连续傅里叶变换和离散傅里叶变换

网上关于从连续傅里叶变换推导出离散傅里叶变换公式的资料好像比较少,博主查阅了不少资料,总结出了一个推导的思路,现在分享给大家。

先给出连续傅里叶变换的公式:
正变换:

image

傅里叶逆变换:
image

下面,再给出离散傅里叶变换的公式:
正变换:
image

逆变换

image

表面上看,两道公式比较难联系起来,因为连续变换公式的积分限和离散公式的求和范围就有着较大的差异,再者,连续逆变换公式和离散逆变换公式前面的系数也有较大的差别。下面将通过公式推导将这两种变换联系起来。

如果某函数f(t)在无穷区间上连续的,又满足f(t+2Pi)=f(t),那么f(t)的傅里叶变换可以写成


image

那么上式也可以推出下面这个式子:


image

这两个式子其实是等价的。下面简单正面一下这两道公式为什么等价。
证明,假设有


image

那么就有
image


image

就有
image

上面公式当且仅当ω大于等于0,且ω为整数时成立。
联想一下,离散傅里叶公式的ω就是离散的,它的取值就是整数,这种关系是不是很微妙?

现在开始推导公式
我们考虑积分


image

以步长h=2Pi/N近似积分它,我们利用梯形积分法来近似代替,即有


image

其中,


image

image

所以有


image

还记得傅里叶级数公式吗?傅里叶级数公式就是


image

其中,


image

对于上面讨论的f(x)来说,假设其定义在 (0,2Pi)
因此,
image

利用上面讨论出的近似代替的原理,就有


image

式中j虚数单位,因为频率ω也是离散的,所以这里用k代替了频率ω.
上式还可以简化一点,写成如下的形式


image

其中


image

这里,令
image

这就是离散傅里叶变换的公式了。那么离散傅里叶逆变换的公式又是怎样呢,我们可以根据连续傅里叶逆变换的公式来写出。
首先给出连续傅里叶逆变换的公式:


image

类似地,根据梯形积分近似代替的原理,容易写出离散傅里叶逆变换的公式,有


image

这里,将推导出来的正逆变换公式写在下面,有


image

而本文开头给出的公式是


image

对比一下可以发现一些微小的差异,一个就是1/N的位置的差异(其实1/N的位置放在正变换还是逆变换都是可以的)。为什么会出现这种差异呢?
主要原因是我是用



来开始推导正变换公式的,如果我用

推导的话,那么可以很容易想到1/N将不会出现在正变换公式里。

以上推导讲完了,那么究竟离散傅里叶变换和连续傅里叶变换有什么关系呢?离散傅里叶变换的时间和频率都是离散的,而连续傅里叶变换的时间和频率都是连续的,怎样将这种关系对应起来呢?这里我谈谈个人的理解。我们知道离散傅里叶变换的存在是为了使得傅里叶变换能够在计算机中进行运算处理,而计算机是没办法处理连续信号的,所以唯有将连续信号进行离散化。如何离散化呢?根据上面的公式推导,我们可以理解:假设有某个定义在(0,2π)的连续信号f(t),对其进行采样,采样点数为N,利用梯形求积公式便可得到离散傅里叶正变换公式了。
反正这个离散点数为N的信号序列,它得对应定义在(0,2Pi)的假想的信号f(t)。这样对应起来,这个离散傅里叶变换的公式就好推出来了。至于逆变换的公式的推导,则可以函数展成复指数形式的傅里叶级数的公式推得。这里就不展开了。

最后编辑于
©著作权归作者所有,转载或内容合作请联系作者
  • 序言:七十年代末,一起剥皮案震惊了整个滨河市,随后出现的几起案子,更是在滨河造成了极大的恐慌,老刑警刘岩,带你破解...
    沈念sama阅读 212,029评论 6 492
  • 序言:滨河连续发生了三起死亡事件,死亡现场离奇诡异,居然都是意外死亡,警方通过查阅死者的电脑和手机,发现死者居然都...
    沈念sama阅读 90,395评论 3 385
  • 文/潘晓璐 我一进店门,熙熙楼的掌柜王于贵愁眉苦脸地迎上来,“玉大人,你说我怎么就摊上这事。” “怎么了?”我有些...
    开封第一讲书人阅读 157,570评论 0 348
  • 文/不坏的土叔 我叫张陵,是天一观的道长。 经常有香客问我,道长,这世上最难降的妖魔是什么? 我笑而不...
    开封第一讲书人阅读 56,535评论 1 284
  • 正文 为了忘掉前任,我火速办了婚礼,结果婚礼上,老公的妹妹穿的比我还像新娘。我一直安慰自己,他们只是感情好,可当我...
    茶点故事阅读 65,650评论 6 386
  • 文/花漫 我一把揭开白布。 她就那样静静地躺着,像睡着了一般。 火红的嫁衣衬着肌肤如雪。 梳的纹丝不乱的头发上,一...
    开封第一讲书人阅读 49,850评论 1 290
  • 那天,我揣着相机与录音,去河边找鬼。 笑死,一个胖子当着我的面吹牛,可吹牛的内容都是我干的。 我是一名探鬼主播,决...
    沈念sama阅读 39,006评论 3 408
  • 文/苍兰香墨 我猛地睁开眼,长吁一口气:“原来是场噩梦啊……” “哼!你这毒妇竟也来了?” 一声冷哼从身侧响起,我...
    开封第一讲书人阅读 37,747评论 0 268
  • 序言:老挝万荣一对情侣失踪,失踪者是张志新(化名)和其女友刘颖,没想到半个月后,有当地人在树林里发现了一具尸体,经...
    沈念sama阅读 44,207评论 1 303
  • 正文 独居荒郊野岭守林人离奇死亡,尸身上长有42处带血的脓包…… 初始之章·张勋 以下内容为张勋视角 年9月15日...
    茶点故事阅读 36,536评论 2 327
  • 正文 我和宋清朗相恋三年,在试婚纱的时候发现自己被绿了。 大学时的朋友给我发了我未婚夫和他白月光在一起吃饭的照片。...
    茶点故事阅读 38,683评论 1 341
  • 序言:一个原本活蹦乱跳的男人离奇死亡,死状恐怖,灵堂内的尸体忽然破棺而出,到底是诈尸还是另有隐情,我是刑警宁泽,带...
    沈念sama阅读 34,342评论 4 330
  • 正文 年R本政府宣布,位于F岛的核电站,受9级特大地震影响,放射性物质发生泄漏。R本人自食恶果不足惜,却给世界环境...
    茶点故事阅读 39,964评论 3 315
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一处隐蔽的房顶上张望。 院中可真热闹,春花似锦、人声如沸。这庄子的主人今日做“春日...
    开封第一讲书人阅读 30,772评论 0 21
  • 文/苍兰香墨 我抬头看了看天上的太阳。三九已至,却和暖如春,着一层夹袄步出监牢的瞬间,已是汗流浃背。 一阵脚步声响...
    开封第一讲书人阅读 32,004评论 1 266
  • 我被黑心中介骗来泰国打工, 没想到刚下飞机就差点儿被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道东北人。 一个月前我还...
    沈念sama阅读 46,401评论 2 360
  • 正文 我出身青楼,却偏偏与公主长得像,于是被迫代替她去往敌国和亲。 传闻我的和亲对象是个残疾皇子,可洞房花烛夜当晚...
    茶点故事阅读 43,566评论 2 349

推荐阅读更多精彩内容