第七章第七章 傅里叶变换傅里叶变换 在自然科学和工程技术中为了把较复杂的运算转化为在自然科学和工程技术中为了把较复杂的运算转化为较简单的运算，人们常采用变换的方法来达到目的例如较简单的运算，人们常采用变换的方法来达到目的例如在初等数学中，数量的乘积和商可以通过对数变换化为较在初等数学中，数量的乘积和商可以通过对数变换化为较简单的加法和减法运算在工程数学里积分变换能够将分简单的加法和减法运算在工程数学里积分变换能够将分析运算（如微分、积分）转化为代数运算，正是积分变换析运算（如微分、积分）转化为代数运算，正是积分变换的这一特性，使得它在微分方程、偏微分方程的求解中成的这一特性，使得它在微分方程、偏微分方程的求解中成为重要的方法之一为重要的方法之一积分变换的理论方法积分变换的理论方法不仅在数学的诸不仅在数学的诸多分支中得到广泛的应用，而且在许多科学技术领域中，多分支中得到广泛的应用，而且在许多科学技术领域中，例如物理学、力学、现代光学、无线电技术以及信号处理例如物理学、力学、现代光学、无线电技术以及信号处理等方面，作为一种研究工具发挥着十分重要的作用等方面，作为一种研究工具发挥着十分重要的作用 所谓积分变换所谓积分变换，就是把某函数类，就是把某函数类A中的任意一个函数中的任意一个函数，经过某种，经过某种可逆的积分方法可逆的积分方法（即为通过含参变量（即为通过含参变量的积分）的积分）变为另一函数类变为另一函数类 B中的函数中的函数 这里这里 是一个确是一个确定的二元函数，通常称为定的二元函数，通常称为该积分变换的核该积分变换的核 称为称为 的的像函数或简称为像像函数或简称为像， 称为称为 的的原函数原函数 在这样的积分变换下，微分运算可变为乘法运算，原来的偏在这样的积分变换下，微分运算可变为乘法运算，原来的偏微分方程可以减少自变量的个数，变成像函数的常微分方程；原微分方程可以减少自变量的个数，变成像函数的常微分方程；原来的常微分方程可以变为像函数的代数方程，从而容易在像函数来的常微分方程可以变为像函数的代数方程，从而容易在像函数类类B中找到解的像；再经过逆变换，便可以得到原来要在中找到解的像；再经过逆变换，便可以得到原来要在A中所中所求的解，而且是显式解求的解，而且是显式解 另外需要说明的是，当选取不同的另外需要说明的是，当选取不同的积分区域和核函数积分区域和核函数时，时，就得到不同名称的就得到不同名称的积分变换积分变换: （1）特别当核函数）特别当核函数 （注意已将积分参（注意已将积分参变量变量改写为变量改写为变量），当），当，则，则称函数称函数 为函数为函数 的的傅里叶（傅里叶（Fourier）变换，变换，简称简称为函数为函数的的傅氏变换傅氏变换同时我们称同时我们称 为为的的傅里叶逆变换傅里叶逆变换（2）特别当核函数）特别当核函数 （注意已将积分参变量（注意已将积分参变量改写为变量改写为变量），当），当，则，则称函数称函数 为函数为函数 的的拉普拉斯拉普拉斯 (Laplace)变换变换，简称，简称 为函数为函数 的的拉氏变换拉氏变换同时我们称同时我们称 为为 的的拉氏逆变换拉氏逆变换 7.1 傅里叶级数傅里叶级数本节简明扼要地复习高等数学中的傅里叶级数基本内容本节简明扼要地复习高等数学中的傅里叶级数基本内容7.1.1周期函数的傅里叶展开周期函数的傅里叶展开定义定义7.1.1 傅里叶级数傅里叶级数 傅里叶级数展开式傅里叶级数展开式 傅里叶系数傅里叶系数 若函数若函数 以以为周期周期，即，即为的光滑或分段光滑函数，且定义域为的光滑或分段光滑函数，且定义域为 ，则可取三角，则可取三角函数族函数族(7.1.2) 作为作为基本函数族基本函数族，将，将 