Fourierova ?ada
slou?i k aproximaci
periodicke funkce
?adou
harmonickych funkci
sinus
a
kosinus
. Zakladni my?lenka zapisu funkce ve form? uvedene ?ady spo?iva v tzv. ortogonalnim rozkladu funkce v
linearnim prostoru
funkci po ?astech spojitych na intervalu
spolu s definovanym
skalarnim sou?inem
:
- ,
tvo?icich tzv.
Hilbert?v prostor
, kde
je doba periody pr?b?hu funkce.
Fourierova ?ada je pojmenovana po francouzskem fyzikovi a matematikovi
Josephu Fourierovi
.
M?jme linearni podprostor
dimenze
Hilbertova prostoru nekone?ne dimenze o
ortonormalni bazi
:
pak pro
Euklidovskou vzdalenost
funkci
a
plati:
kde
a
kde
jsou sou?adnice
vzhledem k
, pak m??eme aproximovat funkci
nasledujici ?adou:
kde
Fourierova ?ada v goniometrickem tvaru
[
editovat
|
editovat zdroj
]
Mno?ina
tvo?i ortonormalni bazi vy?e uvedeneho Hilbertova prostoru nekone?ne dimenze, pak funkci
m??eme aproximovat pomoci nasledujici
goniometricke
?ady:
kde
pro
.
Koeficient
nema smysl uva?ovat, nebo?
.
Pokud se dv? integrovatelne funkce li?i v kone?nem po?tu bod?, tak je jasne, ?e maji stejnou Fourierovu ?adu. Z toho d?vodu nepi?eme mezi funkci
a jeji Fourierovou ?adou rovnitko. Pokud je v?ak funkce vybrana z obecn?j?i mno?iny ne? jen z mno?iny integrovatelnych funkci, tak se ji Fourierova ?ada m??e rovnat. Nap?iklad plati nasledujici tvrzeni: pokud je funkce
ohrani?ena a po ?astech
spojita
a ma i ohrani?enou po ?astech spojitou prvni
derivaci
, tak jeji Fourierova ?ada ma v ka?dem bod? sou?et, a ten je roven aritmetickemu pr?m?ru prave a leve limity teto funkce v tomto bod?. Tedy v bod? spojitosti je to hodnota funkce. Fourierova ?ada spojite funkce nemusi (v n?kterem bod?) v?bec konvergovat.
V praxi se funkce
aproximuje kone?nym rozvojem, kde s?itame jen n?kolik prvnich ?len?, ?im? se genericky s nar?stajicim po?tem ?len? zvy?uje p?esnost teto aproximace.
M?jme exponencialu zu?en? definovanou na intervalu
a vytvo?me z ni sudou a lichou periodickou funkci s periodou
na intervalu
a uhlovou frekvenci
, pak m??eme uvedenou sudou a lichou funkci aproximovat nasledujicimi ?adami:
suda funkce
:
kde
licha funkce
:
kde
Poznamenejme, ?e Fourierova ?ada sude resp. liche funkce obsahuje pouze ?leny s funkci cosinus resp. sinus.
Fourierova ?ada v exponencialnim tvaru
[
editovat
|
editovat zdroj
]
Z nasledujicich vztah?:
a
dostaneme:
,
tak?e potom m??eme vyjad?it aproximaci funkce
pomoci nasledujici
exponencialni
?ady:
- kde
je st?edni hodnota funkce
.
Nech?
- .
Pak plati nasledujici
Parsevalova rovnost
, vyjad?ujici, ?e
efektivni hodnota
aproximovane funkce (st?edni hodnota jejiho ?tverce) je rovna sum? kvadrat? koeficient? aproximujici Fourierovy ?ady:
- .
Jmeno tomuto tvrzeni dal francouzsky matematik
Marc-Antoine Parseval
. Pokud levou stranu rovnice interpretujeme jako ?tverec
normy
funkce
, lze Parsevalovu rovnost ?ist jako zobecn?ni
Pythagorovy v?ty
na nekone?n?rozm?rny prostor funkci.
Ze vztahu doby periody bli?ici se nekone?nu a
uhlove frekvence
sit?:
lze zavest u?itim
limitnich
p?echod? spojitou Fourierovu transformaci:
a naopak inverzni spojitou Fourierovu transformaci:
BARTSCH, Hans-Jochen.
Matematicke vzorce
. 4. vyd. Praha: Academia, 1994. 832 s.
ISBN
80-200-1448-9
.