傅里叶级数

在数学中，傅里叶级数（，）是把类似波的函数表示成简单正弦波的方式。更正式地说，对于满足狄利克雷定理的周期函数，其傅里叶级数是由一组简单振荡函数的加权和表示的方法。离散时间傅里叶变换是一个周期函数，通常用定义傅里叶级数的项进行定义。另一个应用的例子是Z变换，将傅里叶级数简化为特殊情形 |z|=1。傅里叶级数也是采样定理原始证明的核心。傅里叶级数的研究是傅里叶分析的一个分支。

歷史
傅里叶级数得名于法国数学家约瑟夫·傅里叶(1768年–1830年)，他提出任何函数都可以展开为三角级数。此前数学家如拉格朗日等已经找到了一些非周期函数的三角级数展开，而认定一個函数有三角级数展开之后，通过积分方法计算其系数的公式，欧拉、达朗贝尔和克莱羅早已发现，傅里叶的工作得到了丹尼尔·伯努利的赞助。

傅里叶介入三角级数用來解热传导方程，其最初论文雖經、加斯帕尔·蒙日同意，但在1807年经拉格朗日、拉普拉斯和勒讓德评審后被拒绝出版，他的现在被称为的理论后来发表于1820年的《热的解析理论》（热的传播，，）中。将周期函数分解为简单振荡函数的总和的最早想法，可以追溯至公元前3世紀古代天文學家的均輪和本輪學說。

傅里叶级数在数论、组合数学、信号处理、概率论、统计学、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。

定義 
現在，考慮一個函數，其中，且在長度為的區間上可積。一些常見的可積區間為：则，则。

正弦-余弦形式
人们常用與的無窮級數來表示。事實上，整個分析的過程就是一個權重的表現，由階的諧波還有搭配上彼此在這個函數 中的權重來實現用三角級數來表示整個 ，其中階諧波在函數中的權重可以藉由在區間上的積分來獲取，其中上述的權重就是所謂的傅立葉係數:

注意是函数的。这个性质扩展到了类似的变换比如傅里叶变换。

通过这些系数定义傅里叶级数为：

这里使用符号，表示傅里叶级数的求和不一定总是等于。普遍來說N是理論上趨近於無限大的，但是就算趨近於無限大，對所有的x(例如在某一點上不連續)，傅立葉級數也不一定收斂到 。尽管这种可能始终存在，在科学和工程领域中经常将中的直接替代为。

指数形式
下面藉由歐拉公式，将傅里叶级数系数简化成复数指數形式。

根據定義，我們可以得到:

通过将等式代入，可以证实：

给定复数傅里叶级数系数，可以用公式复原出和：

通过这些定义，傅里叶级数可以写为：

这是可推广到复数值域函数的惯用形式。的负数值对应于负频率。

複數值函數 
人们習慣將的值域普遍化到複數上，设是一個複數值函數，它的實部和虛部，都是實數值函數：

定义则：

对于这个复数值函数，它的傅里叶级数的实部，是它的实部的傅里叶级数；它的傅里叶级数的虚部，是它的虚部的傅里叶级数：

振幅-相位形式
還可以利用三角恆等式，把正弦-余弦形式中後面的正弦函數跟餘弦函數合併起來：

然後定義振幅，相位，这里的和对应正弦-余弦形式中和。是的。

部份求和算子 
在描述傅里叶级数行为的时候，经常会为一个函数介入部份求和算子：

这里的是的傅里叶系数。不同于微积分中的级数，傅里叶级数的部份求和必须采用对称形式，否则收敛结果可能不成立。

假設與是在上的可積函數，與在的捲積為:

周期为的函數的傅立葉級數的部份求和，可以经由与狄利克雷核的摺積来表示：

其他常用表示法
符号在讨论多个不同函数的傅里叶系数时是不够用的。因此习惯上将其替代为函数（这里是函数）的某种修改形式，即采用函数式符号比如或，来替代下标式符号：
常用的数学符号
常用的工程符号

