MS-C1420 Fourier-analyysi osa I

Samankaltaiset tiedostot
MS-C1420 Fourier-analyysi osa I

MS-C1420 Fourier-analyysi osa I

MS-C1420 Fourier-analyysi Esimerkkejä, perusteluja, osa I

MS-C1420 Fourier-analyysi Esimerkkejä, perusteluja, osa I

MS-C1420 Fourier-analyysi osa II

MS-C1420 Fourier-analyysi osa II

Fourier-analyysi, I/19-20, Mallivastaukset, Laskuharjoitus 7

Numeeriset menetelmät

Mat Matematiikan peruskurssi L4, osa I

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 13. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 13 () Numeeriset menetelmät / 42

Osa VI. Fourier analyysi. A.Rasila, J.v.Pfaler () Mat Matematiikan peruskurssi KP3-i 12. lokakuuta / 246

Lebesguen mitta ja integraali

Mat / Mat Matematiikan peruskurssi C3-I / KP3-I Harjoitus 5 / vko 42, loppuviikko, syksy 2008

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

Signaalit ja järjestelmät aika- ja taajuusalueissa

Oletetaan sitten, että γ(i) = η(j). Koska γ ja η ovat Jordan-polku, ne ovat jatkuvia injektiivisiä kuvauksia kompaktilta joukolta, ja määrittävät

Konvergenssilauseita

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Fourier-sarjat ja -muunnos

4. Fourier-analyysin sovelletuksia. Funktion (signaalin) f(t) näytteistäminen tapahtuu kertomalla funktio näytteenottosignaalilla

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio. TKK (c) Ilkka Mellin (2005) 1

Kompleksianalyysi, viikko 5

7. Tasaisen rajoituksen periaate

Sarjoja ja analyyttisiä funktioita

Ortogonaaliprojektio äärellisulotteiselle aliavaruudelle

LUKU 6. Mitalliset funktiot

f(x) sin k x dx, c k = 1

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

Funktiojonot ja funktiotermiset sarjat Funktiojono ja funktioterminen sarja Pisteittäinen ja tasainen suppeneminen

8. Avoimen kuvauksen lause

Positiivitermisten sarjojen suppeneminen

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Sarja. Lukujonosta (a k ) k N voi muodostaa sen osasummien jonon (s n ): s 1 = a 1, s 2 = a 1 + a 2, s 3 = a 1 + a 2 + a 3,...,

MS-C1340 Lineaarialgebra ja differentiaaliyhtälöt

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

1. Viikko. K. Tuominen MApu II 1/17 17

SIGNAALITEORIAN KERTAUSTA 1

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Ilkka Mellin Todennäköisyyslaskenta. Osa 2: Satunnaismuuttujat ja todennäköisyysjakaumat. Momenttiemäfunktio ja karakteristinen funktio

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Yhteenveto, osa I

LUKU 7. Perusmuodot Ensimmäinen perusmuoto. Funktiot E, F ja G ovat tilkun ϕ ensimmäisen perusmuodon kertoimet ja neliömuoto

Jaksollisen signaalin spektri

2 Funktion derivaatta

Sisältö. Sarjat 10. syyskuuta 2005 sivu 1 / 17

Kaikkia alla olevia kohtia ei käsitellä luennoilla kokonaan, koska osa on ennestään lukiosta tuttua.

MS-A0102 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1

Täydellisyysaksiooman kertaus

Ville Turunen: MS-C1420 Fourier-analyysi (5 opintopistettä)

MS-A0205/MS-A0206 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 Luento 8: Newtonin iteraatio. Taso- ja avaruusintegraalit

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 5: Taylor-polynomi ja sarja

MS-A010{2,3,4,5} (SCI, ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 2: Sarjat

Ville Turunen: ( ) MS-C1420 Fourier-analyysi (5 opintopistettä)

Luento 2. Jaksolliset signaalit

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 14. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 14 () Numeeriset menetelmät / 55

e ax, kun x > 0 f(x) = 0, kun x < 0, 0, kun x > 0 e ax, kun x < 0 e (a iω)x dx = a+iω = 1 a 2 +ω 2. e ax, x > 0 e ax, x < 0,

Hilbertin avaruudet, 5op Hilbert spaces, 5 cr

Laplace-muunnos: määritelmä

3.3 Funktion raja-arvo

MS-A010{3,4} (ELEC*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 3: Jatkuvuus

Epäyhtälöt ovat yksi matemaatikon voimakkaimmista

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

6.2.3 Spektrikertymäfunktio

FUNKTIONAALIANALYYSIN PERUSKURSSI Johdanto

Harjoitus 1. Tehtävä 1. Malliratkaisut. f(t) = e (t α) cos(ω 0 t + β) L[f(t)] = f(t)e st dt = e st t+α cos(ω 0 t + β)dt.

