<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
<!DOCTYPE document PUBLIC "-//CNX//DTD CNXML 0.5 plus MathML//EN" "http://cnx.rice.edu/cnxml/0.5/DTD/cnxml_mathml.dtd">
<document xmlns="http://cnx.rice.edu/cnxml" xmlns:md="http://cnx.rice.edu/mdml/0.4" xmlns:m="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:bib="http://bibtexml.sf.net/" id="m0060"> 

  <name>Finding Fourier Series Coefficients</name>

  <metadata>
  <md:version>2.7</md:version>
  <md:created>2000/08/09</md:created>
  <md:revised>2002/04/08 00:00:00.007 GMT-5</md:revised>
  <md:authorlist>
      <md:author id="dhj">
      <md:firstname>Don</md:firstname>
      
      <md:surname>Johnson</md:surname>
      <md:email>dhj@rice.edu</md:email>
    </md:author>
  </md:authorlist>

  <md:maintainerlist>
    <md:maintainer id="dhj">
      <md:firstname>Don</md:firstname>
      
      <md:surname>Johnson</md:surname>
      <md:email>dhj@rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
    <md:maintainer id="rainking">
      <md:firstname>Doug</md:firstname>
      
      <md:surname>Daniels</md:surname>
      <md:email>rainking@alumni.rice.edu</md:email>
    </md:maintainer>
  </md:maintainerlist>
  
  <md:keywordlist>
    <md:keyword>average</md:keyword>
    <md:keyword>coefficients</md:keyword>
    <md:keyword>fourier</md:keyword>
    <md:keyword>orthogonality</md:keyword>
    <md:keyword>series</md:keyword>
    <md:keyword>signal</md:keyword>
    <md:keyword>square</md:keyword>
    <md:keyword>value</md:keyword>
    <md:keyword>wave</md:keyword>
  </md:keywordlist>

  <md:abstract>This module outlines the procedure for determining Fourier series coefficients.</md:abstract>
</metadata>

  <content>

    <para id="para1">
	Assume for the moment that the Fourier series works. To find
	the Fourier coefficients, we note the following
	<term>orthogonality</term> properties of sinusoids.

      <equation id="orthogonality">
	<name>Orthogonality</name>
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:forall/>
	    <m:bvar><m:ci>k</m:ci></m:bvar>
	    <m:bvar><m:ci>l</m:ci></m:bvar>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:apply>
		<m:int/>
		<m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:sin/>
		    <m:apply>
		      <m:divide/>
		      <m:apply>
			<m:times/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:ci>k</m:ci> 
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>T</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		  <m:apply><m:cos/>
		    <m:apply><m:divide/>
		      <m:apply><m:times/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:ci>l</m:ci> 
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>T</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>

      <equation id="eq2">
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply><m:int/>
	      <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	      <m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
	      <m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
	      <m:apply><m:times/>
		<m:apply><m:sin/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>k</m:ci> 
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply><m:sin/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>l</m:ci> 
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:piecewise>
	      <m:piece>
		<m:apply><m:divide/>
		  <m:ci>T</m:ci>
		  <m:cn>2</m:cn>
		</m:apply>
		<m:condition>
		  <m:apply><m:and/>
		    <m:apply><m:eq/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:ci>l</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply><m:neq/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		    <m:apply><m:neq/>
		      <m:ci>l</m:ci>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:condition>
	      </m:piece>
	      <m:piece>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:apply><m:or/>
		  <m:apply><m:neq/>
		    <m:ci>k</m:ci>
		    <m:ci>l</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply><m:eq/>
		    <m:ci>k</m:ci>
		    <m:cn>0</m:cn>
		    <m:ci>l</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:piece>
	    </m:piecewise>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
      
      <equation id="eqn3">
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:apply><m:int/>
	      <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	      <m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
	      <m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
	      <m:apply><m:times/>
		<m:apply><m:cos/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>k</m:ci> 
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
		<m:apply><m:cos/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>l</m:ci> 
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:piecewise>
	      <m:piece>
		<m:apply><m:divide/>
		  <m:ci>T</m:ci>
		  <m:cn>2</m:cn>
		</m:apply>
		<m:condition>
		  <m:apply><m:and/>
		    <m:apply><m:eq/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:cn>1</m:cn>
		    </m:apply>
		    <m:apply><m:neq/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		    <m:apply><m:neq/>
		      <m:ci>l</m:ci>
		      <m:cn>0</m:cn>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:condition>
	      </m:piece>
	      <m:piece>
	        <m:ci>T</m:ci>
	        <m:apply><m:eq/>
		  <m:ci>k</m:ci>
		  <m:cn>0</m:cn>
		  <m:ci>l</m:ci>
                </m:apply>
              </m:piece>
	      <m:piece>
		<m:cn>0</m:cn>
		<m:apply><m:neq/>
                  <m:ci>k</m:ci>
		  <m:ci>l</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:piece>
	    </m:piecewise>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
      
