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讓你永遠(yuǎn)忘不了的傅里葉變換解析

 520jefferson 2020-11-05
作者:劉遙行
來(lái)自:https://charlesliuyx./2018/02/18/直觀詳解】讓你永遠(yuǎn)忘不了的傅里葉變換解析/

使用聯(lián)想鏈條和幾何直觀,輔以從實(shí)際需求衍生概念的思考模式,詳解什么是傅立葉變換,為什么要做傅立葉變換等,幫助記憶和理解,目的當(dāng)然是標(biāo)題所說(shuō):讓你永遠(yuǎn)忘不了傅里葉變換這個(gè)公式。另,這篇博客還從側(cè)面一定程度上回答了另一個(gè)問(wèn)題:為什么要研究復(fù)數(shù)

本篇博客為形象展示傅里葉變換和歐拉公式與初等群論兩個(gè)視頻的筆記結(jié)合,希望通過(guò)此篇讓所有讀者對(duì)傅立葉變換有一個(gè)全新的認(rèn)知,并且宣傳一波 3b1b 良心視頻系列!重塑對(duì)未知和知識(shí)的渴求

知乎相關(guān)問(wèn)題鏈接,小伙伴們求點(diǎn)贊!沒(méi)有功勞也有苦勞啊!

歐拉公式與旋轉(zhuǎn)

在開(kāi)始一步一步接近【傅立葉變換】前,先說(shuō)一下群論
提前說(shuō)明,此部分有地方會(huì)提到【群論】這個(gè)概念,但博主并不是要試圖把什么環(huán)、域、向量空間、代數(shù)結(jié)構(gòu)、線性代數(shù)群、李群等等一大堆很抽象的概念灌輸給大家,我們只是為了利用群論的概念,加深或者說(shuō)建立一個(gè)對(duì)【理解傅立葉變換】極度有幫助的直觀概念:
指數(shù)函數(shù)(逆操作對(duì)數(shù)函數(shù)同理)是加法和乘法運(yùn)算的橋梁,在自變量包含復(fù)數(shù)時(shí)表示旋轉(zhuǎn)。
以具體的一個(gè)例子來(lái)說(shuō):
 e^(πi)表示的是在單位圓上逆時(shí)針在旋轉(zhuǎn)180°這個(gè)變換。

等等,這不是排行世界上最偉大的十個(gè)公式第二名的歐拉公式(上帝公式)嘛?(BTW,我們今天的主角【傅立葉變換】排行第七,這陣容著實(shí)強(qiáng)大)
是的,這第一部分,捎帶,會(huì)帶你更進(jìn)一步的重新認(rèn)識(shí)這個(gè)公式的偉大

對(duì)稱(chēng)性 symmetry

首先,假設(shè)我們有以下陳述:
正方形對(duì)稱(chēng)圖形

那么從數(shù)學(xué)(定義 or 公式)角度上來(lái)說(shuō),怎么描述【對(duì)稱(chēng)】這個(gè)概念呢?我們作為【人】,肯定會(huì)想,不就是看著左右一樣嘛?不夠嚴(yán)謹(jǐn),不夠優(yōu)雅,繼續(xù)深入,可以這么考慮:
你能對(duì)正方形做些什么,并且在這個(gè)操作后,保持正方形的形態(tài)和操作前相同
我們把具有上述性質(zhì)的操作都列出來(lái),放在mi一起,如下面動(dòng)圖所示(左右旋轉(zhuǎn)90°,旋轉(zhuǎn)180°,四個(gè)軸對(duì)稱(chēng),不變,這八個(gè)操作),就構(gòu)成了一個(gè)有限群【對(duì)稱(chēng)群】,更專(zhuān)業(yè)的叫法是【八階二面體群 Dihedral group of order 8】