3 Lukujonon raja-arvo

3 Lukujonon raja-arvo

Kompleksianalyysi, viikko 6

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

Numeeriset menetelmät TIEA381. Luento 8. Kirsi Valjus. Jyväskylän yliopisto. Luento 8 () Numeeriset menetelmät / 35

nyky-ymmärryksemme mukaan hajaantuvaan sarjaan luvun 1 2 kun n > N Huom! Määritelmä on aivan sama C:ssä ja R:ssä. (Kuva vain on erilainen.

2. Todista Lause 1.2 : Jos I on ylinumeroituva indeksijoukko ja a i > 0kaikillai 2 I, niin P i2i a i = 1.

=p(x) + p(y), joten ehto (N1) on voimassa. Jos lisäksi λ on skalaari, niin

Laplace-muunnos. 8. marraskuuta Laplace-muunnoksen määritelmä, olemassaolo ja perusominaisuudet Differentiaaliyhtälöt Integraaliyhtälöt

1 Reaaliset lukujonot

Matemaattinen Analyysi

Sarjat ja integraalit

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

Reaaliluvut. tapauksessa metrisen avaruuden täydellisyyden kohdalla. 1 fi.wikipedia.org/wiki/reaaliluku 1 / 13

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

Kuinka määritellään 2 3?

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

Sarjojen suppenemisesta

Numeeriset menetelmät

2. Fourier-sarjoista. Aaltoliikkeen ja lämmöjohtumisen matemaattinen tarkastelu

2.2.1 Ratkaiseminen arvausta sovittamalla

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

V. POTENSSISARJAT. V.1. Abelin lause ja potenssisarjan suppenemisväli. a k (x x 0 ) k M

MS-A0402 Diskreetin matematiikan perusteet Esimerkkejä ym., osa I

2 Funktion derivaatta

1 Määritelmä ja perusominaisuuksia. 2 Laskutoimitukset kompleksiluvuilla. 3 Reaaliluvut ja kompleksiluvut. 4 Kompleksilukujen algebraa

Lukujonon raja-arvo 1/7 Sisältö ESITIEDOT: lukujonot

Määritelmä Olkoon T i L (V i, W i ), 1 i m. Yksikäsitteisen lineaarikuvauksen h L (V 1 V 2 V m, W 1 W 2 W m )

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

MS-A010{3,4,5} (ELEC*, ENG*) Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Luento 11: Lineaarinen differentiaaliyhtälö

infoa Viikon aiheet Potenssisarja a n = c n (x x 0 ) n < 1

Transkriptio:

1 Johdanto MS-C142 Fourier-analyysi osa I G Gripenberg 2 Fourier-integraali Fourier-muunnos ja derivaatta Konvoluutio Fourier-käänteismuunnos eliöintegroituvat funktiot Aalto-yliopisto 29 tammikuuta 214 3 Diskreetti Fourier-muunnos 4 Fourier-sarjat eliöintegroituvat jaksolliset funktiot G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 1 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 2 / 3 Fourier-muunnoksia Jatkuva-aikaisen jaksottoman signaalin muunnos: ŝ(ν e i2πνt s(t dt, ν Jaksollisen jatkuva-aikaisen signaalin muunnos (kun jakso on 1: ŝ(k 1 e i2πkt s(t dt, k Z Diskreetti Fourier-muunnos (diskreettiaikainen jaksollinen signaali: ŝ(m 1 j mj i2π e s(j, m Z Diskreettiaikaisen ei-jaksollisen signaalin Fourier-muunnos: ŝ(ν j Z e i2πνj s(j Fourier-muunnos on lineaarinen, eli summan muunnos on muunnosten summa ja jos signaali kerrotaan luvulla niin muunnoskin tulee kerrotuksi samalla luvulla G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 3 / 3 Eksponenttifunktio ja Eulerin kaava Eksponenttifunktion määritelmäksi voidaan ottaa exp(z e z j z n n!, z C ja merkinnän e z perusteluna on kaava e z 1+z 2 e z 1 e z 2 Vertaamalla sin:n ja cos:n sarjakehitelmiin saadaan Eulerin kaava e it cos(t + i sin(t, missä siis i on imaginaariyksikkö se i i 1 Erityisesti pätee e it 1, ja e i2πk 1, kun k Z Kompleksiluvun z a + ib kompleksikonjugaatti z on z a ib joten esim e it e it Kompleksikonjugointi on lineaarinen ja multiplikatiivinen joten pätee esim e i2πνt s(t dt e i2πνt s(t dt G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 4 / 3