展开为展开为傅里叶级数傅里叶级数（即下式右端（即下式右端级数）级数） (7.1.3) 式（式（7.1.3）称为周期函数）称为周期函数 的的傅里叶级数展开式傅里叶级数展开式（简称傅氏级数展开），其中的展开系数称为傅里叶系数（简（简称傅氏级数展开），其中的展开系数称为傅里叶系数（简称傅氏系数）称傅氏系数） 函数族函数族 (7.1.2)是正交的即为：是正交的即为：其中任意两个函数的其中任意两个函数的乘积在一个周期上的积分等于零乘积在一个周期上的积分等于零，即，即利用三角函数族的正交性，可以求得利用三角函数族的正交性，可以求得(7.1.3)的展开系数为的展开系数为 （7.1.4）其中其中 关于傅里叶级数的收敛性问题，有如下定理：关于傅里叶级数的收敛性问题，有如下定理： 狄利克雷（狄利克雷（Dirichlet）定理）定理 7.1.1 若函数若函数 满足条件：满足条件： (1)处处连续，或在每个周期内只有有限个第一类间断点；处处连续，或在每个周期内只有有限个第一类间断点； （2）在每个周期内只有有限个极值点，则级数（）在每个周期内只有有限个极值点，则级数（7.1.3）收敛，）收敛，且且在在收敛点收敛点有：有： 在在间断点间断点有：有： 7.1.2 奇函数及偶函数的傅里叶展开奇函数及偶函数的傅里叶展开定义定义 7.1.2 傅里叶正弦级数傅里叶正弦级数 傅里叶余弦级数傅里叶余弦级数若周期函数若周期函数 是是奇函数奇函数，则由傅里叶系数的计算公式，则由傅里叶系数的计算公式(7.1.4)可见，所有可见，所有 均等于零，展开式均等于零，展开式(7.1.3)成为成为 (7.1.5)这叫作这叫作傅里叶正弦级数傅里叶正弦级数容易检验（容易检验（7.1.5）中的正弦级数在）中的正弦级数在 处为零处为零 由于对称性，其展开系数为由于对称性，其展开系数为若周期函数若周期函数 是偶函数是偶函数，则由傅里叶系数计算公，则由傅里叶系数计算公式可见，所有式可见，所有 均等于零，展开式均等于零，展开式(7.1.3)成为成为 (7.1.6)这叫作这叫作傅里叶余弦级数傅里叶余弦级数 同样由于同样由于对称性对称性，其，其展开系数展开系数为为(7.1.7)由于余弦级数的导数是正弦级数，所以余弦级数的导数在由于余弦级数的导数是正弦级数，所以余弦级数的导数在 处为零处为零 而对于定义在有限区间上的非周期函数而对于定义在有限区间上的非周期函数 的傅里叶级的傅里叶级数展开，需要采用类似于高等数学中的延拓法，使其延拓为周数展开，需要采用类似于高等数学中的延拓法，使其延拓为周期函数期函数9.1.3复数形式的傅里叶级数复数形式的傅里叶级数定义定义7.1.3 复数形式的傅里叶级数复数形式的傅里叶级数 取一系列复指数函数取一系列复指数函数(7.1.8)作为作为基本函数族基本函数族，可以将周期函数，可以将周期函数 展开为复数形式的展开为复数形式的傅里叶级数傅里叶级数 (7.1.9)利用复指数函数族的利用复指数函数族的正交性正交性，可以求出复数形式的傅里叶系数，可以求出复数形式的傅里叶系数 (7.1.10)式中式中“*”代表复数的共轭代表复数的共轭 上式上式(7.1.9)的的物理意义物理意义为一个周期为为一个周期为2l 的函数的函数 可以分解可以分解为频率为为频率为，复振幅为，复振幅为 的复简谐波的叠加的复简谐波的叠加 称为谱点，称为谱点，所有谱点的集合称为谱对于周期函数所有谱点的集合称为谱对于周期函数 而言，谱是离散的而言，谱是离散的尽管尽管 是实函数，但其傅里叶系数却可能是复数，是实函数，但其傅里叶系数却可能是复数，且满足：且满足： 或或 (7.1.11)7.2 实数与复数形式的傅里叶积分实数与复数形式的傅里叶积分 