Тригонометрические ряды и их свойства. Числовые ряды повышенной сложности

Тригонометрические ряды Определение. Функция /(ж), определенная на неограниченном множестве D, называется периодической, если существует число Т Ф 0 такое, что для каждого ж.€ D выполняется условие. Наименьшее из таких чисел Т называется периодом функции f(x). Пример 1. Функция определенная на интервале является периодической, так как существует число Т = 2* ф О такое, что для всех х выполняется условие. Таким образом, функция sin х имеет период Т = 2ж. То же самое относится и к функции Пример 2. Функция определенная на множестве D чисел является периодической, так как существует число Т Ф 0, а именно, Т = такое, что для х 6 D имеем Определение. Функциональный ряд вида ао РЯДЫ ФУРЬЕ Тригонометрические ряды Ортогональность тригонометрической системы Тригонометрический ряд Фурье Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье называется тригонометрическим рядом, а постоянные а0, а„, Ьп (n = 1, 2,...) называются коэффициентами тригонометрического ряда (1). Частичные суммы 5п(ж) тригонометрического ряда (1) являются линейными комбинациями функций из системы функций которая называется тригонометрической системой. Так как членами этого ряда являются периодические функции с периодом 2л-, то в случае сходимости ряда (I) его сумма S(x) будет периодической функцией с периодом Т = 2тт: Определение. Разложить периодическую функцию f(x) с периодом Т = 2п в тригонометрический ряд (1) означает найти сходящийся тригонометрический ряд, сумма которого равна функции /(х). . Ортогональность тригонометрической системы Определение. Функции f(x) и д(х), непрерывные на отрезке [а, 6], называются ортогональными на этом отрезке, если выполнено условие Например, функции ортогональны на отрезке [-1,1], так как Определение. Конечная или бесконечная система функций, интегрируемых на отрезке [а, Ъ], называется ортогональной системой на отрезке [а, 6), если для любых номеров тип таких, что т Ф п, выполняется равенство Теорема 1. Тригонометрическая система ортогональна на отрезке При любом целом п Ф О имеем С помощью известных формул тригонометрии для любых натуральных m и n, m Ф n, находим: Наконец, в силу формулы для любых целых тип получаем Тригонометрический ряд Фурье Поставим себе задачей вычислить коэффициенты тригонометрического ряда (1), зная функцию Теорема 2. Пусть равенство имеет место для всех значений х, причем ряд в правой части равенства сходится равномерно на отрезке [-зг, х]. Тогда справедливы формулы Из равномерной сходимости ряда (1) вытекает непрерывность, а значит, и интегрируемость функции /(х). Поэтому равенства (2) имеют смысл. Более того, ряд (1) можно почленно интегрировать. Имеем откуда и следует первая из формул (2) для п = 0. Умножим теперь обе части равенства (1) на функцию cos mi, где т - произвольное натуральное число: Ряд (3), как и ряд (1), сходится равномерно. Поэтому его можно интегрировать почленно, Все интегралы в правой части, кроме одного, который получается при п = т, равны нулю в силу ортогональности тригонометрической системы. Поэтому откуда Аналогично, умножая обе части равенства (1) на sinmx и интегрируя от -тг до т, получим откуда Пусть дана произвольная периодическая функция f(x) периода 2*, интегрируемая на отрезке *]. Можно ли ее представить в виде суммы некоторого сходящегося тригонометрического ряда, заранее неизвестно. Однако по формулам (2) можно вычислить постоянные а„ и Ьп. Определение. Тригонометрический ряд коэффициенты oq, ап, Ь„ которого определяются через функцию f(x) по формулам РЯДЫ ФУРЬЕ Тригонометрические ряды Ортогональность тригонометрической системы Тригонометрический ряд Фурье Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье называется тригонометрическим рядом Фурье функции f(x), а коэффициенты а„, bnt определяемые по этим формулам, называются коэффициентами Фурье функции /(ж). Каждой интегрируемой на отрезке [-тг, -к] функции f(x) можно поставить в соответствие ее ряд Фурье т.