cap6 6.2.transformata fourier

6

Click here to load reader

Upload: kta-cata

Post on 24-Jul-2015

593 views

Category:

Documents


1 download

TRANSCRIPT

Page 1: Cap6 6.2.Transformata Fourier

Capitolul 66.2. Transformata Fourier

1. Definitia transformatei Fourier2. Proprietati ale transformatei Fourier3. Exercitii propuse

1 Definitia transformatei Fourier

Consideram clasa functiilor L1(R,C) := {x : R → R(C)| 1. si 2. } unde:1. x(t) sunt derivabile pe portiuni;2. x(t) sunt absolut integrabile, adica

∫∞−∞ |x(t)|dt < ∞.

Definition 1.1. Se numeste transformata Fourier a functiilor x(t) ∈ L1(R,C)sau imaginea lui x(t) prin transformata Fourier, functia X : R → C dataprin:

X(ω) =

∫ ∞

−∞x(t)e−iωtdt = F(x(t)). (1.1)

Remark 1.1. Integrala (1.1) este absolut convergenta. Intr-adevar,∣∣∣∫∞−∞ x(t)e−iωtdt

∣∣∣ ≤∫∞−∞ |x(t)e−iωt|dt =

∫∞−∞ |x(t)|dt < ∞.

Remark 1.2. Transformata Fourier (1.1) se poate scrie sub forma alge-brica:

X(ω) =

∫ ∞

−∞x(t) cos ωtdt− i

∫ ∞

−∞x(t) sin ωtdt = A(ω)− iB(ω), (1.2)

unde

A(ω) : =

∫ ∞

−∞x(t) cos ωtdt; (1.3)

B(ω) : =

∫ ∞

−∞x(t) sin ωtdt.

si au proprietatile:

A(−ω) = A(ω); (1.4)

B(−ω) = −B(ω).

1

Page 2: Cap6 6.2.Transformata Fourier

Example 1.1. Determinam transformata Fourier a functiei

x(t) =

{e−at, t ≥ 00, t < 0

, a > 0.

Verificam daca x(t) este absolut integrabila:∫∞−∞ |x(t)|dt =

∫∞0

e−atdt = e−at

−a|∞0 = 1

a< ∞.

X(ω) =

∫ ∞

−∞x(t)e−iωtdt =

∫ ∞

0

e−ate−iωtdt =

∫ ∞

0

e−t(a+iω)dt

= −e−t(a+iω)

a + iω|∞0 =

1

a + iω.

Example 1.2. Determinam transformata Fourier a functiei unitate

1(t) =

{1, t ≥ 00, t < 0

.

Verificam daca 1(t) este absolut integrabila:∫∞−∞ |1(t)|dt =

∫∞0

dt = ∞ ⇒ nu este absolut integrabila. Pentru a de-termina imaginea prin transformata Fourier a lui 1(t) o inmultim cu functiadin exemplul anterior:

1(t)x(t) =

{e−at, t ≥ 00, t < 0

= x(t), a > 0, iar imaginea lui 1(t) se obtine

din imaginea lui x(t) facand a → 0.x(t) are imaginea prin transformata Fourier X(ω) = 1

a+iω. Daca a → 0

obtinem ca imaginea prin transformata Fourier a lui 1(t) este X1(ω) = 1iω

,daca ω 6= 0.

2 Proprietati ale transformatei Fourier

Theorem 2.1. (Proprietatea de simetrie conjugata)

X(−ω) = X(ω).

Demonstratie.X(−ω) =

∫∞−∞ x(t)eiωtdt =

∫∞−∞ x(t) cos ωtdt + i

∫∞−∞ x(t) sin ωtdt

= A(ω) + iB(ω) siX(ω) = A(ω)− iB(ω) = A(ω) + iB(ω). ¤

Theorem 2.2. (Proprietatea de liniaritate) Daca F(x(t)) = X(ω) siF(y(t)) = Y (ω) atunci

F(αx(t) + βy(t)) = αX(ω) + βY (ω),

∀α, β ∈ C.

