\gdef\red#1{{\color{cb8680}{#1}}} \gdef\green#1{{\color{4f8d63}{#1}}} \gdef\gray#1{{\color{gray}{#1}}} \gdef\purple#1{{\color{B189C6}{#1}}} \gdef\orange#1{{\color{dfa04b}{#1}}} \gdef\white#1{{\color{white}{#1}}}

傅里叶变换 (Fourier Transformation)

纲要

  • 傅里叶变换
  • 无界弦的振动
  • δ\delta 函数
  • 无界杆热传导
第八章:傅里叶变换

傅里叶变换

  • 傅里叶级数
  • 傅里叶变换
  • 傅里叶变换的性质
第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 一定区间上的全体函数形成函数空间

    粗略的说法;没有明确边界条件、微分性质

  • 许多情况下,是个线性空间

    空间中的一个矢量代表一个函数

    无穷维线性空间

  • 求解偏微分、常微分方程:在空间里面寻找满足条件的矢量

  • 如何刻画函数空间?

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 线性空间:基底
  • 必备条件:线性独立性完备性

    空间内的任意矢量都可以用该基底展开,且展开表达式唯一

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 泰勒展开:提供 单项式作为基底 x0,x1,x2,x^0, x^1, x^2, \cdots

    f(x)=n=0+f(n)(0)n!xnf(x) = \sum_{n = 0}^{+\infty} \frac{f^{(n)}(0)}{n!} \green{\boldsymbol{x^n}}

    无穷多个基底矢量:无穷维空间

    实光滑函数的展开可能 不收敛为原来函数

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 本征问题:提供一套满足特定边界条件的 完备 基底
    • [0,][0, \ell]{sinnπx}\{\sin \frac{n \pi }{\ell} x\}{cosnπx}\{\cos \frac{n \pi}{\ell} x\}{sin(n+1/2)πx}\{\sin \frac{(n + 1/2)\pi}{\ell} x\}, \cdots

    • [0,2π][0, 2\pi] 或者 [π,π][-\pi, \pi]{sinnx,cosnx}\{\sin nx, \cos nx\} 或者 {eimx,mZ}\{e^{imx}, m \in \mathbb{Z}\}

      sin\sin 负责函数,cos\cos 负责函数

    • [,][-\ell, \ell]{eimπx/,mZ}\{e^{i m \pi x/\ell}, m \in \mathbb{Z}\}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 非必备性质:正交性、归一性
  • 什么叫正交?什么叫归一?
  • 什么是内积?
第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 例子:线性空间 Rn\mathbb{R}^n 中的内积,

    (v,w)=i=1nviwi=v1w1+...+vnwnR .(v, w) = \sum_{i=1}^{n} v_i w_i = v_1 w_1 + ... + v_n w_n \in \mathbb{R} \ .

    也称为 点乘 (dot product)标量积 (scalar product)
    也可以记为 v,w,vw,...\langle v, w\rangle, \quad \langle v|w\rangle, \quad ...

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 例子:线性空间 Cn\mathbb{C}^n 中的内积,

    (v,w)=i=1nviwi=v1w1+...+vnwn .(v, w) = \sum_{i=1}^{n} \overline{v_i} w_i = \overline{v_1} w_1 + ... + \overline{v_n} w_n \ .

    模方 v2=(v,v)R|v|^2 = (v, v) \in \mathbb{R}

  • 正交基底,归一基底

    (ei,ej)={0iji>0i=j ,i=1\red{(e_i, e_j) = \left\{ \begin{array}{cc} 0 & i \ne j \\ \ell_i > 0 & i = j \end{array}\right.} \ , \qquad \green{\ell_i = 1}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

函数空间

  • 如何定义函数之间的内积?
  • 方法并 不唯一
  • 其中一种适用于 [,][-\ell, \ell] 上的复值光滑函数,

    (f,g)f(x)g(x)dx .{\color{green}(f, g)} \coloneqq \int_{-\ell}^\ell \overline{f(x)}g(x) dx \ .

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶级数

Joseph Fourier (1768-1830)

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶级数

  • 指数函数 {einπx/}\{e^{i n \pi x/\ell}\} 具有 完备性[,][-\ell, \ell] 上的连续函数可以用指数函数展开成 傅里叶级数 (Fourier series)

    f(x)=n=+fneinπx/ .f(x) = \sum_{n = - \infty}^{+\infty} \green{f_n} e^{i n \pi x/\ell} \ .

    其中 系数 fnf_n 可以被明确算出,

    fn=12+f(ξ)einπξ/dξ ,nZ .\green{f_n} = \green{\frac{1}{2\ell} \int_{-\ell}^{+\ell} f(\xi) e^{- i n \pi \xi/\ell}d\xi} \ , \qquad \forall n \in \mathbb{Z} \ .

