用Mathematica演示级数逼近问题——傅里叶级数

 时间:2024-11-13 20:07:42

傅里叶级数,是用来逼近周期函数的一个方法。把一个周期函数展开成傅里叶级数,有一个好处,那就是处处收敛。因此,只要确保级数在一个周期内能够很好地逼近已知函数,那么这个逼近就可以推广到其它所有的周期里面。

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工具/原料

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基本操作

1、先来作一个函数——x/2的3阶傅里叶级数:FourierSeries[x/2,x,3】并画出对比图:Plot[{%,x/2},{x,-3Pi,3Pi}]可以发现,只在区间{-Pi,Pi}上有可比性!

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2、把级数的表达式处理一番:FourierSeries[x漆虱忧甘/2,x,3]//SimplifyFourierSeries[x/2,x,3]//Simplify//Traditio荏鱿胫协nalFormFourierSeries[x/2,x,3]//FullSimplifyFourierSeries[x/2,x,3]//FullSimplify//TraditionalForm

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3、用列表的形式,给出t/2的前10阶Fourier级数式:Table[FourierSeries[t/2,t,n],{n,1,10}]//FullSimplify//TraditionalForm

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4、把列表里的所有表达式画到一起:Plot[%,{t,-3Pi,3Pi}]

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5、函数t/2前10阶的Four坡纠课柩ier级数式,对应的逼近程度(互动模拟):Manipulate[Plot[{t/2,E即枢潋雳valuate[FourierSeries[t/2,t,n]]},{t,-Pi,Pi},PlotRange->2],{n,1,10,1}]

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6、Manipulate[Plot[{t/2,Evaluate[FourierSeries[t/2,t,n]]},{t,-3Pi,3Pi},PlotRange->5],{n,1,10,1}]

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7、再尝试一些其它函数,如t^2:Manipulate[Plot[{t^2,Evaluate[FourierSeries[t^2,t,n]]},{t,-3Pi,3Pi}],{n,1,10,1}]

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8、一稍僚敉视个分段函数:f[x_]=Piecewise[{{1,0<=x<Pi},{-1,-Pi<=x<0}}];运行互动代码:Manipul锾攒揉敫ate[Show[Plot[f[x],{x,-Pi,Pi},PlotStyle->{Thickness[0.01],Red},PlotRange->{-1.5,1.5}],Plot[Evaluate[FourierSeries[f[x],x,n]],{x,-Pi,Pi},PlotStyle->{Thickness[0.01],Blue}]],{n,1,36,1}]

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9、再来一个分段函数:f[x_]=Piecewise[{{0,0<=x<Pi},{x,-Pi<=x<0}}]仍旧用上一步的互动代码,逼近情况的互动模拟效果如下!

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