31
PSUT Engineering Mathematics II Fourier Series and Transforms Dr. Mohammad Sababheh 4/14/2009

Fourier series and transforms

Embed Size (px)

DESCRIPTION

FOURIER SERIES

Citation preview

Page 1: Fourier series and transforms

 

 

PSUT

Engineering Mathematics II  

Fourier Series and Transforms  

Dr. Mohammad Sababheh 

4/14/2009  

 

 

   

      

Page 2: Fourier series and transforms

 

2  

2 11.1 Fourier Series 

Fourier Series and Transforms 

 

Contents 11.1 Fourier Series ........................................................................................................................................ 3 

Periodic Functions ..................................................................................................................................... 3 

Fundamental Period .................................................................................................................................. 4 

Period of Multiple Functions..................................................................................................................... 5 

Fourier Series ............................................................................................................................................ 6 

11.2  Functions of Any Period  p = 2L .......................................................................................................... 11 

11.6a Parseval's Identity ............................................................................................................................. 13 

Applications ......................................................................................................................................... 14 

11.7 Dirichlet's Theorem ............................................................................................................................. 17 

11.4 Complex Fourier Series ....................................................................................................................... 18 

11.6b Parseval's Identity ............................................................................................................................. 22 

11.9 Fourier Transform ............................................................................................................................... 24 

Fourier Transform ................................................................................................................................... 24 

Fourier Sine and Cosine Transforms ....................................................................................................... 27 

Inverse Fourier Transform ...................................................................................................................... 29 

Applications ......................................................................................................................................... 30 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 3: Fourier series and transforms

 

3  

3 11.1 Fourier Series 

11.1 Fourier Series 

Periodic Functions  

  A function   is said to be periodic of period   if   for all x 

Example 1 

cos  

2 cos  2  

cos    2 sin sin 2  

cos  

 

Hence cos  is periodic of period 2  

 

Example 2 

sin 4   

2sin 4

sin 4 2  

sin 4 cos 2 cos 4 sin 2  

sin 4  

=   

Hence sin  is periodic of period   , observe that 2  is also a period of sin 4  

 

 

 

 

Page 4: Fourier series and transforms

 

4  

4 11.1 Fourier Series 

Useful Identities 

• sin sin cos cos sin  • cos cos cos sin sin  

Notes 

• Any function can be considered periodic with period zero, this period is trivial and is not considered as a period. 

• If   is a period of    , then   is a period for any integer  . 

  Proof: 

  want:   

  we know that   

  2  

  3 2  

   

• If   is a period then   is not necessarily a period. 

 

 

 

Fundamental Period  

The most interesting period for a periodic function is the smallest positive period , this period is called the Fundamental Period. 

The fundamental period of 

• sin    is    2  

• sin 3   is     

 

 

 

Page 5: Fourier series and transforms

 

5  

5 11.1 Fourier Series 

Period of Multiple Functions  

If   and   are periodic of period   then so is   

Proof 

Denote   by   

want   

 

 

                  is periodic of period   

If   is periodic of period   then the graph of   repeats itself every   units 

 Therefore if we know the curve of a periodic function on  ,  , then we can draw the entire graph. 

 

Exercise 

If   is periodic of period   then 

          ,          

 

 

 

 

00,20,40,60,81

1,2

‐2 ‐1 0 1 2 3 4 5

Page 6: Fourier series and transforms

 

6  

6 11.1 Fourier Series 

Fourier Series  

Our purpose is to approximate periodic functions by sine and cosine. 

we define Fourier series of the periodic function f(x) by: 

  cos sin  

 

Fourier coefficients    ,        can be obtained by Euler formulas. 

Derivation: 

Suppose       cos   sin 5  

*    

  cos sin 5     2  

  12

   

*  

cos     cos   cos   sin 5 cos        

  1  cos  

*  

....     

 

 

 

 

 

 

 0 

Page 7: Fourier series and transforms

 

7  

7 11.1 Fourier Series 

In general 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 3 

Find the Fourier series: 

 

  1   01   0 

 

Solution: 

 

    

12

  0 

‐1,5

‐1

‐0,5

0

0,5

1

1,5

‐4 ‐3 ‐2 ‐1 0 1 2 3 4

• When the phrase "Fourier series" is mentioned then we implicitly understand that   is periodic. 

• If the period is not given , then we implicitly understand that its 2  

12

   

1  cos  

1  sin  

Fourier coefficients of f(x), given by the Euler formulas 

Page 8: Fourier series and transforms

 

8  

8 11.1 Fourier Series 

cos 1  

 

1  cos 0 

 

1  sin  

 

1  sin sin  

1 cos 

 cos 

 

1 1 cos cos 1

 

1 2 2 cos

 

 

21 1   

   0              4               

Now Fourier series 

  cos sin  

 4

2 1  sin 2 1  

 

 

 

 

 

 

Page 9: Fourier series and transforms

 

9  

9 11.1 Fourier Series 

Example 4 

Evaluate: 

2 3 cos 4 sin    

Solution: 

Denote function by   

* We need to find   

* Remember that  

12

        2    

* We need to find     to be able to find    

* However   isn't in Fourier form because of " " , so we need to simplify using identity 

121 cos  

so    2 3 cos 2 2 cos 2           0 

* And now substitute    to find      ... 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 10: Fourier series and transforms

 

10  

10 11.1 Fourier Series 

     Notes 

By a trigonometric polynomial we mean a finite part of the Fourier series. For instance: 

• 1 sin 3 cos 5   • 2 sin sin 2 sin 3  • 2 sin  sin 2    (Trigonometric but not Fourier form) 

 

 

     Notes 

•   .    

