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如果我说我能用前面说的正弦曲线波叠加出一个带90度角的矩形波来你会相信吗你不会就像当年的我一样。但是看看下图 第一幅图是一个郁闷的正弦波cos(x) 第二幅图是2个卖萌的正弦波的叠加cos(x)a.cos(3x) 第三幅图是4个发春的正弦波的叠加 第四幅图是10个便秘的正弦波的叠加 随着正弦波数量逐渐的增长他们最终会叠加成一个标准的矩形大家从中体会到了什么道理 (只要努力弯的都能掰直) 随着叠加的递增所有正弦波中上升的部分逐渐让原本缓慢增加的曲线不断变陡而所有正弦波中下降的部分又抵消了上升到最高处时继续上升的部分使其变为水平线。一个矩形就这么叠加而成了。但是要多少个正弦波叠加起来才能形成一个标准90度角的矩形波呢不幸的告诉大家答案是无穷多个。(上帝我能让你们猜着我) 不仅仅是矩形你能想到的任何波形都是可以如此方法用正弦波叠加起来的。这是没有接触过傅里叶分析的人在直觉上的第一个难点但是一旦接受了这样的设定游戏就开始有意思起来了。 还是上图的正弦波累加成矩形波我们换一个角度来看看 在这几幅图中最前面黑色的线就是所有正弦波叠加而成的总和也就是越来越接近矩形波的那个图形。而后面依不同颜色排列而成的正弦波就是组合为矩形波的各个分量。这些正弦波按照频率从低到高从前向后排列开来而每一个波的振幅都是不同的。一定有细心的读者发现了每两个正弦波之间都还有一条直线那并不是分割线而是振幅为0的正弦波也就是说为了组成特殊的曲线有些正弦波成分是不需要的。 这里不同频率的正弦波我们成为频率分量。 好了关键的地方来了 如果我们把第一个频率最低的频率分量看作“1”我们就有了构建频域的最基本单元。 对于我们最常见的有理数轴数字“1”就是有理数轴的基本单元。 时域的基本单元就是“1秒”如果我们将一个角频率为的正弦波cos(t)看作基础那么频域的基本单元就是。 有了“1”还要有“0”才能构成世界那么频域的“0”是什么呢cos(0t)就是一个周期无限长的正弦波也就是一条直线所以在频域0频率也被称为直流分量在傅里叶级数的叠加中它仅仅影响全部波形相对于数轴整体向上或是向下而不改变波的形状。 接下来让我们回到初中回忆一下已经死去的八戒啊不已经死去的老师是怎么定义正弦波的吧。 正弦波就是一个圆周运动在一条直线上的投影。所以频域的基本单元也可以理解为一个始终在旋转的圆 知乎不能传动态图真是太让人惋惜了…… 想看动图的同学请戳这里 File:Fourier series square wave circles animation.gif 以及这里 File:Fourier series sawtooth wave circles animation.gif 点出去的朋友不要被wiki拐跑了wiki写的哪有这里的文章这么没节操是不是。 介绍完了频域的基本组成单元我们就可以看一看一个矩形波在频域里的另一个模样了 这是什么奇怪的东西 这就是矩形波在频域的样子是不是完全认不出来了教科书一般就给到这里然后留给了读者无穷的遐想以及无穷的吐槽其实教科书只要补一张图就足够了频域图像也就是俗称的频谱就是—— 再清楚一点 可以发现在频谱中偶数项的振幅都是0也就对应了图中的彩色直线。振幅为0的正弦波。 动图请戳 File:Fourier series and transform.gif 老实说在我学傅里叶变换时维基的这个图还没有出现那时我就想到了这种表达方法而且后面还会加入维基没有表示出来的另一个谱——相位谱。 但是在讲相位谱之前我们先回顾一下刚刚的这个例子究竟意味着什么。记得前面说过的那句“世界是静止的”吗估计好多人对这句话都已经吐槽半天了。想象一下世界上每一个看似混乱的表象实际都是一条时间轴上不规则的曲线但实际这些曲线都是由这些无穷无尽的正弦波组成。我们看似不规律的事情反而是规律的正弦波在时域上的投影而正弦波又是一个旋转的圆在直线上的投影。那么你的脑海中会产生一个什么画面呢 我们眼中的世界就像皮影戏的大幕布幕布的后面有无数的齿轮大齿轮带动小齿轮小齿轮再带动更小的。在最外面的小齿轮上有一个小人——那就是我们自己。我们只看到这个小人毫无规律的在幕布前表演却无法预测他下一步会去哪。而幕布后面的齿轮却永远一直那样不停的旋转永不停歇。这样说来有些宿命论的感觉。说实话这种对人生的描绘是我一个朋友在我们都是高中生的时候感叹的当时想想似懂非懂直到有一天我学到了傅里叶级数…… 三、傅里叶级数(Fourier Series)的相位谱 上一章的关键词是从侧面看。