EE ngineering Mathematics II ngineering Mathematics II
Prof. Dr. Yong-Su Na g (32-206, Tel. 880-7204)
Text book: Erwin Kreyszig, Advanced Engineering Mathematics, 9th Edition, Wiley (2006)
Ch. 11 Fourier Series, Integrals, Ch. 11 Fourier Series, Integrals, Ch. 11 Fourier Series, Integrals, Ch. 11 Fourier Series, Integrals,
and
and Transforms Transforms
11.1 Fourier Series
11.2 Functions of Any Period p=2Ly p
11.3 Even and Odd Functions. Half-Range Expansions 11 4 Complex Fourier Series
11.4 Complex Fourier Series 11.5 Forced Oscillations
11.6 Approximation by Trigonometric Polynomials 11.7 Fourier Integral
11.8 Fourier Cosine and Sine Transforms
11.9 Fourier Transform. Discrete and Fast Fourier Transforms 11.9 Fourier Transform. Discrete and Fast Fourier Transforms
2
Ch. 11 Fourier Series, Integrals, Ch. 11 Fourier Series, Integrals, Ch. 11 Fourier Series, Integrals, Ch. 11 Fourier Series, Integrals,
and
and Transforms Transforms
11.1 Fourier Series
11.2 Functions of Any Period p=2Ly p
11.3 Even and Odd Functions. Half-Range Expansions 11 4 Complex Fourier Series
11.4 Complex Fourier Series 11.5 Forced Oscillations
11.6 Approximation by Trigonometric Polynomials 11.7 Fourier Integral
11.8 Fourier Cosine and Sine Transforms
11.9 Fourier Transform. Discrete and Fast Fourier Transforms 11.9 Fourier Transform. Discrete and Fast Fourier Transforms
3
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
z Integral Transform (적분변환):
주어진 함수를 다른 변수에 종속하는 새로운 함수로 만드는 적분 형태의 변환 예) L l T f (Ch 6)
예) Laplace Transform (Ch. 6)
• Fourier Cosine Transform (푸리에 코사인 변환)(푸리에 사인 변환)
( )=∞∫ ( ) ( )= ∞∫ ( )
0 0
2 cos
, cos
:
f x A w wxdw A w f v wvdv
적분 π 코사인
푸리에
( ) ( )
( ) ( ) ∞∫ ( )
=
ˆ 2
ˆ . 2 f w w
A π c
변환 사인
리에
하자 라
( ) ( ) ( )
( ) ∫ ( )
∫
= ∞
=
=
⇒
0
ˆ cos : 2
) (
, 2 cos
: ) (
wxdw w
f x
f
wxdx x
f w
f
f c
c π
Transform Cosine
Fourier Inverse
Transform Cosine
Fourier
역변환 코사인
푸리에
변환 코사인
푸리에 F
( )= ∫ ( )
0
cos :
) (
f x fc w wxdw
Transform π Cosine
Fourier Inverse
역변환 코사인
푸리에
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
• Fourier Sine Transform (푸리에 사인 변환)
( ) ∞∫ ( ) ( ) 2 ∞∫ ( )
( ) ( ) ( ) ( )
( ) ( )
∫
∫
=
=
=
0 0
2 ˆ
2 sin
, sin
:
w f w
B
wvdv v
f w
B wxdw w
B x
f π
하자 라
적분 사인
푸리에
( ) ( )
( )= ( )= ∞∫ ( )
⇒
=
, 2 sin
ˆ : ) (
. 2
wxdx x
f w
f f
w f w
B
s s
π s
Transform Sine
Fourier 변환
사인
푸리에 F
하자 라
( ) ∫ ( )
∫
∞
=
0
ˆ sin 2
: ) (
f x fs w wxdw
π π Transform
Sine Fourier Inverse
역변환 사인
푸리에 ∫
π 0
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
Ex 1 Fourier Cosine and Fourier Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
Ex. 1 Fourier Cosine and Fourier Sine Transforms
( ) ( )
( ) .
