Rozdział 8. Analiza fourierowska. 8.1 Rozwinięcie w szereg Fouriera



Podobne dokumenty
Prędkość fazowa i grupowa fali elektromagnetycznej w falowodzie

Zagadnienia brzegowe dla równań eliptycznych

Równanie Schrödingera

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Kinematyka: opis ruchu

Mechanika Kwantowa. Maciej J. Mrowiński. 24 grudnia Funkcja falowa opisująca stan pewnej cząstki ma następującą postać: 2 x 2 )

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Podstawy fizyki sezon 1 VII. Ruch drgający

Mechanika. Wykład 2. Paweł Staszel

Drgania i fale II rok Fizyk BC

1 Równania różniczkowe zwyczajne o rozdzielonych zmiennych

Fizyka 12. Janusz Andrzejewski

Podstawy fizyki sezon 1 VIII. Ruch falowy

gęstością prawdopodobieństwa

Szeregi funkcyjne. Szeregi potęgowe i trygonometryczne. Katedra Matematyki Wydział Informatyki Politechnika Białostocka

LABORATORIUM ELEKTROAKUSTYKI. ĆWICZENIE NR 1 Drgania układów mechanicznych

Wstęp. Ruch po okręgu w kartezjańskim układzie współrzędnych

SZEREGI LICZBOWE I FUNKCYJNE

Nieskończona jednowymiarowa studnia potencjału

Metoda rozdzielania zmiennych

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

Kinematyka: opis ruchu

Wykład FIZYKA I. 10. Ruch drgający tłumiony i wymuszony. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

Wykład FIZYKA I. Dr hab. inż. Władysław Artur Woźniak. Katedra Optyki i Fotoniki Wydział Podstawowych Problemów Techniki Politechnika Wrocławska

Michał Praszałowicz, pok strona www: th- wykład 3 godz. za wyjątkiem listopada Egzamin: esej max.

Równanie przewodnictwa cieplnego (II)

3. Macierze i Układy Równań Liniowych

Całka nieoznaczona, podstawowe wiadomości

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Informacja o przestrzeniach Hilberta

Podstawy fizyki wykład 7

Natomiast dowolny ruch chaotyczny, np. ruchy Browna, czy wszelkie postacie ruchu postępowego są przykładami ruchu nie będącego ruchem drgającym.

Równanie Schrödingera

TRYGONOMETRIA. 1. Definicje i własności funkcji trygonometrycznych

3.1 Zagadnienie brzegowo-początkowe dla struny ograniczonej. = f(x, t) dla x [0; l], l > 0, t > 0 (3.1)

15 Potencjały sferycznie symetryczne

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Rachunek różniczkowy i całkowy 2016/17

VII. Drgania układów nieliniowych

MiBM sem. III Zakres materiału wykładu z fizyki

1. Liczby zespolone. Jacek Jędrzejewski 2011/2012

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE ZWYCZAJNE

MATeMAtyka klasa II poziom rozszerzony

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 1

RÓWNANIE SCHRÖDINGERA NIEZALEŻNE OD CZASU

Rozdział XV CAŁKI KRZYWOLINIOWE. CAŁKA STIELTJESA

Funkcje hiperboliczne

Układy równań liniowych

Analiza Matematyczna Ćwiczenia

Rodzaje fal. 1. Fale mechaniczne. 2. Fale elektromagnetyczne. 3. Fale materii. dyfrakcja elektronów

Matematyka II. Bezpieczeństwo jądrowe i ochrona radiologiczna Semestr letni 2018/2019 wykład 13 (27 maja)

Wielomiany Legendre a

Ψ(x, t) punkt zamocowania liny zmienna t, rozkład zaburzeń w czasie. x (lub t)

1.1 Przegląd wybranych równań i modeli fizycznych. , u x1 x 2

Z52: Algebra liniowa Zagadnienie: Zastosowania algebry liniowej Zadanie: Operatory różniczkowania, zagadnienie brzegowe.

Kinematyka: opis ruchu

Wykład Matematyka A, I rok, egzamin ustny w sem. letnim r. ak. 2002/2003. Każdy zdający losuje jedno pytanie teoretyczne i jedno praktyczne.

Pochodną funkcji w punkcie (ozn. ) nazywamy granicę ilorazu różnicowego:

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Wykład z modelowania matematycznego. Przykłady modelowania w mechanice i elektrotechnice.