      To use these, let's multiply the Fourier series for a square wave ( 

      <m:math>
	<m:apply>
	  <m:eq/>
	  <m:apply>
	    <m:ci type="fn">s</m:ci>
	    <m:ci>t</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:apply><m:plus/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mn>0</m:mn>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:apply><m:sum/>
	      <m:bvar><m:ci>k</m:ci></m:bvar>
	      <m:lowlimit><m:cn>1</m:cn></m:lowlimit>
	      <m:uplimit><m:infinity/></m:uplimit>
	      <m:apply><m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>a</m:mi>
		    <m:mi>k</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:apply><m:cos/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply><m:sum/>
	      <m:bvar><m:ci>k</m:ci></m:bvar>
	      <m:lowlimit><m:cn>1</m:cn></m:lowlimit>
	      <m:uplimit><m:infinity/></m:uplimit>
	      <m:apply><m:times/>
		<m:ci><m:msub>
		    <m:mi>b</m:mi>
		    <m:mi>k</m:mi>
		  </m:msub></m:ci>
		<m:apply><m:sin/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>k</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      ) by 
      
      <m:math>
	<m:apply><m:cos/>
	  <m:apply><m:divide/>
	    <m:apply><m:times/>
	      <m:cn>2</m:cn>
	      <m:pi/>
	      <m:ci>l</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	    <m:ci>T</m:ci>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>

      and integrate.  The idea is that, because integration is linear,
      the integration will sift out all but the term involving

      <m:math>
	<m:ci><m:msub>
	    <m:mi>a</m:mi>
	    <m:mi>l</m:mi>
	  </m:msub></m:ci>
      </m:math>. 

      <equation id="eqn4">
	<m:math>
	  <m:apply><m:eq/>
	    <m:apply><m:int/>
	      <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
	      <m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
	      <m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
	      <m:apply><m:times/>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">s</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply><m:cos/>
		  <m:apply><m:divide/>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:cn>2</m:cn>
		      <m:pi/>
		      <m:ci>l</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:ci>T</m:ci>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	    <m:apply><m:plus/>
	      <m:apply><m:int/>
		<m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mn>0</m:mn>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:apply><m:cos/>
		    <m:apply><m:divide/>
		      <m:apply><m:times/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:ci>l</m:ci>
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>T</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply><m:sum/>
		<m:bvar><m:ci>k</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>1</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:infinity/></m:uplimit>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>a</m:mi>
		      <m:mi>k</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:apply><m:int/>
		    <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		    <m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		    <m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:apply><m:cos/>
			<m:apply><m:divide/>
			  <m:apply><m:times/>
			    <m:cn>2</m:cn>
			    <m:pi/>
			    <m:ci>k</m:ci>
			    <m:ci>t</m:ci>
			  </m:apply>
			  <m:ci>T</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		      <m:apply><m:cos/>
			<m:apply><m:divide/>
			  <m:apply><m:times/>
			    <m:cn>2</m:cn>
			    <m:pi/>
			    <m:ci>l</m:ci>
			    <m:ci>t</m:ci>
			  </m:apply>
			  <m:ci>T</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	      <m:apply><m:sum/>
		<m:bvar><m:ci>k</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>1</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:infinity/></m:uplimit>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:ci><m:msub>
		      <m:mi>b</m:mi>
		      <m:mi>k</m:mi>
		    </m:msub></m:ci>
		  <m:apply><m:int/>
		    <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		    <m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		    <m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		    <m:apply><m:times/>
		      <m:apply><m:sin/>
			<m:apply><m:divide/>
			  <m:apply><m:times/>
			    <m:cn>2</m:cn>
			    <m:pi/>
			    <m:ci>k</m:ci>
			    <m:ci>t</m:ci>
			  </m:apply>
			  <m:ci>T</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		      <m:apply><m:cos/>
			<m:apply><m:divide/>
			  <m:apply><m:times/>
			    <m:cn>2</m:cn>
			    <m:pi/>
			    <m:ci>l</m:ci>
			    <m:ci>t</m:ci>
			  </m:apply>
			  <m:ci>T</m:ci>
			</m:apply>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>

      The first and third terms are zero; in the second, the only
      non-zero term in the sum results when the indices
      <m:math><m:ci>k</m:ci></m:math> and
      <m:math><m:ci>l</m:ci></m:math> are equal (but not zero), in
      which case we obtain

      <m:math>
	<m:apply><m:divide/>
	  <m:apply><m:times/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>l</m:mi>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:ci>T</m:ci>
	  </m:apply>
	  <m:cn>2</m:cn>
	</m:apply>
      </m:math>. If 
      
      <m:math>
	<m:apply><m:eq/>
	  <m:ci>k</m:ci>
	  <m:cn>0</m:cn>
	  <m:ci>l</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>

