《漫画傅里叶解析》笔记(5)

  《漫画傅里叶解析》作者 涉谷道雄

第6章 傅里叶变换的准备知识

一、 用三角函数的加法运算制作图形

   1. 画出Y=sinX+cosX的图形。加法的结果得到两函数振幅的合成后的大小;横向位置改变;

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   2. 图形的出发点,也就是函数y=0的x值,发生了改变,出发点不同了。 这个出发点到y轴的距离,叫做“相位差”,简称相位。

二、 acosX与bsinX的合成

   1. acosx与bsinx的幅度大小就是\sqrt{a^2+b^2}
   2. sin nx 与 cos nx 合成时是n 周期,这个n 周期对应着角频率ω,有了周期和振幅r ,就能得到频谱图。

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三、 周期不同的三角函数的合成

  可以组合成不同的波形。


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四、 傅里叶级数

  多个函数的组合
  傅里叶级数

F(x)=\frac{1}{2}a_0+a_1cosx+a_2cos2x+a_3cos3x+...+a_ncosnx+...
+b_1sinx+b_2sin2x+b_3sin3x+...+b_nsinnx+...
=\frac{1}{2}a_0+\sum^{\infty}_{n=1}(a_ncosnx+b_nsinnx)

   1. 首先,解释一下式子的整体意思,这个式子中,左边的F(x)函数表示右边由cos与sin函数合成得到的函数。当然,F(x)表示怎样的函数,根据a0,a1,a2,…,an,…,b1,b2,…..bn,….的变化
  改变,那么在此,通过F(x)与a0,a1,a2,…,an,…,b1,b2,…..bn,….的关系来研究合成的意义吧。
   2. 表达式的第一项1/2a0,这个常数项能使后面的由三角函数合成的波形全体进行上下移动。
   3. 傅里叶级数中的n,这个n既是“决定振幅大小的数值”,也是“函数中x前面的决定周期的数值”,这两个数值中应该同时代人1,2,3,4……不断累加起来。
   4. a0,a1,a2,…,an,…,b1,b2,…..bn,….叫做傅里叶系数,这些系数的值能决定F(x)波形的形状。之所以这么说,是因为傅里叶级数中,决定振幅的an与bn的n与决定周期的nx的n联系在一起,而且an与bn分别表示cos与sin函数的系数,如果决定了an与bn的大小,合成函数的形状也就是F(x)的波形也就自然而然地为某一定值了。

   5. 锯齿波: An=n的倒数,即 1,1/2,1/3….. ,用excel计算 图形。
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   6. 方波: An =奇数。当n累加到无穷大时合成得到的波形叫做方波(又叫矩形波)。
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五、 时间函数与频率谱

  1. 讲三角函数时,三个不同的点在半径1,2,3的圆上旋转。将这个用随时间变化的图形表示出来,就能得到sin函数。
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   2. 这种随时间变化的函数叫做时间函数。有确定周期的重复变化的函数叫做周期函数。接下来,以ω为横轴,转换为频率谱图像。这样就完成了从时间函数到频率谱转换的流程。
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  3. 半径为3的圆周上,以ωt旋转的点可以用Y=3sinx 表示。同理,其余两个函数是Y=4sin2x,Y=2sin3x;将这些函数加起来,变成下图:
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   4. 傅里叶变换,就是从这样加法合成得到的函数中,能将加起来之前的各个函数的周期和大小计算出来。
  5. 傅里叶变换中的函数是周期函数,自然界中的很多波不是周期函数,只要取一段时间区间,将该波形不断重复形成周期函数,就能用傅里叶变换进行计算了。


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六、 傅里叶变换的入口

   1. 合成和变换互为逆运算。将多个函数组合起来叫做“合成”。研究某个东西是怎样组合而成的叫做“变换”
   2. 根据傅里叶级数的逆向思考方法,采用傅里叶变换对波形进行分析,叫做傅里叶解析。

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