Höhere Mathematik 2 Kapitel 8 Fourier-Analyse
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- Imke Bayer
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1 Höhr Mhmi Kpil 8 Fourir-Alys Pro. Dr.-Ig. Dir Krus
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3 Höhr Mhmi Kpil 8 Ihlsvrzihis 8 Fourir-Alys Grudlg Fourir-Rih Rll Drsllug dr Fourir-Rih Komplx Drsllug dr Fourir-Rih Fourir-Igrl...8-3
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5 8 Fourir-Alys 8. Grudlg Problmsllug: Es si : [,b]. K durh "ih Fuio" pproximir wrd? Als ih Fuio wrd z.b. lgbrish Polyom p x x b rigoomrish Polyom p x os x bsi x brh. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8- Ur "pproximir" vrsh m dbi, dss p x di Fuio x möglihs gu ähr, d.h. dr Absd zwish ud p soll u [,b] möglihs li si. Es muss lso i Absd zwish zwi Fuio gmss wrd. Bi sig Fuio ds olgdrmß gshh. Es si C[,b] = { : [,b], sig u [,b]} di Mg llr u [,b] sigr Fuio. C[,b] is mi d olgd Oprio g x: x g x Addiio x : x, Slrmulipliio i Vorrum. Für C[,b] di -Norm mi d Normigsh : mx x Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8- x, b
6 , x x[, b] g g Drisuglihug diir wrd. C[,b] is somi i ormirr Vorrum. Mi Hil disr Norm dr Absd zwish d Fuio ud g durh g : mx x g x gmss wrd. lim p x, b bdu, dss p u [,b] glihmäßig gg ovrgir. Im wurd bishr immr di Eulidish Norm buz ud übr ds Slrprodu x i x i Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-3 olgdrmß diir x x y i x i y x x. Brh m u d Vorrum C[,b], d wird durh b, g : x g x dx u C[,b] i Slrprodu diir, d s gil,,, x x[, b], g, g g, h, hg, h Liriä, g g, Symmri Mi Hil ds Slrprodus wird di -Norm gmäß i Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-4
7 diir ud s gil g g :, x dx b Drisuglihug, g g Shwrzsh Uglihug Für di -Norm lu di Drisuglihug b x g x dx x dx ud di Shwrzsh Uglihug b g x dx b Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-5 b b b x g x dx x dx g x dx. Mi dr -Norm dr Absd zwish zwi Fuio durh gmss wrd. g b x g x dx Es gil im llgmi ud g g. Bispil: x x mi x, mx x x mx x, x, x dx x dx x Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-6
8 y gx x g g groß li b x Sz 8-: Es si C[,b],, ud C[,b], d gil lim lim glihmäßig Kovrgz u, Kovrgz im qudrish Mil u,b Di Umhrug diss Szs gil ih. b Nu soll di Fuio C[,b] durh ih Fuio im qudrish Mil pproximir wrd, d.h. wir suh p C [, b] mi lim p. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-7 Hirzu müss zuähs Orhoormlsysm brh wrd. Diiio 8-: Orhoormlsysm Es si u C[,b] i Slrprodu, g ggb ud di zughörig Norm,. Sid rr i C[,b] i mi ür i i, ür i so bild di Fuio { i : i } i Orhoormlsysm bzgl. ds Slrprodus, g. Amrug: i, i = bdu i =, d i, i i Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-8
9 Es soll u C[,b], durh ih Fuio gmäß pproximir wrd, wobi p x x,, i C [, b] : i i ONS Orhoormlsysm bzgl. ds Slrprodus, g si. Frg: Für wlh wird p Awor: x x miiml? x wird miiml ür, x x dx. b Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-9 Sz 8-: Es si i C[, b], i i Orhoormlsysm bzgl. ds Slrprodus ud C[,b], d rhäl m di bs Approximio im qudrish Mil durh p x, x ud s gil di Bsslsh Uglihug, Bwis: ur dr Bsslsh Uglihug,,,,, l,,, l, l Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-
10 Ausuz vo ür l,l ür l lir di Bsslsh Uglihug,,,, H m lso u C[,b] i Slrprodu, g ud m zu dism Slrprodu i Orhoormlsysm { : } so lu di bs Approximio im qudrish Mil i.q.m. Approximio p x x mi, Im olgd Kpil wird dr obig Shvrhl m Bispil ds dr Fourir-Rih zugrudligd Orhoormlsysms vrshulih. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-8. Fourir-Rih 8.. Rll Drsllug dr Fourir-Rih Sz 8-3: Di Fuio, os x, si x : bild i C[,] i ONS Orhoormlsysm. Bwis: Aus dm ls Übug zu ührd Bwis rhäl m ür l os xos lx dx ür l ür l Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-
