news 2026/6/10 22:03:54

傅里叶变换(四):直角坐标与极坐标

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张小明

前端开发工程师

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傅里叶变换(四):直角坐标与极坐标

让我们来继续探索F(ω)F(\omega)F(ω)这个函数吧!

对于每个频率ω\omegaω,我们得到一个复数F(ω)F(\omega)F(ω),它告诉我们“信号中包含了多少这个频率”。

F(ω)=∫−∞∞f(t)e−iωt,dtF(\omega) = \int_{-\infty}^{\infty} f(t) e^{-i\omega t} , dtF(ω)=f(t)et,dt

由于F(ω)F(\omega)F(ω)是复数,我们可以将其写成:F(ω)=A(ω)+iB(ω)F(\omega) = A(\omega) + i B(\omega)F(ω)=A(ω)+iB(ω)

或者用极坐标形式表示:F(ω)=∣F(ω)∣eiϕ(ω)F(\omega) = |F(\omega)| e^{i\phi(\omega)}F(ω)=F(ω)eiϕ(ω)

其中:

  • ∣F(ω)∣|F(\omega)|F(ω)幅度,表示该频率在信号中的强度

  • ϕ(ω)\phi(\omega)ϕ(ω)相位,表示该频率分量的时序或偏移

有趣的是:F(ω)F(\omega)F(ω)作为ω\omegaω的函数,可以告诉你信号的完整“频率特征”。

一些有趣的性质:

  1. 如果f(t)f(t)f(t)是频率为ω0\omega_0ω0的纯正弦波,那么F(ω)F(\omega)F(ω)除了ω=ω0\omega = \omega_0ω=ω0处(一个尖峰!)以外,其余处均为零。

  2. 如果f(t)f(t)f(t)是实值函数(对于物理信号来说通常是实值函数),那么F(ω)F(\omega)F(ω)具有特殊的对称性:F(−ω)=F(ω)‾F(-\omega) = \overline{F(\omega)}F(ω)=F(ω)(复共轭)。

任何复数都可以用两种方式表示:

直角坐标:a+iba + iba+ib- 向右移动aaa个单位,向上移动bbb个单位

极坐标:reiθr e^{i\theta}reiθ- 从原点出发,沿rrr的距离,以θ\thetaθ的角度移动

它们指向同一个点,只是描述方式不同。

所以当我们写F(ω)=∣F(ω)∣我们用eiϕ(ω)F(\omega) = |F(\omega)|我们用 e^{i\phi(\omega)}F(ω)=F(ω)我们用eiϕ(ω)来表示:

  • 从原点出发

  • 向外移动距离∣F(ω)∣|F(\omega)|F(ω)(振幅,频率的强度)

  • 沿ϕ(ω)\phi(\omega)ϕ(ω)方向移动(相位,角度)

“这本质上是同心圆”,没错!到原点距离相等的每个点都位于一个圆上。振幅告诉你哪个圆,相位告诉你圆上的位置。

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