星空浩淼 傅立叶变换相当于把坐标轴作90度旋转的变换,从位置空间变换到动量空间或反之

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傅立叶变换的几种理解方式

下面谈一下我对傅立叶变换的几种理解方式。

1)把任意一个满足一定条件的函数,用指数函数作为基函数进行展开。物理上讲,任意一个波包,可以表达成(无穷)多个不同频率、不同振幅的平面波的叠加,其中平面波用指数函数描述。用平面波进行展开时的展开系数,即是波包中所包含的某种频率成分的多少。

2)以时空坐标为自变量的函数,可以用以能量动量为自变量的函数作为基函数进行展开(能量可以用频率来表示),展开的系数,是指数函数。例如,量子力学中,三维空间中的位置波函数,可以用三维动量空间中的动量波函数进行展开,并且反之亦然;信号分析中,以时间为变量的信号(时域信号),可以表达成以频率为变量的信号函数(频域信号)的无穷叠加,并且反之亦然。
从物理上讲,当一个粒子用一个位置波函数描述时,位置波函数作为空间位置的本征函数,它对应完全确定的空间位置,由于测不准关系,它对应的动量就完全不确定,因此位置波函数对应无穷多个动量波函数(即具有确定动量的动量本征函数)的叠加,而且,位置波函数用动量波函数进行展开时,展开系数(指数函数)模的平方都相等(等于1),表示在位置波函数中,包含所有可能的动量成份的几率是一样的,因为在位置本征态下,动量是完全不确定的。

可以同样地分析时域信号和频域信号之间的傅立叶变换的物理意义。一个在时间轴上分布宽度为零的δ信号脉冲,它在时域上完全确定,因此做傅立叶变换(又称作傅立叶分解)时,就变成无穷多个频率成份的叠加,并且每个频率成份所占的权重因子一样,即在频域上的分布宽度为无穷大(即在频域上的分布完全不确定)。由于测不准关系,信号在时域和频域的分布不可能同时确定。有时,我们需要同时了解信号在时域和频域的分布情况,这样就不希望信号在时域和频域完全不确定,这只有容许信号在时域和频域的分布都有一定的不确定度才能做到——小波分析,就是基于这种考虑的。
一个时域信号通过一个光学变换仪器(例如通过透镜)出来之后,可能得到频域分布信息(频谱信息)。如果这些光学仪器的变换功能,相当于对输入信号执行了一个傅立叶变换,则这些仪器被称作傅立叶变换仪器。

3)在量子力学中,采用Dirac符号体系,则物理系统的量子力学状态用Hilbert空间中的状态矢量|ψ>来描述。设|x>和|p>分别表示位置和动量本征态,则<x|ψ>和<p|ψ>分别表示位置波函数和动量波函数。利用完备性关系:∑|p><p|=1,有
<x|ψ>=∑<x|p><p|ψ>
上式正是<x|ψ>和<p|ψ>之间的傅立叶变换。它表示|ψ>在|p>上的投影乘以|p>在|x>上的投影,再无穷求和,得到|ψ>在|x>上的投影。为了得到ψ>在|x>上的投影,中间先经历一个把|ψ>在|p>上进行分解的过程(随后把各个分解在|x>上进行“综合”)。这种分解过程,如同光学中把一束白光进行色散分解的过程(注意到不同的动量大小对应不同的频率大小)。而傅立叶变换公式
<x|ψ>=∑<x|p><p|ψ>
就好比为了把一束光|ψ>投影到位置|x>,先把这束光分解为不同频率成份,再把各个不同频率成分分别投影到位置|x>上再叠加在一起。
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以时空坐标为自变量的函数,可以用以能量动量为自变量的函数作为基函数进行展开

基函数自变量不能不一样,还是时空坐标吧。
频率动量是参数,用parsaval等式的那个积分积了之后,因为积分变量是时空坐标就积没了,变换后的函数自变量就是频率、动量了。含义就是对应频率动量的平面波在原来函数里面的成分。

[ 本帖最后由 AMOXICILLIN 于 2009-1-8 13:38 编辑 ]

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基函数自变量不能不一样,还是时空坐标吧。
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这个不一定。例如,一个随时间变化的三维空间矢量R,可以用三个正交归一坐标基矢量e1,e2,e3展开,展开的系数R1,R2,R3,也即是矢量R的坐标分量:
R=R1e1+R2e2+R3e3
此时,矢量R是以时间为自变量的函数,但是基矢量e1,e2,e3不一定含有时间变量,例如坐标分量R1,R2,R3含时间变量,而基矢量e1,e2,e3跟时间无关。

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您是说拿变换后的频谱当成基函数,拿指数函数当系数,这样理解傅里叶变换?

没理解,能不能再仔细讲讲?

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是说把包含参数的常函数作为基函数,他们的系数里面含有自变量?
这样多别扭:o

嗯。。。不止别扭,而且是不行的
一来建立空间所依赖的是一个数域,拿里面的元素来用的时候引入参数倒是可以,但是把所建立的函数空间的函数自变量引进来就不对了,二来,在这个意义上,常函数也是不能构造完备的一组基的,因为它们必然线性相关

用您上面的例子说
就是“一个随时间变化的三维空间矢量R”,这个R所在的矢量空间不是我们的三维空间,而是一个矢值函数的函数空间,这个空间可指不定是多少维的。
这个三维只是函数值。
要是限定理解这个空间是我们的三维空间,矢量是三维物理矢量的话,那么时间就只能是参数。

[ 本帖最后由 AMOXICILLIN 于 2009-1-8 16:12 编辑 ]

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把物理的三维矢量和函数空间中作为矢量的函数分清楚不混淆之后。
其实还有问题。

