學(xué)號：20021211189? ? ? ?姓名：趙治偉
【嵌牛導(dǎo)讀】傅里葉分析不僅僅是一個數(shù)學(xué)工具，更是一種可以徹底顛覆一個人以前世界觀的思維模式。但不幸的是，傅里葉分析的公式看起來太復(fù)雜了，所以很多大一新生上來就懵圈并從此對它深惡痛絕。老實(shí)說，這么有意思的東西居然成了大學(xué)里的殺手課程，不得不歸咎于編教材的人實(shí)在是太嚴(yán)肅了。所以我一直想寫一個有意思的文章來解釋傅里葉分析，有可能的話高中生都能看懂的那種。所以，不管讀到這里的您從事何種工作，我保證您都能看懂，并且一定將體會到通過傅里葉分析看到世界另一個樣子時的快感。至于對于已經(jīng)有一定基礎(chǔ)的朋友，也希望不要看到會的地方就急忙往后翻，仔細(xì)讀一定會有新的發(fā)現(xiàn)。
【嵌牛鼻子】要讓讀者在不看任何數(shù)學(xué)公式的情況下理解傅里葉分析。
【嵌牛正文】
抱歉，還是要啰嗦一句：其實(shí)學(xué)習(xí)本來就不是易事，我寫這篇文章的初衷也是希望大家學(xué)習(xí)起來更加輕松，充滿樂趣。但是千萬！千萬不要把這篇文章收藏起來，或是存下地址，心里想著：以后有時間再看。這樣的例子太多了，也許幾年后你都沒有再打開這個頁面。無論如何，耐下心，讀下去。這篇文章要比讀課本要輕松、開心得多……
p.s.本文無論是cos還是sin，都統(tǒng)一用“正弦波”（Sine Wave）一詞來代表簡諧波。
一、什么是頻域
從我們出生，我們看到的世界都以時間貫穿，股票的走勢、人的身高、汽車的軌跡都會隨著時間發(fā)生改變。這種以時間作為參照來觀察動態(tài)世界的方法我們稱其為時域分析。而我們也想當(dāng)然的認(rèn)為，世間萬物都在隨著時間不停的改變，并且永遠(yuǎn)不會靜止下來。但如果我告訴你，用另一種方法來觀察世界的話，你會發(fā)現(xiàn)世界是永恒不變的，你會不會覺得我瘋了？我沒有瘋，這個靜止的世界就叫做頻域。
先舉一個公式上并非很恰當(dāng)，但意義上再貼切不過的例子：
在你的理解中，一段音樂是什么呢？
這是我們對音樂最普遍的理解，一個隨著時間變化的震動。但我相信對于樂器小能手們來說，音樂更直觀的理解是這樣的：
上圖是音樂在時域的樣子，而下圖則是音樂在頻域的樣子。所以頻域這一概念對大家都從不陌生，只是從來沒意識到而已。
將以上兩圖簡化：
時域：
頻域：
在時域，我們觀察到鋼琴的琴弦一會上一會下的擺動，就如同一支股票的走勢；而在頻域，只有那一個永恒的音符。
所以傅里葉同學(xué)告訴我們，任何周期函數(shù)，都可以看作是不同振幅，不同相位正弦波的疊加。在第一個例子里我們可以理解為，利用對不同琴鍵不同力度，不同時間點(diǎn)的敲擊，可以組合出任何一首樂曲。
而貫穿時域與頻域的方法之一，就是傳中說的傅里葉分析。傅里葉分析可分為傅里葉級數(shù)（Fourier Serie）和傅里葉變換(Fourier Transformation)，我們從簡單的開始談起。
二、傅里葉級數(shù)(Fourier Series)的頻譜
如果我說我能用前面說的正弦曲線波疊加出一個帶90度角的矩形波來，你會相信嗎？你不會，就像當(dāng)年的我一樣。但是看看下圖：
第一幅圖是一個郁悶的正弦波cos（x）
第二幅圖是2個賣萌的正弦波的疊加cos(x)+a.cos(3x)
第三幅圖是4個發(fā)春的正弦波的疊加
第四幅圖是10個便秘的正弦波的疊加
? ? ? ?隨著正弦波數(shù)量逐漸的增長，他們最終會疊加成一個標(biāo)準(zhǔn)的矩形。隨著疊加的遞增，所有正弦波中上升的部分逐漸讓原本緩慢增加的曲線不斷變陡，而所有正弦波中下降的部分又抵消了上升到最高處時繼續(xù)上升的部分使其變?yōu)樗骄€。一個矩形就這么疊加而成了。但是要多少個正弦波疊加起來才能形成一個標(biāo)準(zhǔn)90度角的矩形波呢？不幸的告訴大家，答案是無窮多個。
不僅僅是矩形，你能想到的任何波形都是可以如此方法用正弦波疊加起來的。這是沒有接觸過傅里葉分析的人在直覺上的第一個難點(diǎn)，但是一旦接受了這樣的設(shè)定，游戲就開始有意思起來了。
還是上圖的正弦波累加成矩形波，我們換一個角度來看看：
? ? ? ? 在這幾幅圖中，最前面黑色的線就是所有正弦波疊加而成的總和，也就是越來越接近矩形波的那個圖形。而后面依不同顏色排列而成的正弦波就是組合為矩形波的各個分量。這些正弦波按照頻率從低到高從前向后排列開來，而每一個波的振幅都是不同的。一定有細(xì)心的讀者發(fā)現(xiàn)了，每兩個正弦波之間都還有一條直線，那并不是分割線，而是振幅為0的正弦波！也就是說，為了組成特殊的曲線，有些正弦波成分是不需要的。
? ? ? ? 這里，不同頻率的正弦波我們稱為頻率分量。如果我們把第一個頻率最低的頻率分量看作“1”，我們就有了構(gòu)建頻域的最基本單元。對于我們最常見的有理數(shù)軸，數(shù)字“1”就是有理數(shù)軸的基本單元。時域的基本單元就是“1秒”，如果我們將一個角頻率為Wo的正弦波cos（Wot）看作基礎(chǔ)，那么頻域的基本單元就是Wo。有了“1”，還要有“0”才能構(gòu)成世界，那么頻域的“0”是什么呢？cos（0t）就是一個周期無限長的正弦波，也就是一條直線！所以在頻域，0頻率也被稱為直流分量，在傅里葉級數(shù)的疊加中，它僅僅影響全部波形相對于數(shù)軸整體向上或是向下而不改變波的形狀。
接下來，讓我們回到初中，回憶一下是怎么定義正弦波的吧。
正弦波就是一個圓周運(yùn)動在一條直線上的投影。所以頻域的基本單元也可以理解為一個始終在旋轉(zhuǎn)的圓
不能傳動態(tài)圖真是太讓人惋惜了……想看動圖的同學(xué)請戳這里：
File:Fourier series square wave circles animation.gif
以及這里：
File:Fourier series sawtooth wave circles animation.gif
介紹完了頻域的基本組成單元，我們就可以看一看一個矩形波，在頻域里的另一個模樣了：
這是什么奇怪的東西？這就是矩形波在頻域的樣子，是不是完全認(rèn)不出來了？教科書一般就給到這里然后留給了讀者無窮的遐想，以及無窮的吐槽，其實(shí)教科書只要補(bǔ)一張圖就足夠了：頻域圖像，也就是俗稱的頻譜
再清楚一點(diǎn)：
可以發(fā)現(xiàn)，在頻譜中，偶數(shù)項(xiàng)的振幅都是0，也就對應(yīng)了圖中的彩色直線。振幅為0的正弦波。
動圖請戳：
File:Fourier series and transform.gif
