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傅裡葉變換性質證明卷積_傅裡葉變換的性質及基本應用

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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:

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這裡我之是以不使用

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的記号,就是因為傅裡葉變換的兩個條件:

1.原函數定義在
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2.原函數要“絕對可積”:
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為有限值,且

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對于條件

1

,如果是以

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作為記号,考慮其實體意義是時間,時間并不滿足定義在

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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

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),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:

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,其中

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稱為

積分變換的核

。它相當于是線性代數中的

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我們将傅裡葉變換記為

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,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)
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由于函數滿足絕對可積,

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在無窮遠處取

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。是以:

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記為:

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2.微分定理 II(關于象函數的微分定理)

由于

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,我們取微分:

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故:

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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

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。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

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即:

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,其中

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取任意實數。

4.位移定理

所謂“位移”,展現在自變量上就是将

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換為

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,令

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即:

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5.卷積定理(關于卷積的傅裡葉變換)

将卷積記為 “

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”,所謂“卷積”指的是

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過程有些繁瑣,但原理很簡單。

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涉及兩個積分号,隻需要将内部的積分号轉化為

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的象函數

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或者

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。然後再使外面的積分号轉化為另一個象函數。

是以:

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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
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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
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求解。

對方程兩端取傅裡葉變換:

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反變換:

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再舉一個量子力學的例子:

2.粒子在
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函數勢:
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中運動,求束縛态情況
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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:

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,其中

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是待定系數,有:

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對定态薛定谔方程兩邊進行傅裡葉變換:

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解得:

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進行傅裡葉逆變換:

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由于該波函數一般具有如下形式:

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,是以

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有:

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,而本征能量為

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這說明系統隻存在一種束縛态,不論勢的強度

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如何。

最後利用歸一化條件:

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是以歸一化的本征函數為:

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