根據前文 Rnderace:傅裡葉變換,已經對傅裡葉變換有了初步認識,這一次我們探讨一下傅裡葉變換的性質以及一些基本的應用。
傅裡葉變換具有如下形式:
這裡我之是以不使用
的記号,就是因為傅裡葉變換的兩個條件:
1.原函數定義在 上 2.原函數要“絕對可積”: 為有限值,且
對于條件
1 ,如果是以
作為記号,考慮其實體意義是時間,時間并不滿足定義在
上,這也是導緻拉普拉斯變換在很多方面強于傅裡葉變換的原因。
實際上,傅裡葉變換作為一種積分變換,它也是線性變換。隻不過它不同于有限維線性空間的是,它的作用對象是函數。對于線性變換,我們應當有這樣一種意識:不論對象是什麼,滿足線性運算這種操作就是一種線性變換。而如果對作用對象有一定限制,比如存在零元( 任何元素與它作用都得到
),幺元( 任何元素與它作用都得到本身 )等等,這樣的作用對象+線性運算,将得到一個線性空間。
至于所謂積分變換,是指:
,其中
稱為
積分變換的核 。它相當于是線性代數中的
。
我們将傅裡葉變換記為
,現在來讨論一些性質。
1.微分定理 I(關于原函數的微分定理) 由于函數滿足絕對可積,
在無窮遠處取
。是以:
記為:
2.微分定理 II(關于象函數的微分定理) 由于
,我們取微分:
故:
3.積分定理 根據
微分定理 I ,原函數求導後再進行傅裡葉變換,實際上就是原函數的象函數乘以因子
。是以反過來,原函數積分後進行傅裡葉變換,就是原函數的象函數除以因子
。
即:
,其中
取任意實數。
4.位移定理 所謂“位移”,展現在自變量上就是将
換為
,令
即:
5.卷積定理(關于卷積的傅裡葉變換) 将卷積記為 “
”,所謂“卷積”指的是
過程有些繁瑣,但原理很簡單。
涉及兩個積分号,隻需要将内部的積分号轉化為
或
的象函數
或者
。然後再使外面的積分号轉化為另一個象函數。
是以:
在解微分方程方面的應用,傅裡葉變換将被拉普拉斯變換取代,但對于某一些方程,傅裡葉變換要友善一些。值得注意的是,使用傅裡葉變換解微分方程,自變量必須滿足
定義在 上 這個條件。
不論是拉普拉斯變換還是傅裡葉變換,它們都是把微分方程轉化為代數方程求解的,十分友善。
1.對于微分方程 求解。 對方程兩端取傅裡葉變換:
反變換:
再舉一個量子力學的例子:
2.粒子在 函數勢: 中運動,求束縛态情況 的本征方程。 由于是束縛态本征方程,直接寫出定态薛定谔方程:
,其中
、
是待定系數,有:
,
對定态薛定谔方程兩邊進行傅裡葉變換:
解得:
進行傅裡葉逆變換:
由于該波函數一般具有如下形式:
,是以
有:
,而本征能量為
這說明系統隻存在一種束縛态,不論勢的強度
如何。
最後利用歸一化條件:
是以歸一化的本征函數為: