75608

РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯДЫ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Ортонормированный базис Для представления одномерных величин достаточно одного параметра. Возникает вопрос нельзя ли ввести ортонормированную систему в пространство функций так же как она вводится для векторного пространства Иначе говоря нельзя ли ввести множество взаимно перпендикулярных единичных функций Если это возможно то рассматриваемую функцию можно выразить в виде линейной комбинации таких функций. Рассмотрим некоторое множество функций семейство функций. Если число этих функций невелико можно...

Русский

2015-01-15

259.5 KB

4 чел.

ОС.Лекция 2

РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В РЯДЫ

Ортонормированный базис

Для представления одномерных величин достаточно одного параметра. Например, при измерении длины используют один стандарт величины (сантиметры, миллиметры). Если принять, что 1 см – единица измерения, то 5см больше 1 см в 5 раз, следовательно, выражается как 5 единиц. Так же и в векторном пространстве принято выбирать единицу измерения, которая выражает стандарт величины. Однако в двумерном пространстве одного параметра, измеряющего величину, недостаточно. Необходимо два параметра.

Пара взаимно перпендикулярных векторов {v1,v2} называется ортогональным базисом. Кроме того, если , то эта пара называется ортонормированным базисом. Вектор с нормой, равной 1, называется единичным вектором. Иначе говоря, единичный вектор, это вектор, выражающий величину одной единицы измерения. Следовательно, ортонормированный базис представляет собой пару взаимно перпендикулярных единичных векторов, которые в совокупности с парой параметров дают величину вектора.

Выразим вектор f через векторы ортонормированного базиса v1 и v2 и совокупность коэффициентов С1 и С2:

f = C1v1+C2v2

Коэффициенты С1 и С2 выражфют величину составляющих вектора f в направлении v1 и в направлении v2. Иначе говоря, определяют величину вектора. Любой вектор на плоскости можно выразить через это соотношение. Векторы C1v1 и  C2v2 называются проекциями вектора f .

Пусть дан вектор f и заранее образована система базисных векторов {v1,v2}. Для того, чтобы выразить вектор f через базис  {v1,v2} необходимо знать, как получить коэффициенты С1 и С2. Забегая вперед, представим коэффициенты С1 и С2 как скалярные произведения вектора f на каждый из векторов v1 и v2 .

А теперь покажем, как выводится эта формула. Пусть

Найдем скалярное произведение левой и правой частей равенства и вектора v1

Согласно свойствам базиса

И так как правая часть равна С1, то справедливо равенство:

Подобным образом можно получить выражение для С2:

Ортонормированный базис – это множество взаимно перпендикулярных единичных векторов. Множество векторов {vk, k=1,2,…N}

в N – мерном пространстве, где

(т.е. vm  vn взаимно перпендикулярны и являются единичными), называется ортонормированным базисом.

Если все векторы взаимно перпендикулярны, то ни один из них нельзя выразить через другие векторы. Иначе говоря, они независимы.

Используя ортонормированный базис, можно представить вектор в виде линейной комбинации базисных векторов. Иначе говоря, N – мерный вектор можно представить в виде:

В этой формуле, по аналогии с приведенной ранее, коэффициент Ck выражается как:

Коэффициент Ck показывает величину составляющей вектора f в направлении вектора  и выражается в виде скалярного произведения f  и  vk .

Возникает вопрос, нельзя ли ввести ортонормированную систему в пространство функций так же, как она вводится для векторного пространства? Иначе говоря, нельзя ли ввести множество взаимно перпендикулярных единичных функций? Если это возможно, то рассматриваемую функцию можно выразить в виде линейной комбинации таких функций. То есть ее можно разложить на составляющие – функции, свойства которых известны заранее.

Рассмотрим некоторое множество функций (семейство функций). Если число этих функций невелико, можно обозначить их, используя алфавит, как {f(t), g(t), h(t),…}. Для того чтобы выразить множество, включающее бесконечно большое число функций, можно обозначить их, используя нижний индекс

Будем считать, что любые две функции из этого семейства функций на интервале [a, b] взаимно перпендикулярны. Иначе говоря, если скалярное произведение

то семейство этих функций называется системой ортогональных функций. Кроме того, если  норма каждой из этих функций равна 1:

то это семейство называется ортонормированной системой функций.

С помощью ортонормированной системы функций функцию f(t) можно выразить следующим образом.

