傅立葉變換的推導(dǎo)

三角函數(shù)系
首先引入傅立葉變換所使用的三角函數(shù)系
這組三角函數(shù)系像波函數(shù)一樣具有正交性和完備性,但不是歸一的。對(duì)于正交性我們可以看到:
并且三角函數(shù)具有周期性,其周期,即
,見(jiàn)圖1。

傅立葉發(fā)現(xiàn)周期為的函數(shù)可以展開(kāi)為一系列三角函數(shù)的和的形式,即
現(xiàn)在我們先來(lái)求系數(shù),對(duì)公式兩邊同時(shí)對(duì)x作積分,得
這里利用了三角函數(shù)的正交性,最后算得
這時(shí),令,則公式(2)變?yōu)?/p>
這里為了表示方便,把""丟掉,即
接下來(lái)我們?cè)偾笙禂?shù),對(duì)公式(6)兩邊同乘cos(mx),并對(duì)x進(jìn)行積分,得
所以求得,
同理求得。這樣就求完了周期為
的函數(shù)f(x)的傅立葉展開(kāi)系數(shù)。
然而物理中的函數(shù)周期通常都不是,現(xiàn)在來(lái)求周期T=2L的函數(shù)f(t)的傅立葉展開(kāi)系數(shù)。對(duì)于函數(shù)f(t),我們有
。為了把函數(shù)f(t)的周期變換到
,這里利用換元法,令
,所以
。則有,
這樣就把周期為2L的函數(shù)f(t)變換成了周期為的函數(shù)g(x)。周期為
的函數(shù)g(x)的展開(kāi)系數(shù)我們已經(jīng)求過(guò)了,即
做變換,所以公式(10)可以寫為,
下面引入歐拉公式,
所以
則公式(11)可以化為
把公式(14)第二項(xiàng),公式(14)繼續(xù)化為,
現(xiàn)在求系數(shù)C的具體形式,
這時(shí),顯然我們可以得出公式(15)為,
傅立葉變換
下面正式進(jìn)行傅立葉變換。每個(gè)的間隔
為
,所以有
。隨著周期T的變大,
越來(lái)越小,可以看作由離散變?yōu)檫B續(xù)。當(dāng)
,公式(17)e指數(shù)上的
,
,有
所以最后有
在物理中若要對(duì)滿足周期性邊界條件、正格矢、k空間的函數(shù)進(jìn)行傅立葉變換,只需要把公式(18)中的T代換成即可。詳細(xì)公式在李正中的《固體理論》第一章第五節(jié)中給出。