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17C.3 Kurzfassung Fourier-Reihe, reell und komplex


CC-BY-NC-SA 3.0

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meinekleine Zusammenfassung zu Foyerfür die Reihen genauer gesagtich versucheeineFunktionmit der Periode T das hier soll eine Funktion mit der Periode Tzu schreiben als Überlagerungvon Sinusschwingungenalsosieben gasförmige Schwingungengeht am elegantesten in der Mathematik für was hat wie die hochihm mal irgendwasund Sprung jetzt die richtige Periode hinzukriegeneh hoch zwei Pi mal Imal eine ganze Zahl Hindernisse jetzt ähmmaldie Zeitdurch die Periodenlängedas ist periodischmit der Periode groß Tdas macht ähm Durchgängein der Zeit Cwenn sie hierwarensie bei den zwoPi Animal Cklein T durch groß D das macht einen Durchgang in der Zeit groß Twenn Tvon null bis groß T wächstdanngeht der gesamte Exponentvonnullbis wohin?? bis zwei Pi I wenn sie null einsetzen haben sie nullwenn sie groß T einsetzen groß T groß T kürzlich zwei PIder Exponent läuft von null bis zwei Pies kommt dann eben Euler Euler sagt eh hochirgendwas mal dieeine komplexe Zahl der Länge eins mit dem Winkel irgendwasE hoch null bis zwei Piist eine komplexe Zahl die sich drehtvon eins einmal rumbis sie wieder bei eins ist einmal zwei Pi rum das macht dieses Dingmit dem Exponenten mit ähm Multiplizierenlaufen sieähm also schnell einmal rum an negativen Nmit dem Uhrzeigersinnbei positiven en gegen den Uhrzeigersinn sozusagenist ?? Alter das erinnerte sicherheitshalberdas sind also Schwingungenmit der Periode groß T bei zwei kleineren Perioden wenn sie ganz schnell durchgehen auch kleineKinder mit der Periode groß Tund der Gedanke bei Foyer ist das ich die passend zusammen mixen muss hier kommt jetzt ausnahmsweise mal ein Summenzeichendie Musik passen zusammen mixenüberalle denkbarennegativen wie positivenen auch in gleich nur Leerschritt einfach eins Constanzegleich Spannungmit passenden Koeffizienten das in der die CN Koeffizientenwomit multipliziereich hierdiese Schwingung die einmal den Einheitskreis durchläuft oder im S einsoder in gleich zwei zweimal den Einheitskreis durchläuft ?? in gleich hundert und einmal in einer dreißig läuft oderwenngleichminus hundert hundert mal in einer als Kreis im Uhrzeigersinn durchläuftund NN gleich null Video nur noch einfach einswieder nur noch zehn null mal eins vergleichbar sind ?? gleich an deindas Hoffmann hinzukriegendas ist die Foyersynthesemit komplexen Foyerkoeffizientensynthesesoll ?? schreiben FoyersyntheseFoyersynthesemit komplexenFoyerkoeffizientenkomplexen Foyerkoeffizientenweil diese CN im allgemeinen komplex werden müssen diese hiersind der über komplexe Zahlen denn auch die Länge der Länge eins aberdamit Datenfluss was grelles rauskommt werden diese CN typischerweise komplex werden müssendie Foyer sind diese mit komplexen FoyerkoeffizientenCN in die komplexenKoeffizientenfragt man sich wie kriege ich diese CN rauswelcher Anteil von der jeweiligen Schwingung sollen drinnen seinund der Witz istdas man dieses rechnen kann sie integrieren über eine Periodenlängewie hoch minuszwoPi I N klein C durch groß Tdie Funktionunsnehmen noch eins durch die Periodenlänge dazu als Faktordas ist die FoyerAnalyseanalysiereeine gegebene Funktionwas steckt denn von der Schwingungmit der Frequenzeinfach ?? der Originalfrequenzdrinnenals komplexe Zahlim ?? Komma wie das zustande gekommen istsie Gott mir testweise mal probierenwenn sie hierstatt dieser Funktion FE hoch zwo Piähmmaterklein T durch groß T genommen hättenwas dann passierteins durch groß T