[转载]详解傅里叶变换和逆变换的分析、推导过程
2016-11-02 11:25阅读:
我在看《激光原理》的时候需要一点傅里叶变换,于是我就重新在一些书籍中查了一下傅里叶变换,发现阐述得不是特别清楚,我在这里详细分析一下,这对很多使用者是有益的。
对于非周期函数f(t),可以将它看成是某个周期函数fт(t)当т→+∞时转化而来的。
即:
f(t)= limfт(t)
(1)
т→+∞
由傅里叶复指数形式可得:
+∞
T/2
f(t)= lim 1/T
*∑[∫fт(u)*exp(-inωu)du]*exp(inωt)
(2)
T→+∞ n=-∞ -T/2
令ωn=nω(n=0,1,2,…),则有Δωn=ωn+1-ωn=2∏/T(此n是下角标),显然,当т→+∞时,Δωn→0,故(2)式又可以写成
+∞
T/2
f(t)= 1/2∏*lim ∑[∫
fт(u)*exp(-iωnu)du]*exp(iωnt)*Δωn (n是下角
Δωn→0 n=-∞ -T/2
标)
(3)
记
T/2
Fт(ω)=∫
fт(u)*exp(-iωu)du
-T/2
+∞
F(ω)=∫
f(u)*exp(-iωu)du
-∞
则
+∞
f(t)= 1/2∏*lim
∑[Fт(ωn)*exp(iωnt)*Δωn (此n都是下角标)
Δωn→0 n=-∞
显然,当Δωn→0时,Fт(ωn)→F(ωn)
从而(此n都是下角标)
+∞
+∞
f(t)= 1/2∏*lim ∑Fт(ωn)*exp(iωnt)*Δωn=
1/2∏*lim ∑F(ωn)*exp(iωnt )*Δωn
(4)
Δωn→0 n=-∞
Δωn→0 n=-∞
分析一下:
首先看一下复变函数积分的定义,如下:
定义:设C为复平面上以A起点B为终点的光滑(或分段光滑)的有向曲线,函数ω=f(z)在C上连续,如果以分点A=z0,z1,z2,...,zn-1,zn=B将曲线C任意分成n个
n
小弧段,并在每个弧段zn-1zn(k=1,2,...,n)上任取一点ζk,作和式Sn=∑f(ζk)*Δzk,其中Δzk=zk-zk-1,记弧段
k=1
zn-1zn的长度ΔSk,λ=maxlim{ΔSk},若不
1≤k≤n
论对C如何分法及ζk如何取法,极限
n
lim∑f(ζk)*Δzk
λ→0 k=1
存在,则称该极限值为函数f(z)沿曲线C从A到B的积分,记为∫f(z)dz,即
c
n
∫f(z)dz=
lim∑f(ζk)*Δzk
c
λ→0 k=1
式中,f(z)为被积函数;C为积分曲线。
这样就很明确了,(4)式中取的是弧段的起始点(ωn,F(ωn)*exp(iωnt)),就是弧段的起始点(ωn,F(ωn)*exp(iωnt))作为被乘数,这是符合复变函数积分定义的,定义中指出可以取任何一点,当然可以取弧段的起始点(ωn,F(ωn)*exp(iωnt))做被乘数。
(4)接下来是:
+∞
+∞ +∞
=1/2∏*∫F(ω)exp(iωt)dω=1/2∏*∫
{∫f(u)exp(-iωu)du}*exp(iωt)dω
-
-∞
-∞
-∞
以上是(5)式。
+∞ +∞
=1/∏*∫
∫f(u)cosω(t-u)dudω
(6)
0 -∞
解释一下(5)到(6)的过程:
因为exp(iωt)对于u来说是常数可以和前面的函数合并,利用欧拉公式把expiω(t-u)展开,会得到一个带有和i相乘的含有正弦函数乘积的函数在(-∞,+∞)的积分函数项。因为正弦函数的函数值是关于坐标原点对称的,函数值的绝对值是完全相等的,但是符号相反,这样带有和i相乘的含有和正弦函数乘积的函数项在(-∞,+∞)的积分值为零,因为积分区间(-∞,+∞)可以分解成以纵轴对称的(-∞,0]和[0,+∞)。另外,因为对于函数f(u)cosω(t-u)是对正数ω的偶函数,所以把积分区间改写成了(0,+∞)并且把积分的函数乘以了2。于是就得到了(6)式。我不把计算过程写出来了,那样内容会太多的。
把(5)式单拿出来,
+∞ +∞
f(t)=1/2∏*∫ {∫f(u)exp(-iωu)du}*exp(iωt)dω
-∞ -∞
称为傅里叶逆变换,若记
⋌
+∞
f(ω)=∫
f(t)*exp(-iωt)dt
这就是f(t)的傅里叶变换
-∞
+∞ ⋌
则
f(t)=1/2∏*∫
f(ω)*exp(iωt)dω 这就是f(t)的傅里叶逆变换
-∞
至此,对傅里叶变换的来龙去脉已经阐述详细了。
傅里叶变换的应用很广泛,如在:《激光原理》、《电路》,等等学科。
后记:
用博客写专业类博文还是非常消耗时间的,要是能有得心应手的工具就好了。看起来,写关于《激光原理》的博文会消耗很多时间的。