0
0 의 푸리에 코사인및 푸리에 사인변환을 구하라
함수 ⎩⎨⎧ < <
= k x a
x
f ( ) ⎩⎨0 (x > a)
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
Ex 1 Fourier Cosine and Fourier Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
Ex. 1 Fourier Cosine and Fourier Sine Transforms
( ) ( )
( ) .
0
0 의 푸리에 코사인및 푸리에 사인변환을 구하라
함수 ⎩⎨⎧ < <
= k x a
x
f ( ) ⎩⎨0 (x > a)
( )
⎟⎞⎜⎛
=
= k
∫
wxdx k aww f
a 2 sin
2 cos ˆ
( )
⎞
⎛
⎟⎠
⎜⎝
∫
wxdx k wk w
f
a c
1 2
2
cos
0 π
π
( )
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
= ⎛ −
= k
∫
wxdx k w aww f
a s
cos 1
sin 2 ˆ 2
0 π
π
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
z Linearity
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
Linearity
( ) ( ) ( )
(af bg) a ( )f b ( )g
g b
f a bg
af c c
c
F F
F
F F
F
+
= +
+
= +
z Cosine and Sine Transforms of Derivatives
(af bg) a s( )f b s( )g
s F F
F + = +
( )
( )
'
,
x f
x x
f
∗
∗
연속 구분
유한구간에서 모든
가
적분가능 절대
상에서 축
연속이고 가
( ) ( )
{ } { ( )} 2 ( ) { ( )} { ( )}
0
,
f f
f f
f
x f
x → ∞ →
∗
F F
F F
때 일
P !
( )
{ } { ( )} ( ) { ( )} { ( )}
( )
{ '' } { ( )} 2 '( )0 { ''( )} { ( )} 2 ( )0
'
, 2 0
'
2
2 f x f f x w f x wf
w x
f
x f w x
f f
x f w x
f s s c
c π
+
−
=
−
=
⇒
F F
F F
F F
F
F Prove!
( )
{ '' } { ( )} '( )0 , { ''( )} { ( )} ( )0
c f x w c f x f s f x w s f x wf π
π = − +
−
−
= F F F
F
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
Ex 3 An Application of the Operational Formula (9) Ex. 3 An Application of the Operational Formula (9)
( ) ( 0) .
의 푸리에 코사인 변환을 구하라
함수 f x = e−ax a > in two ways
( )
'' ( ) ''( ),
의하여 e−ax = a2e−ax이므로a2 f x = f x 미분에
( ) ( )'' ( ) 2 '( )0 ( ) 2
2 = = − 2 − = − 2 +
⇒ a c f c f w c f f w c f a
π
π F
F F
F
( )
( ) 22 2
⎞
⎛
= +
⇒ a w c f a
F π
( )
2 ( 0)2 2 ⎟ >
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
= +
∴ − a
w a
e ax a
c π
F
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
Ex 3 An Application of the Operational Formula (9) Ex. 3 An Application of the Operational Formula (9)
( ) ( 0) .
의 푸리에 코사인 변환을 구하라
함수 f x = e−ax a > in two ways
( )
'' ( ) ''( ),
의하여 e−ax = a2e−ax이므로a2 f x = f x 미분에
( ) ( )'' ( ) 2 '( )0 ( ) 2
2 = = − 2 − = − 2 +
⇒ a c f c f w c f f w c f a
π
π F
F F
F
( )
( ) 22 2
⎞
⎛
= +
⇒ a w c f a
F π
( )
2 ( 0)2 2 ⎟ >
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
= +
∴ − a
w a
e ax a
c π
F
11
11.8 .8 Fourier Cosine and Sine TransformsFourier Cosine and Sine Transforms
((푸리에푸리에 코사인코사인 및및 사인사인 변환변환))
PROBLEM SET 11.8
HW 4 18 HW: 4, 18
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
z Complex Form of the Fourier Integral (푸리에 적분의 복소형식)
( ) 1 ∞∫ ( )
( )x [A( )w wx B( )w wx]dw
f = ∫∞ +
0
sin cos
( ) ( )
( ) ∫ ( )
∫
∞
∞
−
= f v wvdv w
A
1 1 cos π
0 ( ) ∫ ( )
∞
−
= f v wvdv w
B 1 sin
π
( )x f v wx wv dv dw
f = 1 ∫ ∫∞ ⎢⎣⎡ ∞ ( )cos( − ) ⎥⎦⎤ Prove!