null bis TE hoch minus zwo Pi ähm klein T durch groß TDTsieht sozusagen ein Experimentum mal zu guckenwas diese Formel ein sich nach dieser Analyseform immerwenn ich hier für meine Funktiontatsächlichso eine nette Schwingung ?? Einsätzeähm mal gegen den Uhrzeigersinnmit M positivesähm A gegen den Uhrzeigersinn auf dem Einheitskreisrum pro Periodeals Testwas passiert mit den beidenwieder drin stehen jetzt die diese beiden Potenzen hier was passiert mit den??möchte diese Funktion hiermit ähm matervon der möchte ich wissen wie viel ähmNorbert drin ist zweitezwanzig M und Nverschiedenbefassen sie die beiden ihr zusammenE hoch soundsoviel E hoch soundsovielwird die Summe an Potenzen also eh hoch minus zwo Pi I klein Nklein Cdurch groß D plus zwo Pimaterklein Tdurch groß Tjetzt fassen sie zusammen zwei PiT durch Tsteht in beidenzwei Pi Iklein T durch groß T steht in beiden Wärme noch ähm minus ähm ähm mater minus Norbert das bleibt stehen im integralsich dieses Ding integrierenvon null bis groß TE hoch zwo Piähm minus ähm klein Tdurch groß TKomma zurück zur EulerRealzeitImaginärteildas es jetzt wieder eine Zahl auf dem Einheitskreisin derGaußschenebenesieht in einer Kreis aus nicht wirklichimmer besser auseine Zahl auf dem Einheitskreisin der Gaußschenebeneähm minus en Umdrehungen macht das Dingpro Periodedas möchte ich integrieren über eine Periodesie gehen in minus N mal um den Ursprungauf dem komplexen Einheitskreisund das möchte ich integrierenso sie stellen festigen null raus das stimmt leider nicht immeraber meistens ?? einer mal genauer anguckenwarum kommt typischerweisenull rausPunkt sie gehen eine ganze Zahlzeigt wahrscheinlichgenug gesagt N und ähm beides ganze ZahlenSie gehen eine ganze Zahl an Umdrehungenund den Ursprung in der komplexen Ebeneund summieren quasi auf sie summieren sozusagendiese Vektoren auf unendlich vielekontinuierlich auf somit sozusagen das macht das Integraljahrund geht einmal um den Ursprungdas muss ich doch weg ebendieserhebt sich mit dem Wegdieser hebt sich mit dem Wegdieser hebt sich mit dem Weg und so weiter das muss ich vergebens muss zu Null werden schon rein anschaulichwenn sie das machenund N und ähm ganze Zahlen sind vorgemerktaber nicht immerweit überlegen und das jetzt schon mal aber nicht immerwenn sie N minus en Umdrehungen machen Punkt nicht immer null rausdecken sie bisschen mathematisch spitzfindigwandelt sich das nicht gegenseitig wegwenn sie eine Umdrehung machender wird sich gegen den Weg eben der wird sich gegen den Weg eben der wird sich gegen den Weg geben und so weiter keine Chance wenn sie minus ein hundert Umdrehungen machen genau dasselbewie kriegen Sie das hindas dieserhiernicht weggehoben wird dass es keinenGegenstück zu dem ergibtso also null Drehungen am Badesee liegen schlicht und ergreifend null Umdrehungenbesteht eine ganze Seite noch null also eins zwei null Umdrehungen ähm gleich inein und ?? bleiben sie dagegenund es musshierschlicht und ergreifend eins stehen und dann rechnet das integral von null bis T der Funktion einsergibt groß Tdurch T macht einsWissen eine schon so was rauskommt es kommt raus nullwennM und N ungleich sindund es kommt aus einswennM gleich N istimmer mit der einsalso jährlich dann eh hoch null stehen macht einzig integrierte eins von null bis groß Tgibt groß T und deshalb dieses sein eins durch Tda kommt dieser Faktor her wenn sie die eins stehen haben kriegen sie als integralgroß T raus das muss eins werden so will ich dasdas Sortieren als Skalarprodukt sein Denken Sie an dieähm Standardbasisvektorenim Raumwenn sieE X skalar