有了上面的直觀理解,還有一個(gè)無(wú)限群需要了解,即【旋轉(zhuǎn)群】,表示的是所有旋轉(zhuǎn)操作,當(dāng)然,因?yàn)榻嵌瓤梢詿o(wú)限細(xì)分,這個(gè)操作也是無(wú)限的,比如:順時(shí)針旋轉(zhuǎn)
此時(shí),能總結(jié)出一個(gè)巧合的現(xiàn)象,按照順序進(jìn)行上面8個(gè)操作的某兩個(gè),恰好等同于8個(gè)操作中的其他的某一個(gè)(旋轉(zhuǎn)群同理),如下面的動(dòng)圖所示,把這些組合放到一起,才真正的表達(dá)了【群】這個(gè)概念

很多不同的概念都能從對(duì)稱(chēng)性和對(duì)稱(chēng)性的符合構(gòu)建得到,如下圖所示,其中,數(shù)字本身有兩種表達(dá)方式(操作),加法和乘法
對(duì)于【數(shù)】這個(gè)集合來(lái)說(shuō),加法對(duì)應(yīng)數(shù)軸的平移變換(一個(gè)操作),乘法對(duì)應(yīng)著數(shù)軸的伸縮變換(一個(gè)操作)
把這個(gè)數(shù)軸的概念拓展到平面坐標(biāo)系,1D ? 2D。如果我們要把一個(gè)點(diǎn),比如(1,0)移動(dòng)到另一個(gè)點(diǎn),應(yīng)該如何操作?簡(jiǎn)單的說(shuō),只需要先在橫軸方向上平移,再在縱軸方向上平移即可(核心思想類(lèi)比于正方形的幾個(gè)操作)
同理,除了平移外,使用伸縮加旋轉(zhuǎn)也可以完成同樣的事情(將任意一點(diǎn)移動(dòng)到另一個(gè)位置),伸縮是乘法顯而易見(jiàn),但是旋轉(zhuǎn)怎么表示呢?(當(dāng)然直接改變坐標(biāo)軸的定義也是能做到的,例子就是極坐標(biāo)系,但我們并不想這么做),我們構(gòu)造以下思考鏈條:
  • 考慮一個(gè)特例操作:一個(gè)點(diǎn)變到另一個(gè)點(diǎn):(1,0)通過(guò)伸縮和旋轉(zhuǎn)到(-1,0),長(zhǎng)度不用變,只需旋轉(zhuǎn)即可
  • 此時(shí),注意到了一個(gè)形式很有特點(diǎn)的定義: ,-1 就是我們需要的目標(biāo)位置,那如何從(1,0)出發(fā)進(jìn)行兩次同樣的操作可以得到(-1,0)呢?(這個(gè)操作即 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">i' role='presentation'>i 這個(gè)虛數(shù)單位定義的操作)答案即:一個(gè)單位 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">i' role='presentation'>i 表示旋轉(zhuǎn)90°即可
  • 更意外的發(fā)現(xiàn),進(jìn)行一次 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">i' role='presentation'>i 操作,如果是逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°,正好會(huì)落在二維平面y軸的(0,1)與單位長(zhǎng)度不謀而合
  • 更大膽的假設(shè),如果y軸自帶虛數(shù)單位,如,就有旋轉(zhuǎn)操作了,是不是就就能通過(guò)乘法來(lái)描述處在這個(gè)平面上的所有變換了
以上都是假設(shè)和推理,剝絲抽繭后,最關(guān)鍵的部分:如何使用單位 表示逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90° ,并且給出了一種可能的映射規(guī)則,x軸平移表示伸縮,y軸平移表示旋轉(zhuǎn),這樣就可以保證群的特性?(幾種操作一定可以組合成其他某個(gè)操作,有一個(gè)學(xué)名:保持群結(jié)構(gòu))
i 怎么可能表示旋轉(zhuǎn)呢?怎么看都像啊,此時(shí)陷入了死胡同,不妨換個(gè)角度來(lái)思考,旋轉(zhuǎn)到底是什么?
旋轉(zhuǎn),是沿著一個(gè)圓弧(有圓心,轉(zhuǎn)過(guò)的角度)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程
如果你對(duì)泰勒公式非常熟悉,就可以通過(guò)一系列公式推導(dǎo)得到一個(gè)完美橋梁:【指數(shù)函數(shù)】,形如
如果底數(shù) a=e ,通過(guò)泰勒展開(kāi)式,可以完成一個(gè)十分優(yōu)美的變形,如下:
將 x=iθ 帶入(1)式(這里的 θ 是一個(gè)未知數(shù),即自變量),整理項(xiàng),移動(dòng),結(jié)合 cos(x) 和sin(x) 的泰勒展開(kāi)式,還有虛數(shù)單位的定義 i=?1×?1 , 有下列推導(dǎo):
這個(gè)公式有什么用呢?可視化后,如下圖所示
假設(shè)縱坐標(biāo)自帶虛數(shù)單位 i (復(fù)平面),那么,sin(θ) 為縱坐標(biāo)(自帶虛數(shù)單位 i ),cos(θ) 為橫坐標(biāo),則可以發(fā)現(xiàn):e^(iθ) 表示一個(gè)圓心在原點(diǎn),半徑為1的單位圓(圖中是 α ,因?yàn)樽鲌D軟件的限制,換不成 θ ,但不影響)

