Geschreven door studenten die geslaagd zijn Direct beschikbaar na je betaling Online lezen of als PDF Verkeerd document? Gratis ruilen 4,6 TrustPilot
logo-home
College aantekeningen

Summaries of all lecture notes in APM346, you will be good to go if you are able to understand everything shown in the notes

Beoordeling
-
Verkocht
-
Pagina's
13
Geüpload op
12-12-2022
Geschreven in
2019/2020

Summaries of all lecture notes in APM346, you will be good to go if you are able to understand everything shown in the notes

Instelling
Vak

Voorbeeld van de inhoud

July 30, 2020 APM346 – Week 12 Justin Ko


1 Fourier Transform
We introduce the concept of Fourier transforms. This extends the Fourier method for finite intervals
to infinite domains. In this section, we will derive the Fourier transform and its basic properties.

1.1 Heuristic Derivation of Fourier Transforms
1.1.1 Complex Full Fourier Series
Recall that DeMoivre formula implies that

eiθ − e−iθ eiθ + e−iθ
sin(θ) = and cos(θ) = .
2i 2
This implies that the set of eigenfunctions for the full Fourier series on [−L, L]
n  πx   2πx   πx   2πx  o
1, cos , cos , . . . , sin , sin ,...
L L L L
inπx
is generated by the set of complex exponentials {e L }n∈Z . We define the inner product for complex
valued functions Z L
hf, gi = f (x)g(x) dx.
−L
inπx
− inπx
Since the complex conjugate e L =e L , it is also easy to check for n 6= m, that
Z L
inπx −imπx
e L e L dx = 0.
−L

so this is an orthogonal set. We have the following reformulation of the full Fourier series using complex
variables.
Definition 1. The complex form of the full Fourier series is given by

inπx
X
f (x) = cn e L (1)
n=−∞

where the (complex valued) Fourier coefficients are given by
RL inπx
hf (x), e
inπx
i f (x)e− dx L
Z
L L
1 inπx
cn = inπx inπx = R −L
L inπx
= f (x)e− L dx. (2)
he L ,e L i e L e − inπx
L dx 2L −L
−L

The proof of Parseval’s equality also implies that
∞ Z L
X 1 2
|cn | = |f (x)|2 dx. (3)
n=−∞
2L −L


1.1.2 Fourier Transform
We now formally extend the Fourier series to the entire line by taking L → ∞. If we substitute (2)
into (1), then
∞ Z L 
1 X − inπx inπx
f (x) = f (x)e L dx e L .
2L n=−∞ −L




Page 1 of 13

, July 30, 2020 APM346 – Week 12 Justin Ko


nπ π
We define kn = L and ∆k = kn − kn−1 = L then this simplifies to
∞ Z L  ∞
1 X −kn x 1 X
f (x) = f (x)e dx ekn x ∆k = √ C(k)ekn x ∆k.
2π n=−∞ −L 2π n=−∞

where Z L
1
C(k) = √ f (x)e−ikx dx.
2π −L

If we take L → ∞, then
Z L Z ∞
1 1
C(k) = √ f (x)e−ikx dx → √ f (x)e−ikx dx (4)
2π −L 2π −∞

and interpreting the sum as a right Riemann sum,
∞ Z ∞
1 X 1
f (x) = lim √ C(k)ekn x ∆k → √ C(k)ekx dk. (5)
L→∞ 2π n=−∞ 2π −∞

Similarly, Parseval’s equality (3) becomes
Z L ∞ ∞ Z L 2 ∞
X 2π
X 1 inπx
X
2
|f (x)| dx = 2L 2
|cn | = 2L 2
√ f (x)e− L dx = |C(kn )|2 ∆k.
−L n=−∞ n=−∞
4L 2π −L n=−∞

so taking L → ∞ implies Z ∞ Z ∞
2 1
|f (x)| dx = √ |C(k)|2 dk. (6)
−∞ 2π −∞

Remark 1. The step where we took L → ∞ was not rigorous, because the bounds of integration and
the function depend on L. A rigorous proof of this extension is much trickier.

1.2 Definition of the Fourier Transform
The Fourier transform F is an operator on the space of complex valued functions to complex valued
functions. The coefficient C(k) defined in (4) is called the Fourier transform.

Definition 2. Let f : R → C. The Fourier transform of f is denoted by F[f ] = fˆ where
Z ∞
1
fˆ(k) = √ f (x)e−ikx dx (7)
2π −∞

Similarly, the inverse Fourier transform of f is denoted by F −1 [f ] = fˇ where
Z ∞
ˇ 1
f (x) = √ f (k)eikx dk. (8)
2π −∞

The follows from (5) that F and F −1 are indeed inverse operations.
Theorem 1 (Fourier Inversion Formula)
If f and fˆ are integrable, then F −1 [Ff ] = f and F[F −1 f ] = f . In particular,
Z ∞ Z ∞
1 1
f (x) = √ fˆ(k)eikx dk and f (k) = √ fˇ(x)e−ikx dx.
2π −∞ 2π −∞

The Fourier transforms of integrable and square integrable functions are also square integrable (6).


Page 2 of 13

Geschreven voor

Instelling
Studie
Vak

Documentinformatie

Geüpload op
12 december 2022
Aantal pagina's
13
Geschreven in
2019/2020
Type
College aantekeningen
Docent(en)
Justin ko
Bevat
Alle colleges

Onderwerpen

$8.49
Krijg toegang tot het volledige document:

Verkeerd document? Gratis ruilen Binnen 14 dagen na aankoop en voor het downloaden kun je een ander document kiezen. Je kunt het bedrag gewoon opnieuw besteden.
Geschreven door studenten die geslaagd zijn
Direct beschikbaar na je betaling
Online lezen of als PDF

Maak kennis met de verkoper
Seller avatar
9kfhgia89h1

Ook beschikbaar in voordeelbundel

Maak kennis met de verkoper

Seller avatar
9kfhgia89h1 Various
Volgen Je moet ingelogd zijn om studenten of vakken te kunnen volgen
Verkocht
1
Lid sinds
3 jaar
Aantal volgers
1
Documenten
12
Laatst verkocht
3 jaar geleden

0.0

0 beoordelingen

5
0
4
0
3
0
2
0
1
0

Recent door jou bekeken

Waarom studenten kiezen voor Stuvia

Gemaakt door medestudenten, geverifieerd door reviews

Kwaliteit die je kunt vertrouwen: geschreven door studenten die slaagden en beoordeeld door anderen die dit document gebruikten.

Niet tevreden? Kies een ander document

Geen zorgen! Je kunt voor hetzelfde geld direct een ander document kiezen dat beter past bij wat je zoekt.

Betaal zoals je wilt, start meteen met leren

Geen abonnement, geen verplichtingen. Betaal zoals je gewend bent via iDeal of creditcard en download je PDF-document meteen.

Student with book image

“Gekocht, gedownload en geslaagd. Zo makkelijk kan het dus zijn.”

Alisha Student

Bezig met je bronvermelding?

Maak nauwkeurige citaten in APA, MLA en Harvard met onze gratis bronnengenerator.

Bezig met je bronvermelding?

Veelgestelde vragen