傅里叶级数:Fourier Serie
- 傅里叶级数针对周期性函数:任意周期函数都可写成三角函数之和
- 公式
-
f
(
x
)
=
a
0
×
1
+
∑
i
=
1
∞
(
a
i
×
c
o
s
(
2
×
π
×
i
T
×
x
)
+
b
i
×
s
i
n
(
2
×
π
×
i
T
×
x
)
)
=
∑
k
=
−
∞
∞
(
g
k
(
x
)
)
f(x) = a_0 \times 1 + \sum_{i=1}^{\infty}(a_i \times cos(\frac{2 \times \pi \times i}{T} \times x) + b_i \times sin(\frac{2 \times \pi \times i}{T} \times x)) = \sum_{k=-\infty}^{\infty}(g_k(x))
f(x)=a0×1+∑i=1∞(ai×cos(T2×π×i×x)+bi×sin(T2×π×i×x))=∑k=−∞∞(gk(x))
- g k ( x ) = a k × e j × k × ( 2 × π T ) × x g_k(x) = a_k \times e^{j \times k \times (\frac{2 \times \pi}{T}) \times x} gk(x)=ak×ej×k×(T2×π)×x,其中欧拉公式为: e j × θ = c o s ( θ ) + j × s i n ( θ ) e^{j \times \theta} = cos(\theta) + j \times sin(\theta) ej×θ=cos(θ)+j×sin(θ)
- a 0 ∈ R a_0 \in \mathbb{R} a0∈R
- T T T为函数周期
- 时域: f ( x ) f(x) f(x)函数
- 频域:以 ( 1 , c o s ( i × x ) / s i n ( i × x ) ) (1, cos(i \times x)/sin(i \times x)) (1,cos(i×x)/sin(i×x))为基的对应向量 ( a 0 , a i / b i ) (a_0, a_i/b_i) (a0,ai/bi)。叠加波的映射
- 即:级数 i i i越大,频域向量维度变高,越密集。周期 T T T越大,频域越密集(正弦/余弦图更紧凑)
- g k ( x ) g_k(x) gk(x)是周期为 T T T的周期函数, k k k值不同时,周期信号具有谐波关系(即它们都具有一个共同周期 T T T)。 k × ( 2 × π T ) k \times (\frac{2 \times \pi}{T}) k×(T2×π)即为 k k k次谐波,其中 k = 0 k=0 k=0时为常值 a 0 a_0 a0
-
f
(
x
)
=
a
0
×
1
+
∑
i
=
1
∞
(
a
i
×
c
o
s
(
2
×
π
×
i
T
×
x
)
+
b
i
×
s
i
n
(
2
×
π
×
i
T
×
x
)
)
=
∑
k
=
−
∞
∞
(
g
k
(
x
)
)
f(x) = a_0 \times 1 + \sum_{i=1}^{\infty}(a_i \times cos(\frac{2 \times \pi \times i}{T} \times x) + b_i \times sin(\frac{2 \times \pi \times i}{T} \times x)) = \sum_{k=-\infty}^{\infty}(g_k(x))
f(x)=a0×1+∑i=1∞(ai×cos(T2×π×i×x)+bi×sin(T2×π×i×x))=∑k=−∞∞(gk(x))
- 本质:是将一个周期的信号分解成无限多分开的(离散的)波
傅里叶变换:Fourier Transformation
- 时域是叠加波,频域就是几条竖线(振幅就是高度),时域很复杂的东西,很可能在频域就很简单。
-
A
×
s
i
n
(
w
×
x
+
θ
)
A \times sin(w \times x + \theta)
A×sin(w×x+θ)
- A A A:振幅
- w w w:频率,周期的倒数
- θ \theta θ:相位
-
F
(
w
)
F(w)
F(w)叫做
f
(
t
)
f(t)
f(t)的象函数,
f
(
t
)
f(t)
f(t)叫做
F
(
w
)
F(w)
F(w)的象原函数
- 傅里叶变换: F ( w ) = F [ f ( t ) ] = ∫ − ∞ ∞ ( f ( t ) × e − i × w × t ) d t F(w) = \mathscr{F}[f(t)] = \int_{-\infty}^{\infty}(f(t) \times e^{-i \times w \times t})\mathrm{d}t F(w)=F[f(t)]=∫−∞∞(f(t)×e−i×w×t)dt
- 傅里叶逆变换: f ( t ) = F − 1 [ F ( w ) ] = 1 2 × π × ∫ − ∞ ∞ ( F ( w ) × e i × w × t ) d w f(t) = \mathscr{F}^{-1}[F(w)] = \frac{1}{2 \times \pi} \times \int_{-\infty}^{\infty}(F(w) \times e^{i \times w \times t})\mathrm{d}w f(t)=F−1[F(w)]=2×π1×∫−∞∞(F(w)×ei×w×t)dw
- 指数形式傅里叶变换:欧拉公式
关系
- 傅里叶级数:时域是一个周期且连续的函数,而频域是一个非周期离散函数
- 傅里叶变换:将一个时域非周期的连续信号,转化为一个在频域非周期的连续信号
- 一个极度有意思的总结图
应用
- 周期时间序列
- R:
fourier
。参考 k k k为级数
- R:
- 滤波(图像,音频,交易信号):去掉特点的频率成分,在频域就是去掉其对应的竖线
- 求解微分方程:时域的需要计算微分和积分,映射到频域就是加减法
- …
Python API:scipy.fft; numpy.fft
fft
:一维离散傅里叶变换。返回傅里叶级数展开的 y i y_i yiifft
:一维离散傅里叶逆变换fft2, ifft2
:同上fftn, ifftn
: n n n维rfft
:入参接受为实数,略掉虚数部分irfft
:逆函数hfft
:Compute the FFT of a signal that has Hermitian symmetry
Reference
- 从傅里叶级数到傅里叶变换
- 百度百科 傅里叶级数
- R fourier
- 知乎专栏-与时间无关的故事
-傅里叶分析:傅里叶级数与变换的关系图片均来源于此 - 百度百科-傅里叶变换