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<title>Data Analysis</title>
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<h2>FOURIER SERIES</h2>

<h3>Standard formulae</h3>

<p>The function <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow></math>
is a periodic function, the period is
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mrow><mn>2</mn><mi>l</mi></mrow></math></p>

<table class="equ"><tr>
<td colspan="2" class="equ">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
 <mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
 <mo>=</mo>
 <mfrac><msub><mi>a</mi><mn>0</mn></msub><mn>2</mn></mfrac>
 <mo>+</mo>
 <mrow>
  <munderover>
  <mo>&sum;</mo>
  <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
  <mo>&infin;</mo>
  </munderover>
  <msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub>
  <mi>cos</mi>
  <mrow><mo>(</mo>
   <mfrac>
    <mrow><mi>n</mi><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></mrow>
    <mrow><mn>2</mn><mi>l</mi></mrow>
   </mfrac>
   <mi>x</mi>
  </mrow><mo>)</mo>
 </mrow>
 <mo>+</mo>
 <mrow>
  <munderover>
   <mo>&sum;</mo>
   <mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow>
   <mo>&infin;</mo>
  </munderover>
  <msub><mi>b</mi><mi>n</mi></msub>
  <mi>sin</mi>
  <mrow><mo>(</mo>
   <mfrac>
    <mrow><mi>n</mi><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></mrow>
    <mrow><mn>2</mn><mi>l</mi></mrow>
   </mfrac>
   <mi>x</mi>
  <mo>)</mo></mrow>
</mrow>
<mo>,</mo>
</math>
</td>

<td rowspan="2" class="equnum">
(1.1)
</td>

</tr>
<tr>

<td class="equ2">
 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
 <msub><mi>a</mi><mi>n</mi></msub>
 <mo>=</mo>
 <mfrac><mn>1</mn><mi>l</mi></mfrac>
 <mrow>
  <munderover>
   <mo>&int;</mo>
   <mrow><mo>-</mo><mi>l</mi></mrow>
   <mi>l</mi>
  </munderover>
  <mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
  <mi>cos</mi>
   <mrow><mo>(</mo>
    <mfrac>
     <mrow><mi>n</mi><mi>&pi;</mi></mrow>
     <mi>l</mi>
    </mfrac>
    <mi>x</mi>
   <mo>)</mo></mrow>
   <mi>d</mi><mi>x</mi>
 </mrow>
 <mo>,</mo>
 </math>
</td>

<td class="equ2">
 <math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
 <msub><mi>b</mi><mi>n</mi></msub>
 <mo>=</mo>
 <mfrac><mn>1</mn><mi>l</mi></mfrac>
 <mrow>
  <munderover>
   <mo>&int;</mo>
   <mrow><mo>-</mo><mi>l</mi></mrow>
   <mi>l</mi>
  </munderover>
  <mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
  <mi>sin</mi>
  <mrow><mo>(</mo>
   <mfrac>
    <mrow><mi>n</mi><mi>&pi;</mi></mrow>
    <mi>l</mi>
   </mfrac>
   <mi>x</mi>
  <mo>)</mo></mrow>
  <mi>d</mi><mi>x</mi>
 </mrow>
 <mo>.</mo>
 </math>
</td>
</tr></table>

<p>The complex form of the Fourier series is</p>

<table class="equ"><tr>
<td class="equ2">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
<mo>=</mo>
<mrow>
 <munderover>
  <mo>&sum;</mo>
  <mrow><mi>n</mi><mo>=</mo><mo>-</mo><mo>&infin;</mo></mrow>
  <mo>&infin;</mo>
 </munderover>
 <msub><mi>c</mi><mi>n</mi></msub>
 <mi>exp</mi>
 <mrow><mo>(</mo>
  <mi>i</mi>
  <mfrac>
   <mrow><mi>n</mi><mi>&pi;</mi></mrow>
   <mi>l</mi>
  </mfrac>
  <mi>x</mi>
 <mo>)</mo></mrow>
</mrow>
<mo>,</mo>
</math>
</td>
<td class="equ2">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<msub><mi>c</mi><mi>n</mi></msub>
<mo>=</mo>
<mrow>
 <munderover>
  <mo>&int;</mo>
  <mrow><mo>-</mo><mi>l</mi></mrow>
  <mi>l</mi>
 </munderover>
 <mi>y</mi><mrow><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
 <mi>exp</mi>
 <mrow><mo>(</mo>
  <mo>-</mo><mi>i</mi>
  <mfrac>
   <mrow><mi>n</mi><mi>&pi;</mi></mrow>
   <mi>l</mi>
  </mfrac>
  <mi>x</mi>
 <mo>)</mo></mrow>
 <mi>d</mi><mi>x</mi>
</mrow>
<mo>.</mo>
</math>
</td>
<td class="equnum">
(1.2)
</td>
</tr></table>

