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如何通俗地理解傅立叶变换?

https://www.matongxue.com/madocs/473.html
https://www.zhihu.com/question/19714540 这篇文章写的真好。

1 直观解释
1666年牛顿发现太阳光经三棱镜的折射后可呈现彩色光,称为光的色散现象:
在这里插入图片描述

先说一个物理常识,光是一种波,而光的颜色由振幅和频率所决定。

所以色散实际上是,白色的光波被分解为七色光波(实际应该是无数种颜色的光波):
在这里插入图片描述
七色光波可以用正弦波ansin(nx)(其中an是振幅,nx可以表示频率)来近似。因此上面实际就是傅立叶级数(下面只是傅立叶级数的非常不准确的近似,为了帮助理解简化成了这样子,让我心中充满了罪恶感,后面会给出严格定义):
在这里插入图片描述
雨过天晴,有时就会看见彩虹:

在这里插入图片描述
雨后空气中的水分就好像无数的三菱镜,把太阳光拆成了彩色。正是大自然中的色散现象。

这大概是我们在自然界中最容易观察到的傅立叶级数。

在自然界中这个故事还有续集,我们继续讲下去。

德国化学家罗伯特·威廉·本生(1811一1899),发明了本生灯:

在这里插入图片描述

本生灯除了温度高外,还有一个显著特点,如果合理的控制燃料的成分和喷射压力,可以让火焰没有颜色。

偶然的情况下,本生撒了把盐(氯化钠)到灯的火焰上:
本来无色的火焰变成了黄色:
在这里插入图片描述

这实际上就是盐中的钠燃烧的颜色。

不同的化学元素燃烧的时候会有不同的颜色,复合物质的燃烧颜色会由它的成分的燃烧颜色来合成决定。

因此,如果我们想检测某个物质的成分,就可以把它点燃,然后对它的光进行傅立叶级数分解,就可以得到组成成分。

在这里插入图片描述

从这个意义上来说,万物皆可进行傅立叶级数分解,这也是它的发现者约瑟夫·傅里叶男爵(1768 -1830)所坚信的(实际上是有一定限制的,这个就比较数学了,可以查看傅立叶的收敛定理)。

好了,直观解释讲完了,其实也没有什么卵用。

就好像“听过很多道理,依然过不好这一生”。

我们需要更深入的理解,才能陪傅立叶好好过完这一生。

2 时域:旋转与傅立叶级数
更细致的推导,请参看此文:如何理解傅立叶级数公式?。https://www.matongxue.com/madocs/619.html

我迫不及待的要给出傅立叶级数的严格形式,以弥补我之前的近似。
假设,f(x)为周期为T的函数,并且满足傅立叶级数的收敛条件,那么可以写作傅立叶级数:

在这里插入图片描述
其中:
在这里插入图片描述

2.1 欧拉公式
根据欧拉公式:
在这里插入图片描述
我们可以推出:
在这里插入图片描述
根据上式,我们可以写出傅立叶级数的另外一种形式:
在这里插入图片描述
其中:
在这里插入图片描述
看到复数也不要怕,根据我之前的文章“如何通俗易懂地解释欧拉公式?”,看到类似于在这里插入图片描述这种就应该想到旋转:

在这里插入图片描述

从这角度来看,傅立叶级数:

在这里插入图片描述

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