Multiplizierenmit Yempfing sie null raus wenn sie X skalar Multiplizieren mit EZdann kriegen sie null raus wenn sie ewig skalar modifizieren mit edxkönnen Sie eins rausdass es nun endlich dimensionale Analogiezu den Standardbasisvektorenim R dreidiese Funktion hier bilden so eine ArtStandardbasisfür dieperiodischen FunktionenderPeriode groß Tsoeinem aber es kann normalerweise das alle mit der Stammfunktion ausgerechnet habenwarum das schief gegangen ist mit der Stammfunktiongeschaffen Komma das integral hin was sie ausrechnen wollten wardas integraleinst durch groß Tnur bis groß T E hoch?? in zwo Pi dieklein M minus klein ähm mater minus Norbert klein T durch groß Tdas haben siealle nett mit der StammfunktionausgerechnetGrenzen null groß TE hoch zwei P I ähm minus einen klein C durch groß TbisschenPlatzso und jetzt der Korrekturfaktorfür die naht Leitung zwo Pi mater minus Norbert einst durch Tdas gilt abernicht immerdas ist nicht immer die Stammfunktionwann geht das schiefgenau das geht nur fürähm ungleichähm weil sie sonst durch null teilen sonst haben sie keine Stammfunktionsondern durch Senioren steht sonst nulldiese Stammfunktion stimmt nurwenn hier nicht null stehtund dann kriegen sie nur raus haben sie gemerktkein Problem E hoch zwei die ihm eine ganze Zahlminus E hoch null und so weiter und so weiter dass wir zu Null werdenfür M ungleich N aber wenn M gleich N ist die TAE hoch null sind die kirchlichen ergreifend einsund das gibt groß Tsie teilen durch groß Tmacht einstsoeiniges überEuler gelerntPunkt wenn ich also hier diese ähm gutematerBasisfunktionversuche zu analysierendann kriege ich raus nulles sei denn N ist gleich Mfür diese Entebasisfunktionist dieses CNimmer nullaußer ich hab gerade hier das ähm erwischtnur einer der Foyerkoeffizientenist ungleich null des ausrechnen dann auch gleich einsfür diese hierund da überlegt man sich okay wenn diese Funktion jetzt aus den zusammengesetztesWunder wardas integral respektiert diese Zusammensetzungsie kriegen genau wieder die richtigen Koeffizienten auch so ging das seinerzeit?? Wesen sehr langer Weg um noch mal klarzumachen warum der jetzt einzig groß T vorne stehen musswenn ich diese Funktion einsetze will ich mir eins raus haben die bei der StandardbasisvektorenX mal TX das ist als Skalarproduktsoll eins seinmöchte eins raus habenund dafür brauche dieses einst durch die das integral von nur bis T von eins bis groß T durch diegibt dieser einstbeider?? bei den komplexen Foyerkoeffizientengibt es halbwegs schöne Formensehen das Komma sich noch irgendwie gut merken ist es komplex konzipiertesund als Skalarproduktdiese Funktion hier einmal durch pro Periodegegen den Uhrzeigersinndas inhaltlich schöne Formen der Ärger ist diese Zahlen hier sind im allgemeinen komplexund kann ich ohne große Übung vorstellen was passiertdeshalb gibt sie alternativerArt das man diese Foyerreihereell bildet der sich hier tatsächlich Kosinus und Sinus verwende nicht die hoch irgendwas sondern Kosinus und Sinusbildemeine Funktionmit Kosinus und Sinusander Kosinusvon der einfachenGrundfrequenzsodas ist der Kosinus von der einfachen Grundfrequenz wird damit kein Platz für den Resttauchenwenn hier ?? zwo Pi klein T durch großD stünde dann würden siein der PeriodenlängeT einmal den Kosinus durchNT von null bis groß T wächst wächst das ganze hiervon null bis zwei Pi zwei Pi mal C durch groß T dieses Ding würde wachsen von null bis zwei Pi der Kosinus macht einen kompletten Durchgang drei hundert sechzig Graddas wäre ein gleich einsein gleich zweizweimal und so weiter und so weiterdas ist also