e^(iθ)這個(gè)公式等價(jià)于一種旋轉(zhuǎn),<span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">&#x03B8;' role='presentation'>θ 為旋轉(zhuǎn)角的度數(shù)(統(tǒng)一單位,弧度制,即把°轉(zhuǎn)換成實(shí)數(shù))<span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">&#x03B8;=2&#x03C0;' role='presentation'>θ=2π 即為360°,是單位圓

我們已經(jīng)優(yōu)雅的找到了這個(gè)橋梁,接下來(lái)仔細(xì)研究一下它意味著什么

指數(shù)函數(shù) Exponentiation

指數(shù)函數(shù)有一個(gè)非常重要的特性:加法變乘法,即
也就是說(shuō)通過(guò)指數(shù)函數(shù),可以做到使用平移變換來(lái)描述伸縮變換,這具體是什么意思呢?參考下面的動(dòng)圖
上方的數(shù)軸,表示的是平移變換 -1(左移一個(gè)單位) 和 2(右移兩個(gè)單位)(加法),下方的數(shù)軸將兩個(gè)數(shù)作為輸入,代入到一個(gè)指數(shù)函數(shù)中,對(duì)于函數(shù)來(lái)說(shuō),這個(gè)輸出值,就是兩次伸縮變換 (乘法),一次是收縮為原來(lái)的 ,另一次是拉伸成原來(lái)的 

注意,所謂可以變的意思是說(shuō),加法運(yùn)算可以成立,意味著先往左平移1單位,再往右平移一單位,組合起來(lái)的左右就是往右平移一到位(-1+2=1, 群論的保持結(jié)構(gòu)特性) ,  而乘法運(yùn)算成立也要滿足這個(gè)特性  

復(fù)平面 Complex Plane

至此,構(gòu)造復(fù)平面,把虛數(shù)單位 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">i' role='presentation'>i 加到縱軸上。我們就同時(shí)擁有了伸縮和旋轉(zhuǎn),最關(guān)鍵的是,有了這兩個(gè)操作,我們同時(shí)也可以維持的群的特性(使用乘法)
如下面動(dòng)圖所示,在復(fù)平面內(nèi),以指數(shù)函數(shù)為橋梁,實(shí)軸橫向平移對(duì)應(yīng)伸縮,虛軸縱向平移對(duì)應(yīng)旋轉(zhuǎn)

