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傅里叶级数

周期为 2π2\pi 的傅里叶级数#

傅里叶级数是一种利用三角函数近似周期函数的方法,本节将以周期为 2π2\pi 的函数 f(x)f(x) 为例,解析傅里叶级数是如何做到拟合的:

f(x)=a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jxf(x) = a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx

描述

一个分别采用傅里叶级数的前 1, 2, 3, 4 项近似方波的可视化

前置定理#

定理1
∫02πsin⁡mxdx=0, m为任意整数∫02πcos⁡mxdx=0, m为任意非零整数\begin{aligned} \int_{0}^{2\pi}\sin mx \mathrm dx &= 0,\ m为任意整数\\ \int_{0}^{2\pi}\cos mx\mathrm dx &=0,\ m为任意非零整数 \end{aligned}

证明很显然,以 ∫02πsin⁡mxdx=0\int_{0}^{2\pi}\sin mx \mathrm dx = 0 为例:

∫02πsin⁡mxdx=1m∫02πsin⁡mxd(mx)=1m⋅−cos⁡mx∣02π=0\begin{aligned} \int_{0}^{2\pi}\sin mx \mathrm dx &=\frac{1}{m}\int_{0}^{2\pi}\sin mx \mathrm d(mx)\\ &=\frac{1}{m}\cdot -\cos mx\bigg|_{0}^{2\pi}\\ &=0 \end{aligned}
定理2
∫02πsin⁡mxcos⁡nxdx=0, m,n为任意整数\int_{0}^{2\pi}\sin mx\cos nx\mathrm dx = 0,\ m,n为任意整数

证明主要利用积化和差公式:

∫02πsin⁡mxcos⁡nxdx=∫02π12[sin⁡(mx+nx)+sin⁡(mx−nx)]dx=12∫02πsin⁡(m+n)x+sin⁡(m−n)x=0\begin{aligned} \int_{0}^{2\pi}\sin mx\cos nx\mathrm dx &= \int_{0}^{2\pi}\frac{1}{2}[\sin(mx+nx)+\sin(mx-nx)]\mathrm{d}x\\ &=\frac{1}{2}\int_{0}^{2\pi}\sin(m+n)x+\sin(m-n)x\\ &=0 \end{aligned}
定理3
∫02πsin⁡mxsin⁡nxdx={πm=±n,m≠00otherwise\int_{0}^{2\pi}\sin mx\sin nx \mathrm dx= \begin{cases}\pi & m=\pm n, m\neq 0\\0 & \text{otherwise}\end{cases}

这里 m,nm,n 都是整数。

首先证明 m=nm=n 的情况:

∫02πsin⁡mxsin⁡nxdx=∫02πsin⁡2mxdx=∫02π−12[cos⁡2mx−cos⁡0x]dx=12∫02π1dx=π\begin{aligned} \int_{0}^{2\pi}\sin mx\sin nx \mathrm dx&= \int_{0}^{2\pi}\sin^2mx\mathrm dx\\ &=\int_0^{2\pi}-\frac{1}{2}[\cos 2mx - \cos 0x]\mathrm dx\\ &=\frac{1}{2}\int_0^{2\pi}1\mathrm dx\\ &=\pi \end{aligned}

然后 m=−nm=-n 的情况是显然的,因此证明剩余部分:

∫02πsin⁡mxsin⁡nxdx=∫02π−12[cos⁡(m+n)x−cos⁡(m−n)x]dx=0\begin{aligned} \int_{0}^{2\pi}\sin mx\sin nx \mathrm dx&= \int_{0}^{2\pi}-\frac 1 2[\cos(m+n)x - \cos(m-n)x]\mathrm dx\\ &= 0 \end{aligned}

同理,还存在对偶情况

∫02πcos⁡mxcos⁡nxdx={πm=±n,m≠00otherwise\int_{0}^{2\pi}\cos mx\cos nx \mathrm dx= \begin{cases}\pi & m=\pm n ,m\neq 0\\0 & \text{otherwise}\end{cases}

