Difference between revisions of "Aufgaben:Exercise 2.4Z: Triangular Function"

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{{quiz-Header|Buchseite=Signaldarstellung/Fourierreihe
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{{quiz-Header|Buchseite=Signal_Representation/Fourier_Series
 
}}
 
}}
  
[[File:P_ID317__Sig_Z_2_4.png|right|Fourierreihe: Dreiecksignal]]
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[[File:P_ID317__Sig_Z_2_4.png|right|frame|Preset triangular signal]]
Wir betrachten das mit $T_0$ periodische Signal $\text{x(t)}$ entsprechend der nebenstehenden Skizze, wobei für den zweiten Signalparameter $T_1 ≤ T_0/2$ gelten soll. Dieses Signal ist dimensionslos und auf $1$ begrenzt.
+
We consider the signal  ${x(t)}$  with  $T_0$  according to the adjacent sketch, where the second signal parameter  $T_1 ≤ T_0/2$  is to apply. This signal is dimensionless and limited to  $1$ .
  
In der Teilaufgabe (3) wird die auf nur $N = 3$ Koeffizienten basierende Fourierreihendarstellung $x_3(t)$ verwendet.
+
In subtask  '''(3)'''  the Fourier series representation  $x_3(t)$ based on only  $N = 3$   coefficients is used.
  
Die Differenz zwischen der abgebrochenen Fourierreihe und dem tatsächlichen Signal lautet:
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The difference between the truncated Fourier series and the actual signal is:
 
:$$\varepsilon_3(t)=x_3(t)-x(t).$$
 
:$$\varepsilon_3(t)=x_3(t)-x(t).$$
  
''Hinweise:''  
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*Die Aufgabe gehört zum Kapitel [[Signaldarstellung/Fourierreihe|Fourierreihe]].
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*Eine kompakte Zusammenfassung der Thematik finden Sie in den beiden Lernvideos [[Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]] sowie [[Eigenschaften und Genauigkeit der Fourierreihe]]
+
 
*Sollte die Eingabe des Zahlenwertes „0” erforderlich sein, so geben Sie bitte „0.” ein.
+
 
*Zur Lösung der Aufgabe können Sie das folgende bestimmte Integral benutzen ($n$ sei ganzzahlig):
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''Hints:''  
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*This exercise belongs to the chapter  [[Signal_Representation/Fourier_Series|Fourier Series]].
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*You can find a compact summary of the topic in the two (German language) learning videos
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::[[Zur_Berechnung_der_Fourierkoeffizienten_(Lernvideo)|Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten]]   ⇒   "To calculate the Fourier coefficients"
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:: [[Eigenschaften_der_Fourierreihendarstellung_(Lernvideo)|Eigenschaften der Fourierreihendarstellung]]   ⇒     "Properties of the Fourier series representation"
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*To solve the problem, you can use the following definite integral   (let $n$ be an integer$)$:
 
   
 
   
 
:$$\int u \cdot \cos(au)\,{\rm d}u  =  \frac{\cos(au)}{a^2} + \frac{u \cdot \sin(au)}{a}.$$
 
:$$\int u \cdot \cos(au)\,{\rm d}u  =  \frac{\cos(au)}{a^2} + \frac{u \cdot \sin(au)}{a}.$$
  
  
===Fragebogen===
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===Questions===
  
 
<quiz display=simple>
 
<quiz display=simple>
{Welche der folgenden Aussagen treffen für alle zulässigen $T_0$ und $T_1$ zu?
+
{Which of the following statements are true for all permissible&nbsp; $T_0$&nbsp; and&nbsp; $T_1$&nbsp;?
 
|type="[]"}
 
|type="[]"}
+ Der Gleichanteil beträgt $A_0 = T_1/T_0$.
+
+ The DC coefficient is&nbsp; $A_0 = T_1/T_0$.
+ Alle Sinuskoeffizienten $B_n$ sind Null.
+
+ All sine coefficients&nbsp; $B_n$&nbsp; are zero.
- Alle Cosinuskoeffizienten $A_n$ mit geradzahligem $n$ sind Null.
+
- All cosine coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; with even &nbsp; $n$&nbsp; are zero.
  
