傅里叶级数与正交展开

跳变处的收敛

假设你的信号突然跳变——开关一翻,方波从 -1 猛地跳到 +1。在那一瞬间函数有两个候选值,跳变前的那个和跳变后的那个,而傅里叶级数该报告哪一个(如果有的话)并不显然。干净利落的答案是本学科中最令人满意的事实之一:在跳变处,级数对两者都不理会,而收敛到它们正中间的那个值,即左极限与右极限的平均。

写出来就是:若在点 x 处左极限是 f(x-)、右极限是 f(x+),那么在狄利克雷条件下,x 处的傅里叶级数收敛到 (f(x-) + f(x+))/2,无论 f 本身在 x 处如何(或是否)定义。在最简单的情形里你能看清原因:像方波那样的奇跳变完全由正弦项构成,而每个 sin(n pi x / L) 在跳变位置都为零,所以部分和在那里天然就坐在中点上。级数实际上是在选取它所能选的最对称、最无偏的值。

这之所以重要,是因为真实信号充满了棱边——通断脉冲、采样保持的数据、整流波形——你需要知道你的重建在那些棱边处究竟做了什么。中点规则告诉你:级数在间断处的值是一个确定的、可预测的数,不是噪声,也不是抛硬币。它也是吉布斯现象在概念上的伴侣:级数在跳变本身处收敛到中点,然而部分和却在紧挨两侧过冲,一旦你把'点处的极限'和'点附近逼近的形状'分开,这两个事实就完全相容了。

锯齿波 f(x) = x 在 (-pi, pi) 上、周期延拓,在 x = pi 处从 +pi 跌到 -pi。那里 f(x-) = pi、f(x+) = -pi,所以级数收敛到 (pi + (-pi))/2 = 0——函数值 pi 根本不是级数返回的东西。

把 f 在跳变处重新定义为它自己的中点,就让级数和函数在那里恰好一致。

中点值是部分和在跳变处的极限,而不是任何有限部分和在附近所显示的——跳变旁边的过冲,无论你加多少项,都大致保持在跳变高度的 9% 左右(吉布斯现象)。

又称
midpoint convergence跳变点处级数取中点value at a discontinuity