Fourierova řada

Fourierova řada slouží k aproximaci periodické funkce řadou harmonických funkcí sinus a kosinus. Základní myšlenka zápisu funkce ve formě uvedené řady spočívá v tzv. ortogonálním rozkladu funkce v lineárním prostoru funkcí po částech spojitých na intervalu ${\displaystyle \langle 0,T\rangle }$ spolu s definovaným skalárním součinem:

${\displaystyle f\cdot g=\int _{0}^{T}f(t)\ g(t)\ dt}$,

tvořících tzv. Hilbertův prostor, kde ${\displaystyle T}$ je doba periody průběhu funkce.

Fourierova řada je pojmenována po francouzském fyzikovi a matematikovi Josephu Fourierovi.

Ortogonální rozklad funkce

Mějme lineární podprostor ${\displaystyle \rho }$ dimenze ${\displaystyle n}$ Hilbertova prostoru nekonečné dimenze o ortonormální bázi ${\displaystyle E}$:

${\displaystyle \rho \subset H\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle dimH=\infty \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle \dim \rho =n\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle f\in H\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle f_{n}\in \rho \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle n=1,2,3,\cdots \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle E=e_{1},e_{2},e_{3},\cdots }$

pak pro Euklidovskou vzdálenost funkcí ${\displaystyle f}$ a ${\displaystyle f_{n}}$ platí:

${\displaystyle \left|f-f_{n}\right|^{2}=\left(f-f_{n}\right)\cdot \left(f-f_{n}\right)=f\cdot f-2f\cdot f_{n}+f_{n}\cdot f_{n}=f\cdot f-2f\cdot \sum _{i}^{}{s_{i}e_{i}}+\sum _{i}^{}s_{i}^{2}=}$

${\displaystyle =f\cdot f+\sum _{i}^{}\left({f\cdot e}_{i}\right)^{2}-2\sum _{i}^{}{s_{i}\left(f\cdot e_{i}\right)}+\sum _{i}^{}s_{i}^{2}-\sum _{i}^{}\left({f\cdot e}_{i}\right)^{2}=f\cdot f+\sum _{i}^{}\left(\left(f\cdot e_{i}\right)-s_{i}\right)^{2}-\sum _{i}^{}\left({f\cdot e}_{i}\right)^{2}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$ kde ${\displaystyle i=1,\cdots ,n}$

a

${\displaystyle s_{i}=f\cdot e_{i}\Rightarrow \left|f-f_{n}\right|^{2}=f\cdot f-\sum _{i}^{}\left({f\cdot e}_{i}\right)^{2}=\left|f\right|^{2}-\left|f_{n}\right|^{2}\Rightarrow \left|f\right|^{2}\geq \left|f_{n}\right|^{2}\Rightarrow f\sim f_{n}}$

kde ${\displaystyle s_{1},\cdots ,s_{n}}$ jsou souřadnice ${\displaystyle f_{n}}$ vzhledem k ${\displaystyle E}$, pak můžeme aproximovat funkci ${\displaystyle f}$ následující řadou:

${\displaystyle \lim _{n\rightarrow \infty }\left|f-f_{n}\right|^{2}=0\Rightarrow \left|f\right|^{2}\approx \left|f_{n}\right|^{2}\Rightarrow f\approx f_{n}=\sum _{i}^{}{\left(f\cdot e_{i}\right)\ e_{i}}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$ kde ${\displaystyle i=1,\cdots ,n}$

Fourierova řada v goniometrickém tvaru

Množina ${\displaystyle \left\{{\frac {1}{\sqrt {T}}},{{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {T}}}\cos }\omega t,{{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {T}}}\sin }\omega t,{{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {T}}}\cos }{2\omega t},{{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {T}}}\sin }{2\omega t},{{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {T}}}\cos }{3\omega t},{{\frac {\sqrt {2}}{\sqrt {T}}}\sin }{3\omega t},\cdots \right\}}$ tvoří ortonormální bázi výše uvedeného Hilbertova prostoru nekonečné dimenze, pak funkci ${\displaystyle f}$ můžeme aproximovat pomocí následující goniometrické řady:

${\displaystyle f\left(t\right)\approx \sum _{0}^{\infty }{a_{n}\cos n\omega t+b_{n}\sin n\omega t}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle n\mathbb {\in N} }$

kde ${\displaystyle a_{0}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\,dt}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$ ${\displaystyle a_{n}={\frac {2}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\cos n\omega t\,\,dt}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$ ${\displaystyle b_{n}={\frac {2}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\sin n\omega t\,\,dt}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$ pro ${\displaystyle n=1,2,3,\cdots }$.

