傅里叶公式
(1) 傅里叶展开
傅里叶展开,是将一个周期性函数,改写成一系列正弦函数和余弦函数的级数之和,且该“和”的极限,与原函数相等。(虽然正弦和余弦只相差一个 90度 的相角,但是这样说比较易于理解,后面会再提到)。级数的每一项系数,被称做“傅立叶系数”,可记为 F(nw)。w 是该原函数的周期所对应的角频率(基频)。傅里叶变换公式证明
扩展内容,可参考[1]及其延伸。
(2) 傅里叶变换
对于非周期函数,如果也希望像 (1) 中那样 “展开”,则需要进行一定“推广”。将原本的“离散级数和”推广成为“连续积分和”后,即可解决这一问题。(具体推导略,可查教科书。)这种连续积分和的表达,就叫“傅里叶逆变换”。
在逆变换中,原本的 F(nw),被推广为 F(W);它的值为:
2PI*F(nw)/w 的极限,其中w趋向于零。
这里用w和W来区分前后两个自变量,其中 dW = delta(nw)。
显然,通过傅里叶逆变换的等式,可以反解出 F(W) 的表达式。这就是“傅里叶变换”。
 
(3) 时域和频域
个人认为,从时域变换到频域,其实只是一种“看法”或“表示方法”上的转变。由于三角函数都是单频的,因此,将原函数改写成多个三角函数的和的形式,便于直接从表达式中观察出它的“频率成分”;同时,也便于直接在频率组成上对原函数进行进一步的处理。
 
(4) 关于某个叫欧拉的人所干的事情
e^(-jwt) = cos(wt) - jsin(wt)
e^(jwt) = cos(wt) + jsin(wt)
sin(wt) = (1/2j) [e^(jwt) - e^(-jwt)]
cos(wt) = (1/2j) [e^(jwt) + e^(-jwt)]
(关于以上公式,参见复分析领域欧拉公式相关内容[2]。)
有了以上公式,就可将傅里叶级数、傅里叶变换/反变换等相关公式,改写成“指数形式(e的指数形式)”。
它同时展示了一点:
e^(jwt) 在复平面中,可以作为一个“基”,因为它已经包含了实轴(实数单位“1”)上和虚轴(虚数单位“j”)上两个正交的“基”。这也从另一个方面解释了,为什么总是可以用之前傅里叶的方法,来“分解”很多函数。
 
(5) 关于“负号”那货
谈下个人想法。
在“傅里叶展开”和“傅立叶逆变换”中,都是以 e^(jwt) 或 e^(jWt) 的样子出现的,没有负号,这个时候,原函数在等号左边,展开式和傅里叶系数(F(nw) 或 F(W))在等号右边。
当我们要反解出傅里叶系数时,它自己跑去等号左边,而原本跟它在一起的 e^(jwt) 或 e^(jWt) 还呆在等号右边,因此,不得不出现一个负号(由乘除法引入,因此负号在指数中)。
一般逻辑上,我们推导的顺序是:
[傅里叶级数展开] --(推广)-- > [傅立叶逆变换] --(反解)-- > [傅立叶变换]
因此,在傅里叶变换中,大家就看到一个带上负号的 e^(-jWt) 了。