[EE261学习笔记] 4.常用的几个傅里叶变换相关公式

[EE261学习笔记] 4.常用的几个傅里叶变换相关公式在本文开始前,需要说明一点,以下推导出的各项公式,只是为了实际计算中方便,并不都有其对应的物理意义。首先,我们写出符号f−(t)=f(−t)f−(t)=f(−t)f^-(t)=f(-t),显然,对于奇函数而言,f−=−ff−=−ff^-=-f;对于偶函数而言,f−=ff−=ff^-=f。根据前文傅里叶变换推导,我们知道…

大家好,又见面了,我是你们的朋友全栈君。

在本文开始前,需要说明一点,以下推导出的各项公式,只是为了实际计算中方便,并不都有其对应的物理意义。


首先,我们写出符号 f − ( t ) = f ( − t ) f^-(t) = f(-t) f−(t)=f(−t),显然,对于奇函数而言, f − = − f f^- = -f f−=−f;对于偶函数而言, f − = f f^- = f f−=f。
根据前文傅里叶变换推导,我们知道

F f ( s ) = ∫ − ∞ + ∞ e − 2 π i s t f ( t ) d t (1) \mathscr{F}f(s) = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-2\pi ist} f(t)dt\tag1 Ff(s)=∫−∞+∞​e−2πistf(t)dt(1)

F − 1 g ( t ) = ∫ − ∞ + ∞ e 2 π i s t g ( s ) d s (2) \mathscr{F}^{-1}g(t) = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{2\pi ist} g(s)ds\tag2 F−1g(t)=∫−∞+∞​e2πistg(s)ds(2)

由 ( 1 ) (1) (1)式,我们有

( F f ) − ( s ) = F f ( − s ) = ∫ − ∞ + ∞ e − 2 π i ( − s ) t f ( t ) d t = ∫ − ∞ + ∞ e 2 π i s t f ( t ) d t (3) \begin{aligned} (\mathscr{F}f)^-(s) = \mathscr{F}f(-s) &= \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-2\pi i(-s)t} f(t)dt\\ &= \int_{-\infty}^{+\infty} e^{2\pi ist} f(t)dt\tag3 \end{aligned} (Ff)−(s)=Ff(−s)​=∫−∞+∞​e−2πi(−s)tf(t)dt=∫−∞+∞​e2πistf(t)dt​(3)

我们再令 ( 2 ) (2) (2) 式中的 s = t , t = s s=t, t=s s=t,t=s,得到

F − 1 g ( s ) = ∫ − ∞ + ∞ e 2 π i s t g ( t ) d t (4) \mathscr{F}^{-1}g(s) = \int_{-\infty}^{+\infty} e^{2\pi ist} g(t)dt\tag4 F−1g(s)=∫−∞+∞​e2πistg(t)dt(4)

由 ( 3 ) (3) (3)、 ( 4 ) (4) (4),我们得到

( F f ) − = F − 1 f (5) (\mathscr{F}f)^- = \mathscr{F}^{-1}f \tag5 (Ff)−=F−1f(5)


再来看另一个变换

F ( f − ) ( s ) = ∫ − ∞ + ∞ e − 2 π i s t f − ( t ) d t = ∫ − ∞ + ∞ e − 2 π i s t f ( − t ) d t \begin{aligned} \mathscr{F}(f^-)(s) &= \int_{-\infty}^{+\infty} e^{-2\pi ist} f^-(t)dt\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-2\pi ist} f(-t)dt \end{aligned} F(f−)(s)​=∫−∞+∞​e−2πistf−(t)dt=∫−∞+∞​e−2πistf(−t)dt​

运用换元法,令 u = − t u=-t u=−t,我们有:

F ( f − ) ( u ) = ∫ + ∞ − ∞ e − 2 π i ( − u ) t f ( u ) d ( − u ) = ∫ − ∞ + ∞ e 2 π i u t f ( u ) d u = F − 1 f ( u ) \begin{aligned} \mathscr{F}(f^-)(u) &=\int_{+\infty}^{-\infty} e^{-2\pi i(-u)t} f(u)d(-u)\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty} e^{2\pi iut} f(u)du\\ &=\mathscr{F}^{-1}f(u) \end{aligned} F(f−)(u)​=∫+∞−∞​e−2πi(−u)tf(u)d(−u)=∫−∞+∞​e2πiutf(u)du=F−1f(u)​