е. тригонометрический ряд, коэффициенты которого определяются по формулам (2). Однако если от функции f(x) не требовать ничего, кроме интегрируемости на отрезке [--я*, тг], то знак соответствия в последнем соотношении, вообще говоря, нельзя заменить знаком равенства. Замечание. Часто требуется разложить в тригонометрический ряд функцию /(х), определенную только на отрезке (-*, п\ и, следовательно, не являющуюся периодической. Так как в формулах (2) для коэффициентов Фурье интегралы вычисляются по отрезку *], то для такой функции тоже можно написать тригонометрический ряд Фурье. Вместе с тем, если продолжить функцию f(x) периодически на всю ось Ох, то получим функцию F(x), периодическую с периодом 2п, совпадающую с /(х) на интервале (-ir, л): . Эту функцию F(x) называют периодически.^ продагжением функции /(х). При этом функция F(x) не имеет однозначного определения в точках х = ±п, ±3гг, ±5тг,.... Ряд Фурье для функции F(x) тождествен ряду Фурье для функции /(х). К тому же, если ряд Фурье для функции /(х) сходится к ней, то его сумма, являясь периодической функцией, дает периодическое продолжение функции /(х) с отрезка |-jt, п\ на всю ось Ох. В этом смысле говорить о ряде Фурье для функции /(х), определенной на отрезке (-я-, jt|, равносильно тому, что говорить о ряде Фурье для функции F(x), являющейся периодическим продолжением функции /(х) на всю ось Ох. Отсюда следует, что признаки сходимости рядов Фурье достаточно сформулировать для периодических функций. §4. Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье Приведем достаточный признак сходимости ряда Фурье, т. е. сформулируем условия на заданную функцию, при выполнении которых построенный по ней ряд Фурье сходится, и выясним, как при этом ведет себя сумма этого ряда. Важно подчеркнуть, что хотя приведенный ниже класс кусочно-монотонных функций и является достаточно широким, функции, ряд Фурье для которых сходится, им не исчерпываются. Определение. Функция f(x) называется кусочно-монотонной на отрезке [а, 6], если этот отрезок можно разбить конечным числом точек на интервалы, на каждом из которых f(x) монотонна, т.е. либо не убывает, либо не возрастает (см. рис. 1). Пример 1. Функция является кусочно-монотонной на интервале (-оо,оо), так как этот интервал можно разбить на два интервала (-сю, 0) и (0, +оо), на первом из которых она убывает (и значит, не возрастает), а на втором возрастает (и значит, не убывает). Пример 2. Функция кусочно-монотонна на отрезке [-зг, jt|, так как этот отрезок можно разбить на два интервала на первом из которых cos я возрастает от -I до +1, а на втором убывает от. Теорема 3. Функция f(x), кусочно-монотонная и ограниченная на отрезке (а, Ь], может иметь на нем только точки разрыва первого рода. Л Пусть, например, - точка разрыва функции /(ж). Тогда в силу ограниченности функции f(x) и монотонности по обе стороны отточки с существуют конечные односторонние пределы Это означает, что точка с есть точка разрыва первого рода (рис. 2). Теорема 4. Если периодическая функция /(ж) с периодом 2тг кусочно-монотонна и ограничена на отрезке [-т, т), то ее ряд Фурье сходится в каждой точке х этого отрезка, причем для суммы этого ряда выполняются равенства: ПрммерЗ. Функция /(z) периода 2jt, определяемая на интервале (-*,*) равенством (рис. 3), удовлетворяет условиям теоремы. Поэтому ее можно разложить в ряд Фурье. Находим для нее коэффициенты Фурье: Ряд Фурье для данной функции имеет вид Пример 4. Разложить функцию в ряд Фурье (рис.4) на интервале Данная функция удовлетворяет условиям теоремы. Найдем коэффициенты Фурье. Используя свойство аддитивности определенного интеграла, будем иметь РЯДЫ ФУРЬЕ Тригонометрические ряды Ортогональность тригонометрической системы Тригонометрический ряд Фурье Достаточные условия разложимости функции в ряд Фурье Следовательно, ряд Фурье имеет следующий вид: На концах отрезка (-я, ir], т. е. в точках х = -х и х = х, которые являются точками разрыва первого рода, будем иметь Замечание. Если в найденном ряде Фурье положить х = 0, то получим откуда

