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小小公式的背后,竟是数学界的半壁江山?

1969年,国际电信联盟第二十四届行政理事会正式通过决议,决定把国际电信联盟的成立日——5月17日定为“世界电信日”(World Telecommunications Day)。无线电通信系统已经融入了现代生活的方方面面,其本质是通过空间辐射的方式传递信号。为了在高质量地传输信息的同时,不同的信息之间不产生干扰,调制和解调就显得尤为重要。这一切背后的原理,正是以傅里叶变换为代表的信号处理技术。

盛夏将至,抱着手机躺在有wifi信号的空调房成为很多人的终极梦想。说起信号,就想起傅里叶。今年下半年,……开机……文体两开花……

对不起,串台了……今天恰逢世界电信日,说到电信,有一个名字就不得不提,那就是另一位支配了数学课本的大(恐)数(怖)学(存)家(在),让-巴普蒂斯·约瑟夫·傅里叶男爵(Jean-Baptiste Joseph Fourier)。

约瑟夫·傅里叶,主宰数学分析教科书后半程的男人

图片来源:wikipedia.org

傅里叶的一生堪称奇幻。1768年3月21日,他生于法国中部约讷省欧塞尔的一个平民家庭,他的父亲是一个裁缝。9岁时,傅里叶双亲亡故,后被当地的一个主教收养。

年轻傅里叶很早就显露出过人的才华。1795年巴黎综合理工学院成立,傅里叶便被任命为助教,成为约瑟夫·拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)的助手。

拉格朗日,法国数学家和天文学家。他的名声之大,小编觉得已经无需更多科普😏 

图片来源:wikipedia.org

1798年,傅里叶投笔从戎,跟随拿破仑东征,并被任命为下埃及的总督。从政的同时,傅里叶不忘学习,还向埃及科学研究所(Egyptian Scientific Institute )投过稿,堪称吾等学术狗的楷模

真·学术狗 

图片来源:腾讯网

1801年,拿破仑远征失败,但傅里叶却受到了拿破仑的器重,被任命为伊泽尔省地方长官。1807年,傅里叶向巴黎科学院提交了论文《热的传播》,傅里叶级数的思想初步形成。这篇文章经过拉格朗日(Joseph-Louis Lagrange)、拉普拉斯(Pierre-Simon marquis de Laplace)和勒让德(Adrien-Marie Legendre)的审阅,最终由于拉格朗日的强烈反对而被拒稿😳。

数学界“三L”

拉格朗日与都灵科学院(右)。1757年,以拉格朗日为代表的科学家创立了一个科学协会,即都灵科学院的前身。拉格朗日有一句名言,“一个人的贡献和他的自负严格地成反比,这似乎是品行上的一个公理。”在傅里叶事件中,拉格朗日亲自做出了示范。

拉普拉斯与他的侯爵纹章。从纹章的寓意而言远胜过House Targaryen😏

勒让德(左)与法国政治家Louis Legendre(右)。左图为勒让德仅存的肖像。由于画风过于剽悍,以至于将近200年的时间里,人们宁愿相信右图才是本尊。

图片来源:wikipedia.org

1816年傅里叶回到巴黎,不久便被提名为法国科学院的成员。此时拉格朗日已经去世,傅里叶的学说的到了拉普拉斯的支持,学术声望也逐渐上升。但是其在科学院职位的晋升据说遭到了泊松的反对。不过1822年傅里叶最终当选科学院终身秘书,同年出版了著作《热的解析理论》。

图片来源:wikipedia.org

西莫恩·德尼·泊松(Siméon Denis Poisson),法国著名数学家、几何学家和物理学家。师从拉格朗日与拉普拉斯。从某种意义上来说,他与傅里叶是同门师兄弟😑

傅里叶为人正直,曾帮助过不少年轻的数学家,其中比较著名的包括狄利克雷(Dirichlet,狄利克雷问题是不是很耳熟?)、斯图姆(Sturm,斯图姆-刘维尔问题了解一下?)、阿贝尔(Abel,阿贝尔奖听没听说过?)等等。据说他曾经也与奇才伽罗瓦(Galois)有过交集,不过那却成为后者悲情故事中的一环,这也不得不说是数学界的一大憾事。

与傅里叶有过交集的部分数学家:狄利克雷(左上)、斯图姆(右上)、阿贝尔(左下)、伽罗瓦(右下)。

图片来源:wikipedia.org

知识点:傅里叶变换

既然说到了傅里叶,那就不得不提他最有名的工作之一,傅里叶变换。如果各位看官觉得数学公式太麻烦,那么看下一幅图就足够了。

大家猜一猜是什么歌😏

傅里叶变换的基础是傅里叶级数。如果要用一句话来解释的话,那么可以概括为:“任何函数都可以展开为三角级数”。当然这一说法还是存在一定问题的(譬如没有考虑级数的收敛性),不过这对于我们粗浅地了解这一问题已然足够了。

一般对于初学者而言,难以接受的地方在于如果给出一个类似方波的函数,形如正弦函数的曲线为什么可以将其模拟。不过借助万能的Mathematica,我们发现随着叠加的正弦函数数量不断增加,得到的图形就越接近方形。

随着正弦函数个数的增加,拟合获得的图像就越接近方形。

如果换一个角度来看,可能效果会更好一些。

图片来源:wikipedia.org

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