Aufgabe 4.1: Zum Gram-Schmidt-Verfahren

Gram-Schmidt-Vorgaben

Für die vier durch die Abbildung definierten Signale $s_1(t), \, \text{...} \, , s_4(t)$ sind durch Anwendung des Gram–Schmidt–Verfahrens die drei sich ergebenden Basisfunktionen $\varphi_1(t)$, $\varphi_2(t)$ und $\varphi_3(t)$ zu ermitteln, so dass für die Signale mit $i = 1, \, \text{...} \, , 4$ geschrieben werden kann:

$$s_i(t) = s_{i1} \cdot \varphi_1(t) + s_{i2} \cdot \varphi_2(t) + s_{i3} \cdot \varphi_3(t)\hspace{0.05cm}.$$

In der Teilaufgabe (1) gelte $A^2 = 1 \ \rm mW$ und $T = 1 \ \rm µ s$.

In den späteren Teilaufgaben sind die Amplitude und die Zeit jeweils normierte Größen: $A = 1$, $T = 1$.

Damit sind sowohl die Koeffizienten $s_{\it ij}$ als auch die Basisfunktionen $\varphi_{\it j}(t)$ $($jeweils mit $j = 1, 2, 3)$ dimensionslose Größen.

Hinweise:

Die Aufgabe gehört zum Kapitel "Signale, Basisfunktionen und Vektorräume".
Bezug genommen wird insbesondere auf die Seiten "Orthonormale Basisfunktionen" und "Gram–Schmidt–Verfahren".

Fragebogen

	Die Basisfunktionen $\varphi_j(t)$ sind dimensionslos.
	Die Basisfunktionen $\varphi_j(t)$ haben die Einheit $\rm \sqrt{\rm s}$.
	Die Koeffizienten $s_{\it ij}$ sind dimensionslos.
	Die Koeffizienten $s_{\it ij}$ haben die Einheit $\rm \sqrt{\rm Ws}$.

$s_{\rm 11} \ = \ $

$s_{\rm 12} \ = \ $

$s_{\rm 13} \ = \ $

$s_{\rm 21} \ = \ $

$s_{\rm 22} \ = \ $

$s_{\rm 23} \ = \ $

$s_{\rm 31} \ = \ $

$s_{\rm 32} \ = \ $

$s_{\rm 33} \ = \ $

$s_{\rm 41} \ = \ $

$s_{\rm 42} \ = \ $

$s_{\rm 43} \ = \ $

Musterlösung

(1) Richtig sind die Lösungsvorschläge 2 und 4:

Jede orthonormale Basisfunktion soll die Energie 1 aufweisen, das heißt, es muss gelten:

$$||\varphi_j(t)||^2 = \int_{-\infty}^{+\infty}\varphi_j(t)^2\,{\rm d} t = 1 \hspace{0.05cm}.$$

Damit diese Bedingung zu erfüllen ist, muss die Basisfunktion die Einheit $\rm \sqrt{\rm s}$ besitzen. Zu berücksichtigen ist noch die Gleichung

$$s_i(t) = \sum\limits_{j = 1}^{N}s_{ij} \cdot \varphi_j(t).$$

Die Signale selbst weisen wie $A$ die Einheit $\rm \sqrt{\rm W}$ auf. Wegen der Einheit $\rm \sqrt{\rm 1/s}$ von $\varphi_{ j}(t)$ ist diese Gleichung nur dann mit der richtigen Dimension zu erfüllen, wenn die Koeffizienten $s_{\it ij}$ mit der Einheit $\rm \sqrt{\rm Ws}$ angegeben werden.

(2) Die Energie des Signals $s_1(t)$ ist gleich $E_1 = 2$.

Daraus folgt für die Norm, die Basisfunktion $\varphi_1(t)$ und den Koeffizienten $s_{\rm 11}$:

$$||s_1(t)|| = \sqrt{2},\hspace{0.9cm}\varphi_1(t) = \frac{s_1(t)}{||s_1(t)||},\hspace{0.9cm} s_{11} = \sqrt{E_1} = \sqrt{2} \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline { {\approx 1.414} } \hspace{0.05cm}.$$

Die anderen Koeffizienten sind $\underline {s_{\rm 12} = s_{\rm 13} = 0}$, da die zugehörigen Basisfunktionen noch gar nicht gefunden wurden. $\varphi_1(t)$ ist formgleich mit $s_1(t)$.