Fourier-muunnos Jos s(t dt < ja s on mitallinen eli jatkuvien funktioiden raja-arvo melkein kaikkialla eli s L 1 ( niin ŝ(ν F(s(ν Jos t on aika niin ν on taajuus! Fourier-käänteismuunnos s(t F 1 (ŝ(t e i2πtν s(t dt, ν e i2πνt ŝ(ν dν F ( ŝ ( t ν ω F ( ŝ( ω (t Kuten Fourier-muunnoksen määritelmässä ongelmana tässä (todistamisen lisäksi on että jos ŝ(ν dν (niin kuin usein käy ei ole heti selvää mitä integraalilla oikein tarkoitetaan mutta sopivilla määritelmillä tähänkin ongelmaan löytyy hyviä ratkaisuja G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 5 / 3 Translaatiot, modulaatiot ja dilaatiot Jos s L 1 (, p ja a niin g(t s(t p ĝ(ν e i2πνp ŝ(ν, h(t e i2πpt s(t ĥ(ν ŝ(ν p, k(t s(at k(ν 1 ( ν a ŝ a Oletus s(t dt < ei ole tässä yhteydessä oleellinen muulla tavalla kuin että Fourier-muunnos on toistaiseksi määritelty väin tällaisille funktioille! Miksi? ĝ(ν e i2πνt s(t p dt t p τ e i2πντ e i2πνp s(τ dτ e i2πνp ŝ(ν e i2πν(τ+p s(τ dτ G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 6 / 3 Translaatiot, modulaatiot ja dilaatiot, jatk ĥ(ν ˆk(ν 1 a e i2πνt e i2πpt s(t dt e i2πνt s(at dt at τ, dt 1 a dτ 1 a e i2π(ν/aτ s(τ dτ 1 ( ν a ŝ a e i2π(ν pt s(t dt ŝ(ν p e i2πντ/a s(τ dτ Jos s L 1 ( niin ŝ on jatkuva ja ν ŝ(ν mutta jokainen jatkuva funktio jonka raja-arvo äärettömyydessä on ei ole integroituvan funktion Fourier-muunnos Fourier-muunnos ja derivaatta Jos D on derivointioperaattori ( d dν tai d dt niin ja D(F(s(ν F(( i2πts(t(ν F(Ds(ν i2πνf(s(ν Miksi? Yllä olevat kaavat pätevät, sopivin tulkinnoin, hyvin yleisesti ja jos esim (1 + t s(t L 1 ( niin voidaan derivoida integraalin sisäpuolella jolloin saadaan D(F(s(ν d dν e i2πνt s(t dt e i2πνt ( i2πts(t dt Samoin jos esim s ja Ds L 1 ( ja s(t s( + t Ds(u du saadaan osittaisintegroinnilla F(Ds(ν / e i2πνt s(t ( i2πνe i2πνt s(t dt i2πνf(s(ν G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 7 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 8 / 3

