75610

РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РЯД ФУРЬЕ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

В последнем соотношении колебание самого большого периода, представленное суммой cost и sint, называют колебанием основной частоты или первой гармоникой. Колебание с периодом, равным половине основного периода, называют второй гармоникой

Русский

2015-01-15

282.5 KB

4 чел.

ОС. Лекция 4.

РАЗЛОЖЕНИЕ ФУНКЦИЙ В ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫЙ РЯД ФУРЬЕ

Раньше было показано, что любую функцию f(t) можно представить в виде:

где   - ортонормированные функции.

Коэффициенты сk вычисляются по формуле:

Условие ортонормированности выполняется, если скалярное произведение любых двух функций, входящих в набор, равно нулю, а норма любой функции равна единице:

 

Разложение функции на интервале

Функцию f(t)  можно разложить по системе тригонометрических функций на отрезкеследующим образом:

Коэффициенты , как было показано ранее, можно выразить через скалярные произведения:


В общем виде функцию f(t) можно представить следующим образом:

Коэффициенты называют коэффициентами Фурье, а подобное представление функции называется разложением в ряд Фурье. Иногда такое представление называют действительным разложением в ряд Фурье, а коэффициенты — действительными коэффициентами Фурье. Термин «действительный» вводится для того, чтобы отличить представленное разложение от разложения в ряд Фурье в комплексной форме, о котором мы будем говорить позже. Как уже было сказано раньше, произвольную функцию можно разложить по системе ортогональных функций, даже если функции из этой системы не представляются в виде тригонометрического ряда. Обычно под разложением в ряд Фурье подразумевается разложение в тригонометрический ряд. Если коэффициенты Фурье выразить через , получим:

Поскольку при k = 0 cos(kt) = 1, то константа a0/2 выражает общий вид коэффициента ak при k = 0.

В последнем соотношении  колебание самого большого периода, представленное суммой cost и sint, называют колебанием основной частоты или первой гармоникой. Колебание с периодом, равным половине основного периода, называют второй гармоникой. Колебание с периодом, равным 1/3 основного периода, называют третьей гармоникой и т.д. Как видно из соотношения (5.1) а0 является постоянной величиной, выражающей среднее значение функции f(t). Если функция f(t) представляет собой электрический сигнал, то а0 представляет его постоянную составляющую. Следовательно, все остальные коэффициенты Фурье выражают его переменные составляющие.

Первая гармоника является периодической функцией с периодом 2p. Прочие гармоники также имеют период, кратный 2p. Исходя из этого, при формировании сигнала из составляющих ряда Фурье мы, естественно, получим периодическую функцию с периодом 2p. А если это так, то разложение в ряд Фурье — это, собственно говоря, способ представления периодических функций.

Итак, каждая из гармоник, представленных рядом Фурье, представляет собой сумму вида a*cos(x)+b*sin(x). Эта сумма может быть преобразована к виду :

Лемма. Если сумма квадратов двух действительных чисел равна единице, то одно из этих чисел можно рассматривать как косинус, а другое как синус некоторого угла.

Другими словами, если а2 + b2 = 1, то существует угол φ, такой, что

а = cos φ;  b = sin φ.

Прежде чем доказывать эту лемму, поясним ее на следующем примере:

( \/3/2 )2 + ( 1/2 )2 = 3/4 + 1/4 = 1

Поэтому существует угол φ,  такой,  что   \/3/2 = cos φ;   1/2 = sin φ.

В качестве φ в данном случае можно  выбрать любой   из  углов 30°, 30° ± 360°, 30° ± 2 • 360° и т. д.

Доказательство леммы.

Рассмотрим вектор с координатами (а, b). Поскольку а2 + b2 = 1, длина этого вектора равна 1. Но в таком случае его координаты должны быть равны cos φ и sin φ, где φ — угол, который образует данный вектор с осью абсцисс.

Итак, а = cos φ; b =sin φ, что и требовалось доказать.

Доказанная лемма позволяет преобразовать выражение  a sin х + b cos х к более удобному для изучения виду.