在工程上，特别是在变量表示时间的时候，系数序列叫做频域表示。经常使用方括号来强调这个函数的值域是频率的离散集合。

另一个常用频域表示，使用傅里叶级数系数，调制像梳子一样的：

这里的表示连续频域。在变量以秒为单位的时候，以赫兹为单位。采样的间隔为基本频率的倍数（即为谐波）。 可以通过从这种表示恢复出来:

构造出的函数，因而通常称为“傅里叶变换”，即使一个周期函数的傅里叶积分在这个谐波频率上不收敛。

常用的傅里叶级数 
下表列出常用的周期函数及其傅里叶级数系数。
指示周期的周期函数。
、和指示周期函数的傅里叶级数系数（正弦-余弦形式）。

基本性質 

下表展示在时域中的一些数学运算及其对应的在傅里叶级数系数上的效果。
 复数共轭指示为星号。
 和指示周期为的函数或只定义在中的函数。
 和指示和的傅里叶级数系数（指数形式）。

範例

例1：一个简单的傅里叶级数

我们现在用上面的公式给出一个简单函数的傅里叶级数展开式。考虑一个锯齿波

在这种情况下，傅里叶级数为

可以证明，当 s 可微时，傅立叶级数在每个点 x 都收敛于 s(x)，于是：

当 x = π 时，傅里叶级数收敛于 0，为在 x = π 处 s 的左极限和右极限之和的一半。这是傅里叶级数的狄利克雷定理的特例。

这个例子为我们引出了巴塞尔问题的一种解法。

例2：傅里叶诱导

例1中我们的函数的傅里叶级数展开式看起来不比 s(x) = x/π 简单，因此人们需要傅里叶级数的原因也就不会立即显现出来。但还有很多应用，我们举用傅里叶诱导解热方程式的例子。考虑边长为 π 米的方形金属版，坐标为 (x, y) ∈ [0, π] × [0, π]。如果板内没有热源，并且四个边中三个都保持在 0 摄氏度，而第四条边 y = π，对于 x 属于 (0, π)，保持在温度梯度 T(x, π) = x 摄氏度，于是可以证明稳态热分布（或者说在很长一段时间过去后的热分布）为
 
这里，sinh 为双曲正弦函数。热方程的这个解是通过将  的每一项乘以 sinh(ny)/sinh(nπ) 得到的。我们示例的函数 s(x) 的傅里叶级数似乎很复杂，热分布 T(x, y) 是非平凡的。函数 T 不能写成解析解。用傅里叶的方法却可以求解这个热分布问题。

其他例子 
我們也可以應用傅立葉級數去證明等周不等式，或是構造處處連續處處不可微的函數。

收斂

概要 
  在  近似了  ，该近似程度会随着 N → ∞ 逐渐改善。这个无穷和  叫做  的傅里叶级数表示。傅里叶级数的收敛性取决于函数有限数量的极大值和极小值，这就是通常称为傅里叶级数的狄利克雷条件。参见之一。对于广义函数或分布也可以用范数或定义傅里叶系数。在x(t)的不可导点上，如果我们只取无穷级数中的有限项求和为X(t)，那么X(t)在这些点上会有幅度不随N增加而持续变小的起伏，这叫做吉布斯现象，一个简单的例子是方波信号。

在工程应用中，一般假定傅里叶级数除了在不连续点以外处处收敛，原因是工程上遇到的函数比数学家提供的这个假定的反例表现更加良好。特别地，傅里叶级数绝对收敛且一致收敛于 s(x)，只要在 s(x) 的导数（或许不会处处存在）是平方可积的。如果一个函数在区间 [x0，x0+P]上是平方可积的，那么此傅里叶级数在几乎处处的点都收敛于该函数。

傅里叶级数的收敛性 
至今还没有判断傅里叶级数的收敛性充分必要条件，但是对于实际问题中出现的函数，有很多种判别条件可用于判断收敛性。比如x(t)的可微性或级数的一致收敛性。在闭区间上满足狄利克雷条件的函数表示成的傅里叶级数都收敛。狄利克雷条件如下：
 在定义区间上，x(t)须绝对可积；
 在任一有限区间中，x(t)只能取有限个极值点；
 在任何有限区间上，x(t)只能有有限个第一类间断点。
满足以上条件的x(t)傅里叶级数都收敛，且：
1.当t是x(t)的连续点时，级数收敛于x(t)；
2.当t是x(t)的间断点时，级数收敛于.