  
{Berechnen Sie die Fourierkoeffizienten $A_n$ in allgemeiner Form. Welche Werte ergeben sich für $A_1$, $A_2$ und $A_3$ mit $T_1/T_0 = 0.25$?
+
{Calculate the Fourier coefficients&nbsp; $A_n$&nbsp; in general form.&nbsp; What are the values for&nbsp; $A_1$,&nbsp; $A_2$&nbsp; and&nbsp; $A_3$&nbsp; with&nbsp; $T_1/T_0 = 0.25$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$A_1$ = { 0.405 3% }
+
$A_1\ = \ $ { 0.405 3% }
$A_2$ = { 0.202 3% }
+
$A_2\ = \ $ { 0.202 3% }
$A_3$ = { 0.045 3% }
+
$A_3\ = \ $ { 0.045 3% }
  
  
{Schreiben Sie die Funktion ${x(t)}$ als Fourierreihe und brechen Sie diese nach $N = 3$ Koeffizienten ab. Wie groß ist der Fehler $\varepsilon_3(t = 0)$?
+
{Write the function&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; as a Fourier series and break it off after&nbsp; $N = 3$&nbsp; coefficients.&nbsp; How large is the error &nbsp; $\varepsilon_3(t = 0)$?
 
|type="{}"}
 
|type="{}"}
$\varepsilon_3(t = 0)$ = { -0.11--0.09 }
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$\varepsilon_3(t = 0)\ = \ $  { -0.11--0.09 }
  
  
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</quiz>
 
</quiz>
  
===Musterlösung===
+
===Solution===
 
{{ML-Kopf}}
 
{{ML-Kopf}}
'''1.'''  Der Gleichanteil ist tatsächlich $T_1/T_0$. Da $\text{x(t)}$ eine gerade Funktion ist, sind alle Koeffizienten $B_n = 0$. Die geradzahligen Koeffizienten $A_\text{2n}$ verschwinden nur dann, wenn $T_1 = T_0/2$ ist. In diesem Fall ist die Bedingung $\text{x(t)} = 2A_0 x(t T_0/2)$ erfüllt (mit $A_0 = 0.5$). Richtig sind die <u>Lösungsvorschläge 1 und 2</u>.
+
'''(1)'''&nbsp; Proposed <u>solutions 1 and 2</u> are correct:
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*The DC coefficient is actually&nbsp; $T_1/T_0$.&nbsp; Since&nbsp; ${x(t)}$&nbsp; is an even function, all sine coefficients&nbsp; $B_n = 0$.  
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*The even cosine coefficients&nbsp; $A_{2n}$&nbsp; only disappear if &nbsp; $T_1 = T_0/2$.&nbsp;
 +
*In this case the condition&nbsp; ${x(t)} = 2A_0 - x(t - T_0/2)$&nbsp; is fulfilled&nbsp; $($with $A_0 = 0.5)$.  
  
'''2.''' Unter Ausnutzung der Symmetrieeigenschaft $\text{x(-t)} = \text{x(t)}$ erhält man:
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'''(2)'''&nbsp; Taking advantage of the symmetry property&nbsp; ${x(-t)} = {x(t)}$&nbsp; one obtains:
 
:$$A_n=2 \cdot \frac{2}{T_0}\cdot \hspace{-0.1cm}\int_0^{T_1}(1-\frac{t}{T_1})\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\, {\rm d}t.$$
 
:$$A_n=2 \cdot \frac{2}{T_0}\cdot \hspace{-0.1cm}\int_0^{T_1}(1-\frac{t}{T_1})\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\, {\rm d}t.$$
Dies führt zu zwei Teilintegralen $I_1$ und $I_2$. Das erste lautet:
+
*This leads to two partial integrals&nbsp; $I_1$&nbsp; and&nbsp; $I_2$. The first is:
 
:$$I_1=\frac{4}{T_0} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_0^{T_1}\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\,{\rm d}t=\frac{2}{\pi n}\sin(2\pi n\frac{T_1}{T_0}).$$
 
:$$I_1=\frac{4}{T_0} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_0^{T_1}\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\,{\rm d}t=\frac{2}{\pi n}\sin(2\pi n\frac{T_1}{T_0}).$$
Für das zweite Integral gilt mit dem Integral auf der Angabenseite:
+
*For the second integral, with the integral on the statement side:
:$$I_2=\frac{-4}{T_0\cdot T_1}\cdot \hspace{-0.1cm}\int_0^{T_1}t\cdot\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\,{\rm d}t\\=\frac{-4}{T_0\cdot T_1}\cdot \hspace{0.1cm}\left[\frac{T^2_0 \cdot \cos(2\pi nt/T_0)}{4\pi^2n^2}+\frac{T_0 \cdot t \cdot \sin(2\pi nt/T_0)}{2\pi n}\right]^{T_1}_0.$$
+
:$$I_2=\frac{-4}{T_0\cdot T_1}\cdot \hspace{-0.1cm}\int_0^{T_1}t\cdot\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\,{\rm d}t=\frac{-4}{T_0\cdot T_1}\cdot \hspace{0.1cm}\left[\frac{T^2_0 \cdot \cos(2\pi nt/T_0)}{4\pi^2n^2}+\frac{T_0 \cdot t \cdot \sin(2\pi nt/T_0)}{2\pi n}\right]^{T_1}_0.$$
Dieses letzte Integral kann wie folgt zusammengefasst werden:
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*This last integral can be summarised as follows:
 
