Man bestimme die reelle und die komplexe Fourierreihe der 2 π -periodischen Cosinusimpuls-Funktion
f ( t ) = max { cos t , 0 } = 1 2 ( cos t + | cos t | ) .
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cos x cos y = 1 2 ( cos ( x − y ) + cos ( x + y ) )
c n = { ( a n + i b n ) 2 n < 0 a 0 2 n = 0 ( a n − i b n ) 2 n > 0
Plot von max { cos x , 0 }
Da f eine gerade Funktion (f ( − t ) = f ( t ) ) ist gilt
∫ 0 2 π f ( t ) d t = 2 ∫ 0 π f ( t ) d t
und die ihr zugeordnete Fourierreihe ist eine reine Cosinusreihe
f ̂ ( t ) = a 0 2 + ∑ k = 1 ∞ a k cos k t
mit
a k = 2 2 π ∫ 0 2 π f ( t ) ⋅ cos k t d t = 2 π ∫ 0 π f ( t ) ⋅ cos k t d t = 2 π ∫ 0 π max { cos t , 0 } ⋅ cos k t d t = 2 π ∫ 0 π 2 cos t ⋅ cos k t d t
Daraus kann man nun die einzelnen Fourierkoeffizienten berechnen:
a 0 = 2 π ∫ 0 π 2 cos t ⋅ cos 0 t d t = 2 π ∫ 0 π 2 cos t ⋅ 1 d t = 2 π sin t | 0 π 2 = 2 π ( sin π 2 − sin 0 ) = 2 π ( 1 − 0 ) = 2 π
a 1 = 2 π ∫ 0 π 2 cos t ⋅ cos 1 t d t = 2 π ∫ 0 π 2 cos 2 t d t = 2 π ∫ 0 π 2 1 2 ( 1 + cos 2 t ) d t = 1 π ∫ 0 π 2 1 + cos 2 t d t = 1 π ( t + 1 2 sin 2 t ) | 0 π 2 = 1 π ( π 2 + 1 2 sin 2 π 2 − 0 − 1 2 sin 0 ) = 1 π ( π 2 + 0 − 0 − 0 ) = 1 2
a 1 wurde explizit ausgerechnet, weil die allgemeine Formel, die wir fuer a k ausrechnen (siehe weiter unten), nur fuer k ungleich 1 gilt.
a k = 2 π ∫ 0 π 2 cos t ⋅ cos k t d t = 2 π ∫ 0 π 2 1 2 ( cos ( k t − t ) + cos ( k t + t ) ) d t = 1 π ∫ 0 π 2 cos ( ( k − 1 ) t ) + cos ( ( k + 1 ) t ) d t = 1 π ( 1 k − 1 sin ( ( k − 1 ) t ) + 1 k + 1 sin ( ( k + 1 ) t ) ) | 0 π 2 = 1 π ( 1 k − 1 ( sin ( ( k − 1 ) π 2 ) − sin ( ( k − 1 ) 0 ) ) + 1 k + 1 ( sin ( ( k + 1 ) π 2 ) − sin ( ( k + 1 ) 0 ) ) ) = 1 π ( 1 k − 1 sin ( ( k − 1 ) π 2 ) + 1 k + 1 sin ( ( k + 1 ) π 2 ) ) = 1 π ( 1 k − 1 sin ( ( k − 1 ) π 2 ) − 1 k + 1 sin ( ( k − 1 ) π 2 ) ) = sin ( ( k − 1 ) π 2 ) π ( 1 k − 1 − 1 k + 1 ) = 2 sin ( ( k − 1 ) π 2 ) π ( k 2 − 1 ) = 2 sin ( ( k + 1 ) π 2 ) π ( 1 − k 2 ) = { 0 k ist ungerade 2 ( − 1 ) k 2 π ( 1 − k 2 ) k ist gerade
Und als reelle Fourierreihe erhält man
f ̂ ( t ) = a 0 2 + ∑ k = 1 ∞ a k cos k t = 1 π + 1 2 cos t + ∑ l = 1 ∞ 2 ( − 1 ) l π ( 1 − 4 l 2 ) cos 2 l t
Für die komplexe Fourierreihe berechnet man einfach die komplexen Fourierkoeffizenten aus den reellen
c k = c − k = a k 2 = { 1 π k = 0 1 4 k ∈ { − 1 , 1 } 0 k ist ungerade ( − 1 ) k 2 π ( 1 − k 2 ) k ist gerade
und erhält somit als komplexe Fourierreihe
f ̂ ( t ) = ∑ k = − ∞ ∞ c k e i k t = ∑ l = − ∞ − 1 ( − 1 ) l π ( 1 − 4 l 2 ) e 2 i l t + 1 4 e − i t + 1 π + 1 4 e i t + ∑ l = 1 ∞ ( − 1 ) l π ( 1 − 4 l 2 ) e 2 i l t = 1 π + 1 4 ( e i t + e − i t ) + ∑ l = 1 ∞ ( − 1 ) l π ( 1 − 4 l 2 ) ( e 2 i l t + e − 2 i l t )