三大变换与自控(五)三角函数的正交性证明

三角函数正交性 三角函数的正交性可以表示为在一个周期内,不同频率的正弦和余弦函数的乘积的积分等于零。这些性质在傅里叶分析和信号处理中非常重要,它们使我们能够将复杂的周期信号分解为不同频率的正弦和余弦分量。这意味着,如果您取其中任意两个不同的函数并计算它们在一个完整周期上的乘积的积分,结果将为零。这些性质在傅里叶分析和信号处理中也同样重要,它们也使我们能够将复杂的周期信号分解为不同频率的余弦分量。当两个函数的频率不同时,一个周期内的乘积的积分等于零。包括了无穷多的正弦和余弦函数,它们的频率从 0 开始递增。 阅读详情

在本系列文章的第一篇中,我们提到任何信号都可以被分解为三角函数,是因为三角函数的正交性,因此在三角函数构建的坐标系中可以绘制任何图形。现在我们就来证明一下三角函数的正交性,以完善我们整个推导过程。

教材上的三角函数系长这样:

{1, sinx, cosx, sin2x, cos2x, sin3x, cos3x…}

看了很疑惑,因为这是个阉割版,三角函数系完整版是这样的:

{sin0x, cos0x, sinx, cosx, sin2x,cos2x…}

教材上把sin0x = 0省略掉了, cos0x直接写成1,不知道为什么,可能这就是严谨吧(狗头)。

在高中的时候,我们就学过正交的概念,不过更多人是把正交理解成“垂直”,因此可能会误认为三角函数并不垂直,所以不正交。

所以,我们先搞清楚什么是正交:

假设一个二维坐标中存在两个垂直的向量a和b:

在这里插入图片描述
当两个向量相乘时,等于它们的模和夹角的余弦值的乘积,当夹角为90度时,其余弦值为0,因此向量乘积也就等于0,正交。

这里要搞清楚先后顺序,正交的条件是向量乘积为0,而向量乘积为0的充分不必要条件才是夹角为0 。

倘若是三维向量,乃至多维向量呢?这个时候我们只能从乘积等于0去判断,而不是夹角。

因此,对于多维向量a和b:
在这里插入图片描述
只有乘积为0时才是正交。

而对于两个函数:
在这里插入图片描述
上面这个式子实际上就是f(x)g(x)在区间内积分。

当两个函数对应的点的乘积相加等于0时,它们就是正交的。

因此,对于三角函数来说,只要我们从三角函数系中任取两个不同的项相乘的积分为0时,那么就是正交的:

在这里插入图片描述
因为正余弦波形是一样的,差的只是相位,所以coscos和sinsin是相通的,写了coscos就不需要sinsin了。

现在来验证一下上面两个式子是否都为0。

先看第一项:
在这里插入图片描述
利用积化和差公式,最后cos函数在-pi到pi上面积分,都不用算就知道是0 。

第二项也是同样的道理:
在这里插入图片描述

两项验证完毕,我们现在可以自信地说三角函数是具有正交性的了!

三角函数的正交性及其公式推导 三角函数的正交性 废话不多说,直接上公式: ∫−ππ(sin⁡nx)(sin⁡mx) dx=0,其中 n≠m,n,m=0,1,2,⋯∫−ππ(sin⁡nx)(cos⁡mx) dx=0,其中 n≠m,n,m=0,1,2,⋯∫−ππ(cos⁡nx)(cos⁡mx) dx=0,其中 n≠m,n,m=0,1,2,⋯ \begin{aligned} & \int_{-\pi}^{\pi} (\sin nx) (\sin mx)~ dx = 0 ,其中 阅读详情

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