证明略。

确定系数#

有了以上的前置定理之后,我们就可以开始确定傅里叶级数的系数 ai,bja_i,b_j 了。

确定 a0a_0#

确定系数的思路就是对等式 f(x)=a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jxf(x) = a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx 两边积分,如下

f(x)=a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jx∫02πf(x)dx=∫02π[a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jx]dx∫02πf(x)dx=2πa0+∑i=1∞ai∫02πcos⁡ixdx+∑j=1∞∫02πsin⁡jxdx∫02πf(x)dx=2πa0a0=12π∫02πf(x)dx\begin{aligned} f(x) &= a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx\\ \int_0^{2\pi}f(x)\mathrm dx&=\int_0^{2\pi}\bigg[a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx \bigg]\mathrm dx\\ \int_0^{2\pi}f(x)\mathrm dx&=2\pi a_0 + \sum_{i=1}^{\infty}a_i\int_0^{2\pi}\cos ix\mathrm dx + \sum_{j=1}^{\infty}\int_0^{2\pi}\sin jx\mathrm dx\\ \int_0^{2\pi}f(x)\mathrm dx&=2\pi a_0\\ a_0&=\frac{1}{2\pi}\int_0^{2\pi}f(x)\mathrm dx \end{aligned}

容易发现,a0a_0 的几何意义就是 f(x)f(x) 在一个周期上的平均值。

确定 aia_i#

这里的做法也是等式两边积分,但是应用了一个技巧:两边同乘 cos⁡cx\cos cx,这样就能消去除了 aca_c 以外的项的干扰。

f(x)=a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jx∫02πf(x)cos⁡cxdx=∫02π[a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jx]cos⁡cxdx(c是1,2,⋯ ,n的常数)∫02πf(x)cos⁡cxdx=∫02πaccos⁡cxcos⁡cxdx∫02πf(x)cos⁡cxdx=πacac=1π∫02πf(x)cos⁡cxdx\begin{aligned} f(x) &= a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx\\ \int_0^{2\pi}f(x)\cos cx\mathrm dx&=\int_0^{2\pi}\bigg[a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx \bigg]\cos cx\mathrm dx\quad(c是1,2,\cdots,n的常数)\\ \int_0^{2\pi}f(x)\cos cx\mathrm dx&= \int_{0}^{2\pi}a_c\cos cx\cos cx\mathrm dx\\ \int_0^{2\pi}f(x)\cos cx\mathrm dx&= \pi a_c\\ a_c&=\frac{1}{\pi}\int_0^{2\pi}f(x)\cos cx\mathrm dx \end{aligned}

确定 bib_i#

和 aia_i 做法类似,直接给出结论:

bc=1π∫02πf(x)sin⁡cxdxb_c=\frac{1}{\pi}\int_0^{2\pi}f(x)\sin cx\mathrm dx

函数拟合的示例#

以一个周期为 2π2\pi 的方波为例,构造傅里叶级数。具体参数如下图所示(波峰为 33,波谷为 00):

img

然后我们逐个确定傅里叶级数的系数:

  • 首先确定 a0a_0,根据 a0a_0 的几何意义(f(x)f(x) 在一个周期上的平均值),直接就能计算出 a0=32a_0=\frac{3}{2}。

  • 然后确定 ai(i>0)a_i(i\gt 0):

    ai=1π∫02πf(x)cos⁡ixdx=1π∫0π3cos⁡ixdx=3iπsin⁡ix∣0π=0\begin{aligned} a_i&=\frac {1}{\pi}\int_{0}^{2\pi}f(x)\cos ix\mathrm dx\\ &=\frac{1}{\pi}\int_{0}^{\pi}3\cos ix\mathrm dx\\ &=\frac{3}{i\pi}\sin ix\bigg|_0^{\pi}\\ &=0\\ \end{aligned}
  • 最后确定 bib_i:

    bi=1π∫02πf(x)sin⁡ixdx=1π∫0π3sin⁡ixdx=−3iπcos⁡ix∣0π=−3iπ(cos⁡iπ−1)=3(1−cos⁡iπ)iπ\begin{aligned}b_i&=\frac {1}{\pi}\int_{0}^{2\pi}f(x)\sin ix\mathrm dx\\&=\frac {1}{\pi}\int_{0}^{\pi}3\sin ix\mathrm dx\\&=\frac {-3}{i\pi}\cos ix\bigg|_0^{\pi}\\&=\frac {-3}{i\pi}(\cos i\pi - 1)\\&= \frac{3(1-\cos i\pi)}{i\pi}\end{aligned}

综上,我们就能写出这个方波的傅里叶级数了:

bi={0i is even6iπi is oddb_i= \begin{cases} 0 & \text{i is even}\\ \frac{6}{i\pi} & \text{i is odd} \end{cases}

收敛定理#

  1. 当 tt 是 f(x)f(x) 的连续点时,级数收敛于 f(t)f(t)。
  2. 当 tt 是 f(x)f(x) 的第一类间断点时,级数收敛于 f(t+)+f(t−)2\frac{f(t^+)+f(t^-)}{2}。

*收敛定理主要的用处是说明第一类间断点在傅里叶级数中的数值。

例题1

设 f(x)f(x) 是周期为 22 的周期函数,它在区间 (−1,1](-1,1] 上定义为 f(x)={2−1<x≤0x30<x≤1f(x)=\begin{cases} 2 & -1\lt x\le 0\\ x^3 & 0\lt x\le 1 \end{cases},则 f(x)f(x) 的傅里叶级数在 x=1x=1 处收敛于()。

根据收敛定理,显然收敛于 12[2+1]=32\frac{1}{2}[2+1]=\frac 3 2。

正弦级数、余弦级数#

傅里叶级数 f(x)=a0+∑i=1∞aicos⁡ix+∑j=1∞bjsin⁡jxf(x) = a_0 + \sum_{i=1}^{\infty} a_i\cos ix + \sum_{j=1}^{\infty}b_j\sin jx 中虽然既有余弦也有正弦,但是在某些特殊情况下,傅里叶级数会只留下余弦或正弦(比如前文中的方波示例)。这里,实际上有一个比较实用的性质:奇函数的傅里叶级数是正弦级数(只含有正弦项),偶函数的傅里叶级数是余弦级数(只含有余弦项)。

上文中的方波例子是一个“广义”的奇函数。

证明实际上比较显然,我们以奇函数为例进行一个简要的说明,设 f(x)f(x) 是一个周期为 2π2\pi 的奇函数,那么

ac=1π∫−π+πf(x)cos⁡cxdxbc=1π∫−π+πf(x)sin⁡cxdx\begin{aligned} a_c&=\frac 1 \pi\int_{-\pi}^{+\pi}f(x)\cos cx\mathrm dx\\ b_c&=\frac 1 \pi\int_{-\pi}^{+\pi}f(x)\sin cx\mathrm dx \end{aligned}

因为 f(x)f(x) 是奇函数,cos⁡cx\cos cx 是偶函数,所以 f(x)cos⁡cxf(x)\cos cx 是奇函数,即 ac=0a_c=0。

例题2

设 f(x)f(x) 是周期为 2π2\pi 的周期函数,它在 [−π,π)[-\pi,\pi) 上的表达式为 f(x)=∣x∣f(x)=|x|,将 f(x)f(x) 展开成傅里叶级数。

f(x)f(x) 显然是偶函数,因此其傅里叶级数只含有余弦项:

  • 先求 a0a_0: a0=12π∫−π+π∣x∣dx=π2a_0 = \frac{1}{2\pi}\int_{-\pi}^{+\pi}|x|\mathrm dx = \frac{\pi}{2}
  • 再求 an(n>0)a_n(n\gt 0): an=2π∫0πxcos⁡nxdx=2πnxsin⁡(nx)+cos⁡(nx)n2∣0π=2(cos⁡nπ−1)πn2={−4πn2n=1,3,5,⋯0n=2,4,6,⋯\begin{aligned}a_n &= \frac{2}{\pi}\int_0^{\pi}x\cos nx \mathrm dx\\&= \frac{2}{\pi} \frac{nx\sin (nx) + \cos(nx)}{n^2} \bigg|_0^\pi\\&= \frac{2(\cos n\pi - 1)}{\pi n^2}\\&= \begin{cases}-\frac{4}{\pi n^2} & n=1,3,5,\cdots\\0 & n=2,4,6,\cdots\end{cases}\end{aligned}

于是

f(x)=π2−4π∑k=1∞cos⁡(2k−1)x(2k−1)2(−∞<x<+∞)f(x) = \frac \pi 2 - \frac 4 \pi \sum_{k=1}^{\infty}\frac{\cos(2k-1)x}{(2k-1)^2}\quad(-\infty\lt x\lt +\infty)

此时,如果我们令 x=0x=0,则有

f(0)=0=π2−4π∑k=1∞cos⁡0(2k−1)2f(0) = 0 = \frac{\pi}{2} - \frac{4}{\pi}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\cos 0}{(2k-1)^2}

可以求出无穷级数 ∑k=1+∞1(2k−1)2\sum_{k=1}^{+\infty}\frac{1}{(2k-1)^2} 的极限是 π28\frac{\pi^2}{8}。这是傅里叶级数在无穷级数中的一种应用。

一般周期的傅里叶级数#

这一节我们研究更加一般的傅里叶级数,也就是对于任意周期函数构造傅里叶级数。

思路实际上很简单,我们直接放缩 xx 轴坐标即可。对于周期为 2π2\pi 的函数,我们构造的三角函数是 cos⁡nx,sin⁡nx\cos nx, \sin nx,这是因为这一系列三角函数都具有 2π2\pi 的周期;那么对于周期为 2l2l 的函数,我们只需要构造一系列具有周期为 2l2l 的三角函数即可,也就是 cos⁡nπxl,sin⁡nπxl\cos \frac{n\pi x}{l}, \sin\frac{n\pi x}{l}。即

f(x)=a0+∑i=1∞aicos⁡iπxl+∑j=1∞bjsin⁡jπxlf(x) = a_0 + \sum_{i=1}^{\infty}a_i \cos \frac{i\pi x}{l} + \sum_{j=1}^{\infty} b_j\sin \frac{j\pi x}{l}

确定系数#

一般周期的傅里叶级数确定系数的方法本质上和 2π2\pi 周期的一样,也就是多了一步 xx 轴的缩放。

  • 确定 a0a_0: a0=12l∫02lf(x)dxa_0 = \frac{1}{2l}\int_0^{2l}f(x)\mathrm dx
  • 确定 ai(i>0)a_i(i\gt 0): ai=1l∫02lf(x)cos⁡iπxldxa_i = \frac{1}{l}\int_0^{2l}f(x)\cos\frac{i\pi x}{l} \mathrm dx
  • 确定 bjb_j: bj=1l∫02lf(x)sin⁡jπxldxb_j = \frac{1}{l}\int_0^{2l}f(x)\sin\frac{j\pi x}{l} \mathrm dx

例题#

例题3

设函数 f(x)=x2,0≤x<1f(x)=x^2,0\le x\lt 1,而 S(x)=∑n=1∞bnsin⁡nπx,−∞<x<+∞S(x)=\sum_{n=1}^{\infty}b_n\sin n\pi x,-\infty\lt x\lt +\infty。其中 bn=2∫01f(x)sin⁡nπxdx,n=1,2,3,⋯b_n=2\int_0^1f(x)\sin n\pi x\mathrm dx,n=1,2,3,\cdots,则 S(−12)=S(-\frac 1 2)=()。