Прежде всего вынесем за скобки выражение \/ а2 + b2

Поскольку

первое из чисел    и     можно   рассматривать   как   косинус   некоторого   угла   φ , а второе как синус того же угла φ:

Но в таком случае

a sin х + b cos х = ( cos φ sin х + sin φ cos х) = sin ( x + φ )

Итак,

a sin х + b cos х  = sin ( x + φ ) , где угол φ определяется из условий


Разложение функции, представленной в дискретизированном виде, в ряд Фурье на интервале

В дискретизированном виде (т.е. в виде набора дискретных значений или, что то же, в виде числового массива, содержащего N значений) функция f(t) на интервале  будет иметь вид:

где N – количество дискретных значений сигнала. При  дискретизированная функция будет приближаться к непрерывной f(t).

Разложение в ряд Фурье будет иметь вид, аналогичный тому, который был получен для случая непрерывного сигнала:

а коэффициенты  :

;

;

.

и коэффициенты a0, ak и bk:

а общий вид разложения:

Ниже приведена программа вычисления коэффициентов разложения для функции y(t)=t .

% Разложение функции t3 в ряд Фурье

%в дискретизированном виде на интервале  

N=255; %Количество отсчетов (элементов массива y(t))

K=16; %Количество членов ряда Фурье

T=pi; %диапазон изменения функции f(i) равен +/-T

kp=2.4; %количество периодов гармонической функции

y=zeros(1,N+1);

Sa = zeros(1,K);

Sb = zeros(1,K);

p=3;% показатель степени функции t^p

f=zeros(1,N+1);

Sa0=0;

for i=1:N+1  

  f(i)=sin(2*pi*kp*(i-1)/N); % гармоническая функция  

 %  f(i)= (2*T*(((i-1-N/2))/N))^p; %функция t^p     

   Sa0=Sa0+f(i);

end

Sa0=Sa0/N

for i=1:N+1

   for j=1:K

       Sa(j) = (Sa(j)+f(i)*cos((j)*2*pi*(i-1-N/2)/N));

       Sb(j) = (Sb(j)+f(i)*sin((j)*2*pi*(i-1-N/2)/N));        

   end

  

end

for j=1:K

   Sa(j)=Sa(j)*(1/(N/2));

   Sb(j)=Sb(j)*(1/(N/2));

end

%Вычисление и отображение спектра амплитуд (начало)

for j=1:K

Sab(j)=sqrt(Sa(j)^2+Sb(j)^2);

end

i=1:K;

figure

plot(i,Sab);

stem(Sab(1:K)); %вывод графика  дискретной последовательности данных

axis([1 8 -0.2 1.2]);%задание осей: [xmin xmax ymin ymax]

title('Амплитуды частотных составляющих спектра');

xlabel('Количество периодов')

axis tight;

%Вычисление и отображение спектра амплитуд (конец)

y=zeros(1,N+1);

for i=1:N+1

   for j=1:K

       y(i)= y(i)+Sa(j)*cos(j*2*pi*(i-1-N/2)/N)+Sb(j)*sin(j*2*pi*(i-1-N/2)/N);        

   end  

    y(i)=Sa0+y(i);

end

i=1:N+1;

figure

plot(i,f);

axis tight;

hold on;

plot(i,y,'r-')

hold off;

pause;

close all;

Рис. 1. Исходная и восстановленная функция t3 при N=128, K=32,p=3.

Примечание. Для разложения четной функции из ряда можно исключить члены, содержащие синусы, для разложения  нечетной –  косинусы. Но можно оставить ряд разложения полностью.

Разложение функции на интервале [-T/2,T/2]

До этого момента мы рассматривали функцию переменной t на отрезке   [-p,p]. В случае периодического сигнала с периодом 2p мы брали этот интервал за основной. В общем случае периодического сигнала с периодом Т при разложении в ряд Фурье мы должны использовать интервал [-Т/2, Т/2]. Если интервал [-p,p] расширить (или сократить) до интервала [-T/2, Т/2], то и период первой гармоники увеличится (или уменьшится) от 2 p до Т. Поскольку кратность этого преобразования равна (Т/2) *p, то составляющие первой гармоники примут вид:

Для составляющих k-й гармоники можно записать:

Следовательно, если функцию f(t) разложить в ряд Фурье на интервале [-Т/2, Т/2], получим:

Если обозначить угловую частоту через , то поскольку , последнее выражение можно записать и в таком виде:

В соотношении, определяющем коэффициенты Фурье на отрезке

произведем замену переменной

а также замену отрезка, на котором берется интеграл

Оставив функцию f(t) без изменения, получим

Аналогичным образом выводится следующее соотношение:

Разложение функции, представленной в дискретизированном виде, в ряд Фурье на интервале [-T,T]

В дискретизированном виде (т.е. в виде набора дискретных значений или, что то же, в виде числового массива, содержащего N значений) функция f(t) на интервале [-T,T] будет иметь вид:

где N – количество дискретных значений сигнала. При  дискретизированная функция будет приближаться к непрерывной f(t).

Разложение в ряд Фурье будет иметь тот же вид, что и при разложении функции в непрерывной форме, а коэффициенты  :

;

;

.

и коэффициенты a0, ak и bk:

а общий вид разложения:

Ниже приведена программа вычисления коэффициентов разложения для функции y(t)=t .

% Разложение функции y(t)=tp в ряд Фурье

% в дискретизированном виде на интервале [0,T], например,

 

N=255; %Количество отсчетов (элементов массива y(t)=t)

K=64;%Количество членов ряда Фурье

T=pi;%диапазон изменения функции f(i)+/-T

kp=2.0

y=zeros(1,N+1);

Sa = zeros(1,K);

Sb = zeros(1,K);

p=3;%показатель степени функции t^p

f=zeros(1,N+1);

Sa0=0;

for i=1:N+1  

   f(i)=sin(2*pi*kp*(i-1)/N); % гармоническая функция   

  % f(i)= (T*(((i-1))/N))^p; %функция t^p, i-1, если p>0, i, если p<0       

   Sa0=Sa0+f(i);  

end

Sa0=Sa0/N

for i=1:N+1

   for j=1:K

       Sa(j) = (Sa(j)+f(i)*cos((j)*2*pi*(i-1)/N));

       Sb(j) = (Sb(j)+f(i)*sin((j)*2*pi*(i-1)/N));        

   end   

end

for j=1:K

   Sa(j)=Sa(j)*(1/(N/2));

   Sb(j)=Sb(j)*(1/(N/2));   

end

%Вычисление и отображение спектра амплитуд (начало)

for j=1:K

Sab(j)=sqrt(Sa(j)^2+Sb(j)^2);

end

i=1:K;

figure

plot(i,Sab);

stem(Sab(1:K)); %вывод графика  дискретной последовательности данных

axis([1 8 -0.2 1.2]);%задание осей: [xmin xmax ymin ymax]

title('Амплитуды частотных составляющих спектра');

xlabel('Количество периодов')

axis tight;

%Вычисление и отображение спектра амплитуд (конец)

y=zeros(1,N+1);

for i=1:N+1

   for j=1:K

       y(i)= y(i)+Sa(j)*cos(j*2*pi*(i-1-N)/N)+Sb(j)*sin(j*2*pi*(i-1-N)/N);        

   end  

    y(i)=Sa0+y(i);

end

i=1:N+1;

figure

plot(i,f);

axis tight;

hold on;

plot(i,y,'r-')

hold off;

pause;

close all;

   

Рис. 2. Исходная и восстановленная функция y=tp после разложения в ряд Фурье, N=128, T=5, p=4,K=16.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

