高中數學角度看傅里葉變換

以下內容都是通過單維角度來看的

傅里葉公式推理 
最初。認爲任何一個周期函數都可以寫成具有三角函數的形式
有段傅里葉在生前的故事,描述其猜想論文遲遲沒有發表的過程。

直覺來說
函數可以展開泰勒公式
f(x) = 1 + f(x)'/1!*x + f(x)''/2!*x^2......
 

猜想 
f(x) = 1+∑(a1*cos+a2*sin)

事實證明這是可以無限接近的一種表達方式

進入話題之前,我們還是需要有一定的三角式基礎
例如 表達式
f = a sin(bx +c)
這裏 a 代表的是三角函數的振幅(amplitude),b代表 頻率 frequency ,c代表相位(相位就是水平平移的度量) ,爲何不叫平量?
所以
sin(θ) 代表 振幅 爲1 ,頻率爲1的三角函數
sin(2θ) ...頻率爲2的三角。
同時相位在傅里葉分析的作用並不是非常大,因爲
f = a*sin(bx +c)= a*sin(bx) * cos(c)+a*cos(bx) * sin(c)
可以把a*cos(c)  = a1 ,a*sin(c)= b1 爲了求解,我們不必求出c是多少,a是多少,而只要
求出 a1,b1 就行 了,所以 f 也就直接寫成 
f = a1 * sin(bx) +b1 * cos(bx)

數學往往是用簡單的代表複雜的事物,去理解事物

現在進入正題
傅里葉其實就是求解 振幅  頻率的過程 (相位的作用不是很大,因爲上面寫到的公式,由一個正弦變成一個正弦加上一個餘弦,餘弦就是相位的另一種分解)


網上說傅里葉過程實質上是通過時域上的數據變成頻域上的數據,這句話說得有些過於高大上,因爲 時域是 啥,頻域是啥,對於剛剛接觸傅里葉信息處理的同學來說:相當於
讓人解釋 加法是什麼的一個問題,很容易陷入自我解釋並陷入死循環的過程。
其實用數學的語言,就是看上面的過程,f(x)就是所謂的時域數據,也就是這個f(x)是由時間組成的一連串時間序列數據列表
而頻域數據就是 上式的右邊式子中的 a0,a1.b1,a2,b2...... 對的這個就是振幅,換句話說頻域就是代表了一種量的疊加,那麼cos(nx),sin(nx)這些我們需要知道嗎?其實,計算機
很喜歡做的就是枚舉,在程序中 cos(nx),sin(nx) 中的 n 是從 【1 , 序列(長度)/2+1】這個長度變化的,當然你也可以擴大n的範圍,但是理論上來說,n越大,相當於如下圖

(竊取的圖,。。。。)
圓圈越小,在數學上來說就是趨近於0,無窮小。所以,一般不考慮,我們只要找出能夠近似的三角函數就算完成目標了。
一般算法最後會得到
一份頻域圖(知道這個頻域指的是什麼了吧)
上圖




問題來了,傅里葉變換速度很慢,因爲要遍歷所有的數據集以及所有的頻率n(1,n/2+1)

但是現實是殘酷的,沒那麼多時間給你算,然後發明了fft (fast 傅里葉變換)
這個待看。



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