Koeficient ${\displaystyle b_{0}}$ nemá smysl uvažovat, neboť ${\displaystyle b_{0}\sin 0=0}$.

Pokud se dvě integrovatelné funkce liší v konečném počtu bodů, tak je jasné, že mají stejnou Fourierovu řadu. Z toho důvodu nepíšeme mezi funkcí ${\displaystyle f}$ a její Fourierovou řadou rovnítko. Pokud je však funkce vybrána z obecnější množiny než jen z množiny integrovatelných funkcí, tak se jí Fourierova řada může rovnat. Například platí následující tvrzení: pokud je funkce ${\displaystyle f}$ ohraničená a po částech spojitá a má i ohraničenou po částech spojitou první derivaci, tak její Fourierova řada má v každém bodě součet, a ten je roven aritmetickému průměru pravé a levé limity této funkce v tomto bodě. Tedy v bodě spojitosti je to hodnota funkce. Fourierova řada spojité funkce nemusí (v některém bodě) vůbec konvergovat.

V praxi se funkce ${\displaystyle f}$ aproximuje konečným rozvojem, kde sčítáme jen několik prvních členů, čímž se genericky s narůstajícím počtem členů zvyšuje přesnost této aproximace.

Příklad

Mějme exponenciálu zúženě definovanou na intervalu ${\displaystyle <0,1>}$ a vytvořme z ní sudou a lichou periodickou funkci s periodou ${\displaystyle T=2}$ na intervalu ${\displaystyle <-1,1>}$ a úhlovou frekvencí ${\displaystyle \omega =\pi }$, pak můžeme uvedenou sudou a lichou funkci aproximovat následujícími řadami:

sudá funkce:

${\displaystyle a_{0}={\frac {1}{2}}(\int _{-1}^{0}{e^{-t}\,dt}+\int _{0}^{1}{e^{t}\,dt})=e-1}$

${\displaystyle a_{n}=\int _{-1}^{0}{e^{-t}\cos n\pi t\,\,dt}+\int _{0}^{1}{e^{t}\cos n\pi t\,\,dt}=2{\frac {(-1)^{n}e-1}{(n\pi )^{2}+1}}}$

${\displaystyle b_{n}=0}$

kde ${\displaystyle n=1,2,3,\cdots }$

${\displaystyle f\left(t\right)\approx (e-1)+2\sum _{n=1}^{\infty }{{\frac {(-1)^{n}e-1}{(n\pi )^{2}+1}}\cos n\pi t}}$

lichá funkce:

${\displaystyle a_{0}=0}$

${\displaystyle a_{n}=0}$

${\displaystyle b_{n}=-\int _{-1}^{0}{e^{-t}\sin n\pi t\,\,dt}+\int _{0}^{1}{e^{t}\sin n\pi t\,\,dt}=-2n\pi {\frac {(-1)^{n}e-1}{(n\pi )^{2}+1}}}$

kde ${\displaystyle n=1,2,3,\cdots }$

${\displaystyle f\left(t\right)\approx -2\sum _{n=1}^{\infty }{n\pi {\frac {(-1)^{n}e-1}{(n\pi )^{2}+1}}\sin n\pi t}}$

Poznamenejme, že Fourierova řada sudé resp. liché funkce obsahuje pouze členy s funkcí cosinus resp. sinus.

Fourierova řada v exponenciálním tvaru

Z následujících vztahů:

${\displaystyle e^{in\omega t}+e^{-in\omega t}=\left(\cos n\omega t+i\sin n\omega t\right)+\left(\cos n\omega t-i\sin n\omega t\right)=2\cos n\omega t}$

${\displaystyle e^{in\omega t}-e^{-in\omega t}=\left(\cos n\omega t+i\sin n\omega t\right)-\left(\cos n\omega t-i\sin n\omega t\right)=i2\sin n\omega t}$

a

${\displaystyle a_{n}\cos n\omega t+b_{n}\sin n\omega t={\frac {a_{n}}{2}}\left(e^{in\omega t}+e^{-in\omega t}\right)-i{\frac {b_{n}}{2}}\left(e^{in\omega t}-e^{-in\omega t}\right)=}$

