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考慮定義於區間 的 -週期函數 的指數傅立葉級數 (見“傅立葉級數 (下)”):
,
其中複傅立葉係數為
。
若 滿足 Dirichlet 條件 (見“傅立葉級數 (上)”),可以證明 ,在此情況下,往後我們不再區分函數 與其傅立葉級數 ,而一律以 表示。本文將解除 是週期函數的限制,以下僅假設 是有界的。當 ,傅立葉級數可推廣為傅立葉轉換 (Fourier transform)。還有,若 不再是連續函數而是一有限數列,傅立葉級數又可延伸為離散傅立葉轉換 (discrete Fourier transform,簡稱 DFT)。本文將介紹這兩種轉換的推導過程,並解說離散傅立葉轉換的線性代數性質。
傅立葉轉換是傅立葉級數於 的表達形式。令 為一 -週期函數,對於 ,。令 ,且 ,則 的傅立葉級數為
,
其中我們令
。
將 代回傅立葉級數 ,可得
注意,上式中括弧內的 是虛擬變數 (dummy variable)。當 逐漸增大時,發生兩件事: 和 於擴大區間 內一致; 變成一微小量 ,使得 逼近連續量 ,總和因此趨於積分。令 ,則 ,可得下列等式:
。
欲看清整個關係,將上式拆開為兩部分。令括弧內的函數為
,
稱作 的傅立葉轉換,其中變數 代表頻率。因此得到
,
稱為 的逆傅立葉轉換。傅立葉級數與傅立葉轉換之間的關係可以簡單解釋如下:將傅立葉轉換的微小面積 視同傅立葉係數 ,當 ,傅立葉係數變成 的傅立葉轉換:
,
傅立葉級數則變成 的逆傅立葉轉換:
。
在數值計算上,因為電腦僅能處理有限維向量,連續型態的傅立葉轉換必須換裝成離散傅立葉轉換。由指數傅立葉級數同樣可推導出離散傅立葉轉換。首先,離散傅立葉轉換的輸入不再是無限維函數 ,我們僅能運用一週期 內的 個等間距函數值 ,其中 ,。其次,離散傅立葉轉換的輸出是複傅立葉係數構成的相同長度數列 ,,而非無窮數列。因為傅立葉係數 與函數 的關係是線性的 (積分是線性函數),我們也預期離散傅立葉轉換是數列 和 之間的一可逆線性轉換,故可表示為 階可逆矩陣。在連續情況下,將區間正規化,令 ,複傅立葉級數即為
。
在離散情況下,以 取代 ,將連續函數的傅立葉係數積分改成計算和,可得對應的離散公式:對於 ,
,
此即離散傅立葉轉換。為了與傅立葉係數 區分,我們以 代表離散傅立葉轉換結果。使用歐拉公式 ,令
,
離散傅立葉轉換可表示成矩陣形式 ,如下:
,
上面的 階 稱為傅立葉矩陣。明顯地, 是一複對稱矩陣,,我們標記各元列行指標 。另外, 也是一種特殊的 Vandermonde 矩陣 (見“特殊矩陣 (8):Vandermonde 矩陣”)。離散傅立葉轉換要能成為真正有用的訊號處理工具,傅立葉矩陣 必須具備兩個性質:第一,不論 或其逆矩陣 都有簡單形式。稍後我們會說明兩者形式極其類似,並可使用相同演算法運算。第二, 和 的矩陣乘法要能夠快速運算。這個算法稱為快速傅立葉轉換 (Fast Fourier transform,簡稱 FFT),他日將另文詳細介紹。
傅立葉矩陣 是一個型態特殊的複矩陣,因此有必要進一步了解其中性質。有些作者定義 ,選擇共軛複數純屬個人偏好,在此我們採用負號的原因是為了與傅立葉轉換 一致。複數集 為方程式 的根,稱為 次方單位根,這些根在複數平面上單位圓按順時針旋轉並以相同間距排列。若 ,則 ,其中 代表 除以 的餘數。譬如,當 ,就有 。對於任一整數 ,由歐拉公式可確認
。
考慮下式
,
即知 。若 ,則 ,可推得
。
下面我們運用此等式計算逆傅立葉矩陣 。
令 和 代表 的第 行和第 行,若 ,則 ,兩向量的內積為
,
而且
,
得知 。若將 的各行向量予以正規化, 為一么正 (unitary) 矩陣 (見“特殊矩陣 (3):么正矩陣(酉矩陣)”)。因為 ,就有
,
故 ,即 ,或明確寫出
。
所以,逆離散傅立葉轉換 可表示如下:對於 ,
。
離散傅立葉轉換 和逆轉換 有相同的運算方式,因為
。
假設吾人設計出一離散傅立葉轉換程序 ,則逆轉換 的算法如下:
- 計算共軛向量 ;
- 計算離散傅立葉轉換 ;
- 計算共軛向量的純量乘法 。
離散傅立葉轉換的計算以矩陣運算實現,其理論則根基於內積空間。見下例,當 ,,傅立葉矩陣為
,
逆矩陣則為
。
傅立葉矩陣 的共軛行向量(或列向量,因為 )
構成一組 的正交基底 ,輸入數列 可分解為這些基底向量的線性組合:
因為
,
可得
。
從線性代數觀點,離散傅立葉轉換的輸出數列 除以一常數 ,就是輸入數列 參考基底 的座標,或者說,離散傅立葉轉換得到的數列向量 即為輸入 參考基底 的座標向量 。考慮下列轉換對:
,
離散傅立葉轉換將實數列 轉換成複數列 似乎是自找麻煩。付出這個代價,能換來什麼好處?下一回我們將探討背後隱藏的細微道理。
老師
想問一個問題,當初在推導傅立葉級數時是以sin與cos作為基底的向量空間,
但當T趨近於無窮大時所出現的傅立葉轉換,這樣的基底還存在嗎?
即向量空間的基底可以是一個不可數的集合 B={exp{2pi i v t}, v為任意時數}
另外
可以把拉普拉斯轉換當成是週期從0到無窮大的週期函數的傅立葉轉換嗎?