IV. Transmisja. /~bezet

Następnie przypominamy (dla części studentów wprowadzamy) podstawowe pojęcia opisujące funkcje na poziomie rysunków i objaśnień.

In the paper we describe how to introduce the trigonometric functions using their functional characteristics and the Eisenstein series.

Analiza I.2*, lato 2018

Układy równań i nierówności liniowych

Drgania układu o wielu stopniach swobody

MECHANIKA II. Drgania wymuszone

Rozwiązania zadań z podstaw fizyki kwantowej

Promieniowanie dipolowe

WYMAGANIA EDUKACYJNE Z MATEMATYKI KLASA III ZAKRES ROZSZERZONY (90 godz.) , x

Jednowymiarowa mechanika kwantowa Rozpraszanie na potencjale Na początek rozważmy najprostszy przypadek: próg potencjału

Szeregi Fouriera. Grzegorz Lysik. 1. Motywacja szeregów Fouriera, równanie ciepła.

Statystyka nieoddziaływujących gazów Bosego i Fermiego

A,B M! v V ; A + v = B, (1.3) AB = v. (1.4)

Definicje i przykłady

13. Równania różniczkowe - portrety fazowe

Znaleźć wzór ogólny i zbadać istnienie granicy ciągu określonego rekurencyjnie:

PROMIENIOWANIE CIAŁA DOSKONALE CZARNEGO

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

Jarosław Wróblewski Analiza Matematyczna 2, lato 2016/17

Drgania w obwodzie LC. Autorzy: Zbigniew Kąkol Kamil Kutorasiński

2.6.3 Interferencja fal.

Liczby zespolone. Magdalena Nowak. 23 marca Uniwersytet Śląski

Całki niewłaściwe. Całki w granicach nieskończonych

Fala jest zaburzeniem, rozchodzącym się w ośrodku, przy czym żadna część ośrodka nie wykonuje zbyt dużego ruchu

Metody Lagrange a i Hamiltona w Mechanice

Elektrodynamika Część 1 Elektrostatyka Ryszard Tanaś Zakład Optyki Nieliniowej, UAM

a 11 a a 1n a 21 a a 2n... a m1 a m2... a mn x 1 x 2... x m ...

Postulaty interpretacyjne mechaniki kwantowej Wykład 6

AERODYNAMIKA I WYKŁAD 3 TEORIA CIENKIEGO PROFILU LOTNICZEGO

SIMR 2016/2017, Analiza 2, wykład 1, Przestrzeń wektorowa

DRGANIA SWOBODNE UKŁADU O DWÓCH STOPNIACH SWOBODY. Rys Model układu

TERAZ O SYGNAŁACH. Przebieg i widmo Zniekształcenia sygnałów okresowych Miary sygnałów Zasady cyfryzacji sygnałów analogowych

Rozważania rozpoczniemy od fal elektromagnetycznych w próżni. Dla próżni równania Maxwella w tzw. postaci różniczkowej są następujące:

7 Twierdzenie Fubiniego

AM1.2 zadania 14. Zadania z numerami opatrzonymi gwiazdka

MECHANIKA II. Dynamika ruchu obrotowego bryły sztywnej

Transkrypt:

Rozdział 8 Analiza fourierowska 8.1 Rozwinięcie w szereg Fouriera Rozważmy funkcję rzeczywistą f określoną na okręgu o promieniu jednostkowym. Parametryzując okrąg przy pomocy kąta φ [, π] otrzymujemy funkcję y = f (φ), gdzie żądamy by f () = f (π). (8.1) Tym samy można rozszerzyć funkcję f na całą oś rzeczywistą R, czyniąc z niej funkcję okresową o okresie π. Przykładem takich funkcji są sin(nφ), cos(nφ), n = 1,,3,.... (8.) Okazuje się, że szeroką klasę funkcji określonych na okręgu można rozwinąć w szereg Fouriera powyższych funkcji f (φ) = a + {a n cos(nφ) + b n sin(nφ)} (8.3) Współczynniki rozwinięcia policzymy wykorzystując warunki ortogonalności dla funkcji trygonometrycznych (8.) π π π sin(nφ)sin(mφ)dφ = πδ nm (8.4) cos(nφ)cos(mφ)dφ = πδ nm (8.5) sin(nφ) cos(mφ) dφ =, (8.6) 1