2

Page 3: Cap6 6.2.Transformata Fourier

Theorem 2.3. (Proprietati de paritate si imparitate) 1. Daca x(t) este paraatunci X(ω) ∈ R si este para.

2. Daca x(t) este impara atunci X(ω) ∈ C \R si este impara.

Demonstratie. 1. Daca x(t) este para atunciX(ω) =

∫∞−∞ x(t) cos ωtdt− i

∫∞−∞ x(t) sin ωtdt

= A(ω) = A(−ω) = X(−ω);2. Daca x(t) este impara atunciX(ω) =

∫∞−∞ x(t) cos ωtdt− i

∫∞−∞ x(t) sin ωtdt

= −iB(ω) = iB(−ω) = −X(−ω). ¤

Theorem 2.4. (Proprietatea de scalare a timpului) Daca F(x(t)) =X(ω) atunci

F(x(at)) =1

|a|X(ω

a), a ∈ R, a 6= 0.

Example 2.1. Determinam transformata Fourier a functiei x(t) = e−a|t|,a > 0. Aceasta functie se poate exprima prin:

x(t) = e−at1(t) + eat1(−t).F(e−at1(t)) = F(e−at) = 1

a+iω.

Conform proprietatii de scalare a timpului, F(x(−t)) = X(−ω). RezultaF(eat1(−t)) = 1

a−iω.

Deci, F(e−a|t|) = 1a+iω

+ 1a−iω

= 2aa2+ω2 .

Theorem 2.5. (Proprietatea de translatie in domeniul timpului)Daca F(x(t)) = X(ω) atunci

F(x(t− τ)) = e−iωτX(ω).

Example 2.2. Determinam transformata Fourier a functiei x(t) = e−a|t−t0|,a > 0.

Conform exemplului anterior si proprietatii de translatie in domeniul tim-pului rezulta

F(e−a|t−t0|) = e−iωt0 2aa2+ω2 .

Theorem 2.6. (Proprietatea pentru derivatele functiilor de timp)Daca F(x(t)) = X(ω) atunci

F(dx(t)

dt) = iωX(ω).

Example 2.3. Sa se determine transformata Fourier a functiei

x(t) =

{1− 2|t|

T, |t| < T

2

0, |t| ≥ T2

3

Page 4: Cap6 6.2.Transformata Fourier

si a derivatei sale x′(t).

Avem x(t) =

1 + 2tT, t ∈ (−T

2, 0)

1− 2tT

t ∈ (0, T2)

0, |t| ≥ T2

si x′(t) =

2T, t ∈ (−T

2, 0)

− 2T

t ∈ (0, T2)

0, |t| ≥ T2

.

Un calcul imediat arata ca x(t) si x′(t) sunt absolut intregrabile, adica

∫ ∞

−∞|x(t)|dt < ∞si

∫ ∞

−∞|x′(t)|dt < ∞.

Folosind definitia (formula (1.1)), putem determina imaginile prin trans-formata Fourier a functiilor x(t) si x′(t). Dar, in baza proprietatii de maisus este suficient sa determinam imaginea doar a uneia din functiile x(t) six′(t). Pentru ca forma lui x′(t) este mai simpla, vom aplica formula (1.1)functiei x′(t).

F(x′(t)) =∫∞−∞ x′(t)e−iωtdt =

∫ 0

−T2

2Te−iωtdt +

∫ T2

0− 2

Te−iωtdt

= 2T[ e−iωt

−iω|0−T

2

− e−iωt

−iω|

T20 ] = 2

−Tiω[1− ei Tω

2 − e−i Tω2 + 1]

= 4iTω

(1− cos Tω2

) = 8iTω

sin2 Tω4

.Deci, F(x′(t)) = 8i

Tωsin2 Tω

4. Aplicand proprietatea pentru derivatele func-

tiilor de timp rezulta F(x(t)) = 8Tω2 sin2 Tω

4.

Theorem 2.7. (Formula de inversiune) Daca F(x(t)) = X(ω) atunci

x(t) = F−1(X(ω)) =1

∫ ∞

−∞X(ω)eiωtdω. (2.5)

Remark 2.1. Formula (2.5) se numeste reprezentarea functiei x(t) printr-ointegrala Fourier (forma complexa).