要注意,等式左边的 F ( f − ) ( u ) \mathscr{F}(f^-)(u) F(f−)(u) 中的 ( u ) (u) (u) 仅表示该式是关于 u u u 的函数,因此不用改写为 − u -u −u
因此我们有:

F ( f − ) = F − 1 f (6) \mathscr{F}(f^-) = \mathscr{F}^{-1}f \tag6 F(f−)=F−1f(6)


接下来我们计算 F − 1 ( f − ) \mathscr{F}^{-1}(f^-) F−1(f−),根据 ( 2 ) (2) (2)式,我们有:

F − 1 f − ( t ) = ∫ − ∞ + ∞ e 2 π i s t f − ( s ) d s = ∫ − ∞ + ∞ e 2 π i s t f ( − s ) d s \begin{aligned} \mathscr{F}^{-1}f^-(t) &= \int_{-\infty}^{+\infty} e^{2\pi ist} f^-(s)ds\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty} e^{2\pi ist} f(-s)ds\\ \end{aligned} F−1f−(t)​=∫−∞+∞​e2πistf−(s)ds=∫−∞+∞​e2πistf(−s)ds​

同样地,运用换元法,令 u = − s u=-s u=−s,我们可以得到

F − 1 f − ( u ) = ∫ + ∞ − ∞ e 2 π i ( − u ) t f ( u ) d ( − u ) = ∫ − ∞ + ∞ e − 2 π i u t f ( u ) d u = F f ( u ) (7) \begin{aligned} \mathscr{F}^{-1}f^-(u) &=\int_{+\infty}^{-\infty} e^{2\pi i(-u)t} f(u)d(-u)\\ &=\int_{-\infty}^{+\infty} e^{-2\pi iut} f(u)du\\ &=\mathscr{F}f(u)\tag7 \end{aligned} F−1f−(u)​=∫+∞−∞​e2πi(−u)tf(u)d(−u)=∫−∞+∞​e−2πiutf(u)du=Ff(u)​(7)

注意,傅里叶变换满足性质:

F F − 1 f = F − 1 F f = f (8) \mathscr{F}\mathscr{F}^{-1}f = \mathscr{F}^{-1}\mathscr{F}f = f\tag8 FF−1f=F−1Ff=f(8)

因此,由 ( 8 ) (8) (8) 式,我们可以对 ( 7 ) (7) (7) 式的等号两端同时进行傅里叶变换,得到以下结论:

F F f = f − \mathscr{F}\mathscr{F}f = f^- FFf=f−

即,对一个函数进行两次傅里叶变换的结果,等于原函数取反


小结一下本文,并给出一个实际应用:

我们主要得到了以下几个傅里叶变换的实用公式:

( F f ) − = F − 1 f = F ( f − ) \huge (\mathscr{F}f)^- = \mathscr{F}^{-1}f = \mathscr{F}(f^-) (Ff)−=F−1f=F(f−)

F F f = f − \huge \mathscr{F}\mathscr{F}f = f^- FFf=f−

其中 f − ( t ) = f ( − t ) f^-(t) = f(-t) f−(t)=f(−t)。注意这些公式不一定都有相应的物理意义,但是在实际使用中可以大大简化我们的计算量

例:求 s i n c sinc sinc 函数的傅里叶变换

如果直接求解,会变得非常麻烦,于是我们使用上述公式, F F f = f − \mathscr{F}\mathscr{F}f = f^- FFf=f−。在之前的讨论中,我们知道对矩形函数,即 Π \Pi Π函数进行傅里叶变换可以得到 s i n c sinc sinc 函数,因此我们有

F s i n c = F F Π = Π − \mathscr{F}sinc = \mathscr{F}\mathscr{F}\Pi = \Pi^- Fsinc=FFΠ=Π−

而由 Π \Pi Π 函数的定义,可知它是一个偶函数
因此我们可以直接得出

F s i n c = Π \mathscr{F}sinc = \Pi Fsinc=Π

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