这一章的关键词是从下面看。 在这一章最开始我想先回答很多人的一个问题傅里叶分析究竟是干什么用的这段相对比较枯燥已经知道了的同学可以直接跳到下一个分割线。 先说一个最直接的用途。无论听广播还是看电视我们一定对一个词不陌生——频道。频道频道就是频率的通道不同的频道就是将不同的频率作为一个通道来进行信息传输。下面大家尝试一件事 先在纸上画一个sin(x)不一定标准意思差不多就行。不是很难吧。 好接下去画一个sin(3x)sin(5x)的图形。 别说标准不标准了曲线什么时候上升什么时候下降你都不一定画的对吧 好画不出来不要紧我把sin(3x)sin(5x)的曲线给你但是前提是你不知道这个曲线的方程式现在需要你把sin(5x)给我从图里拿出去看看剩下的是什么。这基本是不可能做到的。 但是在频域呢则简单的很无非就是几条竖线而已。 所以很多在时域看似不可能做到的数学操作在频域相反很容易。这就是需要傅里叶变换的地方。尤其是从某条曲线中去除一些特定的频率成分这在工程上称为滤波是信号处理最重要的概念之一只有在频域才能轻松的做到。 再说一个更重要但是稍微复杂一点的用途——求解微分方程。(这段有点难度看不懂的可以直接跳过这段)微分方程的重要性不用我过多介绍了。各行各业都用的到。但是求解微分方程却是一件相当麻烦的事情。因为除了要计算加减乘除还要计算微分积分。而傅里叶变换则可以让微分和积分在频域中变为乘法和除法大学数学瞬间变小学算术有没有。 傅里叶分析当然还有其他更重要的用途我们随着讲随着提。 ———————————————————————————————————— 下面我们继续说相位谱 通过时域到频域的变换我们得到了一个从侧面看的频谱但是这个频谱并没有包含时域中全部的信息。因为频谱只代表每一个对应的正弦波的振幅是多少而没有提到相位。基础的正弦波A.sin(wtθ)中振幅频率相位缺一不可不同相位决定了波的位置所以对于频域分析仅仅有频谱(振幅谱)是不够的我们还需要一个相位谱。那么这个相位谱在哪呢我们看下图这次为了避免图片太混论我们用7个波叠加的图。 鉴于正弦波是周期的我们需要设定一个用来标记正弦波位置的东西。在图中就是那些小红点。小红点是距离频率轴最近的波峰而这个波峰所处的位置离频率轴有多远呢为了看的更清楚我们将红色的点投影到下平面投影点我们用粉色点来表示。当然这些粉色的点只标注了波峰距离频率轴的距离并不是相位。 这里需要纠正一个概念时间差并不是相位差。如果将全部周期看作2Pi或者360度的话相位差则是时间差在一个周期中所占的比例。我们将时间差除周期再乘2Pi就得到了相位差。 在完整的立体图中我们将投影得到的时间差依次除以所在频率的周期就得到了最下面的相位谱。所以频谱是从侧面看相位谱是从下面看。 注意到相位谱中的相位除了0就是Pi。因为cos(tPi)-cos(t)所以实际上相位为Pi的波只是上下翻转了而已。对于周期方波的傅里叶级数这样的相位谱已经是很简单的了。另外值得注意的是由于cos(t2Pi)cos(t)所以相位差是周期的pi和3pi5pi7pi都是相同的相位。人为定义相位谱的值域为(-pipi]所以图中的相位差均为Pi。 最后来一张大集合 四、傅里叶变换(Fourier Transformation) 相信通过前面三章大家对频域以及傅里叶级数都有了一个全新的认识。但是文章在一开始关于钢琴琴谱的例子我曾说过这个栗子是一个公式错误但是概念典型的例子。所谓的公式错误在哪里呢 傅里叶级数的本质是将一个周期的信号分解成无限多分开的(离散的)正弦波但是宇宙似乎并不是周期的。曾经在学数字信号处理的时候写过一首打油诗 往昔连续非周期 回忆周期不连续 任你ZT、DFT 还原不回去。 (请无视我渣一样的文学水平……) 在这个世界上有的事情一期一会永不再来并且时间始终不曾停息地将那些刻骨铭心的往昔连续的标记在时间点上。但是这些事情往往又成为了我们格外宝贵的回忆在我们大脑里隔一段时间就会周期性的蹦出来一下可惜这些回忆都是零散的片段往往只有最幸福的回忆而平淡的回忆则逐渐被我们忘却。因为往昔是一个连续的非周期信号而回忆是一个周期离散信号。 是否有一种数学工具将连续非周期信号变换为周期离散信号呢抱歉真没有。 比如傅里叶级数在时域是一个周期且连续的函数而在频域是一个非周期离散的函数。这句话比较绕嘴实在看着费事可以干脆回忆第一章的图片。 而在我们接下去要讲的傅里叶变换则是将一个时域非周期的连续信号转换为一个在频域非周期的连续信号。 算了还是上一张图方便大家理解吧 或者我们也可以换一个角度理解傅里叶变换实际上是对一个周期无限大的函数进行傅里叶变换。 