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傅裏葉變換(沒明白怎麽用是不是等於白看?)

傅裏葉分析 不僅是 數學工具 ,更顛覆世界觀的 思維模式 。

時域分析: 出生,以時間貫穿,股票的走勢、人的身高、 隨著時間變 。

頻域 :靜止的世界, 世界是永恒不變的

音樂在 時域的樣子 :時間變化的震動

頻域:樂器小能手直觀的理解:

傅裏葉同學: 任何周期函數 ,可以作是不同振幅,不同相位正弦波的疊加,組合出任何壹首樂曲。

傅裏葉分析 :貫穿 時域與頻域 的方法之壹,分為傅裏葉 級數 (Fourier Serie)和傅裏葉 變換 (Fourier Transformation)

(1) 正弦波 cos (x)

(2)正弦波的 疊加 cos (x) +a.cos (3x)

(3) 發春 的正弦波的 疊加

(4) 10 個正弦波的 疊加

上升 的部分: 變陡 ,中間下降的部分: 變平 。 無窮多個 疊加變 90 度 矩形, 換壹個角度看:

不同顏色正弦波: 矩形波 的各個 分量,頻率分量 。頻率從低到高從前向後。壹定有細心的讀者發現了,

每兩個之間有 直線 :0振幅正弦波, 為了組成特殊的曲線,有些正弦波成分是不需要的 ?

關鍵:

最低的頻率分量看作“1”(基本單元)

有理數軸 ,數字“1”就是基本單元。數學稱法為—— 基

時域基本單元 : “1秒” ,如果將 壹個角頻率 為 W0 的正弦波 cos(W0t) 看作基礎,那麽 頻域的基本單元就是W0.

有了“1”,還要有“0”才能構成世界: 頻域的“0” :cos(0t) 周期無限長的正弦波(壹條直線)

在頻域中, 0頻率 也被稱為 直流分量 ,傅裏葉級數 疊加中 :波形相對於數軸 整體向上或是向下 而 不改變 波的形狀。

正弦波就是壹個圓周運動在壹條直線上的投影。所以頻域的基本單元也可以理解為壹個始終在旋轉的圓

想看動圖的同學請戳這裏:

File:Fourier series square wave circles animation.gif

頻域裏:矩形波

頻譜中,偶數項的振幅都是0,對應彩色直線

老實說,在我學傅裏葉變換時,維基的這個圖還沒有出現,那時我就想到了這種表達方法,而且,後面還會加入維基沒有表示出來的另壹個譜——相位譜。

世界就像皮影戲的大幕布,幕後無數的齒輪,大齒輪帶動小齒輪,小齒輪再帶動更小的。在最外面的小齒輪上有壹個小人——那就是我們自己。我們只看到這個小人毫無規律的在幕布前表演,卻 無法預測他下壹步 會去哪。而幕布後面的 齒輪 卻永遠 壹直那樣 不停的旋轉,永不停歇。

上壹章:從側面看。這壹章:從下面看。

(1)頻道 (廣播、電視):頻率的通道,將 不同的頻率 作為通道來 信息傳輸 。

把sin(5x)給我從圖裏拿出去,不可能做到。

頻域 : 簡單的很 ,幾條豎線而已。 so需要傅裏葉變換

ps:從 曲線中 去除壹些特定的 頻率 成分,稱為 濾波(信號處理) ,頻域才能做到。

(2)解微分方程 。

通過時域到頻域的變換 ,我們得到了壹個從側面看的頻譜,但是這個頻譜並沒有包含時域中全部的信息。因為頻譜只代表每壹個對應的正弦波的振幅是多少,而沒有提到相位。基礎的正弦波A.sin(wt+θ)中, 振幅,頻率,相位 缺壹不可, 不同相位決定了波的位置

正弦波是周期的, 小紅點 : 正弦波位置 、 距離頻率軸 最近的 波峰 , 粉點:波峰 距離 頻率軸 的距離, 不是相位

相位差:時間差在壹個周期中所占的比例 (如果將 全部周期 看作 2Pi或360度 的話), 相位差 = (時間差/周期)*2Pi

相位譜 中的相位 除了0,就是Pi 。因為 cos(t+Pi)=-cos(t) ,所以實際上相位為Pi的波只是上下翻轉了而已。對於周期方波的傅裏葉級數,這樣的相位譜已經是很簡單的了。另外值得註意的是,由於cos(t+2Pi)=cos(t),所以相位差是周期的,pi和 3pi,5pi,7pi 都是 相同的相位 。人為定義相位譜的值域為(-pi,pi],所以圖中的相位差均為Pi。