 

• sin   sin     0                 

 

• sin   cos    0    

 

• cos   cos     0                 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 11: Fourier series and transforms

 

11  

11 11.2  Functions of Any Period  p = 2L 

11.2  Functions of Any Period  p = 2L  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 1 

Find the Fourier series of 

      ,    1 1 

Solution: 

In this example,  p = 2 (period = 2 ) 

In this case when p = 2 L 

Thus in our example L = 1 

 

  

12 

13 

  cos sin  

12   

1  cos  

1  sin  

   , 2  

In general 

 

Page 12: Fourier series and transforms

 

12  

12 11.2  Functions of Any Period  p = 2L 

 

11  sin 0 

 

11  cos  

11  cos  

2 cos 

 2

1 1  

4 1 

 13

4 1  cos   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                      cos  

2                        sin

 

2                       cos 

 

Integration by parts 

0                 

Page 13: Fourier series and transforms

 

13  

13 11.6a Parseval's Identity 

11.6a Parseval's Identity  

Consider Fourier series and expand it 

  cos sin   cos sin   cos 2     sin 2  … 

Square it 

  cos sin 2 cos sin 2 cos sin

2 cos cos sin 2 cos sin  

Integrate 

  cos sin  

2 0 

 

 

 

  

 

 

 

 

 

 

2| | | | | |1

 

2| | | | | |1

 

Parseval's Identity  

Standard form 

General form 

 

Page 14: Fourier series and transforms

 

14  

14 11.6a Parseval's Identity 

Applications  

Example 1 

From Chapter 11.1 , Example 1 

    ∑   sin 2 1                                        1   01   0 

* L.H.S of Parseval's 

2 0 04

2 1   

16 12 1

 

*R.H.S of Parseval's 

11 2 

*Therefore 

12 1

 8 

 

Example 2 

From Chapter 11.2 Example 1 

13

4 1  cos    ,  

Apply Parseval's 

213

16 

25 

16   

25

29

 845

 

1   

π90

 

Page 15: Fourier series and transforms

 

15  

15 11.6a Parseval's Identity 

Example 3 

Find 

Now series is given but not   unlike Example 2 

Solution: 

We need   such that 

1      

We attempt with   since when integrating by parts , we get  in the denominator  

Taking      

  

 = 0  

 

 

 

 

1    sin  

1cos  |  

1 1  

2 1 

 

 

                       cos  

1                      cos 

 

Integration by parts 

0                 

Page 16: Fourier series and transforms

 

16  

16 11.6a Parseval's Identity 

Now apply Parseval's 

4 1   

41 2

16 

 

Exercise 

Find 

1   

 

Example 4 

Evaluate 

2 sin 5 cos 3 cos 10  

Solution: 

Let  2 sin 3 cos 3 cos 10  

Want   

According to Parseval's 

  2  

2 1 1  3  

 

 

We can't find any sum using this 

method , like ∑  

Page 17: Fourier series and transforms

 

17  

17 11.7 Dirichlet's Theorem 

11.7 Dirichlet's Theorem  

If   is a nice function , then  

 lim lim

Suppose that   is periodic of period 2  and that   is piecewise continuous , that   and   both exist. 

 

Example 1 

Suppose 

 2 1

  sin  ;      

Plug   0 , 0 = 0 

Plug     

    2

   2 1

sin2

 

2 1sin

2 2 ,     

 

2 1 12 1

sin2 1

2 2 

2 12 1 2

 

12 1 4

 

Plug      

0   ,        lim lim

20 

Page 18: Fourier series and transforms

 

18  

18 11.4 Complex Fourier Series 

11.4 Complex Fourier Series  

  cos sin  

is called Real Fourier series 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Note 

cos sin  

cos sin  

 

  2 sin  

2 cos  

 

cos2

  

sin2

  

 

   

 12

 

The Complex Fourier Series of   is defined to be  

Page 19: Fourier series and transforms

 

19  

19 11.4 Complex Fourier Series 

Remark 

12

 

121

cos1

sin  

12

       , 0 

12

   , 0 

    , 0 

 

Example 1 

Write the complex Fourier transform of 

 2 sin   cos 10  

Solution: 

 22 2

 

1 1 12

12

 

1     ,

12      ,     

1    ,     

12 

 

Example 2 

Find the real Fourier series of 

 5     

Solution: 

 5 sin cos sin cos 2  2  

 

Page 20: Fourier series and transforms

 

20  

20 11.4 Complex Fourier Series 

Example 3 

Find the complex Fourier series of 

  ,  

Solution: 

12

 

12

 

12

 

12

1 1 1 1 

1    ,    0 

For  0 

12

   

12

Therefore complex Fourier series is 

   

0    1

,   

 

 

 

 

 

Page 21: Fourier series and transforms

 

21  

21 11.4 Complex Fourier Series 

 

Note 

By a complex trigonometric polynomial , we mean a finite part of 

 

For example 

• Trig.         1 5    • Not Trig. 1  

• Trig.         11 sin 11!