gdzie n, m N. Warunki te udowodnimy wykorzystując tożsamości trygonometryczne sin(nφ)sin(mφ) = 1 {cos((n m)φ) cos((n + m)φ)} cos(nφ)cos(mφ) = 1 {cos((n m)φ) + cos((n + m)φ)} sin(nφ)cos(mφ) = 1 {sin((n m)φ) + sin((n + m)φ)}. (8.7) Dla całki (8.4) otrzymujemy π sin(nφ)sin(mφ)dφ = 1 π cos((n m)φ)dφ 1 π cos((n + m)φ)dφ = πδ nm, gdyż ze względu na całkowanie po pełnym okresie funkcji cosinus jedynie pierwsza całka po prawej stronie jest różna od zera dla n = m, dając wynik (π)/ = π. Podobnie można udowodnić wzór (8.5) oraz (8.6). W ostatnim przypadku otrzymujemy jako wynik całkowania zero, gdyż sin((n m)φ) = dla n = m. Wracając do wzoru (8.3), współczynnik a wyliczymy całkując obustronnie po kącie φ w pełnym jego zakresie. Otrzymamy π f (φ)dφ = a π dφ = πa, (8.8) gdyż pozostałe całki z funkcji trygonometrycznych po prawej stronie znikają. Stąd a = 1 π π f (φ) dφ (8.9) Mnożąc obie strony równania (8.3) przez cos(mφ) i całkując po pełnym okresie, znajdujemy po skorzystaniu z warunków ortogonalności π f (φ)cos(mφ)dφ = π Stąd po zamianie m na n, otrzymujemy a n = 1 π π cos(nφ)cos(nφ)dφ = πa m. (8.1) f (φ) cos(nφ) dφ (8.11)

Zauważmy, że wzór (8.9) można otrzymać z równania (8.11) kładąc w nim n =. Mnożąc na koniec obie strony równania (8.3) przez sin(mφ) i całkując po kącie φ, znajdujemy po wykorzystaniu warunków ortogonalności b n = 1 π π f (φ) sin(nφ) dφ (8.1) Wzory (8.11) i (8.1) dla n =,1,,... pozwalają wyliczyć współczynniki rozwinięcia funkcji y = f (φ) w szereg Fouriera (8.3). Ćwiczenie - Udowodnić równość Parsevala 1 π π f (φ)dφ = a + { a n + b n} (8.13) Uwagi 1. Funkcja y = f (φ) nie musi być ciągła w każdym punkcie okręgu. Jeśli posiada ona skończoną liczbę punktów nieciągłości φ i w których ma granice, lewostronną f (φ i ) i prawostronną f (φ i+ ), oraz jest różniczkowalna w sposób ciągły pomiędzy tymi punktami to szereg Fouriera jest zbieżny punktowo do wartości funkcji f (φ) w punktach ciągłości, natomiast w punktach nieciągłości jest zbieżny do wartości średniej f (φ i ) + f (φ i+ ). (8.14). Zbieżność punktowa oznacza, że ciąg sum częściowych szeregu Fouriera, S N (φ) = a N + {a n cos(nφ) + b n sin(nφ)}, (8.15) ma granicę dla ustalonej wartości φ. Na przykład, w punktach ciągłości funkcji f lim S N (φ) = f (φ), (8.16) N natomiast w punktach nieciągłości φ i lim S N (φ i ) = f (φ i ) + f (φ i+ ). (8.17) N 3

3. Czasami wygodniej jest rozpatrywać parametryzację okręgu dla φ [ π,π] (8.18) z warunkiem f ( π) = f (π) dla funkcji określonych na okręgu. W przypadku rozwinięcia funkcji o parzystości dodatniej, f ( φ) = f (φ), (8.19) otrzymujemy szereg Fouriera wyłącznie z funkcjami cosinus i stałym współczynnikiem a, natomiast dla funkcji nieparzystych, f ( φ) = f (φ), (8.) szereg Fouriera ma wyłącznie wyrazy z funkcjami sinus. Ćwiczenie - Znaleźć współczynniki rozwinięcia w szereg Fouriera funkcji f (φ) = { φ dla φ [ π,π) π dla φ = π. (8.1) Pokazać przy pomocy wzoru Parsevala, że 1 n = π 6. (8.) Pokazać, że w punkcie nieciągłości φ = π słuszny jest wzór (8.14). 8. Analiza czasowa Rozważmy okresową funkcję czasu y = f (t) o okresie T. Oznacza to, że f (t + T ) = f (t) (8.3) dla każdej ustalonej chwili czasu t. Wybierając t =, otrzymujemy warunek analogiczny do warunku (8.1) f () = f (T ). (8.4) Skorzystamy więc z ogólnych wyników poprzedniego rozdziału dla skonstruowania szeregu Fouriera dla funkcji okresowych w czasie. W tym celu wykorzystamy liniową i wzajemnie jednoznaczną transformację przedziału czasu [,T ] do przedziału kąta [,π], φ = π T t. (8.5) 4

