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

3 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

20290. Новаторство создателей МХТ в области декорационного искусства и технологии 82 KB
  Станиславский Константин Сергеевич Алексеев 17. Опираясь на богатейшую творческую практику и высказывания своих выдающихся предшественников и современников Станиславский заложил прочный фундамент современной науки о театре создал школу направление в сценическом искусстве которое нашло теоретическое выражение в так называемой системе Станиславского. 1877 Станиславский впервые выступил на домашней любительской сцене. Станиславский сыграл десятки комедийных ролей с пением и танцами.
20291. Русская художественная культура 20-х - середины 30-х годов XX века 315 KB
  А русский авангард своеобразный феномен искусства 20 в. но и с новым искусством стиля модерн господствующим в это время повсеместно и во всех видах искусства от архитектуры и живописи до театра и дизайна. Русский художник теоретик искусства и писатель. Был членом объединений Мир искусства и Четыре искусства.
20292. Европейский театр классицизма 78 KB
  В основе классицизма лежат идеи рационализма которые формировались одновременно с таковыми же идеями в философии Декарта. Художественное произведение с точки зрения классицизма должно строиться на основании строгих канонов тем самым обнаруживая стройность и логичность самого мироздания. Интерес для классицизма представляет только вечное неизменное в каждом явлении он стремится распознать только существенные типологические черты отбрасывая случайные индивидуальные признаки.
20293. Свет в театре и на эстраде 56.5 KB
  Его история во многом определялась теми источниками света которые имелись в распоряжении театра в те или иные периоды его развития. особенно в его вторую половину стремительно модернизировались новыми техническими возможностями и расширяли сферу применения света как средства сценической выразительности. С точки зрения эстетической искусство сценического света в 1718 вв.Станиславского партитуры сценического света особенно в чеховских спектаклях на сцене передавались меняющиеся состояния природы утро день вечер ночь; солнечно...
20294. Русская художественная культура середины 50-х - 60-х годов XX века 266.5 KB
  В связи с разоблачением культа личности Сталина происходило преодоление откровенно лакировочного искусства особенно характерного для 30 40х годов. Коммерциализация литературы и искусства привела к распространению произведений не отличающихся высокими художественными достоинствами. В советской культуре наблюдались две противоположные тенденции: искусства политизированного лакирующего действительность и искусства формально социалистического но по существу критически отражающего действительность в силу сознательной позиции художника...
20295. Западно-европейский театр второй половины XIX века 264.5 KB
  Театр XIX в. европейский театр растерял многие свои ценные завоевания. Повсюду в театрах для высшего общества вновь воцарилось величественное но холодное искусство классицизма утратившего после французской революции 1789 1794 гг.
20296. Костюм и декорация 74.5 KB
  В спектаклях первого Русского сезона оформленных Бакстом Клеопатра и Рерихом Половецкие пляски у Бенуа сложились некоторые принципы новой сценографии хореографического театра. Ряд статей Бенуа под рубрикой Русские спектакли в Париже знакомит читателей газеты Речь с ходом сезонов. Они по словам Бенуа не только создавали обрамление в котором блистали Фокин Нижинский Павлова Карсавина Федорова и столько других но им принадлежала генеральная идея спектаклей. Но как бы то ни было в создании мастеров сплотившихся вокруг...
20297. Современная русская художественная культура 78 KB
  Художественная культура современной России. Однако в самой России творчество букеровских лауреатов постоянно вызывало неоднозначную реакцию поэтому в 1995 г. Тополь Завтра в России А. Читателю предлагается непривычная для РУС России было присуще стремление подняться над описательностью и бытовизмом найти тот единственный и точный конкретнозримый образ который воплотил бы в себе всю полноту и драматизм многогранной жизни.
20298. Реализм в сценическом искусстве Европы XIX века 63.5 KB
  Центральной фигурой театральной жизни рубежа XIX XX вв. Наряду с ростом прогрессивных тенденций в развитии европейского театра в последние десятилетия XIX в. все явственнее проявляются признаки глубокого идейнотворческого кризиса театральной культуры. Если раньше черты надвигающегося кризиса проявлялись в отрыве театра от большой литературы в натуралистическом перерождении критического реализма то в конце века театр приобретает иное свойство он становится выражением кризиса всей духовной культуры буржуазного мира.