老實(shí)說，在我學(xué)傅里葉變換時，維基的這個圖還沒有出現(xiàn)，那時我就想到了這種表達(dá)方法，而且，后面還會加入維基沒有表示出來的另一個譜——相位譜。但是在講相位譜之前，我們先回顧一下剛剛的這個例子究竟意味著什么。記得前面說過的那句“世界是靜止的”嗎？估計(jì)好多人對這句話都已經(jīng)吐槽半天了。想象一下，世界上每一個看似混亂的表象，實(shí)際都是一條時間軸上不規(guī)則的曲線，但實(shí)際這些曲線都是由這些無窮無盡的正弦波組成。我們看似不規(guī)律的事情反而是規(guī)律的正弦波在時域上的投影，而正弦波又是一個旋轉(zhuǎn)的圓在直線上的投影。那么你的腦海中會產(chǎn)生一個什么畫面呢，我們眼中的世界就像皮影戲的大幕布，幕布的后面有無數(shù)的齒輪，大齒輪帶動小齒輪，小齒輪再帶動更小的。在最外面的小齒輪上有一個小人——那就是我們自己。我們只看到這個小人毫無規(guī)律的在幕布前表演，卻無法預(yù)測他下一步會去哪。而幕布后面的齒輪卻永遠(yuǎn)一直那樣不停的旋轉(zhuǎn)，永不停歇。這樣說來有些宿命論的感覺。說實(shí)話，這種對人生的描繪是我一個朋友在我們都是高中生的時候感嘆的，當(dāng)時想想似懂非懂，直到有一天我學(xué)到了傅里葉級數(shù)
三、傅里葉級數(shù)（Fourier Series）的相位譜
? ? ? ?上一章的關(guān)鍵詞是：從側(cè)面看。這一章的關(guān)鍵詞是：從下面看。在這一章最開始，我想先回答很多人的一個問題：傅里葉分析究竟是干什么用的？這段相對比較枯燥，已經(jīng)知道了的同學(xué)可以直接跳到下一個分割線。先說一個最直接的用途。無論聽廣播還是看電視，我們一定對一個詞不陌生——頻道。頻道頻道，就是頻率的通道，不同的頻道就是將不同的頻率作為一個通道來進(jìn)行信息傳輸。下面大家嘗試一件事：
? ? ? ?先在紙上畫一個sin（x），不一定標(biāo)準(zhǔn)，意思差不多就行。不是很難吧。接下去畫一個sin（3x）+sin（5x）的圖形。別說標(biāo)準(zhǔn)不標(biāo)準(zhǔn)了，曲線什么時候上升什么時候下降你都不一定畫的對吧？畫不出來不要緊，我把sin（3x）+sin（5x）的曲線給你，但是前提是你不知道這個曲線的方程式，現(xiàn)在需要你把sin（5x）給我從圖里拿出去，看看剩下的是什么。這基本是不可能做到的。但是在頻域呢？則簡單的很，無非就是幾條豎線而已。所以很多在時域看似不可能做到的數(shù)學(xué)操作，在頻域相反很容易。這就是需要傅里葉變換的地方。尤其是從某條曲線中去除一些特定的頻率成分，這在工程上稱為濾波，是信號處理最重要的概念之一，只有在頻域才能輕松的做到。
再說一個更重要，但是稍微復(fù)雜一點(diǎn)的用途——求解微分方程。微分方程的重要性不用我過多介紹了。各行各業(yè)都用的到。但是求解微分方程卻是一件相當(dāng)麻煩的事情。因?yàn)槌艘?jì)算加減乘除，還要計(jì)算微分積分。而傅里葉變換則可以讓微分和積分在頻域中變?yōu)槌朔ê统ǎ髮W(xué)數(shù)學(xué)瞬間變小學(xué)算術(shù)有沒有。傅里葉分析當(dāng)然還有其他更重要的用途，我們隨著講隨著提。
下面我們繼續(xù)說相位譜：
? ? ? ?通過時域到頻域的變換，我們得到了一個從側(cè)面看的頻譜，但是這個頻譜并沒有包含時域中全部的信息。因?yàn)轭l譜只代表每一個對應(yīng)的正弦波的振幅是多少，而沒有提到相位?；A(chǔ)的正弦波A.sin(wt+θ)中，振幅，頻率，相位缺一不可，不同相位決定了波的位置，所以對于頻域分析，僅僅有頻譜（振幅譜）是不夠的，我們還需要一個相位譜。那么這個相位譜在哪呢？我們看下圖，這次為了避免圖片太混論，我們用7個波疊加的圖。