Zauważmy, że φ() = a φ(t ) = π. Po podstawieniu relacji odwrotnej do funkcji f (t) otrzymujemy funkcję kąta φ, którą możemy rozwinąć w szereg Fouriera f (φ) = f (t = T φ/π), (8.6) f (φ) = a + {a n cos(nφ) + b n sin(nφ)}. (8.7) Powracając do funkcji f (t) poprzez podstawienie (8.5), otrzymamy f (t) = a + {a n cos(nωt) + b n sin(nωt)} (8.8) gdzie wprowadziliśmy częstość kątową ω = π T. (8.9) Jest to prędkość kątowa ruchu jednostajnego punktu po okręgu. Jego współrzędne zmieniają się zgodnie ze wzorami x = cos(ωt), y = sin(ωt). (8.3) Taką zależność od czasu nazywamy ruchem harmonicznym. Ze wzoru (8.8) widzimy, że okresowa funkcja czasu może być przedstawiona jako superpozycja (kombinacja liniowa) ruchów harmonicznych o nieskończenie wielu częstościach będących wielokrotnością częstości podstawowej ω, ω n = nω = πn T, n = 1,,3,.... (8.31) Współczynniki rozwinięcia są ilościową miarą wkładu ruchów harmonicznych o danej częstości do sumy Fouriera. Łatwo je wyliczyć wychodzą ze wzorów (8.11) i (8.1) a n = T T f (t)cos(nωt)dt (8.3) b n = T T f (t)sin(nωt)dt (8.33) Zgodnie z uwagą 3. przedział całkowania może być przesunięty do [ T /,T /]. 5

8.3 Analiza przestrzenna Analogiczną konstrukcję można przeprowadzić w przestrzeni położeń w jednym wymiarze x dla funkcji okresowej y = f (x) o okresie L. Wtedy f (x + L) = f (x). (8.34) dla dowolnych wartości x. Wybierając x = otrzymujemy warunek f () = f (L), (8.35) który pozwala formalnie przepisać otrzymane rezultaty dla czasu, zastępując t x, T L. (8.36) Zamiast częstości ω wprowadza się jednowymiarowy wektor falowy Rozwinięcie Fouriera przyjmuje wtedy postać k = π L. (8.37) f (x) = a + {a n cos(nkx) + b n sin(nkx)} (8.38) Dowolna funkcja okresowa jest superpozycją jednowymiarowych fal płaskich cos(k n x), sin(k n x), (8.39) gdzie k n jest wektorem falowym fali, będącym wielokrotnością podstawowego wektora falowego k, k n = nk = πn L Współczynniki Fouriera wylicza się ze wzoru, n = 1,,3,.... (8.4) L a n = f (x)cos(nkx)dx L L b n = f (x)sin(nkx)dx L (8.41) (8.4) Zgodnie z uwagą 3. przedział całkowania może być przesunięty do [ L/, L/]. 6

8.4 Równanie falowe w pudełku Jako przykład zastosowania analizy fourierowskiej, rozwiążemy jednowymiarowe równanie falowe dla funkcji u = u(x,t), 1 u c t u =, (8.43) x w ograniczonym obszarze przestrzeni, x [,L], z nałożonym warunkiem brzegowym u(,t) = u(l,t), (8.44) słusznym w każdej chwili czasu t. Otrzymane rozwiązanie można rozszerzyć na całą oś x posługując się warunkiem okresowości funkcji, u(x + L,t) = u(x,t), (8.45) dla dowolnego x. Zwróćmy uwagę, że warunek brzegowy (8.44) prowadzi do wniosku u(,t) = u(nl,t), n = ±1,±,.... (8.46) Jest to model rozwiązania z periodycznymi warunkami brzegowymi, wykorzystywany intensywnie w szeregu działach fizyki. Warunek (8.44) pozwala zapisać szukane rozwiązanie w postaci szeregu Fouriera (8.38) u(x,t) = a (t) + {a n (t)cos(nkx) + b n (t)sin(nkx)} (8.47) gdzie współczynniki Fouriera zależą od czasu. Zwróćmy uwagę, że warunek brzegowy (8.44) jest przyczyną dla której dopuszczalne wartości wektorów falowych są dyskretne, k n = nk, k = π L. (8.48) gdzie n = 1,,3,... Po podstawieniu (8.47) do równania (8.43) otrzymamy równania na współczynniki Fouriera ä = ä n = ωn a n b n = ωn b n (8.49) gdzie podwójne kropki oznaczają drugą pochodną po czasie, natomiast ω n = ck n. (8.5) 7

