积分变换的公式推导以及例子

如果一个以TT为周期的函数f(x)

\bigg[-\frac{T}{2}, \frac{T}{2}\bigg]

上满足狄利克雷条件,即:

1.除去有限个第一类间断点外,处处连续

2.分段单调,单调区间的个数有限

f(x)的fourier级数表示为:

f(t)\approx \frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty }\bigg[a_ncos(nwt) + b_nsin(nwt)\bigg]

\bigg[-\frac{T}{2}, \frac{T}{2}\bigg]

上处处收敛,且在f(x)的连续点处收敛于f(t), 其中,

\omega =\frac{2\pi}{T}

a_0=\frac{2}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)dt

\\a_n=\frac{2}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)cos(n\omega t)dt \quad(n=1,2, 3,\cdots)

\\b_n=\frac{2}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)sin(n\omega t)dt \quad(n=1,2, 3,\cdots)

 在电子通信领域,常常利用欧拉公式:

cos(t)=\frac{e^{it}+e^{-it}}{2}

sin(t)=\frac{e^{it}-e^{-it}}{2i}

所以:

\\f(t)\approx \frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty }\bigg[a_ncos(nwt) + b_nsin(nwt)\bigg]\\=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty }\bigg[ \frac{a_n}{2}(e^{in\omega t}+e^{-in\omega t})-i\cdot \frac{b_n}{2}(e^{in\omega t}-e^{-in\omega t})\bigg]\\=\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty }\bigg[ \frac{a_n-ib_n}{2}e^{in\omega t}+\frac{a_n+ib_n}{2}e^{-in\omega t}\bigg]

令:

c_0=\frac{a_0}{2}

c_n=\frac{a_n-ib_n}{2}

c_{-n}=\frac{a_n+ib_n}{2}

得到fourier级数的复指数形式:

\\f(t)\approx\frac{a_0}{2}+\sum_{n=1}^{\infty }\bigg[ \frac{a_n-ib_n}{2}e^{in\omega t}+\frac{a_n+ib_n}{2}e^{-in\omega t}\bigg]\\= c_0+\sum_{n=1}^{\infty }\bigg(c_ne^{in\omega t} + c_{-n}e^{-in\omega t}\bigg)=\sum_{n=-\infty}^{\infty}C_ne^{in\omega t}

这里面:

C_0=\frac{a_0}{2}=\frac{1}{2}\frac{2}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)dt=\frac{1}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)dt

\\C_n=\frac{a_n-ib_n}{2}=\frac{1}{2}\frac{2}{T}\bigg[\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)cos(n\omega t)dt-i\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)sin(n\omega t)dt\bigg] \\=\frac{1}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)\bigg[cos(n\omega t)-isin(n\omega t)\bigg]dt=\frac{1}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)e^{-in\omega t}dt \quad (n=1,2, 3, \cdots)

同理:

C_{-n}=\frac{1}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)e^{in\omega t}dt \quad (n=1,2, 3, \cdots)

上面的C_0, C_{-n},C_n写为统一的形式为:

C_{n}=\frac{1}{T}\int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)e^{-in\omega t}dt \quad (n=0,\pm1,\pm2, \pm3, \cdots)

\omega _n=n\omega \quad (n=0,\pm1,\pm2, \pm3, \cdots)

则综合上面各式,可得:

\mathbf{f(t)\approx\frac{1}{T}\sum_{n=-\infty }^{\infty}\bigg[ \int^{\frac{T}{2}}_{-\frac{T}{2}}f(t)e^{-i\omega _nt}dt\bigg]e^{i\omega _n t}}


结束!

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