Kosinus völlige Schwingungmit der Sonne sowie Frequenzenmit den großen Bussen alleinewird man nicht satt verbrauchen auch die Sinus ??klein T durch groß Tdas schön ist es aber keine negativen Frequenzenfangen tatsächlich mit der Grundfrequenzan ein gleich eins bis unendlich bei der komplexen Foyerreihesind wirbei der komplexen Foyerreihe muss man negative Frequenzen kriegen damit man nachher auch tatsächlichsicher sein kann auf etwas grelles rauszukriegenhier sind wir reellwir brauchen keine komischen negativen Frequenzendie Arbeit nur mit positiven Frequenzenein gleich eins ist die Grundschwingung in gleich zweidie Oberschwingung mit der doppelten Grundfrequenz und so weiterdie müssen jetzt in irgendwelchen Verhältnissen gemischt werden der Kosinus Gericht einen Koeffizienten der nennt sich A ähmunter Sinusgericht ein Koeffizienten B ähmauch das geht immer gerne schief der großes S wichtiger Denken Sie an Joachimalfiist Kosinus phi plus Animal Sinusfiin der Schule macht man in Sinus zuerst aber mathematische der Kosinus wichtigerKursus ist der Realteil hierder Kosinus glich die Art der Sinus glich die Base nicht andersrumes fehlt aber noch was ich ?? eine Lücke gelassengenau der Gleichspannungsanteilhier habe ich doch echte Wechselspannungmittelwertnull Mittelwert nullbisher habe ich hier null Volt Gleichspannung sozusagen entweder Gleichspannungsanteilund jetzt ergibt es sich eben historischerseitsdas man nicht einfach sagen auch gleich Banden bei A nullin der Kosinus ?? null einsetzen mit der einsA null daher keine schlechte Idee aber nach Leider nein historischerseitssteht der A null halbe uns alle zu ärgerndass der Gleichspannungsanteildiese Form ist nicht mehr ganz so hübschwas ist der Ärgerich hab jetzt zwar reelle Zahlen wenn etwas grelles rauskommen soll habe ich jetzt ideelle A N B N aber die Form ist überhaupt nicht mehr hübschzwei Anteile unter vorne so einer ganz krumm mit halbemdas macht es nicht so schön das ist es reellman erkauft sich das mit einem Preis das das grelleswas ist jetzt die Foyersynthesemit reellen FoyerkoeffizientenFoyer sind dieseCDs wieder Chemiesie erzeugen ein Stoffsie erzeugen eine Funktion?? die Synthesemit reellen Foyerkoeffizientendas sind diese A N B N und das A null auch Sinn des AN fängt mit eins an B entwickelt ein Tennis gibt kein B nulles gibt ein A null aber es gibt kein B null des Basic mit eins andie Analyse dazu ??ich muss die A eins ausrechnenich muss die B eins ausrechnendas wir natürlich wieder das integral über eine Periode werdenkeine Überraschung?? und sie werden zur Analysegewonnen Kursus raus hat natürlich auch den Kosinus benutzenauch dass es keine Überraschungsmarkendesignerdas mehr an seine Kosinus benutzen als wenn wir F Punkt EDThaarscharfund hier den Sinusum die Base zu berechnen zwei Piähm klein T durch groß TFirmen-undTT sowie das im Prinzip seinallein Einheit technischwenn sie dies integral bilden großes R keine Einheiten ihre Funktion hat die Einheiten ihrer Funktionmal die Zeitdies integraler die Einheitszeitdieses A Nmuss aber die Einheit der Funktion haben wir steht einmal den Kosinusdas heißt jährlich eine Einheitszeitzu vielschon deshalb ist klar ?? muss verstehen wie einst durch groß T es ist aber gleich nicht eins durch groß Tauf jeden Fall müssen sie durch die Zeit teilen und stimmt von den Einheitenund das hatte ihm die Verwirrung gestiftet es ist zweidurch groß T das Mike Mackenroth es ist zwei durch groß Tsoalso diese Formel für die Beerdigung Foyer Koeffizienten werden einfach ungeschickter als die für die komplexen in die komplexen