(3) Da nach Berücksichtigung von $s_2(t)$ höchstens zwei Basisfunktionen gefunden sind, gilt mit Sicherheit $s_{\rm 23} \hspace{0.15cm} \underline{= 0}$. Dagegen erhält man

für den Koeffizienten

$$||s_1(t)|| = \sqrt{2},\hspace{0.9cm}\varphi_1(t) = \frac{s_1(t)}{||s_1(t)||},\hspace{0.9cm} s_{11} = \sqrt{E_1} = \sqrt{2} \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline { {\approx 1.414} } \hspace{0.05cm};$$

für die Hilfsfunktion $\theta_2(t)$:

$$\theta_2(t) = s_2(t) - s_{21} \cdot \varphi_1(t) = \left\{ \begin{array}{c} 1 - 0.707 \cdot 0.707 = 0.5\\ 0 - 0.707 \cdot (-0.707) = 0.5 \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} 0 \le t < 1 \\ 1 \le t < 2 \\ \end{array} \hspace{0.05cm}; $$

für die zweite Basisfunktion:

$$\varphi_2(t) = \frac{\theta_2(t)}{||\theta_2(t)||},\hspace{0.2cm} ||\theta_2(t)|| = \sqrt{0.5^2 + 0.5^2} = \sqrt{0.5} \approx 0.707$$

$$\Rightarrow \hspace{0.3cm} \varphi_2(t) = \left\{ \begin{array}{c} 0.5/0.707 = 0.707\\ 0 \end{array} \right.\quad \begin{array}{*{1}c} 0 \le t < 2 \\ 2 \le t < 3 \\ \end{array} \hspace{0.05cm}; $$

schließlich für den zweiten Koeffizienten

$$s_{22} = \hspace{0.1cm} < \hspace{-0.1cm} s_2(t), \hspace{0.1cm}\varphi_2(t) \hspace{-0.1cm} > \hspace{0.1cm} = 1 \cdot 0.707 + 0 \cdot 0.707 \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline { = 0.707} \hspace{0.05cm}.$$

Die Berechnungen sind in der nachfolgenden Grafik verdeutlicht.

Gram-Schmidt-Berechnungen

(4) Man erkennt sofort, dass $s_3(t)$ sich als Linearkombination aus $s_1(t)$ und $s_2(t)$ ausdrücken lässt:

$$s_{3}(t) = -s_{1}(t) + s_{2}(t),$$

$$s_{31} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} - s_{11} + s_{21} = -1.414 + 0.707 = \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline {-0.707}\hspace{0.05cm},$$

$$s_{32} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} - s_{12} + s_{22} = 0 + 0.707 \hspace{0.1cm}\underline {= 0.707}\hspace{0.05cm},$$

$$s_{33} \hspace{-0.1cm} \ = \ \hspace{-0.1cm} - s_{13} + s_{23} = 0 + 0 \hspace{0.1cm}\underline {= 0}\hspace{0.05cm}. $$

(5) Der Bereich $2 ≤ t ≤ 3$ ist weder durch $\varphi_1(t)$ noch durch $\varphi_2(t)$ abgedeckt.

Deshalb liefert $s_4(t)$ die neue Basisfunktion $\varphi_3(t)$.

Da $s_4(t)$ nur Anteile im Bereich $2 ≤ t ≤ 3$ aufweist und $||s_4(t)|| = 1$ ist, ergibt sich $\varphi_3(t) = s_4(t)$ sowie

$$s_{41} \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline {= 0}, \hspace{0.2cm}s_{42} \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline {= 0}, \hspace{0.2cm}s_{43} \hspace{0.1cm}\hspace{0.15cm}\underline { = 1} \hspace{0.05cm}. $$