В науке и технике часто приходится иметь дело с периодическими явлениями, т.е. такими, которые воспроизводятся через определённый промежуток времени T , называемый периодом. Простейшей из периодических функций (если не считать постоянной) является синусоидальная величина: Asin (x + ), гармоническое колебание, где есть «частота», связанная с периодом соотношением: . Из таких простейших периодических функций могут быть составлены более сложные. Очевидно, что составляющие синусоидальные величины должны быть разных частот, так как сложение синусоидальных величин одной и той же частоты приводит к синусоидальной величине той же частоты. Если сложить несколько величин вида

Для примера мы воспроизводим здесь сложение трех синусоидальных величин: . Рассмотрим график этой функции

Этот график значительно отличается от синусоиды. Еще в большей степени это имеет место для суммы бесконечного ряда, составленного из слагаемых этого вида. Поставим вопрос: можно ли данную периодическую функцию периода Т представить в виде суммы конечного или хотя бы бесконечного множества синусоидальных величин? Оказывается, по отношению к большому классу функций на этот вопрос можно дать утвердительный ответ, но это только если привлечь именно всю бесконечную последовательность таких слагаемых. Геометрически это означает, что график периодической функции получается путем наложения ряда синусоид. Если же рассматривать каждую синусоидальную величину как некоторое гармоническое колебательное движение, то можно сказать, что это сложное колебание, характеризуемое функцией или просто ее гармониками (первой, второй и т. д.). Процесс разложения периодической функции на гармоники носит название гармонического анализа.

Важно отметить, что подобные разложения часто оказываются полезными и при исследовании функций, заданных лишь в определенном конечном промежутке и вовсе не порожденных никакими колебательными явлениями.

Определение. Тригонометрическим рядом называется ряд вида:

Или (1).

Действительные числа называются коэффициентами тригонометрического ряда. Этот ряд можно записать и так:

Если ряд представленного выше типа сходится, то его сумма является периодической функцией с периодом 2p.

Определение. Коэффициентами Фурье тригонометрического ряда называются: (2)

(3)

(4)

Определение. Рядом Фурье для функции f(x) называется тригонометрический ряд, коэффициенты которого являются коэффициентами Фурье.

Если ряд Фурье функции f(x) сходится к ней во всех ее точках непрерывности, то говорят, что функция f(x) разлагается в ряд Фурье.

Теорема. (Теорема Дирихле) Если функция имеет период 2p и на отрезке непрерывна или имеет конечное число точек разрыва первого рода, отрезок можно разбить на конечное число отрезков так, что внутри каждого из них функция монотонна, то ряд Фурье для функции сходится при всех значениях х , причем в точках непрерывности функции его сумма S(x) равна , а в точках разрыва его сумма равна , т.е. среднему арифметическому предельных значений слева и справа.

При этом ряд Фурье функции f(x) сходится равномерно на любом отрезке, который принадлежит интервалу непрерывности функции .

Функция, удовлетворяющая условиям этой теоремы, называется кусочно – гладкой на отрезке .

Рассмотрим примеры на разложение функции в ряд Фурье.

Пример 1 . Разложить в ряд Фурье функцию f(x)=1-x , имеющую период 2p и заданную на отрезке .

Решение . Построим график этой функции

Эта функция непрерывна на отрезке , то есть на отрезке длиной в период, поэтому допускает разложение в ряд Фурье, сходящейся к ней в каждой точке этого отрезка. По формуле (2) найдем коэффициент этого ряда: .