11 b ür l si xsi lx dx ür l si xos lx dx, l Aus olg x dx ür os x, xos x dx osx ür si x xsi x dxsix ür Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-3 Sz 8-4: Es si :, -priodish ud sig i. Di bs Approximio im qudrish Mil i.q.m. rhäl m durh di rigoomrish Polyom x os x bsi x mi xos x dx,,, b xsi x dx,,, x hiß ilsumm Prilsumm dr Fourir-Rih x x b x os si vo. Di Koizi ud b hiß Fourir-Koizi. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-4
12 Amrug: I dr Bsslsh Uglihug gil ds Glihhiszih, d.h., mi, os, si : x x ud s gil di Prsvlsh Glihug b x dx sowi lim, limb Diiio 8-: Ei Fuio hiß u [,b] süwis sig, w bis u dlih vil Sprugsll, d.h. Usigissll mi dlih Grzwr x ud x, u [,b] sig is. Ei Fuio hiß u [,b] süwis gl, w ud u [,b] süwis sig sid. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-5 Sz 8-5: Es si :, -priodish ud süwis gl, d ovrgir di Fourir-Rih x puwis gg x lls sig i x x x lls i x Sprugsll bsiz ud di Kovrgz is glihmäßig i ll bgshloss Sigisirvll. Amrug: Di Fourir-Rih ir süwis gl priodish Fuio glidwis igrir wrd. Bispil: x si x os x os x x Addiioshorm lir sho di rig Fourir-Rih Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-6
13 3 x x 3 3 x si x si x si 3x x x = x ür x, ud si -priodish orgsz. is süwis gl u mi Sprugsll i x = + mi x ür x ür ud is ugrd x x x - Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-7 Für ugrd Fuio gil ud b xsi x dx, d xos x dx wil x os x ugrd Fuio b xsi x dx xsi x dx wil x si x grd Fuio. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-8
14 Für grd Fuio gil b ud xos x dx, d b xsi x dx wil x si x ugrd Fuio xos x dx xos x dx wil x os x grd Fuio. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-9 D ugrd, olg ud os x os x b xsi x dx xsi x dx x dx si x os. Dmi lu di Fourir-Rih vo Di Prilsumm x si x. x si x ovrgir puwis gg Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-
15 x ür x. ür x Di Kovrgz is glihmäßig i ll bgshloss Irvll, di i Pu x hl. Es gil somi x si x x x, mi glihmäßigr Kovrgz i [, ], >. 4 x x 4 x 5 x Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8- Gibbshs Phäom A d Sprugsll r sr Übrshwigug u, di uh bi hohm Grd ih lir wrd, sodr ur ähr di Sprugsll hrrü. Aus dr Prsvlsh Glihug olg 3 4 x b x dx x h ür x,, si ugrd ud si -priodish orgsz. is süwis sig ud süwis gl i mi Sprugsll i x mi x ür x x. ür x Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-
16 D ugrd, olg ud b xsi x dx... h os x hsi x dx ür grd h h os 4h. ür ugrd Dmi lu di Fourir-Rih vo 4h si x x x -h h... Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus x x Aus dr Prsvlsh Glihug b x dx olg ür h 4 6 b x dx. 8 Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-4
17 Is ih -priodish, sodr -priodish mi >, so m di Fourir-Rih mi Hil ir rsormio rhl. Es si g x : x g x x x x g x g is -priodish mi dr Fourir-Rih x x b x mi ud os si g xos x dx x os x dx Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-5 b g xsi x dx x si x dx. Di Subsiuio x mi d dx ud lir os d ud b si d. Dmzuolg rgib sih di Fourir-Rih dr -priodish Fuio zu mi b os si os d ud b si d. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-6
18 8.. Komplx Drsllug dr Fourir-Rih Di Fourir-Rih ir -priodish Fuio uh i omplxr Form drgsll wrd. mi d Hirbi gil ür ud b := b b R b Im Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-7 Bwis: Für gil os si d os d si d b os si d os d si d b Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-8
19 Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-9 Addiio bzw. Subrio dr bid Glihug lir Im R b b si os si os si os si os b Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-3 Bispil: \{} mi, ür ud si -priodish orgsz. is süwis sig ud süwis gl ür ür -/ -3/ 3/ /