opeasti vähenevät funktiot S( { s : C : s C (, sup t k s (m (t <, k, m } t S( sisältää siis kaikki äärettömän monta kertaa derivoituvat funktiot, joiden kaikki derivaatat suppenevat kohti nopeammin kuin jokainen muotoa t k oleva funktio kun t ja kaikki tyyppiä t k s (m (t olevat funktiot ovat myös integroituvia Esimerkkinä kelpaa hyvin funktio h (t e πt2 Fourier-muunnos ja nopeasti vähenevät funktiot Fourier-muunnos on bijektio: S( S(, eli jos s S( niin ŝ S( ja jos q S( niin on olemassa täsmälleen yksi s S( siten, että q ŝ Lisäksi pätee (i2πν k D m (F(s(ν F ( D k( ( i2πt m s(t (ν kaikilla k ja m G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 9 / 3 Konvoluutio Jos g ja h L 1 ( niin g h L 1 ( ja (g h(t dt g(t dt h(t dt missä (g h(t g(t uh(u du ja erityisesti pätee Approksimointi konvoluutioilla f g(ν ˆf (νĝ(ν Jos p L 1 (, p(t dt 1, p a(t ap(at ja s L 1 ( niin a s(t (p a s(t dt, ja jos lisäksi t tp(t ja s on jatkuva pisteessä t niin (p a s(t s(t a G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 1 / 3 Kertolaskukaava Jos g ja h L 1 ( niin ĝ(νh(ν dν g(tĥ(t dt Miksi? Integroimisjärjestyksen vaihdolla saadaan ( ĝ(νh(ν dν e i2πνt g(t dt h(ν dν ( ( e i2πνt g(th(ν dt dν e i2πνt g(th(ν dν dt ( g(t e i2πνt h(ν dν dt g(tĥ(t dt Kertolaskukaava, erikoistapaus Jos s ja p L 1 ( niin ei2πνt p( νŝ(ν dν (ˆp s(t G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 11 / 3 Fourier-käänteismuunnos I Jos s L 1 ( niin ɛ s(t e i2πνt ŝ(νe ɛν2 dν dt ja s(t e i2πνt ŝ(νe ɛν2 dν ɛ kaikissa pisteissä t missä s on jatkuva Fourier-käänteismuunnos II Jos s L 1 ( ja ŝ L 1 ( niin s(t e i2πνt ŝ(ν dν, t G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 12 / 3

eliöintegroituvat funktiot Jos s : C on mitallinen ja s(t 2 dt < niin s L 2 ( Pätee S( L 2 ( mutta L 1 ( L 2 ( ja L 2 ( L 1 ( Monissa sovelluksissa s(t 2 dt < on signaalin energia tai ainakin verrannollinen energiaan Merkitään s L 2 ( ( s(t 2 dt 1 2 Fourier-muunnos ja L 2 ( I Jos g ja h S( niin g(th(t dt ĝ(νĥ(ν dν Fourier-muunnos ja L 2 ( II Jos s L 2 ( niin on olemassa funktio ŝ L 2 ( siten, että jos jono (s n n1, s n S( kun n 1 on sellainen, että n s n s L 2 ( niin n ŝ n ŝ L 2 ( Lisäksi pätee s L 2 ( ŝ L 2 ( eli s(t 2 dt ŝ(ν 2 dν ja jos g ja h L 2 ( niin g(th(t dt ĝ(νĥ(ν dν G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 13 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 14 / 3 Jos s L 1 ( L 2 ( niin ŝ tulee määritellyksi kahdella eri tavalla, toisaalta suoraan integraalina koska f L 1 ( ja toisaalta raja-arvona n ŝ n, missä s n S(, mutta nämä määritelmät antavat saman tuloksen Jos s L 2 ( niin pätee myös T T ŝ(ν e i2πνt s(t dt T 2 dν G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 15 / 3 Diskreetti Fourier-muunnos Jos on positiivinen kokonaisluku niin lukujen s(k, k, 1,, 1 diskreetti Fourier-muunnos on F (s(m ŝ(m 1 j e i2πmj s(j, m Z Diskreetti Fourier-muunnos määritellään usein kaavoilla 1 1 i2πmj 1 j e s(j tai 1 i2πmj j e s(j Valittu määritelmä vaikuttaa vain siihen missä kohdissa muissa kaavoissa luku esiintyy Koska e i2πj 1 kun j on kokonaisluku, niin Fourier-muunnos ŝ on jaksollinen jaksolla, eli ŝ(m + ŝ(m On hyödyllistä olettaa, että myös luvut s(j, j, 1,, 1 ovat osa jaksollista jonoa s(j, j Z missä s(j + s(j kaikilla j Silloin diskreetti Fourier-muunnos voidaan laskea myös kaavalla ŝ(m j 2 jj1 e i2πmj s(j missä j 2 j 1 1 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 16 / 3