上一节我们讨论了周期函数的傅里叶级数展开，下面讨论非上一节我们讨论了周期函数的傅里叶级数展开，下面讨论非周期函数的级数展开周期函数的级数展开 7.2.1 实数形式的傅里叶积分实数形式的傅里叶积分定义定义 7.2.1 实数形式的傅里叶变换式实数形式的傅里叶变换式 傅里叶积分傅里叶积分 傅里叶积分表示式傅里叶积分表示式设非周期函数设非周期函数 为一个周期函数为一个周期函数 当周期当周期 时的极限情形这样，时的极限情形这样， 的傅里叶级数展开式的傅里叶级数展开式(7.2.1)在在 时的极限形式就是所要寻找的非周期函数时的极限形式就是所要寻找的非周期函数 的傅里叶展开下面我们研究这一极限过程：的傅里叶展开下面我们研究这一极限过程： 设不连续的参量设不连续的参量 故（故（7.2.1）为）为 （7.2.2） 傅里叶系数为傅里叶系数为(7.2.3) 代入到代入到 (7.2.2)，然后取，然后取 的极限的极限 对于系数对于系数 ，若，若 有限，则有限，则 而而余弦部分余弦部分为为当当 ，不连续参变量，不连续参变量 变为变为 连续参量，以符号连续参量，以符号 代替对代替对 的求和变为对连续参量的求和变为对连续参量 的积分，上式变为的积分，上式变为同理可得正弦部分同理可得正弦部分若令若令（7.2.4）式（式（7.2.4）称为）称为 的（实数形式）傅里叶变换式的（实数形式）傅里叶变换式 故（故（7.2.2）在）在 时的极限形式变为（注意到时的极限形式变为（注意到 ） (7.2.5)上式上式(7.2.5)右边的积分称为右边的积分称为（实数形式）（实数形式）傅里叶积分傅里叶积分 (7.2.5)式称为式称为非周期函数非周期函数 的（实数形式）傅里的（实数形式）傅里 叶积分表示式叶积分表示式 事实上，上式（事实上，上式（7.2.5）还可以进一步改写为）还可以进一步改写为（7.2.6） 上式上式(7.2.6)的物理意义为：的物理意义为： 称为称为 的的振幅谱振幅谱， 称为称为 的的相位谱相位谱可以对应于物理现象中波动（或振动）可以对应于物理现象中波动（或振动）我们把上述推导归纳为下述严格定理：我们把上述推导归纳为下述严格定理： 1傅里叶积分定理傅里叶积分定理定理定理7.2.1 傅里叶积分定理傅里叶积分定理 若函数若函数 在区间在区间 上满足条件上满足条件（1）在任一有限区在任一有限区间上上满足足狄利克雷狄利克雷条件；条件；（2） 在在 上绝对可积，则上绝对可积，则 里叶积分形式（里叶积分形式（7.2.5)， 可表为傅可表为傅且在且在 的连续点处傅里叶积分值的连续点处傅里叶积分值 ；在间断点处傅里叶积分值；在间断点处傅里叶积分值 2奇函数的傅里叶积分奇函数的傅里叶积分定义定义 7.2.2 实数形式的傅里叶正弦积分实数形式的傅里叶正弦积分 傅里叶正弦变换傅里叶正弦变换 若若 为奇函数，我们可推得奇函数为奇函数，我们可推得奇函数 分为傅里叶正弦积分：分为傅里叶正弦积分： 的傅里叶积的傅里叶积(7.2.7)式（式（7.2.7）满足条件）满足条件 其中其中 是是 的的傅傅 里叶正弦变换：里叶正弦变换： （7.2.8） 3. 偶函数的傅里叶积分偶函数的傅里叶积分定义定义 7.2.3 实数形式的傅里叶余弦积分实数形式的傅里叶余弦积分 傅里叶余弦变换傅里叶余弦变换若若 为偶函数，为偶函数， 的傅里叶积分为的傅里叶积分为傅里叶余弦积分傅里叶余弦积分：(7.2.9) 式（式（7.2.9）满足条件）满足条件 其中其中 是是 的的傅里叶余弦变换傅里叶余弦变换： （7.2.10） 上述公式可以写成另一种对称的形式上述公式可以写成另一种对称的形式（7.2.11）(7.2.12)7.2.2 