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Fourierreihe 5 Funktionen

Über diese App

Fünf Standardfunktionen (Rechteck, Dreieck, Halbsinus, Puls 80%, Sägezahn) als Fourierreihe. Slider regelt den Entwicklungsgrad N, Formel und Kurve reagieren live. Spektrum, Gibbs-Überschwingen und Konvergenzgeschwindigkeit pro Funktionsform sichtbar.

Fourierreihe und Gibbs-Phänomen

Eine periodische Funktion lässt sich als Fourierreihe aus Kosinus- und Sinustermen darstellen; die Partialsumme bis zur Ordnung N nähert sie an. Welche Koeffizienten verschwinden, hängt von der Symmetrie ab. Die ungerade Rechteckwelle der Periode 2π mit Werten ±1 ist eine reine Sinusreihe mit bₖ = 4/(π·k) für ungerade k. An Sprungstellen tritt das Gibbs-Phänomen auf: Die Partialsummen schießen um etwa 9 % der Sprunghöhe über. Dieses Überschwingen verschwindet für N → ∞ nicht, es wird nur schmaler. Stetige Funktionen wie Dreieck oder Halbsinus konvergieren ohne Gibbs-Effekt und deutlich schneller.

Was die App zeigt

Fünf Funktionen stehen zur Wahl: Rechteck, Dreieck, Halbsinus, Puls mit 80 % und Sägezahn. Ein Regler stellt den Entwicklungsgrad N von 1 bis 40 ein, Kurve und Formel der Partialsumme reagieren sofort. Optional werden die einzelnen Harmonischen und die Zielfunktion eingeblendet. Das Werte-Panel zeigt Zahl der Terme, Gibbs-Überschwingen, maximalen Fehler |f − fₙ| und die Stelle des Überschwingens. Das Spektrum-Panel stellt die Koeffizienten als Balken dar, beim Rechteck mit der Formel bₖ = 4/(π·k).

Selbst ausprobieren

Wähle das Rechteck und erhöhe N langsam bis 40. Beobachte, wie die Zacken am Sprung schmaler werden, ihre Höhe aber bei etwa 9 % der Sprunghöhe bleibt. Wechsle zum Dreieck: Schon wenige Terme liefern eine fast perfekte Kurve, weil die Koeffizienten wie 1/k² fallen. Vergleiche im Spektrum, wie schnell die Balken bei den verschiedenen Funktionen kleiner werden.

Häufige Fragen

Wie lautet die Fourierreihe einer Rechteckfunktion?
Für die ungerade Rechteckwelle mit Werten ±1 und Periode 2π gilt f(x) = (4/π)·[sin x + sin(3x)/3 + sin(5x)/5 + …]. Es treten nur ungerade Vielfache der Grundfrequenz auf, und die Koeffizienten fallen wie 1/k.
Was ist das Gibbs-Phänomen?
An einer Sprungstelle schießen die Partialsummen einer Fourierreihe um etwa 9 % der Sprunghöhe über den Funktionswert hinaus. Mit wachsendem N wird der Bereich des Überschwingens schmaler, die Höhe bleibt aber bestehen. Es tritt nur bei unstetigen Funktionen auf.
Warum konvergiert die Fourierreihe eines Dreiecks schneller als die eines Rechtecks?
Das Dreieck ist stetig und hat nur Knicke, das Rechteck springt. Je glatter eine Funktion ist, desto schneller fallen ihre Fourier-Koeffizienten: beim Dreieck wie 1/k², beim Rechteck wie 1/k. Entsprechend genügen beim Dreieck weniger Terme für dieselbe Genauigkeit.
Welche Funktionen kann ich in der App vergleichen?
Rechteck, Dreieck, Halbsinus, Puls mit 80 % und Sägezahn. Für jede siehst du Partialsumme, Formel, Spektrum und den maximalen Fehler bis N = 40.

Fach: Fourier-Analyse

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