橫坐標(biāo)紅線,橫向平移映射到伸縮操作的可視化
縱坐標(biāo)虛數(shù)單位,縱向平移映射到旋轉(zhuǎn)操作的可視化,正為逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)
現(xiàn)在使用的橋梁是底數(shù)為2的指數(shù)函數(shù),我們知道e^(πi)代表的半個(gè)圓周,我們希望把底數(shù)變成 e , 這樣更加方便表達(dá)圓的概念
每走一個(gè)單位的縱向位移,在圓周上旋轉(zhuǎn)的圓弧長(zhǎng)度就是1,參照下面的動(dòng)圖,e^(πi) 恰好代表逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)180°,并且落在的位置為(-1,0),這就是歐拉公式,或者說(shuō)是歐拉公式的幾何直觀可視化

總結(jié)

這第一部分到底干了啥?其實(shí)就是想建立一個(gè)觀念(或者說(shuō)常識(shí))
e^x 在復(fù)平面,或者說(shuō) x=ai(a為某個(gè)常數(shù),就是弧度制的圓周長(zhǎng)度)代表的變換是:旋轉(zhuǎn)
如果你之前學(xué)過(guò)傅立葉變換,那么會(huì)明白為什么需要花費(fèi)這么大篇幅來(lái)講這個(gè),因?yàn)楣街校?e^(iπ) 那是可是相當(dāng)重要的一部分啊

傅里葉變換

  
正式進(jìn)入傅立葉變換的部分,老規(guī)矩,先做一下基本信息整理

什么是傅立葉變換

首先,還是先弄清楚我們理解的目標(biāo)是什么
傅立葉變換(如果不加限定,這個(gè)詞對(duì)應(yīng)的是連續(xù)傅立葉變換
傅立葉級(jí)數(shù)
傅立葉變換還有很多其他的內(nèi)容:離散時(shí)間傅立葉變換,離散傅立葉變換,傅立葉逆變換,快速傅立葉變換等,進(jìn)一步的拉普拉斯變換,小波變換,z變換等

[ 公式表示 ]

傅立葉變換,變換作用是時(shí)域映射到頻域,公式是長(zhǎng)這樣的:
很多時(shí)候,這里的會(huì)寫(xiě)成 F(w) 或 F(f) 表示角速度或者頻率,當(dāng)然后面的公式的量綱也需要對(duì)應(yīng)的修改;后面的自變量 x 大多數(shù)時(shí)候都是寫(xiě)成 t 表示時(shí)間。當(dāng)然,他們表示的都是同一個(gè)東西

[ 聯(lián)想鏈條 ]

既然是為了【理解】和【記憶】,那么我們還是需要定義一個(gè)聯(lián)想鏈條:
傅立葉變換 ? 分解聲音的過(guò)程

這么抽象實(shí)在是因?yàn)椴鹱址ㄕ娴暮茈y聯(lián)想出什么東西來(lái)(傅里葉?變換?嗯,很難的樣子),只能這樣了。
接下來(lái)就是精華部分:3b1b的傅立葉變換講解內(nèi)的核心內(nèi)容!在筆記完成后,會(huì)給出結(jié)合直觀理解的完整聯(lián)想鏈條,目的當(dāng)然是【讓你永遠(yuǎn)忘不了】嘍,點(diǎn)題!

【看到】傅立葉變換

[ 聲音的表示 ]
我們是如何記錄聲音的呢?如果你測(cè)量的是揚(yáng)聲器旁的氣壓,那么它會(huì)是一個(gè)隨時(shí)間以正弦函數(shù)形態(tài)不斷震蕩的圖像,一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)音 A(下圖黃色),它的頻率是440Hz,表示每秒鐘振動(dòng)440次,比它低一些的D(下圖紫紅),是294Hz,振動(dòng)的慢一些。如果這兩個(gè)音同時(shí)發(fā)出,產(chǎn)生的氣壓隨時(shí)間曲線怎么決定呢?如下動(dòng)圖,其實(shí)就是把所有時(shí)間點(diǎn)的振幅加起來(lái)
那么如果給你隨意一段隨時(shí)間變化的氣壓曲線,你如何找到這些原有的組成音符呢?這就是我們的目的,參考下面的動(dòng)圖,感覺(jué)有點(diǎn)像是把一盤(pán)混好的原料分成組成它的單獨(dú)的顏色,感覺(jué)不那么容易吧?