      , we obtain 

      <m:math>
	<m:apply><m:times/>
	  <m:ci><m:msub>
	      <m:mi>a</m:mi>
	      <m:mn>0</m:mn>
	    </m:msub></m:ci>
	  <m:ci>T</m:ci>
	</m:apply>
      </m:math>.  Consequently, 

      <m:math display="block">
	<m:apply>
	  <m:forall/>
	  <m:bvar><m:ci>l</m:ci></m:bvar>
	  <m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:neq/>
	      <m:ci>l</m:ci>
	      <m:cn>0</m:cn>
	    </m:apply>
	  </m:condition>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mi>l</m:mi>
	      </m:msub></m:ci> 
	    <m:apply><m:times/>
	      <m:apply><m:divide/>
		<m:cn>2</m:cn>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply><m:int/>
		<m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		<m:apply><m:times/>
		<m:apply>
		    <m:ci type="fn">s</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		<m:apply><m:cos/>
		    <m:apply><m:divide/>
		      <m:apply><m:times/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:ci>l</m:ci>
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>T</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:apply>
      </m:math>
      
      All of the Fourier coefficients can be found similarly.

      <equation id="coefficients">
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mn>0</m:mn>
	      </m:msub></m:ci>
	    <m:apply><m:times/>
	      <m:apply><m:divide/>
		<m:cn>1</m:cn>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply><m:int/>
		<m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		<m:apply>
		  <m:ci type="fn">s</m:ci>
		  <m:ci>t</m:ci>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>

      <equation id="coefficients2">
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:forall/>
	    <m:bvar><m:ci>k</m:ci></m:bvar>
	    <m:condition>
	      <m:apply>
		<m:neq/>
		<m:ci>k</m:ci>
		<m:cn>0</m:cn>
	      </m:apply>
	    </m:condition>
	    <m:apply>
	      <m:eq/>
	      <m:ci><m:msub>
		  <m:mi>a</m:mi>
		  <m:mi>k</m:mi>
		</m:msub></m:ci> 
	      <m:apply><m:times/>
		<m:apply><m:divide/>
		  <m:cn>2</m:cn>
		  <m:ci>T</m:ci>
		</m:apply>
		<m:apply><m:int/>
		  <m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		  <m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		  <m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		  <m:apply><m:times/>
		    <m:apply>
		      <m:ci type="fn">s</m:ci>
		      <m:ci>t</m:ci>
		    </m:apply>
		    <m:apply><m:cos/>
		      <m:apply><m:divide/>
			<m:apply><m:times/>
			  <m:cn>2</m:cn>
			  <m:pi/>
			  <m:ci>k</m:ci>
			  <m:ci>t</m:ci>
			</m:apply>
			<m:ci>T</m:ci>
		      </m:apply>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>

      <equation id="coefficients3">
	<m:math>
	  <m:apply>
	    <m:eq/>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>b</m:mi>
		<m:mi>k</m:mi>
	      </m:msub></m:ci> 
	    <m:apply><m:times/>
	      <m:apply><m:divide/>
		<m:cn>2</m:cn>
		<m:ci>T</m:ci>
	      </m:apply>
	      <m:apply><m:int/>
		<m:bvar><m:ci>t</m:ci></m:bvar>
		<m:lowlimit><m:cn>0</m:cn></m:lowlimit>
		<m:uplimit><m:ci>T</m:ci></m:uplimit>
		<m:apply><m:times/>
		  <m:apply>
		    <m:ci type="fn">s</m:ci>
		    <m:ci>t</m:ci>
		  </m:apply>
		  <m:apply><m:sin/>
		    <m:apply><m:divide/>
		      <m:apply><m:times/>
			<m:cn>2</m:cn>
			<m:pi/>
			<m:ci>k</m:ci>
			<m:ci>t</m:ci>
		      </m:apply>
		      <m:ci>T</m:ci>
		    </m:apply>
		  </m:apply>
		</m:apply>
	      </m:apply>
	    </m:apply>
	  </m:apply>
	</m:math>
      </equation>
    </para>

    <exercise id="exer1">
      <problem>
	<para id="probpara1">
	  The expression for 
	  
	  <m:math>
	    <m:ci><m:msub>
		<m:mi>a</m:mi>
		<m:mn>0</m:mn>
	      </m:msub></m:ci>
	  </m:math>
	  
	  is referred to as the average value of 
	  
	  <m:math>
	    <m:apply>
	      <m:ci type="fn">s</m:ci>
	      <m:ci>t</m:ci>
	    </m:apply>
	  </m:math>. Why?
	</para>
      </problem>
      <solution>
	<para id="solpara1">
	  The average of a set of numbers is the sum divided by the
	  number of terms.  Viewing signal integration as the limit of
	  a Riemann sum, the integral corresponds to the average.
	</para>
      </solution>
    </exercise>

  </content>
</document>