Diskreetin Fourier-muunnoksen käänteismuunnos F on bijektio -jaksollisten jonojen välillä ja s(m (F 1 (ŝ(m 1 1 e i2πmj ŝ(j eli F 1 1 1 j j e i2πmj 1 1 ŝ( m j 1 F 1 F missä (ŝ(m ŝ( m e i2πmj ŝ(mod( j, FFT FFT on algoritmi, jolla diskreetti Fourier-muunnos lasketaan käyttäen c log( laskutoimitusta eikä c 2 niin kuin suoraviivainen lasku edellyttäisi Fourier-integraalin numeerinen laskeminen Olkoon s reaaliakselilla määritelty funktio josta tunnetaan arvot pisteissä t + j t, j, 1,, 1 (missä oletetaan, että t > Jos nyt p on sellainen :llä funktio, että p( 1 ja p(j kun j Z \ {}, niin funktio toteuttaa ehdot g(t 1 j ( t t j t s(t + j tp t, g(j t + t s(t + j t, j,, 1, ja g(t + j t kun j < tai j > 1 Usein on tarkoituksenmukaista vaatia, että myös p(t dt 1 ja joskus voi olla syytä luopua interpolointiehdosta p( 1 ja p(j kun j Perusidea on nyt, että s:n Fourier-muunnoksen sijasta lasketaan g:n Fourier-munnos ja erityisen hyvin se onnistuu pisteissä m ν, m Z missä t ν 1 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 17 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 18 / 3 Fourier-integraalin numeerinen laskeminen, jatk Jos nyt valitaan niin q(j s(t + j t, j,, 1, ĝ(m ν te i2πm νtˆq(mˆp ( m, m Z Funktion p valinnaksi on monta vaihtoehtoa: Lineaarinen interpolointi: p(t max{, 1 t } jolloin 2 ˆp(ν ( sin(πν πν Kuutiosplini-interpolointi jolloin ˆp(ν ( 4 sin(πν 1 πν 1 2 3 sin(πν2 sinc-interpolointi: p(t sin(πt πt jolloin ˆp(ν 1 kun ν < 1 2 ja ˆp(ν kun ν > 1 2 Miksi? Koska ν 1 t niin ĝ(m ν 1 j 1 j q(j e i2πm νt g(t dt q(j t ( t e i2πm νt t j t p t te i2πm νt dt t t + j t + τ t e i2πm νt e i2πm νj t e i2πm ν t τ p(τ dτ 1 j e i2πmj q(j e i2π m τ p(τ dτ te i2πm νtˆq(mˆp ( m G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 19 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 2 / 3

Jaksolliset funktiot, /Z jne Funktio s : C on jaksollinen jaksolla 1 jos s(t + 1 s(t kaikilla t /Z on ekvivalenssiluokkien { t + n : n Z } muodostama joukko eli joukko missä pisteet t ja t + n on samaistettu kun n Z Jokaista funktiota s : /Z C voidaan käsitellä jaksollisena funktiona s : C ja päinvastoin ja näin tässä tullaan tekemäänkin Välillä [, 1 määritellystä funktiosta s saadaan jaksollinen funktio s(mod (t, 1 Tästä seuraa, että joukko L p (/Z missä joka sisältää kaikki jaksolliset (jaksolla 1 ja mitalliset funktiot s, joilla 1 s(t p dt < missä 1 p < on sama kuin joukko L p ([, 1, mutta huomaa, että jos s C(/Z eli s on jatkuva ja jaksollinen niin s on jatkuva välillä [, 1] ja s( s(1 Jaksollisen funktion Fourier-kertoimet Jos s L 1 (/Z niin ŝ(k 1 e i2πkt s(t dt, k Z Jos s L 1 (/Z niin funktioden s ja e i2πkt jaksollisuudesta seuraa, että Fourier-kertoimet saadaan myös kaavoilla ŝ(k 1 2 1 2 e i2πkt s(t dt 1 a a e i2πkt s(t dt G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 21 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 22 / 3 Jaksolliset funktiot jaksolla T Jos s:n jakso on T eli s(t + T s(t kaikilla t niin funktio g(t s(tt on jaksollinen jaksolla 1 ja muuttujan vaihdon jälkeen todetaan, että g:n (eli yhtä hyvin s:n Fourier-kertoimiksi tulee 1 T T iemann-lebesguen lemma Jos s L 1 (/Z niin e i2πkt T s(t dt ŝ(k s L 1 (/Z, k Z ja ŝ(k k Fourier-analyysi perustuu tuloksiin, joiden mukaan k Z ŝ(kei2πkt on s(t mutta ongelma on mitä summalla tarkoitetaan Tietyin oletuksin ongelmia ei ole, muissa tapauksissa sen sijaan on valittava sopiva tulkinta tai sitten todistuksista tulee hyvin hankalia Fourier-sarjan suppeneminen, I Jos s L 1 (/Z on derivoituva pisteessä t tai jos pelkästään 1 2 1 2 1 t s(t + t s(t dt < niin,m k M e i2πktŝ(k s(t G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 23 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 24 / 3