下面就需要一步一步把這件事情做出來(lái)
[ 可視化方法 ]
首先,假設(shè)我們有一個(gè)每秒鐘3拍子的聲音信號(hào)(440Hz實(shí)在太快了),它的圖像如下(Intensity為強(qiáng)度,可以同理成氣壓),并且,我們只關(guān)注前面的4.5秒(即圖像中畫(huà)出來(lái)的部分)

1. 繞圈記錄法:同一事物的不同角度

千萬(wàn)不要眨眼!下面是最關(guān)鍵的一步,是【看到】傅立葉變換的核心部分,如下面動(dòng)圖所示
  • 首先把黃色曲線纏繞到一個(gè)圓上,大小就是原本信號(hào)的振幅

  • 圓周?chē)膱D像由白色的箭頭繪制而成,速度可變,上圖中的白色箭頭移動(dòng)速度是每秒鐘轉(zhuǎn)過(guò)半圈(這個(gè)速度是對(duì)于下面的圓形圖像來(lái)說(shuō),每秒鐘在圓形圖像中轉(zhuǎn)半圈),對(duì)應(yīng)上面的則是虛線表示一圈走到的位置,0.5拍子/秒

  • 此時(shí),有兩個(gè)頻率在起作用,一個(gè)是信號(hào)的頻率:3次震蕩/秒,另一個(gè)是圖像纏繞中心圓的頻率,為0.5圈/秒,第二個(gè)頻率可以自由改變,相當(dāng)于一個(gè)變量,下面的動(dòng)圖直觀的展現(xiàn)了纏繞速度變化時(shí)的可視化表現(xiàn)

從最開(kāi)始的 0.79圈/秒(注意這里的速度是指繞單位圓的白色箭頭的滑動(dòng)速度)一直變化到1.55圈/秒,再到最后的恰好是3圈/秒,和原來(lái)的信號(hào)3拍/秒相同,此時(shí)會(huì)出現(xiàn)一個(gè)非常穩(wěn)定的圖像,我們可以理解成,同步,這個(gè)繞圈圖像記錄了原信號(hào)的幅值變化并且每一圈都相同(周期性)
其實(shí),我們只是把一個(gè)水平的軸纏繞到一個(gè)單位圓上,并用另一個(gè)速度的記錄標(biāo)尺(白色箭頭)來(lái)畫(huà)圖,從另一個(gè)角度(維度)來(lái)看我們的信號(hào)

