傅里叶变换(一):简介

现在,我们来谈谈傅里叶变换。

想象一下,你正在听一个复杂的和弦,比如钢琴同时弹奏C、E和G。你的耳朵听到的是一个混合的声音,但你的大脑却知道其中包含多个音符。傅里叶变换本质上就是用数学方法实现这一点,将一个复杂的信号分解成"它实际上是由这些纯频率组合而成的"。

最妙的是它的通用性。任何周期性模式:声波、无线电信号,甚至是图像,都可以分解成不同频率的简单正弦波和余弦波之和。这就像发现所有复杂的形状其实都是由一个个圆环嵌套着圆环,圆环又嵌套着圆环。

神奇之处在于:一旦你把数据转换到频域,某些操作就变得轻而易举。过滤噪声、压缩数据、寻找模式,这些在时域中难如登天的事情,在频域中却变得轻而易举。

连续傅里叶变换是这样的:

F(ω)=∫−∞∞f(t)e−iωt,dtF(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-i\omega t} , dtF(ω)=∫−∞∞f(t)e−iωt,dt

其中 f(t) 是你的原始信号,比如随时间变化的声波,F(ω) 是变换后的结果。它显示了每个频率 ω 的占比。

e^{-iωt} 部分是关键,它是欧拉公式的变种。还记得 eiθ=cos⁡(θ)+isin⁡(θ)e^{i\theta} = \cos(\theta) + i\sin(\theta)eiθ=cos(θ)+isin(θ) 吗?所以我们本质上是在用不同频率的复指数函数对信号进行乘法运算,然后对所有时间进行积分。

这样做的原理是:如果你的信号 f(t) 包含一个频率为 ω 的振荡分量,那么该分量会与 e^{-iωt} 发生"共振",并在积分过程中保留下来。其他频率的分量则会相互抵消。

所以你实际上是在问:"嘿,信号,你有多少部分在这个特定频率上振动?" 针对所有可能的频率。

这绝对是欧拉公式的延伸,也体现了复平面在现实世界中的重要意义。欧拉公式告诉我们 eiθ=cos⁡(θ)+isin⁡(θ)e^{i\theta} = \cos(\theta) + i\sin(\theta)eiθ=cos(θ)+isin(θ),这看起来抽象又神奇。但傅里叶变换向我们展示了它为什么如此重要:这些旋转的复指数函数是分解信号的天然基础。复平面不仅仅是数学上的优雅,它也是理解振荡的理想空间。

至于 f(t) 可以是什么?问得好!理论上,函数 f(t) 需要"足够好",积分才能收敛。实际上:

  • 平方可积函数有效(有限能量信号)
  • 周期函数效果极佳
  • 即使是某些分布,例如狄拉克δ函数,只要足够谨慎也能适用

但存在一些病态函数,使得变换不存在。大致要求是:∫−∞∞∣f(t)∣2,dt<∞\int_{-\infty}^{\infty} |f(t)|^2 , dt < \infty∫−∞∞∣f(t)∣2,dt<∞

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