:$$I_2=\frac{-\cos(2\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2T_1/T_0}+\frac{1}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}-I_1.$$
 
:$$I_2=\frac{-\cos(2\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2T_1/T_0}+\frac{1}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}-I_1.$$
Daraus folgt mit $1 cos(2\alpha) = 2 \cdot sin2(\alpha)$:
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*From this follows with&nbsp; $1 - \cos(2\alpha) = 2 \cdot \sin^2(\alpha)$:
 
:$$A_n=I_1+I_2=\frac{1-\cos(2\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}=\frac{2\sin^2 (\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}.$$
 
:$$A_n=I_1+I_2=\frac{1-\cos(2\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}=\frac{2\sin^2 (\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}.$$
Für $T_1/T_0 = 0.25$ erhält man:
+
*For&nbsp; $T_1/T_0 = 0.25$&nbsp; one obtains:
 
:$$A_n=\frac{8\sin^2 (\pi n/4)}{\pi^2 n^2}.$$
 
:$$A_n=\frac{8\sin^2 (\pi n/4)}{\pi^2 n^2}.$$
Insbesondere gilt:
+
*In particular:
:$$A_1=\frac{8}{\pi^2}\sin^2(\pi/4)=\frac{4}{\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.405},
+
:$$A_1=\frac{8}{\pi^2}\sin^2(\pi/4)=\frac{4}{\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.405},\hspace{0.5cm}
\hspace{0.5cm}
+
A_2=\frac{2}{\pi^2}\sin^2(\pi/2)=\frac{2}{\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.202},\hspace{0.5cm}
A_2=\frac{2}{\pi^2}\sin^2(\pi/2)=\frac{2}{\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.202},$$
+
A_3=\frac{8}{9\pi^2}\sin^2(3\pi/4)=\frac{4}{9\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.045}.$$
:$$A_3=\frac{8}{9\pi^2}\sin^2(3\pi/4)=\frac{4}{9\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.045}.$$
+
 
  
'''3.'''  Es gilt:
+
'''(3)'''&nbsp; It holds:
 
:$$x_3(t)=\frac{1}{4}+\frac{4}{\pi^2}\left[\cos(\omega_0 t)+\frac{1}{2}\cos(2\omega_0 t)+\frac{1}{9}\cos(3\omega_0 t)\right].$$
 
:$$x_3(t)=\frac{1}{4}+\frac{4}{\pi^2}\left[\cos(\omega_0 t)+\frac{1}{2}\cos(2\omega_0 t)+\frac{1}{9}\cos(3\omega_0 t)\right].$$
Zum Zeitpunkt $t = 0$ ergibt sich hieraus:
+
*At time&nbsp; $t = 0$&nbsp; this gives:
 
:$$x_3(t=0)=\frac{1}{4}+\frac{4}{\pi^2}\cdot \frac{29}{18}\approx 0.9 \hspace{0.5cm}\Rightarrow  \hspace{0.5cm}\varepsilon_3(t=0)=x_3(t=0)-x(t=0)\hspace{0.15cm}\underline{=-0.1}.$$
 
:$$x_3(t=0)=\frac{1}{4}+\frac{4}{\pi^2}\cdot \frac{29}{18}\approx 0.9 \hspace{0.5cm}\Rightarrow  \hspace{0.5cm}\varepsilon_3(t=0)=x_3(t=0)-x(t=0)\hspace{0.15cm}\underline{=-0.1}.$$
Für die Zeit $t = 0$ und bei Vielfachen der Periodendauer $T_0$ (Spitze der Dreiecksfunktionen) ist die Abweichung betragsmäßig am größten.
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* For the time&nbsp; $t = 0$&nbsp; and for multiples of the period&nbsp; $T_0$&nbsp; $($peak of the triangular functions in each case$)$&nbsp; the deviation is greatest in terms of magnitude.
 
{{ML-Fuß}}
 
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[[Category:Aufgaben zu Signaldarstellung|^2. Periodische Signale^]]
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[[Category:Signal Representation: Exercises|^2.4 Fourier Series^]]

Latest revision as of 13:48, 15 April 2021

Preset triangular signal

We consider the signal  ${x(t)}$  with  $T_0$  according to the adjacent sketch, where the second signal parameter  $T_1 ≤ T_0/2$  is to apply. This signal is dimensionless and limited to  $1$ .

In subtask  (3)  the Fourier series representation  $x_3(t)$ based on only  $N = 3$  coefficients is used.