鑒于正弦波是周期的，我們需要設(shè)定一個用來標(biāo)記正弦波位置的東西。在圖中就是那些小紅點(diǎn)。小紅點(diǎn)是距離頻率軸最近的波峰，而這個波峰所處的位置離頻率軸有多遠(yuǎn)呢？為了看的更清楚，我們將紅色的點(diǎn)投影到下平面，投影點(diǎn)我們用粉色點(diǎn)來表示。當(dāng)然，這些粉色的點(diǎn)只標(biāo)注了波峰距離頻率軸的距離，并不是相位。
? ? ? ? 這里需要糾正一個概念：時間差并不是相位差。如果將全部周期看作2Pi或者360度的話，相位差則是時間差在一個周期中所占的比例。我們將時間差除周期再乘2Pi，就得到了相位差。在完整的立體圖中，我們將投影得到的時間差依次除以所在頻率的周期，就得到了最下面的相位譜。所以，頻譜是從側(cè)面看，相位譜是從下面看。
? ? ? ? 注意到，相位譜中的相位除了0，就是Pi。因?yàn)閏os（t+Pi）=-cos（t），所以實(shí)際上相位為Pi的波只是上下翻轉(zhuǎn)了而已。對于周期方波的傅里葉級數(shù)，這樣的相位譜已經(jīng)是很簡單的了。另外值得注意的是，由于cos（t+2Pi）=cos（t），所以相位差是周期的，pi和3pi，5pi，7pi都是相同的相位。人為定義相位譜的值域?yàn)?-pi，pi]，所以圖中的相位差均為Pi。
最后來一張大集合：
四、傅里葉變換（Fourier Transformation）
? ? ? ?相信通過前面三章，大家對頻域以及傅里葉級數(shù)都有了一個全新的認(rèn)識。傅里葉級數(shù)的本質(zhì)是將一個周期的信號分解成無限多分開的（離散的）正弦波，但是宇宙似乎并不是周期的。曾經(jīng)在學(xué)數(shù)字信號處理的時候?qū)戇^一首打油詩：往昔連續(xù)非周期，回憶周期不連續(xù)，任你ZT、DFT，還原不回去。在這個世界上，有的事情一期一會，永不再來，并且時間始終不曾停息地將那些刻骨銘心的往昔連續(xù)的標(biāo)記在時間點(diǎn)上。但是這些事情往往又成為了我們格外寶貴的回憶，在我們大腦里隔一段時間就會周期性的蹦出來一下，可惜這些回憶都是零散的片段，往往只有最幸福的回憶，而平淡的回憶則逐漸被我們忘卻。因?yàn)?，往昔是一個連續(xù)的非周期信號，而回憶是一個周期離散信號。
? ? ? ?比如傅里葉級數(shù)，在時域是一個周期且連續(xù)的函數(shù)，而在頻域是一個非周期離散的函數(shù)。這句話比較繞嘴，實(shí)在看著費(fèi)事可以干脆回憶第一章的圖片。而在我們接下去要講的傅里葉變換，則是將一個時域非周期的連續(xù)信號，轉(zhuǎn)換為一個在頻域非周期的連續(xù)信號。還是上一張圖方便大家理解吧：
因此在傅里葉變換在頻域上就從離散譜變成了連續(xù)譜。那么連續(xù)譜是什么樣子呢？
你見過大海么？
為了方便大家對比，我們這次從另一個角度來看頻譜，還是傅里葉級數(shù)中用到最多的那幅圖，我們從頻率較高的方向看。
以上是離散譜，那么連續(xù)譜是什么樣子呢？
盡情的發(fā)揮你的想象，想象這些離散的正弦波離得越來越近，逐漸變得連續(xù)……
直到變得像波濤起伏的大海：
不過通過這樣兩幅圖去比較，大家應(yīng)該可以理解如何從離散譜變成了連續(xù)譜的了吧？原來離散譜的疊加，變成了連續(xù)譜的累積。所以在計(jì)算上也從求和符號變成了積分符號。
五、宇宙耍帥第一公式：歐拉公式
虛數(shù)i這個概念大家在高中就接觸過，但那時我們只知道它是-1的平方根，可是它真正的意義是什么呢?