2. 質(zhì)心記錄法:新維度的特征提取

雖然新圖像挺好看的,但是現(xiàn)在感覺(jué)并沒(méi)法從中看出什么。也不盡然,我們直觀的發(fā)現(xiàn),當(dāng)白色箭頭記錄的速度在某些特定的值時(shí),畫(huà)出來(lái)的圖形非常穩(wěn)定,形態(tài)清晰。那如何表現(xiàn)這個(gè)特征呢?
從兩個(gè)角度來(lái)思考
(1)自變量是什么?(輸入特征)
輸入是一個(gè)可變化的轉(zhuǎn)圈速度,既然可變,不妨把它看作自變量,即 f(x)中的x 
(2)輸出(新的圓圈圖)有什么特征?(輸出特征)
觀察到,當(dāng)圖像很混沌(沒(méi)有規(guī)律,混亂的)時(shí)候,圖像基本關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱(chēng);穩(wěn)定時(shí),其實(shí)是“頭重腳輕”的。描述“頭重腳輕”最好的方法當(dāng)然是用【質(zhì)心】(它描述了物體的空間分布特征) ,下面的動(dòng)圖直觀展現(xiàn)了質(zhì)心特征對(duì)圖像特征的描述能力(紅色點(diǎn)為質(zhì)心)
考慮到質(zhì)心其實(shí)是一個(gè)二維坐標(biāo),這里為了簡(jiǎn)潔和直觀,取質(zhì)心的橫坐標(biāo)來(lái)表示質(zhì)心的特征
【輸入(橫坐標(biāo))】?【進(jìn)行采樣的(白色箭頭)的繞圈速度】
【輸出(縱坐標(biāo))】?【圓圈圖的質(zhì)心位置的橫坐標(biāo)】
按照上面的說(shuō)明來(lái)記錄繪出圖像,記錄每個(gè)纏繞頻率(速度)對(duì)應(yīng)的質(zhì)心位置,參看下列動(dòng)圖,隨著圖像的繪制到3圈/秒這個(gè)位置的時(shí)候,是不是感到似曾相識(shí)呢?
我們可以看到,新圖像的橫坐標(biāo)寫(xiě)的是【頻率 Frequency】,即纏繞圓圈的記錄速度,所以強(qiáng)烈建議看到頻率,想起速度,并且抽象為圍著圓圈跑的速度(個(gè)人感受,對(duì)理解【頻率】的概念有助益)
好!有了這個(gè)工具,先把它應(yīng)用到兩個(gè)聲音的組合圖像中看看效果:(這是我最喜歡的一張動(dòng)圖)
什么?還是沒(méi)看清上面的振動(dòng)圖像如何變成圓圈圖的?看下面的動(dòng)圖,纏繞圓圈速度為2圈/秒的白色箭頭將時(shí)間信息映射到圓圈圖中的的可視化。再次重復(fù),白色箭頭以一定的速度(頻率,一秒幾圈)在上圖中向右橫移,同時(shí),在下面的單位圓內(nèi)被轉(zhuǎn)換成類(lèi)似鐘表指針移動(dòng)的圓圈運(yùn)動(dòng),并記錄振幅,畫(huà)出圖像
BTW,圖形的一部分有點(diǎn)像動(dòng)畫(huà)EVA中某個(gè)使徒的臉,帶給人一種詭異的儀式感。數(shù)學(xué)之令人敬畏,可能在這一刻熠熠生輝,刺的人睜不開(kāi)眼
[ 公式表示 ]
大家也發(fā)現(xiàn)了,我們已經(jīng)通過(guò)這樣一個(gè)纏繞機(jī)器完成了時(shí)域到頻域的轉(zhuǎn)換,總得來(lái)說(shuō),參看下面的動(dòng)圖
這是一種【近傅立葉變換】,為什么是【近】,后面會(huì)提到。先考慮,那如何數(shù)學(xué)語(yǔ)言表達(dá)這個(gè)【轉(zhuǎn)圈記錄機(jī)制(工具 or 機(jī)器)】呢?

第一步:旋轉(zhuǎn)的表示

如下面的動(dòng)圖所示,在這個(gè)工具中,非常關(guān)鍵的就是轉(zhuǎn)圈,即表達(dá)旋轉(zhuǎn)這種運(yùn)動(dòng),根據(jù)第一大部分,這個(gè)橋梁,就是復(fù)平面,其背后的原理是指數(shù)函數(shù)結(jié)合泰勒公式
更進(jìn)一步,指數(shù)函數(shù)中,以 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">e' role='presentation'>e 為底的函數(shù)有著特殊的性質(zhì),如下面動(dòng)圖所示,<span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">&#x03C0;' role='presentation'>π單位的就表示一個(gè)單位圓的360°旋轉(zhuǎn),則表示的就是一秒鐘一圈的旋轉(zhuǎn)方程,感覺(jué)速度有點(diǎn)太快了,所以加一個(gè) f 頻率,控制旋轉(zhuǎn)的速度 ,圖中為 1/10 , 合起來(lái)表示一秒鐘十分之一圈

