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工程数学 第 15 讲

工程数学 第 15 讲. 本文件可从网址 http://math.vip.sina.com 上下载 ( 单击 'ppt 讲义 ' 后选择 ' 工程数学 ' 子目录 ). 积分变换. 傅里叶 (Fourier) 级数展开. 在工程计算中 , 无论是电学还是力学 , 经常要和随时间而变的周期函数 f T ( t ) 打交道 . 例如 :. 具有性质 f T ( t + T )= f T ( t ), 其中 T 称作周期 , 而 1/ T 代表单位时间振动的次数 , 单位时间通常取秒 , 即每秒重复多少次 , 单位是赫兹 (Herz, 或 Hz). t.

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工程数学 第 15 讲

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  1. 工程数学第15讲 本文件可从网址 http://math.vip.sina.com 上下载 (单击'ppt讲义'后选择'工程数学'子目录)

  2. 积分变换

  3. 傅里叶(Fourier)级数展开

  4. 在工程计算中, 无论是电学还是力学, 经常要和随时间而变的周期函数fT(t)打交道. 例如: • 具有性质fT(t+T)=fT(t), 其中T称作周期, 而1/T代表单位时间振动的次数, 单位时间通常取秒, 即每秒重复多少次, 单位是赫兹(Herz, 或Hz). t

  5. 最常用的一种周期函数是三角函数fT(t)=Asin(wt+j)其中w=2p/T最常用的一种周期函数是三角函数fT(t)=Asin(wt+j)其中w=2p/T • 而Asin(wt+j)又可以看作是两个周期函数 • sinwt和coswt的线性组合 • Asin(wt+j)=asinwt+bcoswt t

  6. 人们发现, 所有的工程中使用的周期函数都可以用一系列的三角函数的线性组合来逼近. 方波 4个正弦波的逼近 100个正弦波的逼近

  7. 研究周期函数实际上只须研究其中的一个周期内的情况即可, 通常研究在闭区间[-T/2,T/2]内函数变化的情况. 并非理论上的所有周期函数都可以用傅里叶级数逼近, 而是要满足狄利克雷(Dirichlet)条件, 即在区间[-T/2,T/2]上 • 1, 连续或只有有限个第一类间断点 • 2, 只有有限个极值点 • 这两个条件实际上就是要保证函数是可积函数.

  8. 第一类间断点和第二类间断点的区别: 第二类间断点 第一类间断点

  9. 不满足狄氏条件的例: • 而在工程上所应用的函数, 尤其是物理量的变化函数, 全部满足狄氏条件. 实际上不连续函数都是严格上讲不存在的, 但经常用不连续函数来近似一些函数, 使得思维简单一些.

  10. 在区间[-T/2,T/2]上满足狄氏条件的函数的全体也构成一个集合, 这个集合在通常的函数加法和数乘运算上也构成一个线性空间V, 此空间的向量就是函数, 线性空间的一切理论在此空间上仍然成立. 更进一步地也可以在此线性空间V上定义内积运算, 这样就可以建立元素(即函数)的长度(范数), 及函数间角度, 及正交的概念. 两个函数f和g的内积定义为:

  11. 一个函数f(t)的长度为

  12. 而在区间[-T/2,T/2]上的三角函数系1, coswt, sinwt, cos 2wt, sin 2wt, ..., cos nwt, sin nwt, ...是两两正交的, 其中w=2p/T, 这是因为cos nwt和sin nwt都可以看作是复指数函数ejnwt的线性组合. 当nm时,

  13. 这是因为

  14. 由此不难验证

  15. 而1, coswt, sinwt, ..., cos nwt, sin nwt, ...的函数的长度计算如下:

  16. 因此, 任何满足狄氏条件的周期函数fT(t), 可表示为三角级数的形式如下:

  17. 为求an, 计算[fT(t), cosnwt], 即

  18. 同理, 为求bn, 计算[fT(t), sin nwt], 即

  19. 最后可得:

  20. 而利用三角函数的指数形式可将级数表示为:

  21. 如令wn=nw (n=0,1,2,...)

  22. 给定fT(t), cn的计算如下:

  23. 例 定义方波函数为 如图所示: f(t) 1 o 1 -1 t

  24. 现以f(t)为基础构造一周期为T的周期函数fT(t), 令T=4, 则 f4(t) -1 1 3 t T=4

  25. 则

  26. sinc函数介绍

  27. sinc函数的图形: sinc(x) x

  28. 前面计算出 w

  29. 现在将周期扩大一倍, 令T=8, 以f(t)为基础构造一周期为8的周期函数f8(t) f8(t) -1 1 7 t T=8

  30. 则

  31. 则在T=8时, w

  32. 如果再将周期增加一倍, 令T=16, 可计算出 w

  33. 一般地, 对于周期T

  34. 当周期T越来越大时, 各个频率的正弦波的频率间隔越来越小, 而它们的强度在各个频率的轮廓则总是sinc函数的形状, 因此, 如果将方波函数f(t)看作是周期无穷大的周期函数, 则它也可以看作是由无穷多个无穷小的正弦波构成, 将那个频率上的轮廓即sinc函数的形状看作是f(t)的各个频率成份上的分布, 称作f(t)的傅里叶变换.

  35. 对任何一个非周期函数f(t)都可以看成是由某个周期函数fT(t)当T时转化而来的. 作周期为T的函数fT(t), 使其在[-T/2,T/2]之内等于f(t), 在[-T/2,T/2]之外按周期T延拓到整个数轴上, 则T越大, fT(t)与f(t)相等的范围也越大, 这就说明当T时, 周期函数fT(t)便可转化为f(t), 即有

  36. f(t) fT1(t) fT2(t) t t t O O O

  37. 如图 { { { { w Ow1w2w3wn-1wn

  38. 此公式称为函数f(t)的傅里叶积分公式, 简称傅氏积分公式,

  39. 傅氏积分定理 若f(t)在(-, +)上满足条件: 1, f(t)在任一有限区间上满足狄氏条件; 2, f(t)在无限区间(-, +)上绝对可积, 则有

  40. (1.4)式也可以转化为三角形式

  41. 又考虑到积分

  42. 作业 习题一 第8页 第1,2题

  43. 请提问

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