对于不同种类的函数,有一些不同版本的傅里叶变换的定义。对于定义在欧几里得空间
上的函数,可给出通常的连续傅里叶变换;对于定义在
维环面
上的函数,或者说周期函数,就给出傅里叶级数。进行傅里叶变换的函数的定义域可以推广到拓扑群,如局部紧交换群。
若“傅里叶变换”一词不加任何限定语,则往往是指所谓“连续傅里叶变换”,下文我们默认讨论连续傅里叶变换。其他的常见变种列于傅里叶变换的其他变种一节。
对于一个多实变量的复函数
,其傅里叶变换的结果(记作
或
)最广为人知的定义方式是下面的傅里叶积分
称为傅里叶积分变换。值得一提的是,不同的作者可能在定义中对积分号前的系数
和指数上的系数
进行调整,不同领域有不同的惯用约定[1],参见变换参数的常见约定。
许多情况下,还可以定义另一个积分变换
:
且如记号所暗示的那样,它称作傅里叶积分逆变换,也就是说满足
。
以上的定义并不总是有效。
比如,若某函数的傅里叶积分不收敛,则这一版本的傅里叶变换对其就无法定义;即便傅里叶积分收敛,所得的函数的积分逆变换也可能不收敛;或者这两个变换不是上面所希望的互逆关系。所以须了解对于什么样的函数可进行傅里叶变换,并且满足不同假定的函数的傅里叶变换可能有不同性质。
另外,可以进行上述积分变换的函数太少,如
这样的常值函数或各种多项式函数都无法使用上面的积分定义,这些情况对于信号频域分析等直接应用而言也是十分重要的,因而希望推广其定义。这就是下面几个小节的主题。
对于速降函数
,其有这样唯一一个由积分定义的连续线性泛函
与之对应(这一点实际上只需局部可积函数):
现在对其做傅里叶变换,得到
其中第二个等号源于
的如下性质(由富比尼定理易证):
由此可看出线性泛函
以前述的方式唯一对应于函数
(唯一性在这样意义上理解:对应相同线性泛函的函数几乎处处相等)。在这个意义上它对于
是与
的定义相重合的。
然而并非所有连续线性泛函都有这样的积分表示,如所谓求值泛函。0处的求值泛函作用于每个函数时,都给出该函数在0处的值:
它正是所谓狄拉克δ函数,其傅里叶变换满足
而这正是常值函数
如前述方式对应的线性泛函
。也就是说在这个意义上,狄拉克δ“函数”的傅里叶变换是
。从频谱意义上理解,这意味着常值函数的频谱集中在零频率处(或者说周期无穷大)
的情况。
如前面提到的,傅里叶积分变换中有可调整的参数,对它们的调整不会造成变换性质的显著变化,而仅仅是对变换结果的定义域或值域进行了放缩。通过显式地引入参数
,傅里叶积分变换的通式可以写为[1]
相应的满足
的逆变换定义为
一些选择组合因同时满足上面多个特性或在特定领域中自然出现而变得常见,列在下表。
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...
一些常见选择[1]
编号
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a
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b
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满足特性
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场景
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1
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0
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1
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1、4、7
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现代物理
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2
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1
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-1
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2、4、6
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纯数学、系统工程
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3
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-1
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1
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3、4、7
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传统物理
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4
|
0
|
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1、2、3、5、6
|
信号处理
|
Close
本节中使用的约定是
。
- 傅里叶变换可用于将索伯列夫空间
上的范数从
的情况推广至为
的情况。
- 一个随机变量的特征函数是概率密度函数的傅里叶变换
,尽管技术上往往使用傅里叶-斯蒂尔切斯变换的形式。
在处理具有波动方程背景的函数时,频域的信息处理起来通常更为方便,且信号的滤波等频域操作在器件方面有简单的实现。
除了力学振动、振荡电路等有明显波动方程背景的问题外,也有一些其他情况使得傅里叶变换在理论中自然地出现,如:
傅里叶变换是线性映射。也就是说对于
也存在
可定义函数间的映射
满足
称为平移算子。其可以推广到缓增分布上,定义为共轭算子
,也就是说对于
其中省略了表示平移算子作用于函数所需的括号。下文不再区分函数与分布的平移,采用相同记号。
傅里叶变换与平移算子满足如下关系:
反过来,对于函数
,也有
。
也就是说平移与相移相关联。
的情况即给出所谓反射性质。
傅里叶变换与导数算子满足如下关系:
其中
是高阶导数,多元情况则一般化为多重指标。
反过来,对于函数
,也有
。
也就是说求导在乘上频率是相关联的。
这里的导数算子也可以是缓增分布的导数算子,同样由共轭算子定义为
。
连续形式的傅里叶变换其实是傅里叶级数(Fourier series)的推广,因为积分其实是一种极限形式的求和算子而已。对于周期函数,其傅里叶级数是存在的:
![{\displaystyle f(x)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }F_{n}\,e^{inx},}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9b2dce7ad9c0591419b637aee8cdb8c4a9fd9e5a)
其中
为复振幅。对于实值函数,函数的傅里叶级数可以写成:
![{\displaystyle f(x)={\frac {a_{0}}{2}}+\sum _{n=1}^{\infty }\left[a_{n}\cos(nx)+b_{n}\sin(nx)\right]}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/2f7e5be189e79d0b56c8031ee50c4b2084e34446)
其中an和bn是实频率分量的振幅。
傅里叶分析最初是研究周期性现象,即傅里叶级数的,后来通过傅里叶变换将其推广到了非周期性现象。理解这种推广过程的一种方式是将非周期性现象视为周期性现象的一个特例,即其周期为无限长。
离散傅里叶变换是离散时间傅里叶变换(DTFT)的特例(有时作为后者的近似)。DTFT在时域上离散,在频域上则是周期的。DTFT可以被看作是傅里叶级数的逆变换。
以上的傅里叶变换都可以被统一描述为任意局部紧致的阿贝尔群上的傅里叶变换。这一问题属于调和分析的范畴。在调和分析中,一个变换从一个群变换到它的对偶群。此外,将傅里叶变换与卷积相联系的卷积定理在调和分析中也有类似的结论。傅里叶变换的广义理论基础参见庞特里亚金对偶性中的介绍。
主条目:时频分析变换
小波变换,Chirplet变换和分数傅里叶变换的都是为了得到时间信号的频率信息。同时解析频率和时间的能力在数学上受不确定性原理的限制。
下表列出了傅里叶变换家族的成员。容易发现,函数在时(频)域的离散对应于其像函数在频(时)域的周期性。反之连续则意味着在到达域的信号的非周期性。下表给出详细的情形:
More information 变换, 时间 ...
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下表列出的常用的傅里叶变换对可以在Erdélyi (1954)或Kammler (2000,appendix)中找到。
More information
,
...
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函数 |
傅立叶变换 幺正,普通的频率 |
傅立叶变换 幺正,角频率 |
傅立叶变换 非幺正,角频率 |
注释
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基本定义
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101
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线性性质
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102
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时域平移
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103
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频域平移,变换102的频域对应
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104