${\displaystyle ={\frac {1}{2}}\left(a_{n}-ib_{n}\right)e^{in\omega t}+{\frac {1}{2}}\left(a_{n}+ib_{n}\right)e^{-in\omega t}=\left({c_{n}e}^{in\omega t}+{\overline {c}}_{n}e^{-in\omega t}\right)}$

dostaneme:

${\displaystyle 2c_{n}=\left(a_{n}-ib_{n}\right)={\frac {2}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\left(\cos n\omega t-i\sin n\omega t\right)dt}\Rightarrow c_{n}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\ e^{-in\omega t}dt}}$

${\displaystyle 2{\overline {c}}_{n}=\left(a_{n}+ib_{n}\right)={\frac {2}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\left(\cos n\omega t+i\sin n\omega t\right)dt}\Rightarrow {\overline {c}}_{n}={\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}{f\left(t\right)\ e^{in\omega t}dt}}$,

takže potom můžeme vyjádřit aproximaci funkce ${\displaystyle f}$ pomocí následující exponenciální řady:

${\displaystyle f\left(t\right)\approx \sum _{-\infty }^{\infty }c_{n}e^{in\omega t}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle n\mathbb {\in Z} \,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$ kde ${\displaystyle a_{0}=c_{0}={\overline {f}}}$ je střední hodnota funkce ${\displaystyle f}$.

Parsevalova rovnost

Nechť

${\displaystyle f\left(t\right)\approx \sum _{0}^{\infty }{a_{n}\cos n\omega t+b_{n}\sin n\omega t}=\sum _{-\infty }^{\infty }c_{n}e^{in\omega t}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,}$${\displaystyle n\mathbb {\in Z} }$.

Pak platí následující Parsevalova rovnost, vyjadřující, že efektivní hodnota aproximované funkce (střední hodnota jejího čtverce) je rovna sumě kvadrátů koeficientů aproximující Fourierovy řady:

${\displaystyle {\frac {1}{T}}\int _{0}^{T}f^{2}(t)\,\mathrm {d} t=\sum _{n=0}^{\infty }\left(a_{n}^{2}+b_{n}^{2}\right)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }c_{n}^{2}}$.

Jméno tomuto tvrzení dal francouzský matematik Marc-Antoine Parseval. Pokud levou stranu rovnice interpretujeme jako čtverec normy funkce ${\displaystyle f}$, lze Parsevalovu rovnost číst jako zobecnění Pythagorovy věty na nekonečněrozměrný prostor funkcí.

Fourierova transformace

Ze vztahu doby periody blížící se nekonečnu a úhlové frekvence sítě:

${\displaystyle T\omega =2\pi \Rightarrow \left(T\rightarrow \infty \Rightarrow \omega \rightarrow 0\right)\Rightarrow n\omega \equiv \omega \equiv d\omega }$

lze zavést užitím limitních přechodů spojitou Fourierovu transformaci:

${\displaystyle \lim _{T\rightarrow \infty }{Tc_{n}}=\lim _{T\rightarrow \infty }{\int _{-{\frac {T}{2}}}^{\frac {T}{2}}{f\left(t\right)e^{-in\omega t}dt}}=\int _{-\infty }^{\infty }{f\left(t\right)\ e^{-i\omega t}dt}=F\left(\omega \right)}$

a naopak inverzní spojitou Fourierovu transformaci:

${\displaystyle f\left(t\right)=\lim _{T\rightarrow \infty }{\sum _{-\infty }^{\infty }{T{\frac {\omega }{2\pi }}c_{n}e^{in\omega t}}}={\frac {1}{2\pi }}\sum _{-\infty }^{\infty }{\lim _{T\rightarrow \infty }{Tc_{n}e^{in\omega t}\omega }}={\frac {1}{2\pi }}\int _{-\infty }^{\infty }{F\left(\omega \right)\ e^{in\omega t}{\text{dω}}}}$

Odkazy

Literatura

BARTSCH, Hans-Jochen. Matematické vzorce. 4. vyd. Praha: Academia, 1994. 832 s. ISBN 80-200-1448-9. 

Související články

• Fourierova transformace
• Rychlá Fourierova transformace

Externí odkazy

• Obrázky, zvuky či videa k tématu Fourierova řada na Wikimedia Commons
• Fourier Series 3D - interaktivní demonstrace principu Fourierových řad HTML5 a JavaScript: Unikátní interaktivní 3D zobrazení propojující časovou, frekvenční, amplitudovou a fázovou osu.