajních bodech (2k + 1)π, (k Z), jedná se však o nespojitosti 1. druhu, funkce je uvnitř intervalu periodicity diferencovatelná (f (t) = 1). Nic nám tedy nebrání použít vzorce (9), (10) a (11) k výpočtu Fourierových koeficientů: a 0 = 1 π a n = 1 π b n = 1 π π π π π π π t d t = 1 [ ] t 2 π = 0, π 2 π t cos(nt) d t = 1 [ t π n sin(nt) + 1 ] π n 2 cos(nt) π t sin(nt) d t = 1 [ t π n cos(nt) + 1 ] π n 2 sin(nt) π = 0, = ( 1) n+1 2 n.

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Všimněme si, že rozvíjená funkce je lichá, všechny koeficienty a n jsou nulové, příslušná Fourierova řada bude mít pouze sinové členy, bude lichá. Hledaný rozvoj naší funkce tedy je f (t) = 2 n+1 sin(nt) ( 1). n n=1

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Podle Dirichletovy věty 1 je součet této řady roven f (t) = t pro t ( π, π). V bodech ±π je nespojitost prvního druhu a platí: f (π ) = π a f (π + ) = π, f ( π ) = π a f ( π + ) = π. Tedy f ( π + ) + f ( π ) 2 = 0, f (π + ) + f (π ) 2 = 0. Tyto hodnoty má součet řady v bodech ±π, tj. f (π) = 0 a f ( π) = 0.

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Graf součtu je znázorněn

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Částečné součty prvních členů jsou následující: s 1 (t) = 2 sin(t)

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 ( s 2 (t) = 2 sin(t) sin(2t) ) 2

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 ( s 3 (t) = 2 sin(t) sin(2t) + sin(3t) ) 2 3

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 s 4 (t) = 2 ( sin(t) sin(2t) + sin(3t) sin(4t) ) 2 3 4

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Sestavme nyní jednostranné a dvoustranné fázové a amplitudové spektrum: A 0 = a 0 = 0, 2 an 2 + bn 2 = A n = 0 + ( 1) n+1 2 n = 2 n, c n = 1 2 (a n ib n ) = 1 ( 0 i( 1) n+1 2 ) = i( 1) n 1 2 n n, π/2 pro n =..., 5, 3, 1, 2, 4, 6,..., ϕ n = arg c n = π/2 pro n =..., 6, 4, 2, 1, 3, 5,....

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Dvoustranné amplitudové spektrum je zobrazeno

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Dvoustranné fázové spektrum je zobrazeno

Rozvoj periodické funkce Příklad 3 Hodnoty koeficientů jsou uvedeny v následující tabulce: n -3-2 -1 0 1 2 3 a n 0 0 0 0 b n 2-1 2/3 c n i/3 i/2 i 0 i i/2 i/3 c n 1/3 1/2 1 0 1 1/2 1/3 A n 0 2 1 2/3 ϕ n π/2 π/2 π/2 π/2 π/2 π/2

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Rozviňme ve Fourierovu řadu periodickou funkci f (t) se základním intervalem periodicity ( π, π] zadanou předpisem t pro t [0, π], f (t) = (42) t pro t ( π, 0), a proved me spektrální analýzu. Graf funkce je znázorněn

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Nejprve ověříme Dirichletovy podmínky: funkce je zřejmě periodická, funkce je spojitá, funkce je diferencovatelná na intervalu (kπ, π + kπ) pro k Z. Můžeme tedy spočítat Fourierovy koeficienty: a 0 = 1 ( π f (t) d t = 1 0 ) π t d t + t d t = π, π π π π 0 a n = 1 ( π f (t) cos(nt) d t = 1 0 t cos(nt) d t + π π π π 2 = πn 2 (( 1)n 1), b n = 1 ( π f (t) sin(nt) d t = 1 0 t sin(nt) d t + π π π π π 0 π 0 t cos(nt) d t t sin(nt) d t ) ) = 0

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Všimněme si, že rozvíjená funkce je sudá, všechny koeficienty b n jsou nulové, příslušná Fourierova řada bude mít pouze kosinové členy. Hledaný rozvoj naší funkce tedy je f (t) = π 2 4 π n=1 cos(2n 1)t (2n 1) 2.

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Součet této řady roven f (t) pro t R. Graf součtu je znázorněn na obrázku

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Částečné součty prvních členů jsou následující: s 2 (t) = π 2 4 ( cos(t) + cos(3t) ) π 9

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 s 3 (t) = π 2 4 π ( cos(t) + cos(3t) + cos(5t) ) 9 25

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Sestavme nyní jednostranné a dvoustranné fázové a amplitudové spektrum: A 0 = a 0 = π/2, 2 2 A n = an 2 + bn 2 = πn 2 (( 1)n 1) + 0 = 2 πn 2 ( 1)n 1, c n = 1 2 (a n ib n ) = 1 ( ) 2 2 πn 2 (( 1)n 1) i0 = 1 πn 2 (( 1)n 1), 0 pro n = ±2, ±4, ±6,..., ϕ n = arg c n = π pro n = ±1, ±3, ±5,....