28802. Почему Русь приняла христианство? Какое значение имело принятие христианства для развития страны 13.83 KB
  Культурные связи с более развитыми странами и прежде всего с Византией содействовали принятию христианства. Принятие христианства имело колоссальное политическое и культурное значение в русской истории: 1. Влияние христианства на развитие культуры проявилось в распространении на Русь славянской письменности развитии иконописи.
28803. Каковы причины политической раздробленности на Руси? Дайте характеристику русских княжеств и земель в условиях децентрализации Киевской Руси 15.29 KB
  Причины: борьба за власть рост городов набеги кочевников Киев теряет свое значение 1ВладимироСуздальскаяЮрий Долгоруковвласть принадлежала князю 2Галецко Волынская князь Даниил Романович власть принадлежала боярем князю 3Новгород власть вече народное собрание Последствие раздробленности: новые торговли развитие новых город развитие культур ослабление междоусобных войск и дробление княжеств ослабление центральной власти.
28804. Русь и Золотая Орда. Какие оценки монгольского фактора в истории России существуют в исторической литературе 15.88 KB
  Карамзина состояли в следующем: согласие с татарами позволившее провести 40 мирных лет; большая заслуга перед своей малой Родиной Московским княжеством: обогатил усилил расширил; ЛН Гумилев считал что монголотатарского ига на Руси не было Нашествия Батыя были лишь военным рейдом и последующие события не имеют к нему непосредственного отношения Он утверждал что Великое княжество Владимирское в лице Александра Невского добилось выгодного союза с Золотой Ордой В 1237 г. Батый вторгся в земли Руси. ×Ярлык на княжение зависимые...
28805. Каковы причины возвышения Москвы? Какие еще альтернативы объединения Руси вы могли бы назвать 14.07 KB
  свержение монголотатарского ига Иван III происшедшее мирным путем после отказа платить дань Орде и последующего стояния на Угре русского и татарского войск друг против друга когда хан так и не решился вступить в битву. первый свод законов нового объединенного Русского государства Судебник Ивана III. завершение процесса объединения при сыне Ивана III Василии III.
28806. Образование централизованного Московского государства в 15-16вв. Чем данный процесс в России отличается от западноевропейского 13.91 KB
  Особенностями политической системы Московского царства были: а внутренней: 1 авторитарный характер государственной власти 2 превращения Руси с XV в и единственное в мире независимое православное государство; 3 закрепление политической и культурной изоляции и отставания от Европы; б внешней: 1 огромная территория государства 2 превращение Руси в многонациональное государство Завершающий этап централизации Русского государства связан с именем и царствованием внука Ивана III Ивана Грозного впервые принявшего в 1547 г. Тем самым...
28807. Внешняя политика Советского государства в 20-30-х гг. Почему в данный период не удалось создать систему международной безопасности 15.85 KB
  Почему в данный период не удалось создать систему международной безопасности Внешняя политика СССР в 2030 гг. СССР добился снятия экономической блокады. 1924-1933 годы постепенного признания СССР.В конце 20х годов произошло резкое ухудшение международного положения СССР.
28808. Истоки и причины Второй Мировой войны. Причины поражения СССР на первом этапе ВОВ. Формирование антигитлеровской коалиции 15.85 KB
  Причины поражения СССР на первом этапе ВОВ. Ослабление СССР репрессиями Сталина только в армии было арестовано и убито около 4 млн человек. Пассивность Франции и Великобритании с целью натравить Гитлера на СССР. Стремление каждой страны Европы достичь своих целей участвуя в войне например Польша мечтала напасть на СССР Италия мечтала захватить соседние земли.
28809. Подготовка и осуществление коренного перелома в ВОВ. Путь к победе. Какие события позволяют судить о решающем вкладе СССР в победу над Германией 18.15 KB
  Наибольшего размаха и напряжения военные действия достигли на советскогерманском фронте где летом в вооруженной борьбе принимало участие с обеих сторон более 700 расчетных дивизий до 12 млн. К осени протяженность советскогерманского фронта достигла почти 6200 км максимальной величины за всю войну. В результате героического сопротивления советских войск наступление противника на южном крыле советскогерманского фронта было остановлено. Несмотря на то что на большинстве участков наступление противника было остановлено положение на южном...
28810. СССР в послевоенные годы. Была ли неизбежна «холодная война» 15.58 KB
  И тем не менее с точки зрения выяснения того когда и как она началась думается имеет существенное значение то какими виделись послевоенные отношения между США и СССР Рузвельту и какой линии он намеревался придерживаться в этом вопросе. В последовавшей затем беседе с советским послом президент особо подчеркнул что считает поддержание и развитие дружественных отношений между США и СССР абсолютно необходимыми и соответствующими интересам обеих стран. Вслед за этим вскоре после состоявшейся в ноябре 1943 года в Тегеране встречи руководителей...