所以说钢琴谱其实并非一个连续的频谱而是很多在时间上离散的频率但是这样的一个贴切的比喻真的是很难找出第二个来了。 因此在傅里叶变换在频域上就从离散谱变成了连续谱。那么连续谱是什么样子呢 你见过大海么 为了方便大家对比我们这次从另一个角度来看频谱还是傅里叶级数中用到最多的那幅图我们从频率较高的方向看。 以上是离散谱那么连续谱是什么样子呢 尽情的发挥你的想象想象这些离散的正弦波离得越来越近逐渐变得连续…… 直到变得像波涛起伏的大海 很抱歉为了能让这些波浪更清晰的看到我没有选用正确的计算参数而是选择了一些让图片更美观的参数不然这图看起来就像屎一样了。 不过通过这样两幅图去比较大家应该可以理解如何从离散谱变成了连续谱的了吧原来离散谱的叠加变成了连续谱的累积。所以在计算上也从求和符号变成了积分符号。 不过这个故事还没有讲完接下去我保证让你看到一幅比上图更美丽壮观的图片但是这里需要介绍到一个数学工具才能然故事继续这个工具就是—— 五、宇宙耍帅第一公式欧拉公式 虚数i这个概念大家在高中就接触过但那时我们只知道它是-1的平方根可是它真正的意义是什么呢? 这里有一条数轴在数轴上有一个红色的线段它的长度是1。当它乘以3的时候它的长度发生了变化变成了蓝色的线段而当它乘以-1的时候就变成了绿色的线段或者说线段在数轴上围绕原点旋转了180度。 我们知道乘-1其实就是乘了两次 i使线段旋转了180度那么乘一次 i 呢——答案很简单——旋转了90度。 同时我们获得了一个垂直的虚数轴。实数轴与虚数轴共同构成了一个复数的平面也称复平面。这样我们就了解到乘虚数i的一个功能——旋转。 现在就有请宇宙第一耍帅公式欧拉公式隆重登场—— 这个公式在数学领域的意义要远大于傅里叶分析但是乘它为宇宙第一耍帅公式是因为它的特殊形式——当x等于Pi的时候。 经常有理工科的学生为了跟妹子表现自己的学术功底用这个公式来给妹子解释数学之美”石榴姐你看这个公式里既有自然底数e自然数1和0虚数i还有圆周率pi它是这么简洁这么美丽啊“但是姑娘们心里往往只有一句话”臭屌丝……“ 这个公式关键的作用是将正弦波统一成了简单的指数形式。我们来看看图像上的涵义 欧拉公式所描绘的是一个随着时间变化在复平面上做圆周运动的点随着时间的改变在时间轴上就成了一条螺旋线。如果只看它的实数部分也就是螺旋线在左侧的投影就是一个最基础的余弦函数。而右侧的投影则是一个正弦函数。 关于复数更深的理解大家可以参考 复数的物理意义是什么 这里不需要讲的太复杂足够让大家理解后面的内容就可以了。 六、指数形式的傅里叶变换 有了欧拉公式的帮助我们便知道正弦波的叠加也可以理解为螺旋线的叠加在实数空间的投影。而螺旋线的叠加如果用一个形象的栗子来理解是什么呢 光波 高中时我们就学过自然光是由不同颜色的光叠加而成的而最著名的实验就是牛顿师傅的三棱镜实验 所以其实我们在很早就接触到了光的频谱只是并没有了解频谱更重要的意义。 但不同的是傅里叶变换出来的频谱不仅仅是可见光这样频率范围有限的叠加而是频率从0到无穷所有频率的组合。 这里我们可以用两种方法来理解正弦波 第一种前面已经讲过了就是螺旋线在实轴的投影。 另一种需要借助欧拉公式的另一种形式去理解 将以上两式相加再除2得到 这个式子可以怎么理解呢 我们刚才讲过e^(it)可以理解为一条逆时针旋转的螺旋线那么e^(-it)则可以理解为一条顺时针旋转的螺旋线。而cos(t)则是这两条旋转方向不同的螺旋线叠加的一半因为这两条螺旋线的虚数部分相互抵消掉了 举个例子的话就是极化方向不同的两束光波磁场抵消电场加倍。 这里逆时针旋转的我们称为正频率而顺时针旋转的我们称为负频率(注意不是复频率)。 好了刚才我们已经看到了大海——连续的傅里叶变换频谱现在想一想连续的螺旋线会是什么样子 是不是很漂亮 你猜猜这个图形在时域是什么样子 哈哈是不是觉得被狠狠扇了一个耳光。数学就是这么一个把简单的问题搞得很复杂的东西。 顺便说一句那个像大海螺一样的图为了方便观看我仅仅展示了其中正频率的部分负频率的部分没有显示出来。 如果你认真去看海螺图上的每一条螺旋线都是可以清楚的看到的每一条螺旋线都有着不同的振幅(旋转半径)频率(旋转周期)以及相位。而将所有螺旋线连成平面就是这幅海螺图了。 好了讲到这里相信大家对傅里叶变换以及傅里叶级数都有了一个形象的理解了我们最后用一张图来总结一下 好了傅里叶的故事终于讲完了 文章来自Heinrich文章地址https://zhuanlan.zhihu.com/p/19763358