复数形式的傅里叶积分复数形式的傅里叶积分定义定义7.2.4 复数形式的傅里叶积分复数形式的傅里叶积分 复数形式的傅里叶变换式复数形式的傅里叶变换式 对于上述实数形式的傅里叶变换，我们觉得还不够紧凑下对于上述实数形式的傅里叶变换，我们觉得还不够紧凑下面我们讨论复数形式的傅氏积分与变换，而且很多情形下，复数面我们讨论复数形式的傅氏积分与变换，而且很多情形下，复数形式（也称为指数形式）的傅氏积分变换使用起来更加方便形式（也称为指数形式）的傅氏积分变换使用起来更加方便 利用利用欧拉公式欧拉公式则有则有 代入式（代入式（7.2.5）得到）得到将右端的第二个积分中的将右端的第二个积分中的 换为，则，则 上述积分能合并为上述积分能合并为 (7.2.13)其中其中将（将（7.2.4）代入上式可以证明无论对于）代入上式可以证明无论对于 ，还是，还是 均可以均可以合并合并为为 （7.2.14）证明证明：（：（1） 时时 （2） 时时 证毕证毕 （7.2.13）是）是 的复数形式的傅里叶积分表示式的复数形式的傅里叶积分表示式,（7.2.14）则是）则是的复数形式的傅里叶变换式的复数形式的傅里叶变换式上述变换可以写成另一种上述变换可以写成另一种对称的傅氏变换（对）形式对称的傅氏变换（对）形式（7.2.15）7.2.3 傅里叶变换式的物理意义傅里叶变换式的物理意义频谱频谱 傅氏变换和频谱概念有着非常密切的联系频谱这个术语来傅氏变换和频谱概念有着非常密切的联系频谱这个术语来自于光学自于光学.通过对频谱的分析，可以了解周期函数和非周期函数的通过对频谱的分析，可以了解周期函数和非周期函数的一些基本性质一些基本性质. 若已知若已知 是以是以 为周期的周期函数，且满足为周期的周期函数，且满足狄利狄利克雷条件，则可展成傅里叶级数克雷条件，则可展成傅里叶级数 (7.2.16) 其中其中 ,我们将我们将 称为称为 的第的第次次谐波波，称称为第第次次谐波的波的频率率由于由于其中其中 称为初相，称为初相， 称为第称为第 次谐波的振幅，记为次谐波的振幅，记为 ，即，即 （7.2.17） 若将傅里叶级数表示为复数形式，即若将傅里叶级数表示为复数形式，即 (7.2.18)其中其中 恰好是恰好是 次谐次谐波的振幅的一半波的振幅的一半.我们称我们称 为为复振幅复振幅.显然显然 次谐波的振幅次谐波的振幅与复振幅有下列关系：与复振幅有下列关系： （7.2.19）当取当取 这些数值时，相应有不同的频率这些数值时，相应有不同的频率 和不同的振幅，所以式和不同的振幅，所以式(7.2.19)描述了各次谐波的振幅随频率变化描述了各次谐波的振幅随频率变化的分布情况频谱图通常是指频率和振幅的关系图的分布情况频谱图通常是指频率和振幅的关系图. 称为函数称为函数 的的振幅频谱（简称频谱）振幅频谱（简称频谱）. 若用横坐标表示频率若用横坐标表示频率 ，纵坐标表示振幅，纵坐标表示振幅 ，把点，把点 用图形表示出来，这样的图用图形表示出来，这样的图形就是频谱图形就是频谱图. 由于由于 ,所以频谱所以频谱 不连续的，称之为不连续的，称之为离散频谱离散频谱的图形是的图形是73 傅里叶变换定义傅里叶变换定义7.3.1 傅里叶变换的定义傅里叶变换的定义 由上一节对实数和复数形式的傅里叶积分的讨论，最后我们由上一节对实数和复数形式的傅里叶积分的讨论，最后我们以简洁的复数形式（即指数形式）作为傅里叶变换的定义以简洁的复数形式（即指数形式）作为傅里叶变换的定义定义定义7.3.1 傅里叶变换傅里叶变换 若若 满足傅氏积分定理条件，满足傅氏积分定理条件，称表达式称表达式 （7.3.1） 为为 的的傅里叶变换式傅里叶变换式,记作记作 我们我们称函数称函数 为为 