<p>The Fourier integral theorem is defined by the relation</p>

<table class="equ"><tr>
<td class="equ">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
<mo>=</mo>
<munder>
 <mi>lim</mi>
 <mrow><mi>A</mi><mo>&rarr;</mo><mo>&infin;</mo></mrow>
</munder>
<mfrac>
 <mn>1</mn>
 <mrow><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></mrow>
</mfrac>
<mrow>
 <munderover>
  <mo>&int;</mo>
  <mrow><mo>-</mo><mi>A</mi></mrow>
  <mi>A</mi>
 </munderover>
</mrow>
<mrow>
 <munderover>
  <mo>&int;</mo>
  <mrow><mo>-</mo><mo>&infin;</mo></mrow>
  <mo>&infin;</mo>
 </munderover>
 <mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow>
 <msup>
  <mi>e</mi>
  <mrow><mi>i</mi><mi>a</mi>
   <mrow><mo>(</mo>
    <mi>x</mi><mo>-</mo><mi>t</mi>
   <mo>)</mo></mrow>
  </mrow>
 </msup>
 <mi>d</mi><mi>t</mi>
 <mi>d</mi><mi>a</mi>
</mrow>
<mo>.</mo>
</math>
</td>
<td class="equnum">
(1.3)
</td>
</tr></table>

<p>The Fourier transform and the inverse transform are</p>

<table class="equ"><tr>
<td class="equ">
<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>u</mi><mo>)</mo></mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
 <mn>1</mn>
 <msqrt><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></msqrt>
</mfrac>
<mrow>
 <munderover>
  <mo>&int;</mo>
  <mrow><mo>-</mo><mo>&infin;</mo></mrow>
  <mo>&infin;</mo>
 </munderover>
 <mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
 <msup>
  <mi>e</mi>
  <mrow><mo>-</mo><mi>i</mi><mi>u</mi><mi>x</mi></mrow>
 </msup>
 <mi>d</mi><mi>x</mi>
</mrow>
<mo>,</mo>
</math>
</td>
<td rowspan="2" class="equnum">
(1.4)
</td>
</tr>
<tr>
<td class="equ">

<math xmlns="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" display="block">
<mrow><mi>y</mi><mo>(</mo><mi>x</mi><mo>)</mo></mrow>
<mo>=</mo>
<mfrac>
 <mn>1</mn>
 <msqrt><mn>2</mn><mi>&pi;</mi></msqrt>
</mfrac>
<mrow>
 <munderover>
  <mo>&int;</mo>
  <mrow><mo>-</mo><mo>&infin;</mo></mrow>
  <mo>&infin;</mo>
 </munderover>
 <mrow><mi>g</mi><mo>(</mo><mi>u</mi><mo>)</mo></mrow>
 <msup>
  <mi>e</mi>
  <mrow><mi>i</mi><mi>u</mi><mi>x</mi></mrow>
 </msup>
 <mi>d</mi><mi>u</mi>
</mrow>
<mo>.</mo>
</math>
</td>
</tr></table>

<h3>Numerical examples</h3>

<p><b>Example 1</b><br />

The script file <tt>pwopro03</tt> gives examples of Fourier series
expansions of periodic functions. The first example is a discontinuous
skew symmetric function, the second a continuous function with a discontinuous
derivative.</p>

<p><b>Download</b><br />
Scilab: <a href="pwopro03.sci"><tt>pwopro03.sci</tt></a><br />
Octave/Matlab: <a href="pwopro03.m"><tt>pwopro03.m</tt></a>
</p>


<p><b>Example 2</b><br />

The script file <tt>pwoprs03</tt> calculates the Fourier series
coefficients for damped free vibrations looks at the influence of the
number of points. The values of coefficients change but the amplitudes
are similar.</p>

<p><b>Download</b><br />
Scilab: <a href="pwoprs03.sci"><tt>pwoprs03.sci</tt></a><br />
Octave/Matlab: <a href="pwoprs03.m"><tt>pwoprs03.m</tt></a>
</p>


</body>
</html>