Применим формулу интегрирования по частям и найдем и по формулам (3) и (4) соответственно:

Подставляя коэффициенты в формулу (1), получаем или .

Это равенство имеет место во всех точках, кроме точек и (точки склейки графиков). В каждой из этих точек сумма ряда равна среднему арифметическому ее предельных значений справа и слева, то есть .

Приведем алгоритм разложения функции в ряд Фурье.

Общий порядок решения поставленной задачи сводится к следующему.

По косинусам и синусам кратных дуг, т. е. ряд вида

или в комплексной форме

где a k , b k или, соответственно, c k наз. коэффициентами Т. р.
Впервые Т. р. встречаются у Л. Эйлера (L. Euler, 1744). Он получил разложения

В сер. 18 в. в связи с исследованиями задачи о свободном колебании струны возник вопрос о возможности представления функции, характеризующей начальное положение струны, в виде суммы Т. р. Этот вопрос вызвал острые споры, продолжавшиеся несколько десятилетий, лучших аналитиков того времени - Д. Бернулли (D. Bernoulli), Ж. Д"Аламбера (J. D"Alembert), Ж. Лагранжа (J. Lagrange), Л. Эйлера (L. Eu1ег). Споры относились к содержанию понятия функции. В то время функции обычно связывались с их аналитич. аданием, что приводило к рассмотрению только аналитических или кусочно аналитических функций. А здесь появилась необходимость для функции, графиком к-рой является достаточно произвольная , построить Т. р., представляющий эту функцию. Но значение этих споров больше. Фактически в них обсуждались или возникли в связи с ними вопросы, связанные со многими принципиально важными понятиями и идеями математич. анализа вообще,- представление функций рядами Тейлора и аналитич. родолжение функций, использование расходящихся рядов, пределов, бесконечные системы уравнений, функций многочленами и др.
И в дальнейшем, как и в этот начальный , теория Т. р. служила источником новых идей математи. интеграл Фурье, почти периодические функции, общие ортогональные ряды, абстрактный . Исследования по Т. р. послужили исходным пунктом при создании теории множеств. Т. р. являются мощным средством представления и исследования функций.
Вопрос, приведший к спорам математиков 18 в., был решен в 1807 Ж. Фурье (J. Fourier), указавшим формулы для вычисления коэффициентов Т. р. (1), к-рый должен. представлять на функцию f(x):

и применившим их при решении задач теплопроводности. Формулы (2) получили название формул Фурье, хотя они встречались ранее у А. Клеро (A. Clairaut, 1754), а Л. Эйлер (1777) приходил к ним с помощью почленного интегрирования. Т. р. (1), коэффициенты к-рого определяются по формулам (2), наз. рядом Фурье функции f, а числа а k , b k - коэффициентами Фурье.
Характер получаемых результатов зависит от того, как понимается представление функции рядом, как понимается интеграл в формулах (2). Современный теория Т. р. приобрела после появления интеграла Лебега.
Теорию Т. р. можно условно разделить на два больших раздела - теорию Фурье рядов, в к-рой предполагается, что ряд (1) является рядом Фурье нек-рой функции, и теорию общих Т. р., где такое предположение не делается. Ниже указываются основные результаты, полученные в теории общих Т. р. (при этом множеств и измеримость функций понимаются по Лебегу).
Первым систематич. исследованием Т. р., в к-ром не предполагалось, что эти ряды являются рядами Фурье, была диссертация В. Римана (В. Riemann, 1853). Поэтому теорию общих Т. р. наз. иногда римановской теорией Т. р.
Для изучения свойств произвольного Т. р. (1) со стремящимися к нулю коэффициентами Б. Риман рассматривал непрерывную функцию F(х), являющуюся суммой равномерно сходящегося ряда

полученного после двукратного почленного интегрирования ряда (1). Если ряд (1) сходится в нек-рой точке хк числу s, то в этой точке существует и равна s вторая симметрич. функции F:

то это приводит к суммированию ряда (1), порождаемому множителями наз. методом суммирования Римана. С помощью функции Fформулируется принцип локализации Римана, согласно к-рому поведение ряда (1) в точке хзависит только от поведения функции Fв произвольно малой окрестности этой точки.
Если Т. р. сходится на множестве положительной меры, то его коэффициенты стремятся к нулю ( Кантора - Лебега). Стремление к нулю коэффициентов Т. р. следует также из его сходимости на множестве второй категории (У. Юнг, W. Young, 1909).
Одной из центральных проблем теории общих Т. р. является задача о представлении произвольной функции Т. р. Усилив результаты Н. Н. Лузина (1915) о представлении функций Т. р., суммируемыми методами Абеля - Пуассона и Римана, Д. Е. Меньшов доказал (1940) следующую теорему, относящуюся к наиболее важному случаю, когда представление функции f понимается как Т. р. к f (x)почти всюду. Для каждой измеримой и конечной почти всюду функции f существует Т. р., сходящийся к ней почти всюду (теорема Меньшова). Следует отметить, что если даже f интегрируема, то в качестве такого ряда нельзя, вообще говоря, взять ряд Фурье функции f, т. к. существуют ряды Фурье, расходящиеся всюду.
Приведенная теорема Меньшова допускает следующее уточнение: если функция f измерима и конечна почти всюду, то существует такая что почти всюду и почленно продифференцированный ряд Фурье функции j сходится к f(х)почти всюду (Н. К. Бари, 1952).
Неизвестно (1984), можно ли в теореме Меньшова опустить условие конечности функции f почти всюду. В частности, неизвестно (1984), может ли Т. р. сходиться почти всюду к
Поэтому задача о представлении функций, к-рые могут принимать бесконечные значения на множестве положительной меры, была рассмотрена для случая, когда заменяется на более слабое требование - . Сходимость по мере к функциям, к-рые могут принимать бесконечные значения, определяется так: частных сумм Т. p. s n (x)сходится по мере к функции f(х). если где f n (x)сходятся к / (х)почти всюду, а последовательность сходится по мере к нулю. В этой постановке вопрос о представлении функций решен до конца: для каждой измеримой функции существует Т. р., сходящийся к ней по мере (Д. Е. Меньшов, 1948).
Много исследований посвящено проблеме единственности Т. р.: могут ли два разных Т. расходиться к одной и той же функции; в др. формулировке: если Т. р. сходится к нулю, то следует ли отсюда, что все коэффициенты ряда равны нулю. Здесь можно иметь в виду сходимость во всех точках или во всех точках вне нек-рого множества. Ответ на эти вопросы существенно зависит от свойств того множества, вне к-рого сходимость не предполагается.
Установилась следующая терминология. Множество наз. единственности множеством или U- множеством, если из сходимости Т. р. к нулю на всюду, кроме, быть может, точек множества Е, следует, что все коэффициенты этого ряда равны нулю. В противном случае Еназ. М-множеством.
Как показал Г. Кантор (G. Cantor, 1872), а также любое конечное являются U-множествами. Произвольное также является U-множеством (У. Юнг, 1909). С др. стороны, каждое множество положительной меры является М-множеством.
Существование М-множеств меры было установлено Д. Е. Меньшовым (1916), к-рый построил первый пример совершенного множества, обладающего этими свойствами. Этот результат имеет принципиальное значение в проблеме единственности. Из существования М-множеств меры нуль следует, что при представлении функций Т. р., сходящимися почти всюду, эти ряды определяются заведомо неоднозначно.
Совершенные множества могут быть и U-множествами (Н. К. Бари; А. Райхман, A. Rajchman, 1921). В проблеме единственности существенную роль играют весьма тонкие характеристики множеств меры нуль. Общий вопрос о классификации множеств нулевой меры на М- и U-множества остается (1984) открытым. Он не решен даже для совершенных множеств.
К проблеме единственности примыкает следующая задача. Если Т. р. сходится к функции то должен ли этот ряд быть рядом Фурье функции /. П. Дюбуа-Реймон (P. Du Bois-Reymond, 1877) дал положительный ответ на этот вопрос, если f интегрируема в смысле Римана, а ряд сходится к f(х)во всех точках. Из результатов III. Ж. Bалле Пуссена (Ch. J. La Vallee Poussin, 1912) следует, что ответ положителен и в том случае, когда всюду, кроме счетного множества точек, ряд сходится и его сумма конечна.
Если Т. р, в нек-рой точке x 0 сходится абсолютно, то точки сходимости этого ряда, а также точки его абсолютной сходимости расположены симметрично относительно точки x 0 (П. Фату, P. Fatou, 1906).
Согласно Данжуа - Лузина теореме из абсолютной сходимости Т. р. (1) на множестве положительной меры следует сходимость ряда и, следовательно, абсолютная сходимость ряда (1) для всех х. Этим свойством обладают и множества второй категории, а также нек-рые множества меры нуль.
Приведенный обзор охватывает только одномерные Т. р. (1). Имеются отдельные результаты, относящиеся к общим Т. р. от нескольких переменных. Здесь во многих случаях нужно еще найти естественные постановки задач.