20 mi d os sih olg d d Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus Fourir-Igrl Es sll sih u di Frg, ob ihpriodish Fuio i hrmoish Shwigug zrlg wrd ö. Hirzu ühr m i priodish Fuio i, idm m d Ausshi vo übr / < < / priodish widrhol, d.h. ud. = Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-3
21 Osihlih gil lim. Für xisir di omplx Fourir-Rih mi / ud dm omplx Fourir-Koizi d. Bim Grzübrgg, d.h., srb ud dmi dr Absd zwir bhbrr Frquz gg ull. Ds Liisprum gh dbi i i oiuirlihs Sprum Dihsprum übr. Mi u ür ud / ud durh Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-33 ud d usgdrü wrd. Für ll, ür di d dlih blib, olg, dss bim Grzübrgg uh br F d srb. F bzih m ls di Fourir-rsormir vo. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-34
22 Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-35 Di Fourir-Rih gh bim Grzübrgg, d.h., i ds Igrl d F lim lim übr, ds ls Umhrigrl dr Fourir-rsormio bzih wird. Diiio 8-3: Ei Fuio : hiß Fourir-rsormirbr, w dr Cuhysh-Hupwr : F d F ür ll xisir. I dism Fll hiß F Fourir-rsormir vo. Di ivrs Fourir-rsormio vo F : lu :, F F d F Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-36 w ds Igrl ls Cuhyshr-Hupwr ür ll xisir. M ds Pr,F i Fourir-rsormiosorrspodz ud shrib urz. F Bispil:, A A A A A d d A d d A d A d F
23 Uvribri vo srgr Zi- ud Frquzbgrzug = - F = / Di hurisish Hrliug sll oh i Bwis ür ds Fourir- rsormiospr dr, dür is zuähs di Zulässigi dr Grzübrgäg ud dr Vrushbri zu übrprü. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-37 Diiio 8-4: Ei Fuio : hiß bsolu igrirbr, w si u dm dlih Irvll süwis sig is ud d gil. Sz 8-6: Is : bsolu igrirbr, so xisir di Fourir-rsormir F F{ }. F is d bshrä ud sig u. Amrug: Es gil di Prsvlsh Glihug sowi F d d lim F ud lim F. Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-38
24 Sz 8-7: Is di Fuio : bsolu igrirbr, i dm Irvll süwis gl ud gil di Milwrigsh ür ll, d is mi uh F F{ } Fourir-rsormirbr ud s gil F F F F, d.h. di Korrspodz F is umhrbr iduig. - Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-39 Rhrgl Es si ud g bsolu igrirbr, d gil Liriä g F G, Kougio F, F Bwis: d d d F d d d d F Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-4
25 3 Srug F Bwis: d d d d F 4 Vrshibug im Zibrih F Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-4 Bwis: d d F 5 Vrshibug im Frquzbrih F, Bwis: F d 6 Symmri F F d.h. ud F sid grd F F d.h. ud F sid ugrd d Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-4
26 Bwis: grd: ugrd: F os d F si d grdr Ail vo g ugrdr Ail vo u rll R F g u g Im F u Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-43 Bwis: g F osd sid u g 7 Diriio im Zibrih F Bwis: F u d d os si d F Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-44
27 8 Igrio im Zibrih d F Bwis: g, g d F g G F F 9 Diriio im Frquzbrih F Bwis: F F F d Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-45 F F d Igrio im Frquzbrih F d Bwis: F G, G F d F G g F F Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-46
28 Flug im Zibrih g F G, wobi g g d g d Bwis: g d d g dd G d dg F G Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-47 Flug im Frquzbrih g FG, wobi FG F G d F G d Bwis: F F F G d G d g g d d d F g d Hohshul Brm Höhr Mhmi / Pro. Dr.-Ig. Dir Krus 8-48
29 Übug zur Höhr Mhmi / Kpil 8 Pro. Dr.-Ig. Dir Krus Augb 8-: Brh Si di Fourir-Rih dr olgd Fuio. x os x / 4 b x si x / 6 Augb 8-: Brh Si di Fourir-Rih dr priodish orgsz Fuio x x ür x, ]. Augb 8-3: Brh Si di Fourir-Rih dr -priodish Fuio di im Irvll, durh di Fuio / ggb is. Augb 8-4: Brh Si di Fourir-Rih dr olgd Fuio. os b x si x / b lls di Fou- Augb 8-5: Bsimm Si di Fourir-rsormir vo rir-rsormir vo b ud > is. g Augb 8-6: Brh Si di Fourir-rsormir dr olgd Fuio. ür /, / /, /, /, / sos b g os /, / Augb 8-7: Bwis Si di Prsvlsh-Glihug d F d. Hiwis: Flugs- ud Kougiosrgl wd
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