85909 (Перетворення Фур’є. Спектри неперіодичних функцій), страница 2

у точках розриву і інтеграл збігається до числа

Приклад 2. Зобразити інтегралом Фур’є неперіодичну функцію

Функція задовольняє умовам зображення її інтегралом Фур’ є, до того ж вона парна, а відтак

Якщо , то

і

Функція у точці має усувний розрив (що не впливає на значення інтеграла (2.7)). Побудоване зображення функції інтегралом Фур’є можна записати у вигляді

.

2.2 Комплексна форма інтеграла Фур’є

Перетворимо за допомогою формули Ейлера [2] підінтегральну функцію у формулі (2.7) до наступного вигляду

(2.11)

де позначено

Тоді

(2.12)

Для дістаємо вираз

(2.13)

Звідси

(2.14)

Безпосередньо бачимо, що ці формули не втрачають сенс і при , бо . Тому із формули (2.7) випливає

(2.15)

Отже, в точках неперервності функції

(2.16) де

(2.17)

Вираз для у формі (2.15) називають комплексною формою інтеграла Фур’є для функції .

Зауваження. Множник можна записати у будь - яку з формул (2.16) чи (2.17): у вираз для , як у формулі (2.17), або у формулі (2.16), як це у подальшому буде зроблено для формул перетворення Фур’ є відповідно до стандартів електротехніки.

Приклад. Побудувати розклад (2.17) для функції

,

Розв‘язок

Тут . Проінтегруємо по проміжку , відповідно (2.2) при отримаємо

Оскільки

, тоді

.

Розклад (2.18), де запишеться як:

2.3 Інтегральне перетворення Фур’є

При дотриманні певних умов у ряд Фур'є розкладається періодична функція, задана на всій дійсній осі, або функція, визначена на кінцевому інтервалі. Розкладання в ряд Фур'є неперіодичної функції, заданої на необмеженому інтервалі, нездійсненно. Однак ідея подання функції нескінченним набором гармонік у декілька зміненій формі реалізована і в цьому випадку. Засобом досягнення мети служить інтеграл Фур'є [3], [4], [5].

Припустимо, що комплексна формула інтеграла Фур'є має місце для всіх значень за винятком скінченої кількості точок.

Тоді

(2.18)

Вираз у дужках - функція від . Позначимо цю функцію :

(2.19) тоді

(2.20)

Вирази (2.19) та (2.20) називаються двобічним прямим та оберненим перетворенням Фур'є. Якщо функція при , то дістанемо однобічні перетворення Фур'є.

(2.21)

(2.22)

Аналогічно, звернувшись до формул (2.9) і (2.10), можна ввести пряме і обернене косинус-перетворення Фур'є для парної функції .

(2.23)

(2.24)

та пряме і обернене синус-перетворення Фур'є для непарної функції :

(2.25)

(2.26)

Приклад. Знайти прямі косинус - перетворення Фур'є та синус-перетворення функції .

,

За формулами обернених перетворень (2.24) і (2.25) маємо

3. Спектральна характеристика (щільність) неперіодичної функції

У відповідності з формулою (2.22), неперіодична функція зображується сукупністю нескінченно великої кількості гармонік з нескінченно малими амплітудами у всьому діапазоні частот до . Функцію , визначену для неперіодичної функції за формулою (2.19) чи (2.22), називають спектральною характеристикою (спектральною щільністю, спектральною функцією) функції . ЇЇ модуль і аргумент називають відповідно амплітудною та фазовою спектральними характеристиками (відповідно амплітудно-частотним та фазочастотним спектрами).

Деякі властивості спектральної характеристики. Нехай - спектральна характеристика (це символічно можна записати . Тоді спектральній характеристиці (у випадку двобічного перетворення Фур'є) притаманні такі властивості [3]:

Лінійність де ;

Диференціювання оригіналу , якщо абсолютно інтегрована функція. Інтегрування оригіналу за умови, що . Диференціювання спектральної функції у випадку, коли - абсолютно інтегрована функція

Зміна масштабу незалежної змінної .

Зсув незалежної змінної .

Зсув спектральної функції

Множення функції на косинус та синус

Функція - комплексно - спряжена для функції , і, оскільки модулі спряжених функцій і рівні, а аргументи - відрізняються знаком, то амплітудно-частотний спектр - завжди парна, а фазо-частотний спектр - завжди непарна функція частоти .

Інколи спектральну характеристику описують кривими, що являють собою дійсну та уявну частину спектральної функції.

(3.1)

(3.2)

Ці дві криві містять повну інформацію про амплітуду і фазу спектральної характеристики причому - непарна функція, - парна функція, а відтак, якщо функція - парна, то спектр зводиться тільки до дійсної частини , що збігається з . Аналогічно у разі непарної функції спектр зводиться до уявної частини .

Зауваження 1. Спектральну характеристику можна вважати обвідною коефіцієнтів ряду Фур'є, тобто границею лінійчатого спектра частот періодичної функції, коли період функції прагне до нескінченності.

4. Розрахункова частина

У розрахунковій частині даної роботи досліджується неперіодична функція

,

Потрібно знайти:

розклад в інтеграл Фур'є

амплітудний і фазовий спектр.