Konvoluutio Jos h ja h L 1 (/Z niin g 1 h L 1 (/Z missä ja (g 1 h(t 1 g(t ug(u du 1 ĝ 1 h(k ĝ(kĥ(k, k Z f (ug(t u du, Tavallisesti kirjoitetaan g h eikä g 1 h jos on selvää minkälaisesta konvoluutiosta on kyse Itseisesti suppenevat Fourier-sarjat Jos k Z a k < niin A(t k Z a ke i2πkt C(/Z ja Â(k a k Jos lisäksi s L 1 (/Z niin Erikoistapaus: Fejerin ydin ( 1 sin(πt 2, t \ Z, F (t sin(πt, t Z, missä 1, 2, { F (k max, k }, k Z F C (/Z ja F (t, t 1 F (t dt 1 Jos s L 1 1 (/Z, niin (F 1 s(t s(t dt ja jos s C(/Z niin sup t (F 1 s(t s(t (A 1 s(t k Z a k ŝ(ke i2πkt G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 25 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 26 / 3 Fourier-sarjan suppeneminen II Jos s C(/Z niin sup t k ja jos s L 1 (/Z niin 1 k k k Fourier-muunnos on injektio ŝ(kei2πkt s(t ŝ(kei2πkt s(t dt Jos s L 1 (/Z ja ŝ(k kaikilla n Z niin s(t melkien kaikilla t Fourier-sarjan suppeneminen III Jos s L 1 (/Z ja k Z ŝ(k < niin s C(/Z ja s(t k Z ŝ(ke i2πkt, t Sisätulo L 2 (/Z:ssä Jos g ja h L 2 (/Z niin f, g L 2 (/Z on Hilbert-avaruus 1 g(th(t dt Jos funktioden sijasta tarkastellaan ekvivalenssiluokkia eli g h jos ja vain jos g(t h(t melkein kaikilla t, niin silloin L 2 (/Z on Hilbert-avaruus eli täydellinen (eli jokainen Cauchy-jono suppenee sisätuloavaruus (ja siten samanlainen joukko kuin taso 2, jossa sisätulo on x, y x y x 1 y 1 + x 2 y 2, kun 2:n paikalle tulee ja :n paikalle C G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 27 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 28 / 3

Funktiot t e i2πkt muodostavat L 2 (/Z:n ortonormaalin kannan Jos märitellään e k (t e i2πkt niin ja jos s L 2 (/Z niin ja s, e k 1 e m, e k s(te i2πkt dt s k Z 1 { 1, m k,, m k, s(te i2πkt dt ŝ(k, k Z, s, e k e k k Z ŝ(ke k Fourier-sarjan suppeneminen IV Jos s L 2 (/Z niin jokaisella ɛ > on olemassa äärellinen joukko I Z siten, että jos I J Z ja J on äärellinen niin 1 s(t 2 ŝ(ke i2πkt dt < ɛ k J Toisin sanoen, sarja suppenee L 2 -mielessä ja kun lasketaan yhteen sarjan termit, järjestyksellä ei ole merkitystä, eli sarja on summautuva Mutta sen sijaan sarja ei ole välttämättä itseisesti suppeneva Jos g ja h L 2 (/Z niin 1 g(th(t dt k Z ĝ(kĥ(k ja erityisesti 1 s(t 2 dt k Z ŝ(k 2 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 29 / 3 G Gripenberg (Aalto-yliopisto MS-C142 Fourier-analyysiosa I 29 tammikuuta 214 3 / 3