Лит. : Бари Н. К., Тригонометрические ряды, М., 1961; Зигмунд А., Тригонометрические ряды, пер. с англ., т. 1-2, М., 1965; Лузин Н. Н., Интеграл и тригонометрический ряд, М.- Л., 1951; Риман Б., Соч., пер. с нем., М.- Л., 1948, с. 225-61.
С. А. Теляковский.

Математическая энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . И. М. Виноградов . 1977-1985 .

Смотреть что такое "ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЙ РЯД" в других словарях:

Ряд вида, где коэффициенты a0, а1, b1, а2, b2 ... не зависят от переменного х … Большой Энциклопедический словарь

В математике, тригонометрический ряд это любой ряд вида: Тригонометрический ряд называется рядом Фурье функции, если коэффициенты и определяются следующим образом … Википедия

Функциональный ряд вида, (1) то есть ряд, расположенный по синусам и косинусам кратных дуг. Часто Т. р. записываются в комплексной форме Числа an, bn или cn называют коэффициентами Т.… … Большая советская энциклопедия

Ряд вида, где коэффициент а0, a1, b1, a2, b2, ... не зависят от переменного х. * * * ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЙ РЯД ТРИГОНОМЕТРИЧЕСКИЙ РЯД, ряд вида, где коэффициенты a0, а1, b1, а2, b2 ... не зависят от переменного х … Энциклопедический словарь

Тригонометрический ряд Фурье представление произвольной функции с периодом в виде ряда (1) или используя комплексную запись, в виде ряда: . Содержание … Википедия

бесконечный тригонометрический ряд Фурье - — Тематики электросвязь, основные понятия EN Fourier series … Справочник технического переводчика

Вводные замечания

Мы рассмотрим выражения ряда Фурье в тригонометрической и комплексной форме, а также уделим внимание условиям Дирихле сходимости ряда Фурье. Кроме того, мы подробно остановимся на пояснении такого понятия как отрицательная частота спектра сигнала, которое часто вызывает сложность при знакомстве с теорией спектрального анализа.

Периодический сигнал. Тригонометрический ряд Фурье

В качестве примера на рисунке 1 показана последовательность прямоугольных импульсов длительности c, повторяющиеся с периодом с.

Рисунок 1. Периодическая последовательность

Прямоугольных импульсов

Из курса математического анализа известно , что система тригонометрических функций

Условия Дирихле сходимости ряда Фурье требуют, чтобы периодический сигнал был задан на сегменте , при этом удовлетворял следующим условиям:

Например, периодическая функция не удовлетворяет условиям Дирихле, потому что функция имеет разрывы второго рода и принимает бесконечные значения при , где — произвольное целое. Таким образом, функция не может быть представлена рядом Фурье. Также можно привести пример функции , которая является ограниченной, но также не удовлетворяет условиям Дирихле, поскольку имеет бесконечное число точек экстремума при приближении к нулю. График функции показан на рисунке 2.

