[나만 보는 정리노트] 푸리에 해석

루트삼·2024년 7월 16일

정리노트

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!!주의!! 푸리에 변환을 거의 이해하지 못한 사람의 발버둥입니다. 전혀 정확하지 않습니다. 오류가 매우 많습니다. 남들한테 보여주려고 업로드한 글이 아닙니다.

  1. 조지프 푸리에 : 내가 열역학 좀 해보는데 여기서 주기적 신호를 삼각함수들의 합으로 분리해서 나타내면 편리할 것 같은데?

    이것이 성립하는 이유는 sin⁡nx\sin nx와 cos⁡nx\cos nx가 각각 직교 기저이기 때문이다.
    이것이 무슨 말인고 하니 ∫absin⁡mx×cos⁡nxdx=0,∫abcos⁡mx×cos⁡nxdx=0,∫absin⁡mx×sin⁡nxdx=0\displaystyle\int ^b _a \sin mx \times \cos nxdx=0, \displaystyle\int ^b _a \cos mx \times \cos nxdx=0, \displaystyle\int ^b _a \sin mx \times \sin nxdx=0이 성립한다는 것이다. (단 2, 3번 식은 m≠nm\not= n일 때 성립한다.)

    삼각함수의 합 공식에 따라 삼각함수의 곱을 합으로 나타냄으로써 증명할 수 있다. 주기가 다른 삼각함수들의 합의 최소 주기는 주기들의 최소공배수이다.

    따라서 어떤 주기함수 f(x)f(x)를 sin⁡,cos⁡\sin , \cos들의 합으로 나타낼 수 있다.

  2. 푸리에 급수식
    이쯤와서 푸리에 급수식을 보자면 다음과 같다.
    f(x)=∑k=0∞(aksin⁡kx+bkcos⁡kx)f(x)=\displaystyle \sum_{k=0}^{\infin}({a_k\sin kx +b_k \cos kx})
    sin⁡kx\sin kx는 주기가 2π2\pi의 1k\displaystyle\frac{1}{k}배인 정현파이다.
    그렇다면 an,bna_n, b_n의 정체만 안다면 푸리에 급수식을 파악할 수 있을 것이다.

    an,bna_n, b_n은 각 sin⁡\sin파와 cos⁡\cos파가 f(x)f(x)에 얼마나 들어가 있는지를 판단하는 기호이다. 따라서 ak:=<f(x),sin⁡kx>∣∣sin⁡2kx∣∣=2T∫0Tf(x)sin⁡kxdxa_k:=\displaystyle\frac{<f(x),\sin kx>}{||\sin ^2kx||}=\frac{2}{T}\int ^T _0{f(x) \sin kx dx}, bk:=<f(x),cos⁡kx>∣∣cos⁡2kx∣∣=2T∫0Tf(x)cos⁡kxdxb_k:=\displaystyle\frac{<f(x),\cos kx>}{||\cos ^2kx||}=\frac{2}{T}\int ^T _0{f(x) \cos kx dx}
    ∣∣sin⁡2kx∣∣,∣∣cos⁡2kx∣∣||\sin^2kx||, ||\cos^2kx||는 내적 구간에서 여러 주기에 걸쳐 반복되는 sin⁡,cos⁡\sin, \cos으로 인한 노이즈를 없애는 정규화를 위한 상수이다. 계산할 시 kk에 관계없이 2T\displaystyle\frac{2}{T}가 나온다.

