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          細(xì)講傅立葉變換

          共 2005字,需瀏覽 5分鐘

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          2020-09-02 23:02















          數(shù)學(xué)算法俱樂部



          日期2020年08月31日

          正文共:1679字12

          預(yù)計閱讀時間5分鐘

          作者:趙一帆


          【注】:閱讀該文章之前,建議先閱讀筆者的前幾篇文章:指數(shù)函數(shù)和自然對數(shù)揭秘自然對數(shù)(ln)、從群論角度理解歐拉公式
          >>>>
          個人看來,傅里葉變換是最深刻的見解之一。不幸的是,這個意義被隱藏在晦澀難懂的無窮級數(shù)中:

          與其直接理解這些復(fù)雜的符號,不如讓我們從生活出發(fā),直觀地理解它。

          平時做飯的時候,比如做一個蛋炒飯,需要蛋,需要飯,還需要鹽巴等等,而通過某種方式將這些混合起來,就變成了蛋炒飯。

          如果是從業(yè)多年的廚師,你給他個蛋炒飯,他能告訴你,這蛋炒飯由哪些原料烹飪而成。而傅里葉也具備這樣的能力。

          當(dāng)你給它一個信號(或函數(shù)),傅里葉變換能采用基于時間的模式,測量該信號(或函數(shù))的每一個可能周期,告訴你組成該信號(或函數(shù))的循環(huán)周期的振幅、偏移量和旋轉(zhuǎn)速度等“原料”。

          傅里葉變換給予我們一種新思維,讓我們從思考“這是什么”轉(zhuǎn)變?yōu)樗伎肌斑@是如何產(chǎn)生的”。

          那么,傅里葉變換是如何找到各個周期函數(shù)的“原料”的呢?這就是接下來要討論的問題了。

          假設(shè)我們有很多過濾網(wǎng),上面的孔徑大小不同,將蛋炒飯往過濾網(wǎng)上一倒

          第一個,網(wǎng)孔最大的過濾網(wǎng)把蛋過濾了出來
          第二個,網(wǎng)孔適中的過濾網(wǎng)把飯過濾了出來
          第三個,網(wǎng)孔較小的過濾網(wǎng)把鹽巴過濾了出來
          ………………
          通過無數(shù)孔徑不一的過濾網(wǎng),不同“原料”被過濾出來,而這些過濾網(wǎng)統(tǒng)稱為“過濾器(filter)”。

          傅里葉是這么說的:“任何信號(或函數(shù))都可以轉(zhuǎn)換成無窮多個周期函數(shù)的和。”

          【題外話】:筆者最喜歡的兩個數(shù)學(xué)家分別是“泰勒”和“傅里葉”,他們的兩個定理貌似揭示了世界的真理。

          泰勒說:“任何函數(shù)都可以轉(zhuǎn)換成無窮多個冪函數(shù)的和?!?/span>

          “泰勒的這句話,給后來計算機(jī)的發(fā)展帶來了巨大貢獻(xiàn),舉個例子,計算機(jī)并沒辦法計算類似于sin、cos這樣的函數(shù),只能通過將他們轉(zhuǎn)換為各個冪函數(shù)的和來實現(xiàn)?!?/span>

          傅里葉說:“任何信號(或函數(shù))都可以轉(zhuǎn)換成無窮多個周期函數(shù)的和?!边@句話的涵義,我們后面會慢慢細(xì)講。

          傅里葉變換用濾波器把一個基于時間的信號(或函數(shù))的每個“圓形原料”分解出來。

          【注】:所謂“圓形原料”,思考一下,我們高中所學(xué)的圓周運(yùn)動,它是否就包含了一定的循環(huán)周期、振幅、偏移量和旋轉(zhuǎn)速度等“原料”?所以這里用“圓形原料”指代這些“原料”。

          如果地震波可被分解,找出不同的振幅和速度,那么我們可以針對地震的特定振幅和速度設(shè)計對應(yīng)的抗震建筑物。

          如果聲波可被分解成低音和高音,我們就可以放大我們關(guān)心的部分,縮小我們不關(guān)心的部分。

          ? ? "比如你喜歡小提琴,那便可以提高高音部分,隱去低音部分。
          ? ? 如果你喜歡低音貝斯,那么你就可以提高低音部分,隱去高音部分。"


          如果計算機(jī)數(shù)據(jù)可以用震蕩波形表示,且其中包含可忽略的數(shù)據(jù),那么就可以用傅里葉變換濾去不重要的數(shù)據(jù)。這在數(shù)據(jù)科學(xué)中被叫為“數(shù)據(jù)濾波器”。

          如果是收音機(jī)的無線電波,那么我們就可以收聽到特定頻率的廣播。

          傅里葉變換在工程中的應(yīng)用是十分廣泛的,以上舉例的只是小小一部分,希望能助于你們理解傅里葉變換背后的根源。

          我們重新看看剛剛的公式


          相當(dāng)于單位向量繞著原點旋轉(zhuǎn)


          由此我們可以推出就是單位向量繞著原點旋轉(zhuǎn)一周

          不難看出,傅里葉變換公式可以這么理解:

          就是長度為的向量繞著原點旋轉(zhuǎn)?

          把這些不同單位向量的旋轉(zhuǎn)疊加起來就是原信號(或原函數(shù))

          那么將原信號分解為多個圓相加是什么意思呢?

          我們這么看,首先我們建立一個X軸和Y軸,并且再建立一個軸。


          一個小球以軸為圓心,綠線為半徑進(jìn)行旋轉(zhuǎn),并且邊旋轉(zhuǎn)邊上升。



          接下來我們對坐標(biāo)進(jìn)行一個旋轉(zhuǎn),從另外一個角度來看看這個旋轉(zhuǎn)過程



          我們似乎發(fā)現(xiàn)了什么,我們對坐標(biāo)繼續(xù)的進(jìn)行旋轉(zhuǎn),沒錯這就是我們的函數(shù)



          而從坐標(biāo)系上方往下看是這樣子的



          他是由一個一個的圓形組成的,而傅里葉變換就是將不同種類的圓形分解出來。
          現(xiàn)在我們在加上一個紅色的圓



          同樣的,讓他們一起旋轉(zhuǎn)起來



          換個角度來看,這就是

          ?

          這里有一種動圖,大家可以更好的理解這個過程。



          所以,我們很直觀的發(fā)現(xiàn),傅里葉變換其實就是一個找圓的過程,將不同的信號(或函數(shù))分解成不同的圓形,當(dāng)他們疊加起來就又變回我們原有的信號(或函數(shù))。



          —?THE END —




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