傅里叶变换是很多理工科同学本科阶段会接触的基本概念,但也是比较令人困惑的概念之一。
因为,傅里叶变换的定义非常唬人:
唬人是啥意思呢?
“唬”其实是多音字,不仅读hu,还尼玛能读xia(也不知这是谁定的):
唬(hu)的意思是“虚张声势、夸大事实”,也就是说,这事儿,本来很简单,故意搞得很复杂。
这个公式,就在唬(hu)人。
我在之前一篇文章“泰勒为何要展开”介绍了“泰勒级数”,“泰勒级数”是一种“幂级数”,就是把一个函数,“拆解成一堆”关于x的加减乘除运算:
后一个省略号一般写成余项,以便估算误差。
现在,如果我们不是采用“x^n”这种“基本元素”,而是使用三角函数cos(nx)这种形式的“基本元素”,则,我们可以尝试写成如下形式(注意,此时e^x应限定周期并进行周期延拓,因为三角级数只能表示周期函数):
问题来了,系数A1、A2...An是啥呢?
傅里叶说,我有祖传配方,可算系数。
这就是“傅里叶级数”。
具体公式各大课本都有,在此不予讨论。
根据上面的原理,我们可以将一些函数展开成“傅里叶级数”,比如,可以在一个周期内,将x^2展开:
x^2的傅里叶级数展开
注意,和泰勒展开类似,这里也是“完美的等于“,不是“约等于”。
三角函数sinx(或cosx)的微分依然是三角函数:
积分也依然是三角函数:
在信号分析时,这个特点会带来很大的优势。
因为,微分和积分运算,只改变了三角信号的“相位角”,而不改变其类型及幅值。
这样,我们可以将信号“拆解”成一堆正弦信号,然后就可以只关心每个正弦波的“相位”变化,运算起来极其方便。
当然,这只是优势之一。更多优势,欢迎大家自学成才。
刚才提到的傅里叶级数拆解法,其实有一个前提,就是要求信号是周期的,或者,它在一个周期内是有限长度的,我们再进行周期延拓(复制粘贴到其它周期),这是由于三角级数这个“元素”本身得周期性造成的。
如果信号是无限长且“非周期”,那么,我们就要用到傅里叶变换了。
实际上,傅里叶变换就是“频率上极其致密”的正弦波的叠加。
听起来怎么又他娘的如此抽象,我们回到刚才x^2的例子:
x^2的傅里叶级数展开
注意,cos1x和cox2x直到coxnx,在求和中有“贡献”。
但是,你有没有发现,cox1.1x或cox1.11x或cox2.22x等等正弦波,都没有参与求和,对结果“没有贡献”。
当我们想用正弦波来表示非周期的函数时,就要付出代价:
这些正弦波不仅无穷多,而且,频率n将不再是离散的整数,而是“连续”的实数,我们将它记作ω。
ω就是正弦波的频率,它实质上就是cos(ωt + φ)这样“一大堆”正弦波中的“ω”,此时,求和就演变成为积分。
当我们表示成cos(ωt + φ)形式的积分时,运算比较复杂,于是,我们用欧拉公式转换一下:
于是,积分号内就出现了如下的指数形式:
用指数形式进行计算,相位角可以直接在角标上进行加减,非常方便。
至此,就出现了令人困惑的,
傅里叶变换。
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