Trigonometric Fourier series

2025. 10. 1. 01:16·.../Signals and Systems
728x90
728x90

삼각함수로 Fourier Series를 나타내면 다음의 장단점을 가짐:

  • 모든 Fourier Series Coefficient가 실수임.
  • 3종류를 구해야함: $a_0, a_k, b_k$ (이 단점으로 인해 주로 complex exponential로 표현한다)

Trigonometric Fourier series

Trigonometric function의 weighted sum (=linear combination)으로 periodic function을 나타낼 수 있음.
$$\tilde{x}(t)=a_0 + \displaystyle \sum^\infty_{k=1} \left[ a_k \cos k\Omega_0 t + b_k \sin k\Omega_0 t \right]$$

  • $\Omega_0$ 는 fundamental frequency 로 주기 $T$와 다음의 관계를 가짐: $T=\frac{2\pi}{\Omega_0}$

다음은 Pulse wave(구형파) periodic signal을 Trigonometric Fourier series로 표현됨을 보여줌.

  • $k=1,3,5,7$ 이며 $a_k=0$ 로 sin 성분만이 더해짐으로서 pulse wave가 됨을 보여줌.

https://tikz.net/fourier_series/


Fourier Series: Fourier coefficient구하기

rigonometric Fourier series의 weighted sum 에서의 각 coefficient 구하기.

cos 항에 대한 coefficient:

$$\begin{aligned}&\int_{t_0}^{t_0+T} \tilde{x}(t)\cos n\Omega_0 t dt \\
&= \int_{t_0}^{t_0+T} \left[ a_0 + \sum_{k=1}^{\infty} \left( a_k \cos k\Omega_0 t + b_k \sin k\Omega_0 t \right) \right] \cos n\Omega_0 t dt \\
&= a_0 \int_{t_0}^{t_0+T} \cos n\Omega_0 t dt + \sum_{k=1}^{\infty} a_k \left[ \int_{t_0}^{t_0+T} \cos k\Omega_0 t \cos n\Omega_0 t dt \right] + \sum_{k=1}^{\infty} b_k \left[ \int_{t_0}^{t_0+T} \sin k\Omega_0 t \cos n\Omega_0 t dt \right] \\
&= 0 + \sum_{k=1}^{\infty} a_k \left[ \int_{t_0}^{t_0+T} \cos k\Omega_0 t \cos n\Omega_0 t dt \right] + 0 \\
&= a_n \frac{T}{2}\end{aligned} \\
\therefore \quad a_n = \frac{2}{T} \int_{t_0}^{t_0+T} \tilde{x}(t)\cos n\Omega_0 t dt$$

sin 항에 대한 coefficient:

$$\begin{aligned}&\int_{t_0}^{t_0+T} \tilde{x}(t)\sin n\Omega_0 t dt \\
&= \int_{t_0}^{t_0+T} \left[ a_0 + \sum_{k=1}^{\infty} \left( a_k \cos k\Omega_0 t + b_k \sin k\Omega_0 t \right) \right] \sin n\Omega_0 t dt \\
&= a_0 \int_{t_0}^{t_0+T} \sin n\Omega_0 t dt + \sum_{k=1}^{\infty} a_k \left[ \int_{t_0}^{t_0+T} \cos k\Omega_0 t \sin n\Omega_0 t dt \right] + \sum_{k=1}^{\infty} b_k \left[ \int_{t_0}^{t_0+T} \sin k\Omega_0 t \sin n\Omega_0 t dt \right] \\
&= 0 + 0 + \sum_{k=1}^{\infty} b_k \left[ \int_{t_0}^{t_0+T} \sin k\Omega_0 t \sin n\Omega_0 t dt \right]\\
&= b_n \frac{T}{2}\end{aligned} \\
\therefore \quad b_n = \frac{2}{T} \int_{t_0}^{t_0+T} \tilde{x}(t)\sin n\Omega_0 t dt$$

bias 항:
$$a_0 =\frac{1}{T}\int^{t_0+T}_{t_0} x(t) dt$$

정리하면:

$$\begin{aligned}\tilde{x}(t)&=a_0 + \displaystyle \sum^\infty_{k=1} \left[ a_k \cos k\Omega_0 t + b_k \sin k\Omega_0 t \right], \quad T=\frac{2\pi}{\Omega_0} \\ \quad \\ a_0 &=\frac{1}{T}\int^{t_0+T}_{t_0} x(t) dt \\a_n &= \frac{2}{T} \int_{t_0}^{t_0+T} \tilde{x}(t)\cos n\Omega_0 t dt \\ b_n &= \frac{2}{T} \int_{t_0}^{t_0+T} \tilde{x}(t)\sin n\Omega_0 t dt\end{aligned}$$


