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微积分 / 中文

傅立叶级数逼近

Charles队长 · 哔哩哔哩 · 0:30

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已审核学习内容 · 视频分析 · 中文
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方波在正半周期取1、负半周期取−1。视频依次叠加奇数次正弦谐波,展示傅里叶部分和怎样逼近平坦区段。间断点处级数收敛到左右极限的平均值;跳跃附近的吉布斯过冲并不会随着增加项数完全消失。

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章节

0:00周期方波0:08正弦级数与奇次谐波0:11低阶部分和0:19跳跃与吉布斯现象

学习解说文稿

依据视频画面与讲解整理,并非逐字语音转写。

先看一个周期为 2π2\pi 的方波:在 (0,π)(0,\pi) 取1,在 (−π,0)(-\pi,0) 取−1,再周期延拓。正负部分形成奇对称,因此傅里叶展开没有常数项与余弦项。

它的非零正弦系数只出现在奇数频率,系数为 4/(π(2k+1))4/(\pi(2k+1)),并不是正负交替。先保留基频,再依次加入3、5等奇次谐波,部分和逐渐形成方波的平台与陡峭边缘。

在连续点,部分和趋向原函数;在跳跃点,趋向左右极限的平均值0。跳跃附近仍有过冲,项数增加时过冲区域缩窄,但相对跳跃高度的峰值不消失。这解释了为何点态收敛不意味着跨越跳跃处的一致收敛。

知识卡片

01

奇对称方波

奇函数的傅里叶展开不含常数与余弦分量。本例在两个开半周期分别为±1,跳跃点的赋值不影响傅里叶系数。

f(x)={10<x<π−1−π<x<0f(x)=\begin{cases}1&0<x<\pi\\-1&-\pi<x<0\end{cases}
02

奇次正弦部分和

系数为正的4/(πn)4/(πn),仅奇数n出现。保留N个奇次谐波得到下面的部分和。

SN(x)=4π∑k=0N−1sin⁡((2k+1)x)2k+1S_N(x)=\frac4\pi\sum_{k=0}^{N-1}\frac{\sin((2k+1)x)}{2k+1}
03

间断点的平均值

在满足通常狄利克雷条件的本例中,级数在跳跃处收敛到左右极限的平均值,而不是任选的原函数端点值。

SN(x)→12(f(x−)+f(x+))S_N(x)\to\tfrac12\bigl(f(x^-)+f(x^+)\bigr)
04

吉布斯过冲

过冲发生在跳跃附近,位置随项数增加向跳跃靠近,区域变窄;相对峰值仍保持非零。不能据此说在跳跃点本身总有非零过冲。

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  • 级数 讲解定位 0:19
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    已审核收敛与过冲卡区分奇对称方波的傅里叶部分和及其极限。在适用的狄利克雷条件下,级数在跳跃处收敛到左右极限的平均值;吉布斯过冲发生在跳跃附近,区域变窄而相对峰值不消失,不能说跳跃点本身一直存在非零过冲。

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