三个单位物理矢量没有办法线性相关,但是他们对矢值函数而言都是常函数
所以,三维矢值函数不能构成函数空间。

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引用:
原帖由 AMOXICILLIN 于 2009-1-8 14:21 发表
您是说拿变换后的频谱当成基函数,拿指数函数当系数,这样理解傅里叶变换?
没理解,能不能再仔细讲讲?
此时的傅立叶变换,可以看作是从一组正交归一完备基,变换到另一组正交归一完备基。

举例来说,在量子力学中,厄米算符的本征态矢可构成一组正交归一和完备的基矢量,于是其他态矢量可以用这组基矢量展开。例如,位置算符的本征态矢量|x>可构成一组正交归一和完备的基矢量,动量算符的本征态矢量|p>也构成一组正交归一和完备的基矢量,利用完备性关系∑|p><p|=1(为方便计,用离散求和符号∑表示积分),有
|x>=∑|p><p|x>
上式可以看作是用基矢量组{|p>}来展开另一组基矢量{|x>},展开系数<p|x>=exp(-ipx/ħ)/(2πħ),因此上式是一个傅立叶变换。
设系统的状态矢量为|ψ>,上式左乘状态矢量,则有
<ψ|x>=∑<ψ|p><p|x>
对上式两边取复共轭:
<x|ψ>=∑<p|ψ><x|p>
显然,<x|ψ>和<p|ψ>分别是状态矢量在位置表象和动量表象中的表示,即分别为位置空间中的波函数和动量空间中的波函数,而上式,则是位置空间波函数与动量空间波函数之间的傅立叶变换公式。

最后,对楼顶帖子补充一点:
傅立叶变换可以看作是相空间中旋转90度的变换。例如,对于由坐标空间x与位置空间p的直和空间构成的相空间(x,p),傅立叶变换相当于把坐标轴作90度旋转的变换,从位置空间变换到动量空间或反之。后来傅立叶变换推广到分数阶傅立叶变换,就是相当于把旋转90度的变换,推广到旋转任意角度的变换。时间与频率(能量)之间的关系,类似位置x与动量p之间的关系。
分数傅立叶变换在信号分析中是一个热门理论,因为信号分析中,常常需要同时了解时域与频域的信息,就算信号因此在时域和频域同时有一定的不确定度,也要比时域信号的频谱分布信息为零、而频域信号的时域分布信息为零要好(根据测不准关系,如果信号在时间上的分布完全确定,则它在频域上的分布完全不确定;反之亦然)。分数傅立叶变换,让信号同时有时域分布信息和频域分布信息。

[ 本帖最后由 星空浩淼 于 2009-1-9 21:02 编辑 ]

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星空浩淼:傅立叶分析相当于在相空间取了边长形状固定的相格子,而小波分析相当于可以让这些相格子的边长形状因情况而随意改变:信号在动 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (4480 bytes) () 02/18/2011 postreply 09:09:51

王贤文 关于非阿贝尔正交群SO(10)之自然三原,E=mc2的物理内涵是正确的,它恰恰说明能量是由质量和动量(光速从本质上讲是动 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (67919 bytes) () 02/18/2011 postreply 11:34:44

光子固有动量不变性,绝对参考系 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (24689 bytes) () 02/18/2011 postreply 16:47:13

采用以物质存在为参考来定义物质运动是对牛顿运动以“静止”运动为参考和爱因斯坦的相对论以光的运动为参考的理性推广 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (35558 bytes) () 02/18/2011 postreply 17:09:21

光子固有动量不变性,绝对参考系,运动知觉,动量相格:频率或波长反比 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (2623 bytes) () 02/18/2011 postreply 17:14:30

4维时空的间隔(ds或其平方ds2=c2dt2-dx2-dy2-dz2)才是标量, 在牛顿力学中,时间和空间是绝对分离的; -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (3390 bytes) () 02/18/2011 postreply 18:12:19

物理学的历史和哲学 dx=dy=dz=0,且称为本征时间的时间 静止系中(粒子在其中处于静止状态 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (1369 bytes) () 02/18/2011 postreply 19:01:40

光波列(或光子)的生存时间和所占据的频率不能同时测定。生存时间越长,它的光谱宽度越窄,即单色性越好 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (15756 bytes) () 02/18/2011 postreply 09:29:17

模式数(波动观点)=量子状态数(光子观点),任意体积V内,n到n+Dn频率间隔内,模式数目, -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (21 bytes) () 02/18/2011 postreply 09:33:41

傅立叶变换将晶体的周期性的实空间(正格子)变换成了周期性的倒易空间(倒格子 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (14509 bytes) () 02/18/2011 postreply 09:42:44

FT給出了倆個空間的對偶。但在物理上,與不確定性關係完全不同,只從量綱分析就可以看出來。具體到LZ的問題上,FT給出的是對偶空間 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (51370 bytes) () 02/18/2011 postreply 11:00:56

FT給出了倆個空間的對偶。於時間,其倒數恰好可以對應於能量,频率对应于时间 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (24081 bytes) () 02/18/2011 postreply 11:16:23

ΔtΔf=定值(>h),现象波所持续的时间Δt必然成反比变长。如果频宽Δf趋向于零,现象波的持续时间Δt就趋向于无穷大 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (33990 bytes) () 02/18/2011 postreply 11:22:15

敲击某物体所产生的频率是由什么决定:敲击的动量(Ft);物体的质量;敲击的位置;物体重心的位置;物体的硬度 -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (1508 bytes) () 02/18/2011 postreply 11:30:04

位置波函数对应无穷多个动量波函数,FA UPed osciliators can trigger many stop loss -marketreflections- 给 marketreflections 发送悄悄话 marketreflections 的博客首页 (3568 bytes) () 02/18/2011 postreply 12:25:26

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