1966年，里纳特·卡尔松证明了勒贝格二次可积函数的傅立叶级数一定是几乎处处收敛的，即级数在除了一个勒贝格零测集外均收敛。

有关傅立葉級數收斂证明 
假設一個函數在在上是平方可積，則會有:

 當

證明的第一步:

考慮一系列正交基底，，其中，且有

然後有

特別的有，的傅立葉級數的部分和

然後根據 以及畢氏定理，可以有:

  替換一下後有   

如果右邊第一項收斂到0，再根據正交的性質，可以看出上述式子中的右手邊第二項:

，這就證明了帕塞瓦尔定理。

证明的第二步: 

回到證明右邊第一項，因為函數可積，找到一個連續函數，然後根據最佳逼近引理，可以找到一個三角多項式p(x)，使得

故當，函數跟的差為0。

其他性质

傅立葉級數的唯一性 
如果有一個定義在的函數和,其中函數和的傅立葉係數還有相同，且傅立葉級數都收斂到函數本身，那麼可以證明此傅立葉級數具有唯一性，也就是。換句話說，如果函數在上可積，傅立葉係數為0，對所有的，那麼函數

卷积定理 

给定周期为的函数和，它们具有傅里叶级数系数和，这里的。

逐点乘积，也是周期为，并且它的傅里叶级数系数是序列和的离散卷积：。
周期卷积，也是周期为，它具有傅里叶级数系数：。
在中的双无限序列，是在中的傅里叶系数的序列，当且仅当它是在中的两个序列的卷积。

微分性質 
我們說屬於在  如果是一個在實數上以為週期的函數，且次可微而且階連續。

 如果屬於在，那麼傅立葉係數可以被用傅立葉係數的表示，藉由公式

 如果屬於在，。特別的，當固定，我們有趨近於0當，且有。

黎曼-勒贝格定理 

如果是可积函数，则，而。

帕塞瓦尔定理 

如果函數屬於在之中，那麼便有。

普朗歇爾定理 

如果是系数，并且，则有一个唯一的函数使得对于所有有着。

延伸

希尔伯特空间的解读 

所谓的两个不同向量正交是指它们的内积为0，这也就意味着这两个向量之间没有任何相关性,例如，在三维欧氏空间中，互相垂直的向量之间是正交的。事实上，正交是垂直在数学上的一种抽象化和一般化。一组n个互相正交的向量必然是线性无关的，所以必然可以张成一个n维空间，也就是说，空间中的任何一个向量可以用它们来线性表出。

在希爾伯特空間釋義下，函數的集合{en = einx; n ∈ Z}是[−π, π]平方可積函數L2([−π, π])的正交基。這個空間實際上是一個希爾伯特空間，有著針對任何兩個的元素f和g的如下內積:

三角函数族的正交性用公式表示出来就是：

(這裡的δmn是克羅內克函數)，而

参阅 

 离散时间傅里叶级数
 傅里叶变换
 维尔斯特拉斯逼近定理

注释

引用

延伸阅读

 2003 unabridged republication of the 1878 English translation by Alexander Freeman of Fourier's work Théorie Analytique de la Chaleur, originally published in 1822.

Felix Klein, Development of mathematics in the 19th century. Mathsci Press Brookline, Mass, 1979. Translated by M. Ackerman from Vorlesungen über die Entwicklung der Mathematik im 19 Jahrhundert, Springer, Berlin, 1928.

 The first edition was published in 1935.
 電機電子類科《工程數學》，ISBN 978-957-584-377-9，作者 陳錫冠、曾致煌，高立出版社。

外部链接