Рисунок 2. График функции :

А — два периода повторения; б — в окрестности

На рисунке 2а показано два периода повторения функции , а на рисунке 2б — область в окрестности . Можно видеть, что при приближении к нулю, частота колебаний бесконечно возрастает, и такая функция не может быть представлена рядом Фурье, потому что она не является кусочно-монотонной.

Необходимо заметить, что на практике не бывает сигналов с бесконечными значениями тока или напряжения. Функции с бесконечным числом экстремумов типа также в прикладных задачах не встречаются. Все реальные периодические сигналы удовлетворяют условиям Дирихле и могут быть представлены бесконечным тригонометрическим рядом Фурье вида:

В выражении (2) коэффициент задает постоянную составляющую периодического сигнала .

Во всех точках, где сигнал непрерывен, ряд Фурье (2) сходится к значениям данного сигнала, а в точках разрыва первого рода — к среднему значению , где и — пределы слева и справа от точки разрыва соответственно.

Также из курса математического анализа известно , что использование усеченного ряда Фурье, содержащего только первых членов вместо бесконечной суммы, приводит к приближенному представлению сигнала :

Рисунок 3. Приближение сигналов усеченным рядом Фурье:

А — прямоугольных импульсов; б — пилообразного сигнала

Ряд Фурье в комплексной форме

Таким образом, периодический сигнал может быть представлен суммой постоянной составляющей и комплексных экспонент, вращающихся с частотами с коэффициентами для положительных частот , и для комплексных экспонент, вращающихся с отрицательными частотами .

Рассмотрим коэффициенты для комплексных экспонент, вращающихся с положительными частотами :

Выражения (6) и (7) совпадают, кроме того постоянную составляющую также можно записать через комплексную экспоненту на нулевой частоте:

Таким образом, (5) с учетом (6)-(8) можно представить как единую сумму при индексации от минус бесконечности до бесконечности:

Выражение (9) представляет собой ряд Фурье в комплексной форме. Коэффициенты ряда Фурье в комплексной форме связаны с коэффициентами и ряда в тригонометрической форме, и определяются как для положительных, так и для отрицательных частот . Индекс в обозначении частоты указывает номер дискретной гармоники, причем отрицательные индексы соответствуют отрицательным частотам .

Из выражения (2) следует, что для вещественного сигнала коэффициенты и ряда (2) также являются вещественными. Однако (9) ставит в соответствие вещественному сигналу , набор комплексно-сопряженных коэффициентов , относящихся как положительным, так и к отрицательным частотам .

Некоторые пояснения к ряду Фурье в комплексной форме

Во-первых, работать с комплексными экспонентами в большинстве случаев проще, чем с тригонометрическими функциями. Например, при умножении и делении комплексных экспонент достаточно лишь сложить (вычесть) показатели, в то время как формулы умножения и деления тригонометрических функций более громоздкие.

Дифференцировать и интегрировать экспоненты, пусть даже комплексные, также проще, чем тригонометрические функции, которые постоянно меняются при дифференцировании и интегрировании (синус превращается в косинус и наоборот).

Если сигнал периодический и вещественный, то тригонометрический ряд Фурье (2) кажется более наглядным, потому что все коэффициенты разложения , и остаются вещественными. Однако, часто приходится иметь дело с комплексными периодическими сигналами (например, при модуляции и демодуляции используют квадратурное представление комплексной огибающей). В этом случае при использовании тригонометрического ряда Фурье все коэффициенты , и разложения (2) станут комплексными, в то время как при использовании ряда Фурье в комплексной форме (9) будет использованы одни и те же коэффициенты разложения как для вещественных, так и для комплексных входных сигналов.