看到 S(x)S(x) 这个无穷级数的形式就容易联想到傅里叶级数,并且更特殊的是,这是一个正弦级数,于是我们可以认为这个正弦级数的原函数是一个奇函数。

然后观察系数 bnb_n 的形式,容易猜测:原函数就是 f(x)f(x) 作奇延拓,即 F(x)={x21>x≥0−x20≥x>−1F(x)=\begin{cases}x^2 & 1\gt x\ge 0\\ -x^2 & 0\ge x\gt -1\end{cases}。此时延拓得到的函数 F(x)F(x) 的系数 bnb_n 就是

bn=1l∫−l+lf(x)sin⁡nπxldx=2∫01f(x)sin⁡nπxdx\begin{aligned} b_n &= \frac{1}{l}\int_{-l}^{+l}f(x)\sin\frac{n\pi x}{l} \mathrm dx\\ &= 2\int_0^1 f(x)\sin n\pi x \mathrm dx \end{aligned}

因此,根据收敛定理可得 S(−12)=−14S(-\frac 1 2) = -\frac 1 4。

例题4

将函数 f(x)=2+∣x∣(−1≤x≤1)f(x)=2+|x|(-1\le x\le 1) 展开成以 22 为周期的傅里叶级数,并由此求级数 ∑n=1∞1n2\sum_{n=1}^{\infty}\frac{1}{n^2} 的和。

先求傅里叶级数,因为 f(x)f(x) 是一个偶函数,所以这是一个余弦级数:

  • 求 a0a_0: a0=12l∫−l+lf(x)dx=52a_0 = \frac{1}{2l}\int_{-l}^{+l}f(x)\mathrm dx = \frac{5}{2}
  • 求 an(n>0)a_n(n\gt 0): an=1l∫−l+lf(x)cos⁡nπxldx=2∫01(2+x)cos⁡nπxdx=2n2π2[cos⁡(nπ)−1]={0n=2k−4(2k−1)2π2n=2k−1\begin{aligned} a_n &= \frac{1}{l}\int_{-l}^{+l}f(x)\cos\frac{n\pi x}{l} \mathrm dx\\ &= 2\int_0^1 (2+x)\cos n\pi x\mathrm dx\\ &= \frac{2}{n^2\pi^2}[\cos(n\pi)-1]\\ &= \begin{cases} 0 & n=2k\\ \frac{-4}{(2k-1)^2\pi^2} & n=2k-1 \end{cases} \end{aligned}

于是

f(x)=52−4π2∑k=1∞cos⁡(2k−1)πx(2k−1)2f(x)=\frac 5 2 - \frac{4}{\pi^2}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\cos(2k-1)\pi x}{(2k-1)^2}

令 x=0x=0,则

f(0)=2=52−4π2∑k=1∞cos⁡(2k−1)πx(2k−1)2f(0)=2=\frac 5 2 - \frac{4}{\pi^2}\sum_{k=1}^{\infty}\frac{\cos(2k-1)\pi x}{(2k-1)^2}

因此 ∑k=1∞1(2k−1)2=π28\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2}=\frac{\pi^2}{8}。

∑k=1∞1(2k)2+∑k=1∞1(2k−1)2=∑k=1∞1k214∑k=1∞1k2+∑k=1∞1(2k−1)2=∑k=1∞1k234∑k=1∞1k2=π28∑k=1∞1k2=π26\begin{aligned} \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k)^2}+\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2} &= \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2}\\ \frac 1 4 \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2}+\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{(2k-1)^2} &= \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2}\\ \frac 3 4\sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2} &= \frac{\pi^2}{8}\\ \sum_{k=1}^{\infty}\frac{1}{k^2} &= \frac{\pi^2}{6} \end{aligned}
傅里叶级数
https://fuwari.vercel.app/posts/fourier_series/
作者
st1vdy
发布于
2026-03-19
许可协议
CC BY-NC-SA 4.0