【简单数学概念】为什么傅里叶变换能把时域变为频域?

2023-05-16

一、定义

频率:在1秒时间内,完成相同变化的次数。

周期:完成1次变化所消耗的时间。

两者的关系为:频率=1/周期。

时域:描述数学函数或物理信号对时间的关系(横轴是时间、纵轴是函数值的坐标系)。

频域:描述信号在频率方面特性时用到的一种坐标系(横轴是频率、纵轴是振幅的坐标系)。

二、时域变为频域

傅里叶变换的效果就是将一个波(函数)分解为多个简谐波(三角函数)累加的形式,如下式:

\begin{align*} f(x) & =a_0(x)+\prod_{i=1}^\infty a_i(x)cos(\varphi _nx)+b_i(x)sin(\eta _nx)\\ & =a_0(x)+\prod_{i=1}^\infty a_i(x)cos( \omega _nx) \end{align*}

其中a_i(x)是振幅,\omega _n是频率。

由于全部都是“=”,所以变换前后是同一个波,变换后的结果只是将一个波分解成了多个波相加的形式,于是就有了下面这张经典的图:

 回想时域、频域的定义,再看到这张图,一切就都明了了。所谓时域、频域,都只不过是f(x)在不同角度下观察的结果,只不过原函数很难看出在频域上的特征,需要使用傅里叶变化来更好地观察:

时域上,横轴是时间,纵轴是函数值;

频域上,横轴是\omega _n(频率),纵轴是a_i(x)(振幅)。

三、进一步理解频域

Q1:频域图像的作用?

A:从频域的角度更深入地认识波,快速找到“大的振幅”,并查找到其对应的频率,即主要成分。

Q2:为什么频域图像的横轴是频率,纵轴是振幅?

A1:为什么是频率?

根据频率和周期定义,也可以把横轴理解为1/周期(如果觉得周期更好理解的话),某种角度来看,横轴直接用周期都是可行的。个人感觉,使用“频率”而非“周期”主要在于两点:

(1)\omega _n就是频率,可以直接使用、表示;

(2)频率比较低的波,其振幅往往发挥主要作用,即振幅更大。

A2:为什么是振幅?

函数f(x)的值取决于每一个波的振幅,振幅越大对f(x)的影响也越大,即主要成分。在研究某个函数时,忽略多数小振幅的波可以简化计算、便于理解。

A3:为什么横轴是频率,纵轴是振幅?

多数频域图像都只有少数高峰,即振幅大的点较少,且大振幅间的差距往往不确定,但比较统一的是,多数大振幅都出现在频率较低的区域,而高频往往是噪声。如此一来,横轴是频率、纵轴是振幅的图像更容易找到大的振幅并反向确定频率、用更少的点画出最多的大振幅、更统一的横坐标便于理解。

 

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