In continuare determinam forma reala a reprezentarii functiei x(t) printr-o integrala Fourier.

Inlocuim (1.1) in (2.5):

x(t) =1

∫ ∞

−∞X(ω)eiωtdω =

1

∫ ∞

−∞

(∫ ∞

−∞x(τ)e−iωτdτ

)eiωtdω

=1

∫ ∞

−∞

(∫ ∞

−∞x(τ) cos ωτdτ − i

∫ ∞

−∞x(τ) sin ωτdτ

)eiωtdω

=1

∫ ∞

−∞(A(ω)− iB(ω)) eiωtdω

=1

∫ 0

−∞(A(ω)− iB(ω)) eiωtdω +

1

∫ ∞

0

(A(ω)− iB(ω)) eiωtdω

4

Page 5: Cap6 6.2.Transformata Fourier

=1

∫ ∞

0

(A(−ω)− iB(−ω)) e−iωtdω +1

∫ ∞

0

(A(ω)− iB(ω)) eiωtdω

=1

∫ ∞

0

(A(ω) + iB(ω)) e−iωtdω +1

∫ ∞

0

(A(ω)− iB(ω)) eiωtdω

=1

π

∫ ∞

0

[A(ω) cos ωt + B(ω) sin ωt] dω.

Deci,

x(t) = F−1(X(ω)) =1

π

∫ ∞

0

[A(ω) cos ωt + B(ω) sin ωt] dω (2.6)

si se numeste reprezentarea functiei x(t) printr-o integrala Fourier (formareala).

Example 2.4. Reprezentam functia x(t) =

{1 |t| ≤ 10, |t| > 1

printr-o integrala

Fourier reala, adica determinam F−1(X(ω)).x(t) este absolut integrabila:∫∞−∞ |x(t)|dt =

∫ 1

−11dt = t|1−1 = 2 < ∞.

A(ω) :=∫∞−∞ x(t) cos ωtdt =

∫ 1

−1cos ωtdt = 2

∫ 1

0cos ωtdt = 2 sin ωt

ω|10

= 2 sin ωω

.

B(ω) :=∫∞−∞ x(t) sin ωtdt ==

∫ 1

−1sin ωtdt = 0.

Inlocuim in (2.6):

x(t) =

{1 |t| ≤ 10, |t| > 1

= 1π

∫∞0

[A(ω) cos ωt + B(ω) sin ωt] dω

= 2π

∫∞0

sin ω cos ωtω

dω.Deci, {

π2

|t| ≤ 10, |t| > 1

=

∫ ∞

0

sin ω cos ωt

ωdω.

Definition 2.1. Expresia

x(t) ∗ y(t) =

∫ ∞

−∞x(τ)y(t− τ)dτ

se numeste produsul de convolutie al functiilor x(t) si y(t).

Theorem 2.8. (Proprietatea produsului de convolutie) Daca F(x(t)) =X(ω) si F(y(t)) = Y (ω) atunci

F(x(t) ∗ y(t)) = X(ω)Y (ω).

5

Page 6: Cap6 6.2.Transformata Fourier

3 Exercitii propuse

1. Sa se reprezinte printr-o integrala Fourier functiile:

i) x(t) =

1, |t| < a12, t = ±a

0, |t| > a; ii) x(t) =

{sin t, |t| < nπ0, |t| > nπ

;

iii) x(t) =

1, |t| > 1−t, − 1 ≤ t ≤ 0

t, 0 < t ≤ 1Indicatie. Integrala

∫∞−∞ |x(t)|dt nu

este convergenta; este necesar sa facem translatia y(t) = x(t)−1. Scriemintergrala Fourier a functiei y(t) dupa care revenim la x(t).

2. Sa se determine transformatele Fourier ale urmatoarele functii:

i) x(t) =

{ba(a− |t|), |t| < a

0, |t| > a, a > 0; ii) x(t) =

{t2, t ∈ [0, 1]0, t /∈ [0, 1]

.

6