 

Note that a complex Fourier series of a complex trigonometric polynomial is the same function. 

 

Exercise 

Show that 

  0        ,2        ,    

 

 

 

 

 

 

 

 

  

Page 22: Fourier series and transforms

 

22  

22 11.6b Parseval's Identity 

11.6b Parseval's Identity  

 

 

 

 

 

 

 

Note 

|2 3 | 4 9 13 

|3 | |2 3 | 0 3 9 

| | 0 1 1 

 

Example 1 

 1

 

 

lets apply Parseval's 

| | 

1

   ,

 

1

   ,

21 

21 1

2 3 

16 

| | 

   12

| |  

| |  

Parseval's Identity for complex Fourier series 

 

Page 23: Fourier series and transforms

 

23  

23 11.6b Parseval's Identity 

Example 2 

Evaluate 

1 3 1 cos 4  

Solution: 

Let 

1 3 1 cos 4  

Want 

| | 2 | | 

 

1 , 1  ,   312   ,  

12   ,     1  

| | 2 1 1 914

14

2  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 24: Fourier series and transforms

 

24  

24 11.9 Fourier Transform 

11.9 Fourier Transform 

Fourier Transform  

 

 

 

 

 

 

 

 

Example 1 

Find the Fourier transform of 

  1    2 20       

Then apply Parseval's identity and see what it gives 

Solution: 

 1

√2 

1√2

   

1√2

 

0

0,5

1

1,5

‐4 ‐2 0 2 4

1√2

 

| |  

Let   be defined on  ∞,∞  

We define its Fourier transform by 

Parseval's Identity 

Page 25: Fourier series and transforms

 

25  

25 11.9 Fourier Transform 

Note here if we are 

asked about  0  , we take the limit 

1√2

cos 2 sin 2 cos 2   sin 2  

1√2

2 sin 2  

 

 

 

Let's apply Parseval's 

2 sin 24 

2 sin 22  

 

1) Let's play with  

2 sin 22  

 

2) Let 2     

sin 

sin2 

 

3) Let's find  

sin 

sin2 

Page 26: Fourier series and transforms

 

26  

26 11.9 Fourier Transform 

 

sin2

sin cos2 

sin 22 

 

Let 2  

sin2 

 

4) 

sin 

 

Note 

 is continuous regardless of   

 

lim ∞ 0 

 

lim   lim   lim 0 

 

 

 

 

 

sin                                     1t 

Integration by parts 

2 sin cos                  

Page 27: Fourier series and transforms

 

27  

27 11.9 Fourier Transform 

Fourier Sine and Cosine Transforms  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Where did these equations come from? 

Recall Fourier transform 

1√2

 

If   is even 

1√2

cos sin  

1√2

cos  √2

sin  

2√2

cos  

2cos    

 

 

2cos    

2sin  

If   is defined on  0,∞  , we define its Fourier Cosine Transform by 

And Fourier Sine Transform 

Page 28: Fourier series and transforms

 

28  

28 11.9 Fourier Transform 

 

Note 

Practically 

 when   is even. 

   when   is odd. 

Note that when   is defined on  0,∞  , we can consider it even or odd. 

 

Example 2 

Find   and   for 

        ,      0 10       ,       

Solution: 

2cos    

2cos    

2 sin cos 

2 sin cos 1 

Using limits 

021

12

12

 

 

Page 29: Fourier series and transforms

 

29  

29 11.9 Fourier Transform 

Inverse Fourier Transform  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Useful Rules 

   2

0  

 

 

  

 

 

 

 

 

1√2

 

2cos    

2sin  

Fourier Inverse Transform

Fourier Inverse Cosine Transform 

Fourier Inverse Sine Transform 

Page 30: Fourier series and transforms

 

30  

30 11.9 Fourier Transform 

Applications  

Example 3 

Find   ;     

Solution: 

       

Using the rules 

   2

0  

   2 

   2 

   2 

... 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Page 31: Fourier series and transforms

 

31  

31 11.9 Fourier Transform 

Example 4 

You are given that 

21 

 2 2

1sin    

2 sin1   

1 sin

2  

0  1 0 ? ? ? 

The formula of the Fourier Inverse Sine Transform  sin     is true when   is 

continuous at   . Moreover , recall that   is computed for odd function   . 

If we extend   to be odd , we get 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Not continuous at   0 when taking   , so we use Dirichlet's Theorem.