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在时域中定标。如果 值较大,则 会收缩到原点附近,而 会扩散并变得扁平。当 趋向无穷时, 成为狄拉克δ函数。
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105
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傅里叶变换的二元性性质。这里 的计算需要运用与傅里叶变换那一列同样的方法。通过交换变量 和 或 或 得到。
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106
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傅里叶变换的微分性质
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107
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变换106的频域对应
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108
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记号 表示 和 的卷积—这就是卷积定理
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109
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变换108的频域对应。
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110
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当 是实变函数
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埃尔米特对称。 表示复共轭。
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111
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当 是实偶函数
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, 和 都是实偶函数。
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112
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当 是实奇函数
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, 和 都是虚奇函数。
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113
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![{\displaystyle \displaystyle {\overline {f(x)}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bdbb834b478fa937599d479f9a040342c22b3cf2) |
![{\displaystyle \displaystyle {\overline {{\hat {f}}(-\xi )}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/80428e30d1d4443ad9c14341739a9cf792003d8a) |
![{\displaystyle \displaystyle {\overline {{\hat {f}}(-\omega )}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bbe8214e05d486c67dda070db41940b4db5d94da) |
![{\displaystyle \displaystyle {\overline {{\hat {f}}(-\nu )}}}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d4d3ef9e24b4acc46a7c40b7e8f5ceccda38a83c) |
复共轭,110的一般化
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More information
, ...
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时域信号 |
角频率表示的 傅里叶变换 |
弧频率表示的 傅里叶变换 |
注释
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![{\displaystyle g(t)\!\equiv \!}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/db4f64e9330c14a22b70228c614c089ef0b5a5d5)
|
![{\displaystyle G(\omega )\!\equiv \!}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6f7f916fbeb6f2f2e111a93bad95549534446793)
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![{\displaystyle G(f)\!\equiv }](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/af0b518e7b4dad9a4ebf2230ee04bdc4fca81ce4)
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10
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矩形脉冲和归一化的sinc函数
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11
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变换10的频域对应。矩形函数是理想的低通滤波器,sinc函数是这类滤波器对反因果冲击的响应。
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12
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tri是三角形函数
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13
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变换12的频域对应
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14
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高斯函数 的傅里叶变换是其本身;只有当 时,该函数可积的
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15
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光学领域应用较多
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16
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17
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18
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a>0
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19
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变换本身就是一个公式
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20
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J0(t)是0阶第一类贝塞尔函数。
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21
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上一个变换的推广形式; Tn (t)是第一类切比雪夫多项式。
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22
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![{\displaystyle {\sqrt {\frac {2}{\pi }}}{\frac {i}{n}}(-i)^{n}\cdot U_{n-1}(\omega )\,}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/33484b90b024cd7e6da8fb4f8cffaf6bd7121ef1)
|
![{\displaystyle {\frac {2\mathrm {i} }{n}}(-i)^{n}\cdot U_{n-1}(2\pi f)\,}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6ba0a042b6f8d1f8bff06614caab96795a94ea10)
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Un (t)是第二类切比雪夫多项式。
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, ...