這里有一條數(shù)軸，在數(shù)軸上有一個紅色的線段，它的長度是1。當(dāng)它乘以3的時候，它的長度發(fā)生了變化，變成了藍(lán)色的線段，而當(dāng)它乘以-1的時候，就變成了綠色的線段，或者說線段在數(shù)軸上圍繞原點(diǎn)旋轉(zhuǎn)了180度。
我們知道乘-1其實(shí)就是乘了兩次 i使線段旋轉(zhuǎn)了180度，那么乘一次 i 呢——答案很簡單——旋轉(zhuǎn)了90度。
同時，我們獲得了一個垂直的虛數(shù)軸。實(shí)數(shù)軸與虛數(shù)軸共同構(gòu)成了一個復(fù)數(shù)的平面，也稱復(fù)平面。這樣我們就了解到，乘虛數(shù)i的一個功能——旋轉(zhuǎn)。
現(xiàn)在，就有請宇宙第一耍帥公式歐拉公式隆重登場——
這個公式在數(shù)學(xué)領(lǐng)域的意義要遠(yuǎn)大于傅里葉分析，但是乘它為宇宙第一耍帥公式是因?yàn)樗奶厥庑问健?dāng)x等于Pi的時候。
經(jīng)常有理工科的學(xué)生為了跟妹子表現(xiàn)自己的學(xué)術(shù)功底，用這個公式來給妹子解釋數(shù)學(xué)之美：”石榴姐你看，這個公式里既有自然底數(shù)e，自然數(shù)1和0，虛數(shù)i還有圓周率pi，它是這么簡潔，這么美麗??！“但是姑娘們心里往往只有一句話：”臭屌絲……“
這個公式關(guān)鍵的作用，是將正弦波統(tǒng)一成了簡單的指數(shù)形式。我們來看看圖像上的涵義：
歐拉公式所描繪的，是一個隨著時間變化，在復(fù)平面上做圓周運(yùn)動的點(diǎn)，隨著時間的改變，在時間軸上就成了一條螺旋線。如果只看它的實(shí)數(shù)部分，也就是螺旋線在左側(cè)的投影，就是一個最基礎(chǔ)的余弦函數(shù)。而右側(cè)的投影則是一個正弦函數(shù)。
關(guān)于復(fù)數(shù)更深的理解，大家可以參考：
這里不需要講的太復(fù)雜，足夠讓大家理解后面的內(nèi)容就可以了。
六、指數(shù)形式的傅里葉變換
有了歐拉公式的幫助，我們便知道：正弦波的疊加，也可以理解為螺旋線的疊加在實(shí)數(shù)空間的投影。而螺旋線的疊加如果用一個形象的栗子來理解是什么呢？
光波
高中時我們就學(xué)過，自然光是由不同顏色的光疊加而成的，而最著名的實(shí)驗(yàn)就是牛頓師傅的三棱鏡實(shí)驗(yàn)：
所以其實(shí)我們在很早就接觸到了光的頻譜，只是并沒有了解頻譜更重要的意義。但不同的是，傅里葉變換出來的頻譜不僅僅是可見光這樣頻率范圍有限的疊加，而是頻率從0到無窮所有頻率的組合。這里，我們可以用兩種方法來理解正弦波：第一種前面已經(jīng)講過了，就是螺旋線在實(shí)軸的投影。另一種需要借助歐拉公式的另一種形式去理解，我們剛才講過，e^(it)可以理解為一條逆時針旋轉(zhuǎn)的螺旋線，那么e^(-it)則可以理解為一條順時針旋轉(zhuǎn)的螺旋線。而cos(t)則是這兩條旋轉(zhuǎn)方向不同的螺旋線疊加的一半，因?yàn)檫@兩條螺旋線的虛數(shù)部分相互抵消掉了！舉個例子的話，就是極化方向不同的兩束光波，磁場抵消，電場加倍。這里，逆時針旋轉(zhuǎn)的我們稱為正頻率，而順時針旋轉(zhuǎn)的我們稱為負(fù)頻率（注意不是復(fù)頻率）。
想象一下再往下翻：
這個圖形在時域是什么樣子？
數(shù)學(xué)就是這么一個把簡單的問題搞得很復(fù)雜的東西。順便說一句，那個像大海螺一樣的圖，為了方便觀看，我僅僅展示了其中正頻率的部分，負(fù)頻率的部分沒有顯示出來。如果你認(rèn)真去看，海螺圖上的每一條螺旋線都是可以清楚的看到的，每一條螺旋線都有著不同的振幅（旋轉(zhuǎn)半徑），頻率（旋轉(zhuǎn)周期）以及相位。而將所有螺旋線連成平面，就是這幅海螺圖了。好了，講到這里，相信大家對傅里葉變換以及傅里葉級數(shù)都有了一個形象的理解了，我們最后用一張圖來總結(jié)一下：