x i
x
eix = cos + sin
( )x f v wx wv dv dw
f ∫ ∫
∞
− ⎢⎣ −∞ ( )cos( ) ⎥⎦
2π
0 )
sin(
)
1 ( ⎥⎦⎤ =
⎢⎣⎡ −
∫ ∫∞ ∞
dw dv wv wx
v f
Prove!
x i
x
e cos + sin 0
) sin(
)
2 ∫ ∫⎢⎣ ( ⎥⎦
∞
− −∞ f v wx wv dv dw
π
( )x f ( )v e ( )dvdw
f ( )x 1
∫ ∫
∞ ∞ f ( )v e−iw(x−v)dvdw Prove!f
∫ ∫
∞
− −∞
= 2π Prove!
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
z Complex Form of the Fourier Integral (푸리에 적분의 복소형식)
( ) 1 ∞∫ ( )
( )x [A( )w wx B( )w wx]dw
f = ∫∞ +
0
sin cos
( ) ( )
( ) ∫ ( )
∫
∞
∞
−
= f v wvdv w
A
1 1 cos π
0 ( ) ∫ ( )
∞
−
= f v wvdv w
B 1 sin
π
( )x f v wx wv dv dw
f = 1 ∫ ∫∞ ⎢⎣⎡ ∞ ( )cos( − ) ⎥⎦⎤ Prove!
x i
x
eix = cos + sin
( )x f v wx wv dv dw
f ∫ ∫
∞
− ⎢⎣ −∞ ( )cos( ) ⎥⎦
2π
0 )
sin(
)
1 ( ⎥⎦⎤ =
⎢⎣⎡ −
∫ ∫∞ ∞
dw dv wv wx
v f
Prove!
x i
x
e cos + sin 0
) sin(
)
2 ∫ ∫⎢⎣ ( ⎥⎦
∞
− −∞ f v wx wv dv dw
π
( )x f ( )v e ( )dvdw
f ( )x 1
∫ ∫
∞ ∞ f ( )v e−iw(x−v)dvdw Prove!f
∫ ∫
∞
− −∞
= 2π Prove!
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
z Complex Form of the Fourier Integral (푸리에 적분의 복소형식)
( )x f ( )v e dv e dw
f ∞
∫ ∫
iwv iwx∞
−
∞
∞
−
= − ]
2 [ 1 2
1
π
π ∞ ∞
( )
w f( )
x e dxfˆ
( )
w = 1 ∞∫
f( )
x e−iwxdxf
∫
∞
−
= 2π
( )
1∫
∞ ˆ( )
i( )
x f( )
w e dwf
∫
iwx∞
−
= −
2 1
π
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
z Complex Form of the Fourier Integral (푸리에 적분의 복소형식)
( ) f ( ) ( )d d
f 1 ∫ ∫∞ ∞ −iw x−v
) (C l F i I t l 적분
푸리에
• 복소
•
( )x f ( )v e ( )dvdw
f ∫ ∫ iw x v
∞
− −∞
= 2π :
) (Complex Fourier Integral 적분
푸리에 복소
( )f = fˆ( )w = 1 ∞∫ f ( )x e−iwxdx
: ) (Fourier Transform F 변환
푸리에
•
( )f f ( )w ∫ f ( )x e dx
∞
π −
: 2 ) (Fourier Transform F 변환
푸리에
( )x f ( )w e dw
f = 1 ∞∫ ˆ −iwx
: ) (InverseFourier Transform 역변환
푸리에
z Existence of the Fourier Transform (푸리에 변환의 존재)
( ) f ( )
f ∫
∞
2 −
)
( π
( )
( ) ( ) ( ) ( )
x x
f
∫ i
1 ∞
ˆ ˆ
존재하며 는
변환 푸리에
의
구분연속 구간에서
유한 모든
가능이고 적분
절대 상에서
축 가
( )x f ( )w f ( )w f ( )x e dx
f ∫ iwx
∞
−
= −
⇒ 2π
1 ,
의 푸리에변환 는 존재하며
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
Ex. 1 Fourier Transform
( ) 1 ( ) 0 .