Verlegungslizenzenviel natürlicher als diese reellgeschnittene zweiSinus bei dem A nulldeshalb schreibe ich hier halbeUniformen auch für in gleich Null schreiben zu können schreibe ich da vorne A null halbewenn sie in gleich Null habenmit der Kosinus zu einsintegrieren die Funktionsie teilen durch die Periodenlänge mal zweidurch zweidas was ihr vorne steht ist nichts anders als was wir eben hatten als zehn nullähm Vergleich Komma zur Veranschaulichungwarum das mit der zwei sein mussdie zwei muss sein weil Sinus und Kosinus sozusagen zu kurz sinddie Funktionensind in gewisser Weise zu kurz die Rechte mal folgendes aus von null bis T das integralvon Kosinus zwei Piklein T durch groß Tmal Kosinusvon zwei Piklein T durch groß Tversuchen Sie das mal rauszufindenvielleicht anschaulichMamas gleichen eins erreicht zwei durch die noch davorrechnen sie nach dass das wirklich eins ist das will ich jetzt ?? wiederhabenwennder Kosinus drin ist in meiner Funktionmöchte ich das das Arbeiterzuckerlistdas das einzige ist und nicht zwei und ich ein halb oder Wurzel zwei odernoch was hier soll gefälligst eins rauskommen überzeugen sich das da eins raus kommtvielleicht bevor ich das jetzt einmal offiziell mache mitpartielle Integrationwie überlege ich mir dass das Quadrat vom Kosinus soll integriert werdender Kosinusso der Kosinusvonnull bis zur Periodenlängeeinmal durchdas wäre der Kosinusdavon will ich das Quadrat habedas mal klar das es der Kosinus jetzt will ich das Quadrat vom Kosinus habeneins Quadrat ist eins null Quadrat ist nur minus eins Quadrat ist Einzelquadratist null eins Quadrat ist eindas habe ich in den langen Jahren gelerntKosinusquartierenSinus mal Kosinus solche Geschichten werden wieder Sinus für mich vielleicht mit Gleichspannungdas wird wieder Sinus für mich so sieht das Quadrat von Kosinus aussoalso auch wieder Kosinus Seminar gleich Spannung draufund die doppelte Frequenz das ist das Quadrat vom Kosinusund jetzt frage ich michwas denndiese Fläche her ist die Fläche unter dem Quadrat vom Kosinuswenn also viel kürzer als alle gerade gemacht haben sie nehmen diese grüne Fläche drehen die auf den Kopfund legt wieder oben wieder reinOrangeflächeund die grüne Fläche sind gleich groß wegen der Symmetrie ihr von dieserrotenKurvedas heißt die grüne Fläche ist die Hälfte von dem Rechteck mit der Breite groß Tund der Höhe einsdas ist die Grünfläche hier diese grüne Fläche muss sein die Hälfte von dem Rechteckmit der Breite groß Tund der Höhe einsgroß T halber das muss die Grünfläche seindas integral ist groß die halbe mal zwei durch Thier kommt eins raus das Wissen jetzt schon so wie seinda den sie ?? normal die Notwendigkeitfür diese zwei hier das ist der Ärgerbei den Rebellenfoyerkoeffizientenals eines der Ärgernisse hierihr steht bei denAnalyseformeninden Zähler noch mit zweianders als bei den komplexen Foyerkoeffizientenwenn sie das Quadrat vom Kosinus integrierenkriegen sie nicht groß T raus soll sie kriegen zu wenig Haus das meinte ich mit der Kosinus ist zu kurzund der Sinus genauso sie kriegen ihr nur T halber rausund um das gut zu machen ?? ich da den Faktor zwei der mit ihr zum Schluss wieder eins rauskommenmöchteden Kosinus analysieren und feststellen es ist einmal der Kosinus drin und nichtein halb mal der Kosinus drin besser Punkt hierzweiso jetzt aber noch maloffiziellLeerzeichen mit partielle Integrationdieses integral mit partielle Integration von null bis T Kosinusvon zwei Pi klein T durch groß T mal Kosinus von zwei Piklein T durch groß DDTdas jetzt Trick siebzehn dass man das mit partielle Integration macht