公式錯誤:

傅裏葉級數的本質: 周期的信號 分解成 無限多分開的(離散的)正弦波 , 宇宙似不是周期

數字信號處理的時候寫過壹首打油詩:

往昔連續非周期,

回憶周期不連續,

任妳ZT、DFT,

還原不回去。

往昔 是壹個 連續 的 非周期 信號, 回憶 是壹個周期 離散信號 。

比如傅裏葉級數, 時域 : 周期且連續 的函數, 頻域:非周期離散 的函數。第壹章的圖片。

時域非周期的連續信號, 轉換 為壹個在頻域非周期的連續信號。

傅裏葉變換 : 周期無限大的 函數進行傅裏葉變換。

連續譜:離散譜的疊加,變成了連續譜的累積。計算上也從 求和符號 變成了 積分符號 。

虛數i:-1 的平方根 ,真正的意義:

紅色的線段,長度是1。乘以 3 = 藍色的線段,乘以-1 = 綠色的線段(原點旋轉了 180 度)。

乘了兩次 i 使線段旋轉了 180 度, 乘壹次 i = 旋轉了 90 度

乘虛數i = 旋轉, 歐拉公式:

這個公式在數學領域的意義要遠大於傅裏葉分析,但是乘它為宇宙第壹耍帥公式是因為它的特殊形式——當x等於 Pi 的時候。

經常有理工科的學生為了跟妹子表現自己的學術功底,用這個公式來給妹子解釋數學之美:”石榴姐妳看,這個公式裏既有自然底數e,自然數 1 和0,虛數i還有圓周率 pi,它是這麽簡潔,這麽美麗啊!“但是姑娘們心裏往往只有壹句話:”臭屌絲……“

這個公式關鍵的作用,是將正弦波統壹成了簡單的指數形式。我們來看看圖像上的涵義:

歐拉公式所描繪的,是壹個隨著時間變化,在復平面上做圓周運動的點,隨著時間的改變,在時間軸上就成了壹條螺旋線。如果只看它的實數部分,也就是螺旋線在左側的投影,就是壹個最基礎的余弦函數。而右側的投影則是壹個正弦函數。

有了歐拉公式的幫助,我們便知道:正弦波的疊加,也可以理解為螺旋線的疊加在實數空間的投影。而螺旋線的疊加如果用壹個形象的栗子來理解是什麽呢?

光波

高中時我們就學過,自然光是由不同顏色的光疊加而成的,而最著名的實驗就是牛頓師傅的三棱鏡實驗:

所以其實我們在很早就接觸到了光的頻譜,只是並沒有了解頻譜更重要的意義。

但不同的是,傅裏葉變換出來的頻譜不僅僅是可見光這樣頻率範圍有限的疊加,而是頻率從 0 到無窮所有頻率的組合。

這裏,我們可以用兩種方法來理解正弦波:

第壹種前面已經講過了,就是螺旋線在實軸的投影。

另壹種需要借助歐拉公式的另壹種形式去理解:

將以上兩式相加再除2,得到:

這個式子可以怎麽理解呢?

我們剛才講過,e^(it)可以理解為壹條逆時針旋轉的螺旋線,那麽e^(-it)則可以理解為壹條順時針旋轉的螺旋線。而 cos (t)則是這兩條旋轉方向不同的螺旋線疊加的壹半,因為這兩條螺旋線的虛數部分相互抵消掉了!

舉個例子的話,就是極化方向不同的兩束光波,磁場抵消,電場加倍。

這裏,逆時針旋轉的我們稱為正頻率,而順時針旋轉的我們稱為負頻率(註意不是復頻率)。

好了,剛才我們已經看到了大海——連續的傅裏葉變換頻譜,現在想壹想,連續的螺旋線會是什麽樣子:

僅展示了正頻率的部分

每壹條螺旋線都有著不同的振幅(旋轉半徑),頻率(旋轉周期)以及相位。將所有螺旋線連成平面