1에서 = 이고 그 이외의 구간에서는 = 인 함수의 푸리에변환을 구하라
< f x f x
x
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
( ) 1 ( ) 0 .
1에서 = 이고 그 이외의 구간에서는 = 인 함수의 푸리에변환을 구하라
< f x f x
x
Ex. 1 Fourier Transform
iwx 1
1
1 1 1
( )
(
e e)
iw iw dx e
e w
f iw iw
iwx iwx
2 1 2
1 2
ˆ 1
1 1
1 π π
π = − −
⋅ −
=
= −
−
−
−
∫
−w w iw
w
i 2 sin
2 sin 2
π = π
−
= −
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
z Linearity. Fourier Transform of Derivatives
• 푸리에 변환의 선형성푸리에 변환의 선형성
(af bg) aF( )f bF( )g
F
+ = +
.
변환은 선형연산이다 푸리에
• 도함수의 푸리에 변환
( )x x
f
∗ 함수 가 축상에서연속
( )
( )x
f x
x x
f
0 ,
'
→
∞
→
∗
∗
때 일
절대적분가능 상에서
축 가
( ) ( )
{f x } iw {f ( )x } {f ( )x } w {f ( )x }
f
F F
F
F ' , '' 2
= = −
⇒ Prove!
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
Ex. 3 Application of the Operational Formular (9)
2의 푸리에 변환을 구하라
−x
. 푸리에 변환을 구하라
x 의
xe
( )
( 0)2
1 24
2 = − >
− e a
e ax w a
F
( )
2a
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
2의 푸리에 변환을 구하라
−x
Ex. 3 Application of the Operational Formular (9) .
푸리에 변환을 구하라
x 의
xe
( )
( 0)2
1 24
2 = − >
− e a
e ax w a
F
( )
⎧ 1( )
⎫ 1{ } ( )
1( )
( )
2a( ) ( ) { } ( ) ( )
2 2
2 2
2 2
1 1
2 ' 1
2 ' 1
2
1 x x x
x
iw
e iw e
e
xe− − = − − = − −
⎭⎬
⎫
⎩⎨
⎧−
= F F F
F
4 4
2 2
2 2 2
1 2
1
w iw e w
e
iw − = − −
−
=
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
z Convolution (합성곱)
( f )( ) ∞∫ f ( ) ( )d ∞∫ f ( ) ( )d
) (C l i
• 합성곱
• Convolution Theorem (합성곱 정리)
( f g)( )x ∫ f ( ) (p g x p)dp ∫ f (x p) ( )g p dp
∞
−
∞
−
−
=
−
=
∗ :
) (Convolution 합성곱
Convolution Theorem (합성곱 정리)
( ) ( )
( ) ( ) ( )
x x
g x
f , ,
와 가 구분연속이고 유한하며 축상에서 절대적분가능
함수
( f g) F( ) ( )f F g
F 2π
∗ =
⇒ Prove using x-p=q
11
11.9 .9 Fourier Transform. Fourier Transform. Discrete Discrete and Fast Fourier Transforms and Fast Fourier Transforms
((푸리에푸리에 변환변환. . 이산이산 및및 고속고속 푸리에푸리에 변환변환))
PROBLEM SET 11.9
HW 14 HW: 14