的傅里叶变换，简称的傅里叶变换，简称傅氏变换傅氏变换（或称为像函数）（或称为像函数）定义定义7.3.2 傅里叶逆变换傅里叶逆变换 如果如果 (7.3.2)则上式为则上式为 的的傅里叶逆变换式傅里叶逆变换式，记为，记为 我们称我们称 为为 （或称为像原函数或原函数）（或称为像原函数或原函数）的的傅里叶逆变换，简称傅氏逆变换傅里叶逆变换，简称傅氏逆变换 由（由（7.3.1）和（）和（7.3.2）知傅里叶变换和傅里叶逆变换是）知傅里叶变换和傅里叶逆变换是互互逆变换逆变换，即有，即有 (7.3.3)或者简写为或者简写为 7.3.2 多维傅氏变换多维傅氏变换在多维（在多维（ 维）情况下，完全可以类似地定义函数维）情况下，完全可以类似地定义函数 的的傅氏变换傅氏变换如下：如下： 它的它的逆变换公式逆变换公式为：为：7.3.3 傅里叶变换的三种定义式傅里叶变换的三种定义式 在实际应用中，傅里叶变换常常采用如下三种形式，由于在实际应用中，傅里叶变换常常采用如下三种形式，由于它们采用不同的定义式，往往给出不同的结果，为了便于相互它们采用不同的定义式，往往给出不同的结果，为了便于相互转换，特给出如下关系式：转换，特给出如下关系式：1.第一种定义式第一种定义式2.第二种定义式第二种定义式3.第三种定义式第三种定义式三者之间的关系为三者之间的关系为 三种定义可统一用下述变换对形式描述三种定义可统一用下述变换对形式描述 特别说明：不同书籍可能采用了不同的傅氏变换对定义，特别说明：不同书籍可能采用了不同的傅氏变换对定义，所以在傅氏变换的运算和推导中可能会相差一个常数倍数比如所以在傅氏变换的运算和推导中可能会相差一个常数倍数比如 ，读者应能理解本书采用的傅氏变换，读者应能理解本书采用的傅氏变换(对对)是大量是大量书籍中常采用的统一定义书籍中常采用的统一定义, 若未特殊申明，均使用的是第二种若未特殊申明，均使用的是第二种定义式定义式 7.3.4 广义傅里叶变换广义傅里叶变换 前面我们定义的傅氏变换要求满足狄利克雷条件，那么对前面我们定义的傅氏变换要求满足狄利克雷条件，那么对一些很简单、很常用的函数，例如单位阶跃函数，正、余弦函一些很简单、很常用的函数，例如单位阶跃函数，正、余弦函数等都无法确定其傅氏变换这无疑限制了傅氏变换的应用数等都无法确定其傅氏变换这无疑限制了傅氏变换的应用所以我们引入广义傅氏变换概念系指所以我们引入广义傅氏变换概念系指 函数及其相关函数函数及其相关函数的傅氏变换的傅氏变换 在后面我们将看到，在后面我们将看到， 函数的傅氏变换在求解数理方程中有函数的傅氏变换在求解数理方程中有着特殊的作用着特殊的作用 这里先介绍其有关基本定义和性质这里先介绍其有关基本定义和性质1. 函数定义函数定义 定义定义7.3.3 函数函数 如果一个函数满足下列条件，则称之为如果一个函数满足下列条件，则称之为 函数，并记为函数，并记为 (7.3.4) 且且 (7.3.5)我们不加证明地指出与定义我们不加证明地指出与定义7.3.3等价的等价的 函数的另一定义函数的另一定义 定义定义7.3.4 函数函数 如果对于任意一个在区间如果对于任意一个在区间 上连续的函数上连续的函数 恒有恒有 则称满足上式中的函数则称满足上式中的函数 为函数函数， 对于任意的连续可微函数对于任意的连续可微函数 ,定义定义 函数的导数为函数的导数为 （7.3.6）根据上式显然有根据上式显然有（7.3.7）由由函数定函数定义7.3.4有有 (7.3.8)2. 函数性质函数性质性质性质1 对于对于 的实常数，有的实常数，有 (7.3.9)性质性质2 设设 ，则，则 当当 时，即对应为时，即对应为 ，故为，故为偶函数偶函数