傅里葉變換||數(shù)學(xué)物理方法

//其實(shí)傅里葉級(jí)數(shù)在3Blue1Brown的視頻里面已經(jīng)有比較詳細(xì)的介紹,但為了保證文集的完整性,這一篇筆記還是發(fā)表出來(lái)。

5.1 傅里葉級(jí)數(shù)
沒(méi)有周期函數(shù):
取三角函數(shù)族:
則該三角函數(shù)族正交:該函數(shù)族的任意兩不同函數(shù)在一周期的積分為0.
將展開(kāi)為級(jí)數(shù):
則根據(jù)函數(shù)族的正交性,有
從而可以求出.?
特別地,
可以證明,這里的三角函數(shù)族是完備的:
連續(xù),
,
滿足上式,稱上述三角函數(shù)族完備,上式稱為完備性方程,稱級(jí)數(shù)平均收斂于.
狄里希利定理:若函數(shù)在每一周期內(nèi)除有限個(gè)第一類間斷點(diǎn)外處處連續(xù),且只有有限個(gè)極值點(diǎn),則前述傅里葉級(jí)數(shù)收斂,且在間斷點(diǎn)有
什么收斂發(fā)散,嚴(yán)格處理起來(lái)真的好麻煩...作為物理人,我們只關(guān)心:能用就行...
對(duì)于奇函數(shù),傅里葉級(jí)數(shù)只有正弦項(xiàng);偶函數(shù)則只有余弦項(xiàng)。
傅里葉級(jí)數(shù)有復(fù)數(shù)形式。
關(guān)于函數(shù)族的討論,與前面類似。本來(lái)復(fù)指數(shù)和三角函數(shù)的本質(zhì)就是一樣的。

在我的教材里面,求系數(shù)的公式是
但是我比較習(xí)慣的形式是
本質(zhì)上是一樣的。
5.2 傅里葉積分與傅里葉變換
定義在的函數(shù)如果不是周期性的,就不能展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù),但可以考慮它是周期為
的函數(shù)
令
的結(jié)果。
令,則有
其中,
若,則
變?yōu)檫B續(xù)參量,以上各式取極限即
上式稱為傅里葉積分,而(*)式稱為的傅里葉變換式。
利用輔助角公式,上式還可以寫成:
為振幅譜,
為相位譜。
以上只是形式結(jié)果,嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)學(xué)理論有:

當(dāng)分類討論的奇偶性時(shí),甚至可以反復(fù)橫跳:

傅里葉積分有復(fù)數(shù)形式。
可以寫為對(duì)稱形式:
并簡(jiǎn)記為:
稱為原函數(shù),
稱為像函數(shù)。
傅里葉變換具有如下基本性質(zhì):
其中稱為函數(shù)
的卷積。
關(guān)于這一系列的定理,可能主要是卷積不太好懂...后面找個(gè)機(jī)會(huì)專門研究一下卷積...
多重傅里葉積分:
對(duì)于n維情況,引入矢量
則可以有
這里因?yàn)槲⒎?、積分運(yùn)算都是線性的,就可以簡(jiǎn)單推廣。矢量(好像)就是我們平時(shí)見(jiàn)到的波矢。
5.3??函數(shù)
函數(shù)是一種廣義函數(shù),用于描述質(zhì)點(diǎn)、點(diǎn)電荷、瞬時(shí)沖量等理想模型,其定義如下:
,
函數(shù)是偶函數(shù),其原函數(shù)是階躍函數(shù):
它還有被稱為“挑選性”的性質(zhì):對(duì)任意定義在的連續(xù)函數(shù)
,
其實(shí)對(duì)于函數(shù)我的另一種理解是:它是一種概率密度函數(shù),描述的是隨機(jī)變量x必為0的情況(所以其實(shí)根本不隨機(jī))。顯然它滿足歸一化,且所有非0的值取到的概率都為0.
所以這個(gè)挑選性就很好理解了:求的期望,而
必為
,那么結(jié)果就很顯然是
了。
函數(shù)的傅里葉變換?
(這一段看得有一點(diǎn)點(diǎn)懵,改日再補(bǔ)上)
參考文獻(xiàn)
[1] 梁昆淼. 數(shù)學(xué)物理方法(第四版)[M]. 北京:高等教育出版社,2009.8,69~82.