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沖激函數時移后的傅里葉變換

工程師鄧生 ? 來源:未知 ? 作者:劉芹 ? 2023-09-07 16:23 ? 次閱讀

沖激函數時移后的傅里葉變換

傅里葉變換(Fourier transform)是數學中的一種重要的分析工具,它能夠將一個時域(time domain)或空域(space domain)中的函數轉換為頻域(frequency domain)中的函數,也就是對于一個連續函數 $f(x)$,其傅里葉變換定義為:

$$F(\omega) = \int_{-\infty}^\infty f(x) e^{-i\omega x}dx$$

其中,$\omega$ 是頻率,$i=\sqrt{-1}$ 是虛數單位。可以看到,傅里葉變換實質上是在將一個函數拆分為其所包含的各個頻率分量。因此,通過傅里葉變換,我們可以獲得一個信號所包含的所有頻率成分,以及它們的振幅和相位信息。傅里葉變換在信號處理、圖像處理、通信系統、物理學、化學、生物學等領域中都有廣泛的應用。

而沖激函數是一種具有瞬時作用的極短時信號,它的傅里葉變換是一個常數。沖激函數可以表示為:

$$\delta(x) = \begin{cases}
0, & x \neq 0 \\
\infty, & x = 0
\end{cases}$$

由于沖激函數具有瞬時作用,因此,將沖激函數沿著時間軸平移(time shifting)一段時間 $t_0$ 后得到的函數為:

$$\delta(x - t_0)$$

現在來看一下,沖激函數時移后的傅里葉變換。根據傅里葉變換的定義,有:

$$\begin{aligned}
F(\omega) &= \int_{-\infty}^\infty \delta(x - t_0) e^{-i\omega x}dx \\
&= e^{-i\omega t_0}
\end{aligned}$$

由此,我們可以看到,盡管時間軸上的沖激函數會因為時移而發生改變,但其傅里葉變換卻只發生了相位上的改變。這是因為,傅里葉變換的本質就是將一個函數分解為各個頻率成分,而沖激函數的傅里葉變換只與其自身內部的結構有關,而和外界的變化是無關的。

需要注意的是,當 $t_0$ 為負數時,沖激函數的時移實質上就是將其在時間軸上的位置向右移動。由于傅里葉變換是對于整個時間軸上的函數進行分解的,因此其傅里葉變換仍然是 $e^{-i\omega t_0}$。另外,當時間軸上的函數是第一類傅里葉級數時,其傅里葉變換中所包含的頻率成分是離散的,此時,時間軸上的沖激函數時移后的傅里葉變換也是相位的改變。但當時間軸上的函數是傅里葉變換式時,則其傅里葉變換中所包含的頻率成分是連續的,此時,時間軸上的沖激函數時移后的傅里葉變換也是相位的改變。

總之,沖激函數是一種特殊的信號,它的傅里葉變換與其自身結構有關,而與外界的變化是無關的。在實際應用中,時移常常會發生,比如說,當信號經過傳輸或濾波等處理后,其時間軸上的位置會發生改變。因此,對于時移后的信號,我們可以通過傅里葉變換來獲得其頻率信息,并進一步進行分析和處理。

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