Розв'язання

а) Функція задовольняє таким умовам теореми Фур’є [4], [5]:

Рис.4.1 Графік досліджуємої неперіодичної функції f (t)

(прямокутний імпульс тривалості ) задана на всій осі . на будь-якому кінцевому відрізку цієї осі задовольняє умовам Дирихле [], а отже розкладається в ряд Фур'є.

Абсолютно інтегрувальна по всій осі, тобто те функція допускає подання у формі інтеграла Фур'є

(4.1), де

(4.2)

Застосувавши (4.2), знайдемо спектральну щільність

. (4.3)

Згідно (4.1), підставляючи (4.3), отримуємо інтеграл Фур’є в комплексній формі:

(4.4)

З формули (4.4) після відділення дійсної й мнимої частини можна перейти до інтеграла Фур'є в дійсній формі. З обліком парних і непарних функцій одержимо

, тобто

(4.5)

б) Минаючи стандартну процедуру, визначимо модуль і аргумент величини привівши її до показової форми запису

(4.6)

Поки співмножник експоненти (разом із синусом) міняє знак, він не може відігравати роль модуля . Неважко перевірити, що в проміжках

при

.

Тому для , значить ;

звідки

. (4.7)

В виразі (4.7) ціле число довільне, його варто вибрати так, щоб виділялося головне значення. Оскільки в означених вище інтервалах зміни справедливо , то досить взяти .

Маємо:

1. амплітудний спектр у вигляді функції

,

Побудуємо таблицю амплітудного спектра

k	-4	-2	0	2	4
			0
	0	0		0	0

Графік амплітудного спектра наведений на рис.4.2

Рис.4.2 Графік амплітудного спектру досліджуємої неперіодичної функції

2. фазовий спектр у вигляді функції

, . Діаграми для

побудовані з урахуванням парності й непарності .

Побудуємо таблицю для фазового спектра

k	-2	-1	0	1	2
			0
			0

Графік фазового спектра наведений на рис.4.3

Рис.4.3 Графік фазового спектру досліджуємої неперіодичної функції

Розглянуту функцію в радіотехніці застосовують для опису прямокутного імпульсу тривалості . Прилад, що реєструє цей сигнал, сприймає тільки кінцевий інтервал частот. Важливо, щоб в останній попадала основна частина спектра, який відповідає найбільшим значенням амплітуд . Довжину такого інтервалу характеризують за допомогою поняття ширини спектра. У даному прикладі шириною спектра називають величину . Тривалість імпульсу й ширина його спектра обернено залежні. Ця властивість - загальна для імпульсів різної форми.

Висновки

В курсовій роботі розглянута теорія та практика спектрального аналізу функцій при спектральному представленні неперіодичних функцій з застосуванням математичного апарату інтегральних перетворень Фур’є.

Від періодичного коливання до неперіодичного можна просто перейти, якщо не змінюючи форми імпульсу безмежно збільшувати період його проходження, що, у свою чергу, приведе до нескінченно близького розташування друг до друга спектральних складових, а значення їхніх амплітуд стають нескінченно малими. Однак початкові фази цих складових такі, що сума нескінченно великої кількості гармонійних коливань нескінченно малих амплітуд відрізняється від нуля й дорівнює функції тільки там, де існує імпульс. Тому поняття спектра амплітуд для неперіодичного коливання не має змісту, і його заміняють, використовуючи пряме й зворотне перетворення Фур'є. Відомо, що функція, що задовольняє заданим умовам, може бути представлена інтегралом Фур'є (зворотне перетворення Фур'є)

.

Використовуючи пряме перетворення Фур'є, приходимо до інтеграла

.

Функція називається комплексною спектральною щільністю амплітуд, а її модуль - спектральною щільністю амплітуд. Аргумент називають фазовим спектром неперіодичного коливання.

Список використаної літератури

1. Ильн В.А., Позняк Э.Г. Основы математического анализа. ч.1М.: "Наука" - 387с-1980. ч.2М. Наука. - 444с-1982.

2. Овчинников П.П. Вища математика: підручник. Ч.2-3є вид. - К.: Техніка, 2001. - 792 с.

3. 3. Поляков М.Г., Фомичова Л.Я., Сушко С.О., Математичні основи теоретичної електротехніки: Навчальний посібник - Дн.: НГА України, 2001. - ч.1-210с.

4. 4. Синайский, Е.С. Высшая математика: учеб. пособие. - 2е изд. - / Синайский Е.С., Новикова Л.В., Заславская Л.И.; Министерство образования и науки Украины, Национальный горный университет. - Днепропетровск: НГУ. - Ч.1. - 2009. - 399 с.

5. Синайский Е.С. Высшая математика / Синайский Е.С., Новикова Л.В., Заславская Л. И.; Министерство образования и науки Украины, Национальный горный университет. - Днепропетровск: НГУ. - Ч.2. - 2006. - 452 с.

6. Фихтенгольц Г.М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. - М.: „Наука”, 1970. - Т.2. - 800 с.

7. Харкевич А.А. Спектры и анализ - М.: Физматгиз, 1980. - 246 с.