The difference between the truncated Fourier series and the actual signal is:

$$\varepsilon_3(t)=x_3(t)-x(t).$$




Hints:

  • This exercise belongs to the chapter  Fourier Series.
  • You can find a compact summary of the topic in the two (German language) learning videos
Zur Berechnung der Fourierkoeffizienten   ⇒   "To calculate the Fourier coefficients"
Eigenschaften der Fourierreihendarstellung   ⇒   "Properties of the Fourier series representation"
  • To solve the problem, you can use the following definite integral   (let $n$ be an integer$)$:
$$\int u \cdot \cos(au)\,{\rm d}u = \frac{\cos(au)}{a^2} + \frac{u \cdot \sin(au)}{a}.$$


Questions

1

Which of the following statements are true for all permissible  $T_0$  and  $T_1$ ?

The DC coefficient is  $A_0 = T_1/T_0$.
All sine coefficients  $B_n$  are zero.
All cosine coefficients  $A_n$  with even   $n$  are zero.

2

Calculate the Fourier coefficients  $A_n$  in general form.  What are the values for  $A_1$,  $A_2$  and  $A_3$  with  $T_1/T_0 = 0.25$?

$A_1\ = \ $

$A_2\ = \ $

$A_3\ = \ $

3

Write the function  ${x(t)}$  as a Fourier series and break it off after  $N = 3$  coefficients.  How large is the error   $\varepsilon_3(t = 0)$?

$\varepsilon_3(t = 0)\ = \ $


Solution

(1)  Proposed solutions 1 and 2 are correct:

  • The DC coefficient is actually  $T_1/T_0$.  Since  ${x(t)}$  is an even function, all sine coefficients  $B_n = 0$.
  • The even cosine coefficients  $A_{2n}$  only disappear if   $T_1 = T_0/2$. 
  • In this case the condition  ${x(t)} = 2A_0 - x(t - T_0/2)$  is fulfilled  $($with $A_0 = 0.5)$.


(2)  Taking advantage of the symmetry property  ${x(-t)} = {x(t)}$  one obtains:

$$A_n=2 \cdot \frac{2}{T_0}\cdot \hspace{-0.1cm}\int_0^{T_1}(1-\frac{t}{T_1})\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\, {\rm d}t.$$
  • This leads to two partial integrals  $I_1$  and  $I_2$. The first is:
$$I_1=\frac{4}{T_0} \cdot \hspace{-0.1cm} \int_0^{T_1}\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\,{\rm d}t=\frac{2}{\pi n}\sin(2\pi n\frac{T_1}{T_0}).$$
  • For the second integral, with the integral on the statement side:
$$I_2=\frac{-4}{T_0\cdot T_1}\cdot \hspace{-0.1cm}\int_0^{T_1}t\cdot\cos(2\pi n\frac{t}{T_0})\,{\rm d}t=\frac{-4}{T_0\cdot T_1}\cdot \hspace{0.1cm}\left[\frac{T^2_0 \cdot \cos(2\pi nt/T_0)}{4\pi^2n^2}+\frac{T_0 \cdot t \cdot \sin(2\pi nt/T_0)}{2\pi n}\right]^{T_1}_0.$$
  • This last integral can be summarised as follows:
$$I_2=\frac{-\cos(2\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2T_1/T_0}+\frac{1}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}-I_1.$$
  • From this follows with  $1 - \cos(2\alpha) = 2 \cdot \sin^2(\alpha)$:
$$A_n=I_1+I_2=\frac{1-\cos(2\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}=\frac{2\sin^2 (\pi nT_1/T_0)}{\pi^2 n^2 T_1/T_0}.$$
  • For  $T_1/T_0 = 0.25$  one obtains:
$$A_n=\frac{8\sin^2 (\pi n/4)}{\pi^2 n^2}.$$
  • In particular:
$$A_1=\frac{8}{\pi^2}\sin^2(\pi/4)=\frac{4}{\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.405},\hspace{0.5cm} A_2=\frac{2}{\pi^2}\sin^2(\pi/2)=\frac{2}{\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.202},\hspace{0.5cm} A_3=\frac{8}{9\pi^2}\sin^2(3\pi/4)=\frac{4}{9\pi^2}\hspace{0.15cm}\underline{\approx 0.045}.$$


(3)  It holds:

$$x_3(t)=\frac{1}{4}+\frac{4}{\pi^2}\left[\cos(\omega_0 t)+\frac{1}{2}\cos(2\omega_0 t)+\frac{1}{9}\cos(3\omega_0 t)\right].$$
  • At time  $t = 0$  this gives:
$$x_3(t=0)=\frac{1}{4}+\frac{4}{\pi^2}\cdot \frac{29}{18}\approx 0.9 \hspace{0.5cm}\Rightarrow \hspace{0.5cm}\varepsilon_3(t=0)=x_3(t=0)-x(t=0)\hspace{0.15cm}\underline{=-0.1}.$$
  • For the time  $t = 0$  and for multiples of the period  $T_0$  $($peak of the triangular functions in each case$)$  the deviation is greatest in terms of magnitude.