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Dvoustranné amplitudové spektrum je znázorněno

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Dvoustranné fázové spektrum je znázorněno

Fourierova řada v komplexním oboru Příklad 4 Hodnoty koeficientů jsou uvedeny v následující tabulce: n -3-2 -1 0 1 2 3 a n π 4/π 0 4/(9π) b n 0 0 0 c n 2/(9π) 0 2/π π/2 2/π 0 2/(9π) c n 2/(9π) 0 2/π 0 2/π 0 2/(9π) A n π/2 4/π 0 4/(9π) ϕ n π 0 π π 0 π

Sinová a kosinová řada Věta 2 Bud f (t) lichá funkce s periodou 2π splňující Dirichletovy podmínky. Pak její Fourierův rozvoj obsahuje pouze sinové členy f (t) = b n sin(nt). (43) n=1 Věta 3 Bud f (t) sudá periodická funkce s periodou 2π splňující Dirichletovy podmínky. Pak její Fourierův rozvoj obsahuje pouze kosinové členy f (t) = a 0 2 + a n cos(nt). (44) n=1

Sinová a kosinová řada Necht je funkce f (t) lichá s periodou T = 2l se základním intervalem periodicity ( l, l]. Pak budou všechny koeficienty a n = 0 a b n = 2 l l 0 f (t) sin (n π l t ) d t. Necht je funkce f (t) sudá s periodou T = 2l se základním intervalem periodicity ( l, l]. Pak budou všechny koeficienty b n = 0 a a n = 2 l f (t) cos (n π ) l l t d t. 0 Předpokládejme, že máme na intervalu (0, l] funkci f (t) splňující Dirichletovy podmínky a chceme ji rozvinout ve Fourierovu řadu. Zadanou funkci je možno prodloužit na interval ( l, l]. To můžeme provést tak, že se na intervalu ( l, 0) dodefinuje tak, aby prodloužení bylo sudé či liché.

Sinová a kosinová řada Definice 1 Bud f (t) po částech spojitá funkce na intervalu (0, l]. Liché periodické prodloužení funkce f (t) se základním intervalem periodicity ( l, l] je funkce g(t) definovaná předpisem f (t) pro t [0, l], g(t) = (45) f ( t) pro t ( l, 0). Definice 2 Bud f (t) po částech spojitá funkce na intervalu (0, l]. Sudé periodické prodloužení funkce f (t) se základním intervalem periodicity ( l, l] je funkce g(t) definovaná předpisem f (t) pro t (0, l], g(t) = (46) f ( t) pro t ( l, 0).

Sinová a kosinová řada Řada f (t) = b n sin(nt) (47) n=1 se nazývá sinova Fourierova řada. Řada f (t) = a 0 2 + a n cos(nt) (48) n=1 se nazývá kosinova Fourierova řada.

Sinová a kosinová řada Příklad 5 Rozviňme následující funkci v sinovu a kosinovu Fourierovu řadu f (t) = t sin(t) pro t (0, π]. (49) Sinova Fourierova řada Nejprve provedeme liché prodloužení. Rozvíjená funkce má periodu 2π a základní interval periodicity ( π, π]. Podle Věty 2 platí a n = 0 a b n = 2 l Tedy pro n = 2, 3,... je b n = 2 π π 0 l 0 f (t) sin (n π ) l t d t. t sin(t) sin (nt) d t = 4n π ( 1) n 1 (n 1) 2 (n + 1) 2.

Sinová a kosinová řada Příklad 5 Pro n = 1 dostáváme Daná řada má tvar b 1 = 2 π π f (t) = π 2 sin(t) + 0 n=2 t sin 2 (t) d t = π 2. 4n π ( 1) n 1 (n 1) 2 (n + 1) 2 sin(nt). Liché prodloužení funkce je znázorněno grafem

Sinová a kosinová řada Příklad 5 Kosinova Fourierova řada Nejprve provedeme sudé prodloužení. Rozvíjená funkce má tedy periodu 2π a základní interval periodicity ( π, π]. Podle Věty 3 je b n = 0 a a n = 2 l Tedy pro n = 0, 2, 3,... je a n = 2 π π 0 l 0 f (t) cos (n π ) l t d t. ( 1) n+1 t sin(t) cos (nt) d t = 2 (n 1)(n + 1).

Sinová a kosinová řada Příklad 5 Pro n = 1 dostáváme Daná řada má tvar a 1 = 2 π π 0 t sin(t) cos (t) d t = 1 2. f (t) = 1 + 1 2 cos(t) + ( 1) n+1 2 (n 1)(n + 1) cos(nt). n=2 Sudé prodloužení funkce je znázorněno grafem

Vlastnosti Fourierových řad Věta 4 Pro každou po částech spojitou funkci f (t) na intervalu [a, b] platí b lim n a lim n b a f (t) sin(nt) d t = 0, (50) f (t) cos(nt) d t = 0. (51) Věta 5 (Dirichlet) Vyhovuje-li funkce f (t) Dirichletovým podmínkám, pak daná Fourierova řada funkce f (t) konverguje v každém t k hodnotě Navíc platí 1 (f (t + 0) + f (t 0)). 2 1 2 (f (t + 0) + f (t 0)) = a 0 2 + a n cos(nt) + b n sin(nt). n=1