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时域信号 |
角频率表示的 傅里叶变换 |
弧频率表示的 傅里叶变换 |
注释
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![{\displaystyle g(t)\!\equiv \!}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/db4f64e9330c14a22b70228c614c089ef0b5a5d5)
|
![{\displaystyle G(\omega )\!\equiv \!}](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/6f7f916fbeb6f2f2e111a93bad95549534446793)
|
![{\displaystyle G(f)\!\equiv }](//wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/af0b518e7b4dad9a4ebf2230ee04bdc4fca81ce4)
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基本定义
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23
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代表狄拉克δ函数分布.这个变换展示了狄拉克δ函数的重要性:该函数是常函数的傅立叶变换
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变换23的频域对应
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25
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由变换103和23得到
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26
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由变换101和25得到,应用了欧拉公式:
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27
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由变换101和25得到
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28
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这里, 是一个自然数. 是狄拉克δ函数分布的 阶微分。这个变换是根据变换107和24得到的。将此变换与101结合使用,我们可以变换所有多项式函数。
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29
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此处 为符号函数;注意此变换与变换107和24是一致的.
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30
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变换29的推广
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变换29的频域对应
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此处 是单位阶跃函数;此变换根据变换101和31得到.
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33
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是单位阶跃函数,且 .
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34
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狄拉克梳状函数——有助于解释或理解从连续到离散时间的转变.
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More information
,
...
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时域信号
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傅立叶变换 单一,普通频率
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傅立叶变换 幺正,角频率
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傅立叶变换 非幺正,角频率
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400
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401
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402
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- 注释
400: 变量
、
、
、
、
、
为实数。二重积分是对整个平面积分。
401: 这两个函数都是高斯函数,而且可能不具有单位体积。
402: 此圆有单位半径,如果把
认作阶梯函数
; Airy分布用
(一阶第一类贝塞尔函数)表达。(Stein & Weiss 1971,Thm. IV.3.3)
Stein, Elias M.; Shakarchi, Rami; Stein, Elias M. Fourier analysis: An introduction. Princeton lectures in analysis / Elias M. Stein & Rami Shakarchi. Princeton Oxford: Princeton University Press. 2003: 132–134. ISBN 978-0-691-11384-5.
Stein, Elias M.; Shakarchi, Rami. Real Analysis: Measure theory, Integration, and Hilbert spaces. Princeton lectures in analysis. Princeton University Press: Princeton university press. 2005: 87–87. ISBN 978-0-691-11386-9.
Stein, Elias M.; Shakarchi, Rami. Functional analysis: introduction to further topics in analysis. Princeton lectures in analysis. Princeton: Princeton university press. 2011: 108–108. ISBN 978-0-691-11387-6.
Weinberg, Steven. The quantum theory of fields 1. Cambridge: Cambridge University. 2005-05-09. ISBN 978-0-521-67053-1.
- Ronald Newbold Bracewell. The Fourier Transform and Its Applications [傅里叶变换及其应用] 3. Boston: McGraw Hill. 2000 (英语).
- 陈锡冠, 曾致煌. 工程數學. 高立出版社. ISBN 957-584-377-0 (中文(台湾))..
- Erdélyi, Arthur (编), Tables of Integral Transforms [积分变换表] 1, New York: McGraw-Hill, 1954 (英语)
- Kammler, David, A First Course in Fourier Analysis [傅立叶分析入门课程], Prentice Hall, 2000, ISBN 0-13-578782-3 (英语)
- Stein, Elias; Weiss, Guido, Introduction to Fourier Analysis on Euclidean Spaces [欧几里得空间上的傅立叶分析导论], Princeton, N.J.: Princeton University Press, 1971 [2014-10-31], ISBN 978-0-691-08078-9, (原始内容存档于2014-03-28) (英语).
- Stein, Elias; Rami, Shakarchi, Fourier Analysis: An Introduction [傅立叶分析:导论], Princeton Lectures in Analysis 1, Princeton University Press, 2003, ISBN 0-691-11384-X (英语).
- Stein, Elias; Rami, Shakarchi, Fourier Analysis: An Introduction [傅立叶分析导论], 数学经典英文教材系列 1, 中国世界图书出版公司, 2006, ISBN 9787506272872 (英语) (影印版).