Ну и наконец, необходимо остановится на пояснении отрицательных частот, которые появились в (9). Этот вопрос часто вызывает непонимание. В повседневной жизни мы не сталкиваемся с отрицательными частотами. Например, мы никогда не настраиваем свой радиоприемник на отрицательную частоту. Давайте рассмотрим следующую аналогию из механики. Пусть имеется механический пружинный маятник, который совершает свободные колебания с некоторой частотой . Может ли маятник колебаться с отрицательной частотой ? Конечно нет. Как не бывает радиостанций, выходящих в эфир на отрицательных частотах, так и частота колебаний маятника не может быть отрицательной. Но пружинный маятник — одномерный объект (маятник совершает колебания вдоль одной прямой).

Мы можем также привести еще одну аналогию из механики: колесо, вращающееся с частотой . Колесо, в отличие от маятника вращается, т.е. точка на поверхности колеса перемещается в плоскости, а не просто совершает колебания вдоль одной прямой. Поэтому для однозначного задания вращения колеса, задать частоту вращения недостаточно, потому что необходимо задать также направление вращения. Вот именно для этого мы и можем использовать знак частоты.

Так, если колесо вращается с частотой рад/с против часовой стрелки, то считаем, что колесо вращается с положительной частотой, а если по направлению часовой стрелки, то частота вращения будет отрицательной. Таким образом, для задания вращения отрицательная частота перестает быть бессмыслицей и указывает направление вращения.

А теперь самое главное, что мы должны понять. Колебание одномерного объекта (например, пружинного маятника) может быть представлено как сумма вращений двух векторов, показанных на рисунке 4.

Рисунок 4. Колебание пружинного маятника

Как сумма вращений двух векторов

на комплексной плоскости

Маятник совершает колебания вдоль вещественной оси комплексной плоскости с частотой по гармоническому закону . Движение маятника показано горизонтальным вектором. Верхний вектор совершает вращения на комплексной плоскости с положительной частотой (против часовой стрелки), а нижний вектор вращается с отрицательной частотой (по направлению часовой стрелки). Рисунок 4 наглядно иллюстрирует хорошо известное из курса тригонометрии соотношение:

Таким образом, ряд Фурье в комплексной форме (9) представляет периодические одномерные сигналы как сумму векторов на комплексной плоскости, вращающихся с положительными и отрицательными частотами. При этом обратим внимание, что в случае вещественного сигнала согласно (9) коэффициенты разложения для отрицательных частот являются комплексно-сопряженными соответствующим коэффициентам для положительных частот . В случае комплексного сигнала это свойство коэффициентов не выполняется ввиду того, что и также являются комплексными.

Спектр периодических сигналов

Поскольку периодические сигналы раскладываются в ряд только на фиксированной сетке частот , то спектр периодических сигналов является линейчатым (дискретным).

Рисунок 5. Спектр периодической последовательности

Прямоугольных импульсов:

А — амплитудный спектр; б — фазовый спектр

На рисунке 5 приведен пример амплитудного и фазового спектра периодической последовательности прямоугольных импульсов (см. рисунок 1) при с, длительности импульса c и амплитуде импульсов В.

Амплитудный спектр исходного вещественного сигнала является симметричным относительно нулевой частоты, а фазовый спектр — антисимметричным. При этом заметим, что значения фазового спектра и соответствуют одной и той же точке комплексной плоскости .

Можно сделать вывод, что все коэффициенты разложения приведенного сигнала являются чисто вещественными, и фазовый спектр соответствует отрицательным коэффициентам .

Обратим внимание, что размерность амплитудного спектра совпадает с размерностью сигнала . Если описывает изменение напряжения во времени, измеряемое в вольт, то амплитуды гармоник спектра также будут иметь размерность вольт.

Выводы

Мы подробно остановились на выражении ряда Фурье в комплексной форме и показали, что периодические сигналы как вещественные, так и комплексные представляются рядом комплексных экспонент с положительными и отрицательными частотами. При этом коэффициенты разложения являются также комплексными и характеризуют амплитудный и фазовый спектр периодического сигнала.

В следующем разделе мы более детально рассмотрим свойства спектров периодических сигналов.

Программная реализация в библиотеке DSPL