  3. 복소지수함수를 이용한 표현
    eix=cos⁡x+isin⁡xe^{ix}=\cos x +i\sin x임을 모두가 알 것이다.
    따라서 e−ix=cos⁡x−isin⁡xe^{-ix}=\cos x - i\sin x
    두 식을 정리하면 cos⁡x=eix+e−ix2,sin⁡x=eix−e−ix2i\cos x=\displaystyle\frac{e^{ix}+e^{-ix}}{2}, \sin x=\displaystyle\frac{e^{ix}-e^{-ix}}{2i}
    푸리에 급수식에 대입하면
    f(x)=∑k=0∞akeikx−e−ikx2i+bkeikx+e−ikx2f(x)=\displaystyle\sum_{k=0}^{\infin}{a_k\displaystyle\frac{e^{ikx}-e^{-ikx}}{2i}+b_k\displaystyle\frac{e^{ikx}+e^{-ikx}}{2}}
    =∑k=0∞eikx(ak−ibk)+e−ikx(ak+ibk)2\displaystyle=\sum^\infin_{k=0}{\frac{e^{ikx}(a_k-ib_k)+e^{-ikx}(a_k+ib_k)}{2}}
    an=2T∫0Tf(x)sin⁡kxdx=1i⋅1T∫0Tf(x)(eikx−ie−ikx)dxa_n=\displaystyle\frac{2}{T}\int ^T _0{f(x) \sin kx dx}=\frac{1}{i}\cdot\frac{1}{T}\int^T_0{f(x)(e^{ikx}-ie^{-ikx})dx}
    ian=1T∫0Tf(x)(eikx−e−ikx)dxia_n=\displaystyle\frac{1}{T}\int^T_0{f(x)(e^{ikx}-e^{-ikx})dx}
    똑같은 방법으로
    bn=1T∫0Tf(x)(eikx+e−ikx)dxb_n=\displaystyle\frac{1}{T}\int^T_0{f(x)(e^{ikx}+e^{-ikx})dx}
    즉 ian=−ia−n,bn=b−nia_n=-ia_{-n}, b_n=b_{-n}
    f(x)=∑k=0∞eikx(−iak+bk)+e−ikx(iak+bk)2f(x)\displaystyle=\sum^\infin_{k=0}{\frac{e^{ikx}(-ia_k+b_k)+e^{-ikx}(ia_k+b_k)}{2}}
    =∑k=−∞∞bk−iak2eikx=\displaystyle\sum^\infin_{k=-\infin}{\frac{b_k-ia_k}{2}e^{ikx}}

    보기 편하게 Ck=bk−iak2=1T∫0Tf(t)(cos⁡kt−isin⁡kt)dt=1T∫0Tf(t)e−iktdtC_k=\displaystyle\frac{b_k-ia_k}{2}=\frac{1}{T}\int^T_0f(t)(\cos kt - i\sin kt)dt=\frac{1}{T}\int^T_0f(t)e^{-ikt}dt로 바꾸면
    f(x)=∑n=−∞∞Cneinxf(x)=\displaystyle\sum^\infin_{n=-\infin}C_ne^{inx}
    우리가 원하는 주파수대는 정수 주파수대이므로 ω=2πT\omega =\displaystyle\frac{2\pi}{T}를 지수에 곱해 정수 주파수로 변경해주면

    f(x)=∑n=−∞∞Cneinωxf(x)=\displaystyle\sum^\infin_{n=-\infin}C_ne^{in\omega x} (Cn=1T∫0Tf(t)e−inωtdt)(\displaystyle C_n=\frac{1}{T}\int^T_0f(t)e^{-in\omega t}dt)

    이것으로 모든 주기함수들을 가장 깔끔한 형태로 표현할 수 있는 식이 완성됐다.

  4. 푸리에 변환의 유도
    여기서 주기를 ∞\infin로 보내 비주기 신호 역시 주파수 대역으로 분해하는 것이 푸리에 변환이다. lim⁡T→∞Cn=lim⁡T→∞1T∫−∞∞f(t)e−i2πftdt\displaystyle\lim_{T\rarr \infin}{C_n}=\lim_{T\rarr \infin}\frac{1}{T}\int^\infin_{-\infin}f(t)e^{-i2\pi ft}dt
    h(x)=∑n=−∞∞Cneinωx=∑n=−∞∞(lim⁡T→∞1T∫−∞∞h(t)e−inωtdt)einωxh(x)=\displaystyle\sum^\infin_{n=-\infin}C_ne^{in\omega x}=\displaystyle\sum^\infin_{n=-\infin}(\lim_{T\rarr \infin}\frac{1}{T}\int^\infin_{-\infin}h(t)e^{-in\omega t}dt)e^{in\omega x}
    H(f):=∫−∞∞h(t)e−i2πftdtH(f):=\displaystyle\int^\infin_{-\infin}h(t)e^{-i2\pi ft}dt로 하면

    h(t)=lim⁡T→∞∑n=−∞∞1TH(f)ei2πfth(t)=\displaystyle\lim_{T\rarr \infin}\sum^\infin_{n=-\infin}{\frac{1}{T}H(f)e^{i2\pi ft}}
    =lim⁡f→0∑n=−∞∞fH(f)ei2πft=\displaystyle\lim_{f\rarr 0}\sum^\infin_{n=-\infin}{fH(f)e^{i2\pi ft}}
    =∫−∞∞H(f)ei2πftdf\displaystyle =\int^\infin_{-\infin}H(f)e^{i2\pi ft}df

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