normalerweise gab der sowas wie TeequadratMali hochirgendwaseines klar die Quadrat soll abgeleitet werden und noch mal abgeleitet werden zweimal partiell integrierendas ist?? geradlinig ist das nicht so gradlinig dass man auf den Gedanken kommt ?? den einleite ich ab und den anderen integrieren sichbei zwei gleichen Faktorenist es bisschen absurd aber es fusioniert trotzdem überraschenderweiseden ersten?? ableiten aus dem Kosinus wird ein Minus Sinus von zwei Piklein T durch groß die innere Ableitungzwei Pi durchgroß Tden zweiten möchte ich integrierender Sinus wird beim ableiten zum Kosinusich muss die innere Ableitung gut machenmal groß C durch zwei Viehjetzt kann ich ihn schreiben was die partielle Integration tut in den eckigen Klammern stehendie Stammfunktionendas hier meine StammfunktionKosinusvon zwei mi klein T durch groß Tdas hier warme StammfunktionenSinus von zwei Pi klein Tgroß T mal groß T durch zwei Pivon null bis Piminusintegralwar die Seite nicht mehrminus das integralvon den beiden neuen FunktionenAha Sinus Quadrat Sinus mal Sinus also minus das integral Sinusvon zwo Pi klein T durch groß Tins Quadratdieser Faktor dieser Faktor dem sicher wegden habe ich gekriegt aus der inneren Ableitungund der war dazu da die innere Ableitung gut zu machen diese beiden Faktoren in sich wegPunkt das ?? Minuszeichenverschlamptminus ?? vergessen Sie das integral abalso ?? ratlosabziehenMinus wird ein Plussohier steht jetzt ohne dass ich mir überlege was Sinus und Kosinus machen hier steht jetzt eine periodische Funktionbestätigt zum Beispiel Täler bei den westlichen ?? Periode sowas nicht periodischaberohne das T ist das ?? periodisch Funktion Kosinus istperiodisch Sinus periodisch mit der richtigen Periodesie nehmen von einer periodischenstetigen soll sich gesichert aber sagen von einer stetigen periodischen Funktion den Wert am Ende der Periodeminus den Wert am Anfang der Periodedas muss null werdenohne dass ich ausgerechnet habedie haben eine periodische Funktion auch immer sie aussiehtund sie stetig die periodische Funktionsie nehmen sieam Ende der Periode minus am Anfang der Periodedas muss null werdenund es kam noch der KunstgriffSinus QuadratPythagorasist eins minus Kosinus Quadratsowenn ich das integral jetzt ausrechnenhier steht jetzt das integralvon der Funktioneins DTminus das integralvon der Funktion KosinusQuadratdas integrale vorn ist geschenktwäre schön wenn das ohne Stammfunktionginge solche Geschichtensie integrieren von null bis groß Tauf der Höhe einsist die Flächegroß Tmöglichst ohne Stammfunktion das ist einfach groß T das integralsoundjetzt guckt man sich das Schaf an hier kommt der Kosinusquadratwieder vorein ich wollte den loswerdenwas es vielleicht etwaskomischich integriere den Kosinus Quadratund stelle fest?? ich kriege raus groß Tminus das integral von Kosinus Quadratschreibe ich es einmal so hin amMain integral Servicenummer ?? das ist dieZonegroß Iwann integral das ich lösen möchte istTminusdas integral was lösen möchte das habe ich rausgekriegtdas gesuchte integral ist T minus das integralwas ich lösen möchte?? also weiß ich das gesuchte integralistThalbersie bringt den ?? war zweimal das gesuchte integral ist eh das gesuchte integral ist die halbeaber eben anders rausgekriegtnämlich rein geometrischdas gesuchte integral ist die halbe?? und damit habe ich gelernt es kommt tatsächlich eins raus wenn ich den FoyerkoeffizientenA einsfür denKosinus Bildersie brauchen diese zwei der Robenbei der Kosinuszu klein ist sozusagenso ergibt sich danndie Furche Analyse für die ideellen Foyerkoeffizienten