傅里叶级数的指数形式的形象化

本文通过数学推导展示了如何将傅里叶级数转换为复指数形式,并结合复数的几何意义,形象地解释了复平面上点的‘轮上轮’运动在实轴上的投影。

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$$f(t)=a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_{n} \cos n\omega t+b_{n} \sin n\omega t)$$

由《知乎专栏——与时间无关的故事》启发,三角形式、频率振幅谱、相位谱解释得如此这般形象~~

$$f(t)=a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}(A_{n}\cos (n\omega t + \varphi_{n}))\quad A_{n}=\sqrt{a_{n}^2+b_{n}^2}\quad \tan \varphi_{n}=-\frac{b_{n}}{a_{n}}$$

$$=RealPart[a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}A_{n}e^{i\varphi_{n}}e^{in\omega t}]$$

$$=RealPart[a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_{n}+ib_{n})e^{in\omega t}]$$

$$\qquad z=x+iy$$

$$\qquad \bar{z}=x-iy $$

$$\qquad \therefore x=\frac{1}{2}(z+\bar{z})$$

$$=\frac{1}{2}[ (a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_{n}+ib_{n})e^{in\omega t}) +(a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}(a_{n}-ib_{n})e^{-in\omega t})]$$

$$=a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}F_{(n)}e^{in\omega t}+\sum_{n=1}^{\infty}F_{(-n)}e^{-in\omega t}\quad F_{(n)}=\frac{1}{2}(a_{n}+ib_{n})\quad F_{(-n)}=\frac{1}{2}(a_{n}-ib_{n})\quad n=1, 2, 3, ...$$

$$=a_{0}+\sum_{n=1}^{\infty}F_{(n)}e^{in\omega t}+\sum_{-\infty}^{n=-1}F_{(n)}e^{in\omega t}\quad F_{(0)}=a_{0}$$

$$=\sum_{-\infty}^{\infty}F_{(n)}e^{in\omega t}$$

从上面的推导过程,结合复数的几何意义,就得到复指数形式的傅里叶级数的形象:

复平面上的点作“轮上轮”运动,在实轴的投影。

这是从复数几何意义的角度理解傅里叶级数的,\(e^{in\omega t}\) 很容易联想到复平面上点的圆周运动。
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