Łatwo sprawdzić, że ogólne rozwiązania tych równań to a = A + B t a n = A n cos(ω n t) + B n sin(ω n t) b n = C n cos(ω n t) + D n sin(ω n t) (8.51) Podstawiając je do równania (8.47), otrzymujemy u(x,t) = A + B t + + {A n cos(ω n t) + B n sin(ω n t)}cos(k n x) {C n cos(ω n t) + D n sin(ω n t)}sin(k n x). (8.5) Rozwiązanie zależne liniowo od czasu zwykle się pomija jako rosnące nieograniczenie w czasie. Porządkując pozostałe wyrażenia przy pomocy relacji (8.7), znajdujemy u(x, t) = + { { } A (+) n cos(ω n t k n x) + B (+) n sin(ω n t k n x) A ( ) n } cos(ω n t + k n x) + B ( ) n sin(ω n t + k n x), (8.53) gdzie współczynniki A (±) n i B (±) n są kombinacjami liniowymi starych współczynników = A n ± D n, B (±) n = B n C n. (8.54) A (±) n Otrzymaliśmy superpozycję fal płaskich o dyskretnych wartościach wektora falowego, które poruszają się w kierunkach ±x. Otrzymane rozwiązanie jest zgodne z ogólna postacią rozwiązania jednowymiarowego równania falowego z poprzedniego wykładu, u(x,t) = u 1 (x ct) + u (x + ct), (8.55) gdyż ω n t ± k n x = ±k n (x ± ct). (8.56) 8.5 Drgająca struna Rozpatrzmy drgania struny zamocowanej w punktach i L. Oznacza to, że wychylenie struny u(x) (podłużne lub poprzeczne) w punktach zamocowania wynosi zero w dowolnej chwili czasu, u(,t) = u(l,t) =. (8.57) 8

Wychylenie spełnia równanie falowe (8.43), w którym współczynnik c wynosi ɛ c = ρ, (8.58) gdzie ɛ to współczynnik sprężystości, natomiast ρ to gęstość liniowa struny. Załóżmy, że obie te wielkości są stałe i nie zależą od x. Podstawiając do równania (8.43) rozwiązanie próbne w postaci otrzymujemy równanie Ogólne rozwiązanie tego rówania to u(x, t) = ũ(x) cos(ωt) (8.59) d ũ dx + k ũ =, k = ω c. (8.6) Warunki brzegowe (8.57) prowadzą do wniosku ũ(x) = Asin(kx) + Bcos(kx). (8.61) ũ() = B = (8.6) ũ(l) = Asin(kL) =. (8.63) Z ostatniego równania wynikają dyskretne wartości współczynnika k, kl = nπ, => k n = nπ L, (8.64) gdzie n = 1,,... W konsekwencji, otrzymujemy dyskretne wartości dopuszczalnych częstości drgań ω n = k n c = nπc L. (8.65) Ostatecznie otrzymujemy rozwiązanie w postaci drgań harmonicznych w przestrzeni i czasie, u(x,t) = Asin(k n x)cos(ω n t). (8.66) Identyczne rozumowanie z funkcją sinus w rozwiązaniu próbnym (8.59) prowadzi do rozwiązania u(x,t) = Bsin(k n x)sin(ω n t), (8.67) gdzie zmieniliśmy nazwę dowolnego współczynnika A na B. Stąd, ogólne rozwiązanie równania struny z zamocowanymi końcami jest superpozycją drgań harmonicznych z amplitudami A n i B n, które mogą zależeć od modu drgań n, u(x,t) = {A n cos(ω n t) + B n sin(ω n t)}sin(k n x). (8.68) 9