Из этого соотношения понятно, что коэффициент Ck выражает долю составляющей fk(t) функции f(t). Мы уже знаем, что для вывода выражения Ck  нужно взять скалярное произведение f(t) и fk(t). Из предыдущих соотношений получим:

По определению системы ортонормированных функций, скалярное произведение всех комбинаций с равно нулю, поэтому в итоге в правой части равенства остается лишь Ck. Следовательно,

На конкретном примере рассмотрим, какая система функций является системой ортонормированных функций? Например, образует ли система функций

на отрезке систему ортонормированных функций? Для того, чтобы исследовать это, нужно провести следующие вычисления:

Следовательно, 1 и sin nt взаимно перпендикулярны. Если , то

Используя формулу преобразования тригонометрических выражений

получим:

Т.е. sin mt и sin nt () также взаимно перпендикулярны.

Из вышеизложенных результатов следует, что множество функций {1, sin t, sin 2t, …} образуют систему ортогональных функций. Однако норма каждой функции

не равна 1, а значит, функции не являются ортонормированными.

Если норма функции f(t) не равна 1, то создадим новую функцию f*(t):

Очевидно, что норма f*(t) равна 1. Подобная операция называется нормировкой системы функций. В нашем случае

поэтому, представляя исходную систему функций в новом виде:

получим множество функций, образующих систему ортонормированных функций.

Однако, как будет показано далее, выполнение условия ортонормированности системы функций является необходимым условием возможности разложения по системе функций, но не является достаточным условием возможности разложения.

Практические задания

1. Докажите, что периодические сигналы, изображенные ниже на рисунке, соответствуют условию ортогональности.

2. Докажите, что множество функций

образует на отрезке систему ортонормированных функций.

 

PAGE  1


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

49926. Электроснабжение жилого района города 19.28 MB
  Все здания, представленные на плане застройке, являются жилыми. Общественные здания располагаются на первых этажах зданий (соответственно, первый этаж нежилой). Во всех корпусах предусмотрена подземная парковка на 100 машин мест.
49929. Проектирование участка ТО-2 на 323 автомобилей КамАЗ-5320 680.5 KB
  При ТО2 проводят более глубокую проверку состояния всех механизмов и приборов автомобиля со снятием приборов питания и электрооборудования для контроля и регулировки в специализированных цехах выполнение в установленном объёме крепёжных регулировочных смазочных и других работ обслуживание узлов и агрегатов со снятием кроме базовых с автомобиля. Общая информация по тягачам КамАЗ5320: Тягач Назначение: Автомобиль тягач предназначенный для работы преимущественно с прицепами Марка: КамАЗ Модель серия: 5320 Технические...
49930. Общая микробиология, вирусология и иммунология 509.5 KB
  В учебном пособии представлены краткие материалы в виде лекций по основным направлениям общей и частной бактериологии, вирусологии и иммунологии в соответствии с Программой по микробиологии, вирусологии, иммунологии для студентов лечебных, медико - профилактических и педиатрических факультетов высших медицинских учебных заведений
49931. Участок автоматизированной технологической линии для производства детали типа вал вторичный 2.45 MB
  Стоимость основного технологического оборудования определяется по выражению: где балансовая стоимость единицы основного технологического оборудования занятого на iой операции определяемая по выражению: где оптовая цена оборудования по прейскуранту; коэффициент транспортно-заготовительных расходов; коэффициент строительно-монтажных расходов; коэффициент пусконаладочных расходов. Базовый вариант Проектный вариант руб.
49932. Электропривод подъемного механизма крана 286.47 KB
  К их числу относятся доставка сырья и полуфабрикатов к истокам технологических процессов и межоперационные перемещения изделий в процессе обработки погрузочно-разгрузочные работы на складах железнодорожных станциях и т. Основное внимание уделяется задаче регулирования координат тока и скорости. Грузоподъемность кг 7000 Масса захватного приспособления кг 25 Диаметр барабана мм 550 Передаточное число редуктора 50 Кратность полиспаста 1 КПД передачи 093 Скорость подъема м мин 15 Высота подъема м 17 Продолжительность включения механизма...
49933. Проект районної електричної мережі 5.1 MB
  Робота виконується з метою розробки ескізного проекту районної електричної мережі. Мета роботи - спроектувати електричну мережу провести розрахунок режиму максимальних навантажень розрахувати післяаварійний режим та зробити аналіз режимів електричної мережі. ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ Кафедра Електричні системи і мережі Дисципліна Електричні системи і мережі Спеціальність
49934. Эффект полного внутреннего отражения в оптических волноводах 4.38 MB
  С изобретением зеркал для передачи сигналов на значительные расстояния в качестве источника света стало использоваться солнце. Развитие подобных методов сдерживалось изза отсутствия хороших источников света и надежных каналов передачи с низкими потерями. не продемонстрировали что затухание света в волокне из плавленого кварца настолько мало что позволяет создавать протяженные линии связи. Рисунок 1 Пучок оптических волокон Оптическое волокно имеет световедущую сердцевину с показателем преломления света n1 окружённую оболочкой с...