2018-08-12

Fourier series

The first class

  • math and engineering of regularly repeating patterns
  • periodic phenomenon
  • periodic phenomena often are either periodicity in time a pattern repeats in time over and over again
    • e.g. harmonic motion, or periodicity in space
  • physical quantity distributed over a region with symmetry
  • so periodicity arises from the symmetry
    • e.g. the distributed of heat on a circular ring
    • the temperature is periodic as a function periodicity in space
  • fourier analysis is often associated with problems that have some sort of underlying symmetry
  • math descriptors of periodicity
    • periodic in time or a phenomenon
      • frequency number of repetitions of patterns in one second or over time
    • periodic in space
      • measurement how big the pattern is that repeats
      • use the period
    • come together in e.g. wave motion
      • a regularly moving
      • frequency in time cycles per second
      • wavelength one complete pattern
      • in space fix the time see the pattern distributed over space
      • fraquency and wavelegth
      • distance = rate \times time
      • \lambda = v \times \frac{1}{\nu}
        • v-the velocity of wave(rate)
      • v = \lambda \times \nu
      • reciprocal relationship between the frequency and wavelength

The second class

  • How can use such simple functions \sin t \cos t to model complex phenomenon
  • can modify \sin 2\pi t and \cos 2\pi t to model very general phenomena of period one
  • one period ,many frequencies
    • \sin 2\pi t period 1 frequency 1
    • \sin 4\pi t period \frac{1}{2} frequency 2
    • \sin 6\pi t period \frac{1}{3} frequency 3
    • combination
      • \sin 2\pi t + \sin6 \pi t + \sin4\pi t
      • the period of the sum is 1
      • the frequencies are 1 ,2 and 3
    • so to model complicates,perhaps,how complicated?
    • A complicated signal of period one we can sum,modify the amplitude,the ferquency,the phases of either sines or cosines
      • \sum_{k=1}^N A_ksin(2\pi k t + \phi _k)
      • \sin(2\pi kt +\phi_k) = \sin 2\pi kt\cos\phi_k +cos2\pi kt \sin\phi_k
      • \sum_{k = 1} ^ n(a_k\cos2\pi kt +b_k\sin2\pi kt)
      • \frac{a_0}{2} +\sum_{k = 1} ^ n(a_k\cos2\pi kt +b_k\sin2\pi kt)
    • By far before
      • e^{2\pi ikt} = \cos 2\pi kt +\sin2\pi kt
      • i = \sqrt{-1}
      • Euler's formula
        • \cos2 \pi kt = \frac{e^{2\pi ikt} + e^{-2\pi ikt}}{2}
        • \sin2 \pi kt = \frac{e^{2\pi ikt} - e^{-2\pi ikt}}{2i}
    • you can convert a trigonometric sum as before to the form sum
      • \sum_{k = -n}^nC_ke^{2\pi ikt}
      • C_k's are complex
    • the symmetry property
    • C_{-k} = \overline{C_k}
    • f(t)periodic of perid 1 can be write f(t) = \sum_{k = -n}^nC_ke^{2\pi ikt}
    • C_{-0} = C_{0} = \overline{C_0}
    • Suppose you can write f(t)= \sum_{k = -n}^nC_ke^{2\pi ikt}
    • f(t) = ...+ C_me^{2\pi imt}+...
    • C_me^{2\pi imt} = f(t)-\sum_{k \neq m}^nC_ke^{2\pi ikt}
    • C_m = e^{-2\pi imt} (f(t)-\sum_{k \neq m}^nC_ke^{2\pi ikt})
    • C_m = e^{-2\pi imt} f(t)-\sum_{k \neq m}^nC_ke^{2\pi i(k-m)t}
    • Everything's periodic at period one
    • \int_{0}^1C_m dt = C_m
    • C_m =\int_{0}^1 e^{-2\pi imt} f(t)dt -\sum_{k \neq m}^nC_k\int_{0}^1e^{2\pi i(k-m)t}
    • \int_{0}^1e^{2\pi i(k-m)t}
    • \frac{1}{2\pi i(k-m)}e^{2\pi i(k-m)t}|_{0}^1
    • \frac{1}{2\pi i(k-m)} (e^{2\pi i(k-m)} - e^0)
    • C_m = \int_{0}^1 e^{-2\pi imt} f(t)dt
  • Given f(t) = \sum_{k = -n}^nC_ke^{2\pi ikt} periodic of period one then C_k = \int_{0}^1 e^{-2\pi ikt} f(t)dt

Fourier transform

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