傅里叶(Fourier)级数的指数形式与傅里叶变换

傅里叶(Fourier级数的指数形式与傅里叶变换专题摘要：根据欧拉Euler公式，将傅里叶级数三角表示转化为指数表示，进而得到傅里叶积分定理，在此基础上给出傅里叶变换的定义和数学表达式。在通信与信息系统、交通信息与控制工程、信号与信息处理等学科中，都需要对各种 信号与系统进行分析。通过对描述实际对象数学模型的数学分析、求解，对所得结果给以物 理解释、赋予其物理意义，是解决实际问题的关键。这种数学分析方法主要针对确定性信号 的时域和频域分析，线性时不变系统的描述以及信号通过线性时不变系统的时域分析与变换 域分析。所有这些分析方法都离不开傅里叶变换、拉普拉斯变换和离散时间系统的 z 变换。 而傅里叶变换的理论基础是傅里叶积分定理。傅里叶积分定理的数学表达式就是傅里叶级数 的指数形式。不但傅里叶变换依赖于傅里叶级数，就是纯数学分支的调和分析也来源于函数的傅里 叶级数。因此，傅里叶级数无论在理论研究还是在实际应用中都占有非常重要的地位。我们 承认满足狄里克莱Dirichlet条件下傅里叶级数的收敛性结果，不去讨论和深究傅里叶展 式的唯一性问题。傅里叶级数的指数形式一个以t为周期的函数f(t)，在-22上满足狄里克莱条件：1。f(t)连续或只有 有限个第一类间断点；2o只有有限个极值点。那么f (t)在-2】上就可以展成傅里叶级 数。在连续点处123f (t) = o + 才(a cos n31 + b sin n t), 2n其中n=12 za =2 f (t)cos n tdt,(n = 0,1,2,)，n T Z22 fzb =2 f (t) sin n tdt,(n = 1,2,3,)，n T Z2根据欧拉Euler公式：efi = cos0 + j sin0， 式化为f (t) = a0 点e jn t + e - jn te jn t e_ jn ta+ bn 2 nn=12j= + L2n=1a jbnn2a + jbe jn t + nn e jn t2假设令f(t)dtc=na 一 jb1 t1 tn n =2 f (t)cos nwtdt 一 j2 f (t)sin nwtdt2T - tT - t一 2 一 21 t=2 f (t)cos nwt - j sin nwtdtT - t21 Pt=2 f (t)e-jnwtdt, n = 1,2,3,2c-n1 J f (t)ejndt,n = 1,2,3，2综合c0,c,c ,可合并成一个式子1 Ptc = J 2 f (t)e -jnwdt,n = 0, +1, + 2,，n T T25假设令 w = nw,nn = 0, 土 1, 土 2,，贝yi式可写为f (t) = c + 区(c ejw”t + c e -jwnt)=艺 c ejw”t , 0nn =16这就是傅里叶(Fourier )级数的指数形式。或写成f (t) = T 另 Jn=g -傅里叶积分定理nn=-gT2 f (T )e一jw/ dT e jw nt 。 T27因为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，即豐fT (t) =f (t)。于是有f (t) = limT T+8丄艺JT _n = -8T2 f (T )e-jwnT dT e 叫。T T2可以证明详细过程可参阅文46，当T T+8时，有J+8 J+8f (T)e-jwTdT ejwtdw ,f (t)=丄2兀-8-88公式8称为傅里叶积分公式。从而得到一个非周期函数可用傅里叶积分公式表示的傅里 叶积分定理。傅里叶变换根据傅里叶积分定理，设9F(w)= J +8 f (t)e- jwtdt-8f (t) - 1 J+sF()ejd，102兀一s从上两式可以看出，f (t)和F()通过指定的积分运算可以相互表达。9式叫做f (t)的傅里叶变换，记为F ) - F f (t).F()叫做f (t)的象函数，10式叫做F()的傅里叶逆变换，记为f (t)= F-1F).f (t)叫做F()的原象函数。