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Angewandte Mathematik und Programmierung
Einführung in das Konzept der objektorientierten Anwendungen zu mathematischen Rechnens
SS2013
F Ek llFomuso Ekellem
Inhalt
Fourier Reihen
Sehen wir in 2 Wochen Lösung der lin. Dgln. M. konst. Koeffizienten auch mit Laplacetransformationg g p Numerische Lösungsverfahren für Dgln. 1. Ordnungen(z.B Runge-Kutta)
Angewandte Mathematik und Programmierung2
Fomuso Ekellem
Fourier Reihen
Definition:Die Fourieranalysis beschäftigt sich mit dem Problem Funktionen in Kosinus und Sinus zu
entwickeln. Diese Darstellung sind in der Mathematik sowie in der Physik und Elektronik von großer Bedeutung und finden in vielen Bereichen Anwendung.
In Folgenden setzen wir voraus, dass f(x) Riemen-intergrierbar ist, auf jedem beschränkte Intervall. Wir wollen nun wissen, welche Funktionen eine Reihendarstellung der Form
b ibesitzen.
Dazu schauen wir uns zunächst einige grundlegende Eigenschaften
Programmierung und Angewandte Mathematik3
Fomuso Ekellem
Fourier Reihen
Steckbrief der Funktion x sin x Steckbrief der Funktion x cos x Gerade/ungerade Funktionen(Symmetrie und Antisymmetrie) Stetigkeit von Funktioneng Darstellung einer periodischen Funktion Fourierreihe Berechnung der Koeffizienten ai und big Beispiele
Programmierung und Angewandte Mathematik4
Fomuso Ekellem
Steckbrief der Funktion x → sin x
Definitionsbereich: R Wertebereich: das Invervall −1 ≤ x ≤ 1 Monotonie: im Bereich −π/2 ≤ x ≤ π/2 streng monoton
wachsend; im Bereich π/2 ≤ x ≤ 3π/2 streng monoton fallend; Monotonie-Bereiche wiederholen sich periodisch
Periodizität: kleinste Periode = 2π Positivität: im Bereich 0 < x < π positiv; im Bereich
π < x < 2π negativ; Bereiche wiederholen sich periodisch N ll ll b i j d hli Vi lf h Nullstellen: bei jedem ganzzahligen Vielfachen von π Nullstelle erster Ordnung
Asymptoten: keine U dli hk it t ll k i Unendlichkeitsstellen: keine
Programmierung und Angewandte Mathematik5
Fomuso Ekellem
Steckbrief der Funktion x → cos xSteckbrief der Funktion x → cos x
Definitionsbereich: R Wertebereich: das Invervall −1 ≤ x ≤ 1 Monotonie: im Bereich 0 ≤ x ≤ π streng monoton fallend; im
Bereich π ≤ x ≤ 2π streng monoton wachsend; Monotonie-Bereiche wiederholen sich periodisch
Periodizität: kleinste Periode = 2π Positivität: im Bereich −π/2 < x < π/2 positiv; im Bereich
π/2 < x < 3π/2 negativ; Bereiche wiederholen sich periodisch periodisch
Nullstellen: bei jedem (n + 1/2)π mit ganzzahligem nNullstelle erster Ordnung
Asymptoten: keine Asymptoten: keine Unendlichkeitsstellen: keine
Programmierung und Angewandte Mathematik6
Fomuso Ekellem
Gerade/ungerade Funktionen
Programmierung und Angewandte Mathematik7
Fomuso Ekellem
Gerade/ungerade Funktionen
Symmetrie und Antisymmetrie : Wir nennen eine Funktion f : R → R gerade(manchmal auch symmetrisch), wenn für alle x ∈ R f
(−x) = f (x) gilt. Der Graph einer symmetrischen Funktion ist symmetrisch bezüglich der y-Achse (d.h. er geht unter einer Spiegelung an der y-Achse in sich selbst über).
Weiteres nennen wir eine Funktion f : R → R ungerade(manchmal auch antisymmetrisch), wenn für alle x ∈ R f (−x) = −f (x) gilt.
Programmierung und Angewandte Mathematik8
Fomuso Ekellem
Stetigkeit von Funktionen(Wiederholung)
Eine in einem Intervall A definierte Funktion f : A → R wird als stetig bezeichnet, wenn kleine Änderungen von x innerhalb von A kleine Änderungen von f (x) zur Folge haben.
Der Graph einer stetigen Funktion ist eine zusammenhängende Kurve (die sozusagen mit dem Bleistift nachgezogen werden kann, ohne ihn abzusetzen).
Der Begriff der Stetigkeit macht nur für Intervalle, in denen eine Funktion definiert ist, Si Sinn.
Eine unstetige Funktion ist dadurch charakterisiert, dass die Forderung nach einem zusammenhängenden Graphen im Definitionsbereich nicht erfüllt ist, dass also beispielsweise eine Sprungstelle existiert (an der die Funktion definiert ist an der der Graph aber eine Sprungstelle existiert (an der die Funktion definiert ist, an der der Graph aber "auseinandergerissen" ist).