예제:

다음 Pulse Wave에서 Fourier Series Coefficient를 $k=0,1,2,3$까지 구하라.

\begin{align*} b_{1} &= \frac{2}{T} \int_{0}^{2\pi} x(t) \sin t dt = \frac{1}{\pi} \int_{0}^{\pi} \sin t \, dt - \frac{1}{\pi} \int_{\pi}^{2\pi} \sin t dt \\ &= \frac{1}{\pi} \left\{ \big[-\cos t \big]_{0}^{\pi} + \big[ \cos t \big]_{\pi}^{2\pi} \right\} \\ &= \frac{1}{\pi} \{ 1 - (-1) + 1 - (-1) \} &= \frac{4}{\pi} \approx 1.273 \\ \quad \\ b_{3} &= \frac{2}{T} \int_{0}^{2\pi} x(t) \sin 3t dt = \frac{1}{\pi} \left\{ \int_{0}^{\pi} \sin 3t \, dt - \int_{\pi}^{2\pi} \sin 3t dt \right\} \\ &= \frac{1}{\pi} \left\{ \left[ \frac{-\cos 3t}{3} \right]_{0}^{\pi} + \left[ \frac{\cos 3t}{3} \right]_{\pi}^{2\pi} \right\} \\ &= \frac{1}{3\pi} \{ 1 - (-1) + 1 - (-1) \} &= \frac{4}{3\pi} \approx 0.424 \end{align*}

728x90

'... > Signals and Systems' 카테고리의 다른 글

Parseval's Theorem  (0) 2025.10.15
Complex Exponential Fourier Series  (0) 2025.10.01
Unit Pulse Signal (Box Signal, Rect Signal)  (3) 2025.07.29
Discrete Unit Step Function  (1) 2025.07.29
Discrete Unit Impulse Signal (Kronecker Delta Function)  (2) 2025.07.29
'.../Signals and Systems' 카테고리의 다른 글
  • Parseval's Theorem
  • Complex Exponential Fourier Series
  • Unit Pulse Signal (Box Signal, Rect Signal)
  • Discrete Unit Step Function
dsaint31x
dsaint31x
    반응형
    250x250
  • dsaint31x
    Dsaint31's blog
    dsaint31x
  • 전체
    오늘
    어제
    • 분류 전체보기 (787)
      • Private Life (15)
      • Programming (55)
        • DIP (116)
        • ML (35)
      • Computer (120)
        • CE (54)
        • ETC (33)
        • CUDA (3)
        • Blog, Markdown, Latex (4)
        • Linux (9)
      • ... (368)
        • Signals and Systems (115)
        • Math (176)
        • Linear Algebra (33)
        • Physics (43)
        • 인성세미나 (1)
      • 정리필요. (61)
        • 의료기기의 이해 (6)
        • PET, MRI and so on. (7)
        • PET Study 2009 (1)
        • 방사선 장해방호 (5)
        • 방사선 생물학 (3)
        • 방사선 계측 (9)
        • 기타 방사능관련 (3)
        • 고시 (9)
        • 정리 (18)
      • RI (0)
      • 원자력,방사능 관련법 (2)
  • 블로그 메뉴

    • Math
    • Programming
    • SS
    • DIP
  • 링크

    • Convex Optimization For All
  • 공지사항

    • Test
    • PET Study 2009
    • 기타 방사능관련.
  • 인기 글

  • 태그

    signals_and_systems
    SS
    인허가제도
    Vector
    function
    math
    Python
    Programming
    fourier transform
    linear algebra
    opencv
    Optimization
    cv2
    SIGNAL
    random
    signal_and_system
    Term
    Probability
    ML
    numpy
  • 최근 댓글

  • 최근 글

  • hELLO· Designed By정상우.v4.10.3
dsaint31x
Trigonometric Fourier series
상단으로

티스토리툴바