据了解,傅里叶正变换的推导过程如下:
1. 任意周期函数可展开成一组三角函数的级数,即
$f(x)=frac{a_0}{2}+sum_{n=1}^{infty}[a_ncos(nx)+b_nsin(nx)]$
其中,$a_0$、$a_n$和$b_n$为系数。
2. 将上式中的$x$替换为$omega t$,得到
$f(omega t)=frac{a_0}{2}+sum_{n=1}^{infty}[a_ncos(nomega t)+b_nsin(nomega t)]$
3. 对上式进行积分,得到
$int_{-infty}^{infty}f(omega t)e^{-iomega t}d(omega t)=frac{a_0}{2}int_{-infty}^{infty}e^{-iomega t}d(omega t)+sum_{n=1}^{infty}[a_nint_{-infty}^{infty}cos(nomega t)e^{-iomega t}d(omega t)+b_nint_{-infty}^{infty}sin(nomega t)e^{-iomega t}d(omega t)]$
4. 利用欧拉公式$e^{i
heta}=cos
heta+isin
heta$,将积分式中的余弦函数和正弦函数转化为指数形式,即
$int_{-infty}^{infty}cos(nomega t)e^{-iomega t}d(omega t)=frac{1}{2}int_{-infty}^{infty}[e^{inomega t}+e^{-inomega t}]e^{-iomega t}d(omega t)=pidelta(n)+frac{1}{2}int_{-infty}^{infty}e^{-(n-1)iomega t}d(omega t)+frac{1}{2}int_{-infty}^{infty}e^{-(n+1)iomega t}d(omega t)$
$int_{-infty}^{infty}sin(nomega t)e^{-iomega t}d(omega t)=frac{1}{2i}int_{-infty}^{infty}[e^{inomega t}-e^{-inomega t}]e^{-iomega t}d(omega t)=frac{1}{2i}int_{-infty}^{infty}e^{-(n-1)iomega t}d(omega t)-frac{1}{2i}int_{-infty}^{infty}e^{-(n+1)iomega t}d(omega t)$
其中,$delta(n)$为狄拉克δ函数。
5. 将积分式带回初始式子,得到
$int_{-infty}^{infty}f(omega t)e^{-iomega t}d(omega t)=frac{a_0}{2}int_{-infty}^{infty}e^{-iomega t}d(omega t)+sum_{n=-infty}^{infty}[a_npidelta(n)+b_n(frac{1}{2i}int_{-infty}^{infty}e^{-((n-1)iomega t}d(omegat)-frac{1}{2i}int_{-infty}^{infty}e^{-(n+1)iomega t}d(omega t))]$
6. 对于任意常数$A$,有$int_{-infty}^{infty}e^{-A|x|}dx=frac{2A}{A^2+b^2}$,其中$b$为任意正实数。
7. 根据上式,可以计算出积分式中的每一项的值,得到
$int_{-infty}^{infty}f(omega t)e^{-iomega t}d(omega t)=frac{1}{sqrt{2pi}}int_{-infty}^{infty}f(t)e^{-iomega t}dt$
即傅里叶正变换的式子:
$F(omega)=frac{1}{sqrt{2pi}}int_{-infty}^{infty}f(t)e^{-iomega t}dt$
其中,$F(omega)$为函数$f(t)$的傅里叶变换。