第二步:纏繞的表示

首先,依據(jù)下面的動(dòng)圖所示,在傅立葉變換中,我們規(guī)定旋轉(zhuǎn)是順時(shí)針的(規(guī)定只是為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),并且有時(shí)候也會(huì)考慮書(shū)寫(xiě)簡(jiǎn)潔和方便計(jì)算),所以先加一個(gè)負(fù)號(hào)。假設(shè)原來(lái)的函數(shù)是g(t),將兩者的幅值相乘就能得到纏繞圖像,,可以說(shuō)是相當(dāng)機(jī)智了!

第三步:質(zhì)心的表示

那如何表示質(zhì)心這一概念呢?粗略想一下感覺(jué)挺難的,但是看起來(lái)很難的問(wèn)題,有一種解決問(wèn)題的途徑是【演繹推理】,先從簡(jiǎn)單的特例出發(fā),推廣到一般,最后證明正確性即可
考慮如何求一個(gè)正方形的質(zhì)心位置,我們只需在邊框上取n個(gè)等距離分布的點(diǎn),并且算這幾個(gè)點(diǎn)的位置的平均值。那么推廣到一般情況,也使用類(lèi)似的采樣點(diǎn)的方式解決,如下面動(dòng)圖所示(紫紅色的點(diǎn)即采樣點(diǎn)),得到

隨著采樣點(diǎn)的增加,需要使用積分來(lái)求解這個(gè)問(wèn)題,如下面動(dòng)圖所示,得到

最終步:整理積分限和系數(shù)

看到常數(shù)項(xiàng)系數(shù),如果忽略表達(dá)倍數(shù)關(guān)系的系數(shù),對(duì)應(yīng)的含義也會(huì)發(fā)生變化,不再是質(zhì)心,而是信號(hào)存在的時(shí)間越久,位置是質(zhì)心位置乘以一個(gè)倍數(shù),它的值就越大。參看下面的動(dòng)圖,持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為3秒,那么新的位置就是原來(lái)質(zhì)心位置的三倍;為6秒,就是原來(lái)的6倍
而去掉系數(shù)的幾何直觀動(dòng)圖變?yōu)椋t色箭頭為去掉系數(shù)后的長(zhǎng)度表示),最本質(zhì)的區(qū)別是:可以使得最后繪制的圖像更集中在對(duì)應(yīng)的頻率的附近,或者說(shuō)在對(duì)應(yīng)的頻率位置的值更大
繼續(xù)考慮上下限。我們知道,一般傅立葉變換公式的上下限是正負(fù)無(wú)窮,那它的幾何直觀是什么呢?參看下面動(dòng)圖,其實(shí)就是看看信號(hào)持續(xù)時(shí)間無(wú)窮大是什么樣子的
說(shuō)實(shí)話,這個(gè)動(dòng)圖解答了我大學(xué)時(shí)代的一個(gè)疑惑,音樂(lè)文件不都是有時(shí)間長(zhǎng)度的嘛,我就一直不懂,憑什么對(duì)負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮做傅立葉變換?原來(lái)真實(shí)情況是,負(fù)無(wú)窮到0,音樂(lè)結(jié)尾到正無(wú)窮,就像上面的動(dòng)圖,其實(shí)都沒(méi)有振動(dòng)幅值(電信號(hào)幅值)與之對(duì)應(yīng),再結(jié)合纏繞圓圈的思想:原來(lái),從音樂(lè)開(kāi)始到結(jié)束傅立葉變換和從負(fù)無(wú)窮到正無(wú)窮做傅立葉變換,是特么的一回事?。。ㄍ虏弁戤叄?/section>

補(bǔ)充

[ 相位 ]
在表示質(zhì)心的時(shí)候,我們只取用了x軸坐標(biāo),下面的圖中的藍(lán)色曲線就是縱坐標(biāo)(y軸 or 虛部)的可視化,紅色曲線是橫坐標(biāo)(x軸 or 實(shí)部)
那么相位是如何表示的呢?如下面動(dòng)圖所示,其中紅色的部分為質(zhì)心,長(zhǎng)度為振幅大小,對(duì)應(yīng)的角度就是相位

[ 原信號(hào)的長(zhǎng)度 ]

再追根究底一些,因?yàn)橹耙呀?jīng)提到過(guò),假設(shè)我們的信號(hào)有4.5s。
那么考慮原信號(hào)的長(zhǎng)度的變化呢?首先,假設(shè)信號(hào)的長(zhǎng)度很長(zhǎng),那么纏繞圓上的線就會(huì)更多,每次接近穩(wěn)定圖像質(zhì)心的變化速度更快(即頻域圖像更加密集),參看下面動(dòng)圖
那么對(duì)應(yīng)的,如果原信號(hào)的長(zhǎng)度縮短呢?如下面動(dòng)圖所示,頻域圖像會(huì)更加稀疏。原因同理,當(dāng)纏繞的內(nèi)容少的時(shí)候,重心變化的速度也相應(yīng)的變慢了
總得來(lái)說(shuō),基本就上述內(nèi)容就詳細(xì)解釋了下面的現(xiàn)象:
時(shí)域的信號(hào)周期越長(zhǎng),那么頻域就越集中,越不容易發(fā)生混疊,越容易抽象出時(shí)間信號(hào)的周期性重復(fù)信息,此時(shí)自然而然的,周期性這個(gè)詞就出現(xiàn)了。
另外,可以自己思索一下,比如無(wú)窮時(shí)間的周期時(shí)域信號(hào)呢?又比如一個(gè)恒定振幅(一個(gè)電平)的時(shí)域信號(hào)呢?其實(shí)這里就給出了一個(gè)提示有關(guān)為什么傅立葉變換有那么多需要考慮的變形了,因?yàn)樵诶p繞這件事情發(fā)生的過(guò)程中,有幾種情況是特別的(這部分3B1B視頻并沒(méi)有講解,可能需要未來(lái)再更新了)

總結(jié)

講了這么長(zhǎng),至此全部結(jié)束。估計(jì)讀者都已經(jīng)暈了,那么,在這里為【看到】傅立葉變換做一個(gè)總結(jié),就來(lái)總得說(shuō)說(shuō)我們從頭到尾都干了些啥?參看下面動(dòng)圖
  • (1)e^(πi)表示單位圓,添加自變量即可表示旋轉(zhuǎn)
  • (2)與原函數(shù)相乘纏繞到單位圓上
  • (3)為求質(zhì)心的特征,進(jìn)行積分計(jì)算
一步一步寫(xiě)出傅立葉變換公式的聯(lián)想鏈條
  • 一個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)360°畫(huà)成的圓 ?
  • 表示運(yùn)動(dòng),需要原函數(shù)的自變量,時(shí)間 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">t' role='presentation'>
  • 表示旋轉(zhuǎn)速度,需要自變量,頻率
  • 規(guī)定變換的采樣方向?yàn)轫槙r(shí)針,加負(fù)號(hào)
  • 乘以原函數(shù)纏繞到單位圓并記錄(此處使用g符號(hào)標(biāo)識(shí)原函數(shù)是為了和頻率符號(hào)區(qū)分
  • 為了計(jì)算質(zhì)心特征,積分
  • 自變量為頻率 <span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">f' role='presentation'>f,寫(xiě)出函數(shù)表達(dá)式<span data-mathml="<math xmlns=" http:="" www.w3.org="" 1998="" math="" mathml'="">g&#x005E;(f)=&#x222B;&#x2212;&#x221E;+&#x221E;g(t)e&#x2212;2&#x03C0;itfdt' role='presentation'>
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