Eine Funktion, die voneinander isolierten Stellen unstetig, dazwischen aber stetig ist, heißt stückweise (oder abschnittsweise) stetig. Es gibt aber auch Funktionen, die auf ganz Rdefiniert und an jeder Stelle unstetig sind
Programmierung und Angewandte Mathematik9
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Stetigkeit von Funktionen(Wiederholung)
Beispiel für (un)stetige Funktionen
Programmierung und Angewandte Mathematik10
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Beispiel: Unstetiger Sägezahn
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Darstellung einer periodischen Funktion
Programmierung und Angewandte Mathematik12
Fomuso Ekellem
Darstellung einer periodischen FunktionDarstellung einer periodischen Funktion
Dirichlet hat die notwendigen Voraussetzungen für die Existenz einer Fourier-Spektren für jedes Signal.
Jede Funktion, die die Dirichlet-Bedingungen erfüllt:1. Die Anzahl der Unstetigkeiten innerhalb einer Periode ist endlich2. Die Anzahl der Maxima und Minima innerhalb einer Periode ist endlich3. Die Funktion ist in jeder Periode integrierbar (d.h., die Fläche unter dem Betrag der
Funktion ist in jeder Periode endlich)läßt sich als Summe von Kosinus- und Sinusfunktionen darstellen.
Programmierung und Angewandte Mathematik13
Fomuso Ekellem
Darstellung einer periodischen Funktion
Beispiele
Programmierung und Angewandte Mathematik14
Fomuso Ekellem
periodischen Funktion Fourierreihe
Die Fourier-Reihe in spektraler Darstellung Jede 2π-periodische Funktion, die die Dirichlet-Bedingungen erfüllt, läßt sich als Summe von
Sinus- und Kosinusfunktionen darstellen Fourier-Reihe.
Eine Funktion f(x) ist 2π-periodisch wenn sich für alle x-Werte des Definitionsbereichs die Funktionswerte nach einer Verschiebung um 2π nicht ändern. Für solche Funktionen gilt dann f(x) = f(x + 2π).
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2π-periodische Funktion
cos(0)=1 und sin(0)=0 vereinfacht sich diese Gleichung zu: Fourierreihe
Um für eine konkrete periodische Funktion die Fourrierreihe bilden zu können, müssen die p ,Koezienten ak , bk bestimmt werden, die Fourierkoeffizenten.
Muss nicht immer k sein. Kann auch n oder andere Buchstabeln sein. Also: Fourier-Reihenentwicklungen stellen eine Möglichkeit der Transformation vom Zeit-
in den Frequenzbereich dar. Voraussetzung hierfür ist, dass die zu transformierende Funktion periodisch ist.
Programmierung und Angewandte Mathematik16
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2π-periodische Funktion
Ist f(x) eine stetige monotone Funktion und im Intervall −π ≤ x ≤ π integrierbar, so kann die Funktion als trigonometrische Reihe in Form einer unendlichen Funktionenreihen geschrieben werden,
und ak und bk die Fourierkoeffizienten lassen sich so berrechnen.
Programmierung und Angewandte Mathematik17
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2π-periodische Funktion
Angewandte Mathematik und Programmierung18
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Beispiele
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Rechteck-Schwingung. Beispiel 1
Programmierung und Angewandte Mathematik20
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Berechnung der Koeffizienten ai und bi
Rechteck-Schwingung
Diese Rechteckschwingung ist eine ungerade Funktion. Allgemein: Für gerade Funktionen sind alle bn = 0, für ungerade Funktionen alle an = 0.
OOP und Angewandte Mathematik21
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Rechteck-Schwingung
Programmierung und Angewandte Mathematik22
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Rechteck-Schwingung
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Rechteck-Schwingung
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Rechteck-Schwingung
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Rechteck-Schwingung
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Rechteck-Schwingung
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Rechteck-Schwingung
Programmierung und Angewandte Mathematik29
Fomuso Ekellem
Beispiel 2
Reelle Fourierreihe einer abschnittsweise definierten FunktionGegeben sei die 2π-periodische Funktionf(x) = x² x Є [0..π] und
π= 2π - x x Є [π..2π][ ]
1. Berechnen Sie die Fourierkoeffizienten der Funktion f(x)
Programmierung und Angewandte Mathematik30
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Reelle Fourierreihe: Beispiel 2
Programmierung und Angewandte Mathematik31
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Reelle Fourierreihe: Beispiel 2
Programmierung und Angewandte Mathematik32
Fomuso Ekellem
Reelle Fourierreihe: Beispiel 2
Programmierung und Angewandte Mathematik33
Fomuso Ekellem
Reelle Fourierreihe
Die Funktion wird dadurch als Funktionsreihe oder Fourier-Reihe dargestellt. Die Koeffizienten an, an und bn werden Fourierkoeffizienten der Funktion f(x) genannt. Bei
der harmonischen Analyse einer periodischen Funktion werden diese Koeffizienten bestimmt. Je mehr Glieder bei der Fourieranalyse errechnet werden, desto genauer kann die Funktion f(x) durch entsprechende Sinus- und Cosinusfunktionen beschrieben werden. Mit Hilf d F i ih k j d dä ft i di h Si l d h i li Mit Hilfe der Fourierreihen kann jedes ungedämpfte periodische Signal durch eine lineare Überlagerung, d.h. Addition oder Subtraktion, einfacher harmonischer Teilschwingungen (Sinus- und Cosinusfunktionen) beschrieben werden.