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶级数

周期函数

[,][-\ell, \ell] 上的连续函数可以延拓为 R\mathbb{R} 上的周期函数,同样可以用 {eimπx/}\{e^{i m \pi x/\ell}\} 可以对他们进行展开,展开系数跟 [,][-\ell, \ell] 的结果一样

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶级数

  • 正交性:

    (eimπx/,einπx/)=0,mn .(e^{im \pi x/\ell}, e^{in \pi x/\ell}) = 0, \qquad m \ne n \ .

  • 可归一化

     (eimπx/,eimπx/)=2< , (12eimπx/,12eimπx/)=1 .\begin{align*} & \ (e^{im \pi x/\ell}, e^{im \pi x/\ell}) = 2 \ell < \infty \ , \\ \Rightarrow & \ \bigg(\frac{1}{\sqrt{2\ell}} e^{i m \pi x/\ell}, \frac{1}{\sqrt{2\ell}} e^{i m \pi x/\ell} \bigg) = 1 \ . \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶级数

直接验证正交性,考虑 mnm \ne n

(einπx/,eimπx/)=+ei(mn)πx/dx=iπei(mn)πx/mn+=0(e^{i n \pi x/\ell}, e^{i m \pi x/\ell}) = \int_{-\ell}^{+\ell} e^{i (m - n) \pi x/\ell} dx = \frac{\ell}{i\pi} \frac{e^{i (m - n) \pi x/\ell}}{m - n}\bigg|_{-\ell}^{+\ell} = 0

直接验证可归一化,考虑 m=nm = n

(einπx/,einπx/)=+dx=2 (e^{i n \pi x/\ell}, e^{i n \pi x/\ell}) = \int_{-\ell}^{+\ell} dx = 2\ell

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换

  • 傅里叶变换 \sim +\ell\to +\infty 的傅里叶级数:可以对任意 R\mathbb{R} 上函数做 (不一定周期性)
  • +\ell \to +\infty1/201/2\ell \to 0

    f(x)= n=+12[+f(ξ)einπξ/dξ]e+inπx/ n=+无穷小量×[...](n)e+inπx/\begin{align*} f(x) = & \ \sum_{n = -\infty}^{+\infty} \orange{\frac{1}{2\ell}} \green{\bigg[\int_{-\ell}^{+\ell}f(\xi)e^{- i n \pi \xi/\ell}d\xi \bigg]} e^{+i n \pi x/\ell} \\ \sim & \ \sum_{n = -\infty}^{+\infty} \orange{\text{无穷小量}} \times \green{\big[... \big](n)} e^{+ i \purple{n \pi} x/\purple{\ell}} \end{align*}

    形成 黎曼积分 的结构

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换

  • 考虑替换

    knnπ,Δkn=kn+1kn=π,12=Δkn2π\purple{k_n \coloneqq \frac{n \pi }{\ell}}, \quad \Delta k_n = k_{n + 1} - k_n = \frac{\pi}{\ell} , \quad \orange{\frac{1}{2\ell} = \frac{\Delta k_n}{2\pi}}

  • 函数的傅里叶展开变成

    f(x)= n=+12[+f(ξ)einπξ/dξ]e+inπx/= n=+Δkn2π[...](kn)e+iknx\begin{align*} f(x) = & \ \sum_{n = -\infty}^{+\infty} \orange{\frac{1}{2\ell}} \green{\bigg[\int_{-\ell}^{+\ell}f(\xi)e^{- i n \pi \xi/\ell}d\xi \bigg]} e^{+i \purple{n \pi} x/\purple{\ell}} \\ = & \ \sum_{n = -\infty}^{+\infty} \orange{\frac{\Delta k_n}{2\pi}} \green{\big[...\big](k_n)} e^{+i \purple{k_n} x} \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换

  • \ell \to \infty,拆分 12π\red{\frac{1}{2\pi}}knkk_n \to kΔkndk\Delta k_n \to dk12π[...](n)F(k)\red{\frac{1}{\sqrt{2\pi}}}[...](n) \to F(k)

    f(x)=12π+dkF(k)e+ikxf(x) = \red{\frac{1}{\sqrt{2\pi}}} \int_{-\infty}^{+\infty} dk F(k) e^{+i k x}

    其中

    F(k)=12π+f(ξ)eikξdξF(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} f(\xi) e^{- i k \xi} d\xi

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换

  • 对任意连续函数 f(x)f(x),可以写成平面波 e+ikxe^{+ikx} 的积分,

    f(x)=+dk2πF(k)e+ikxf(x) = \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dk}{\sqrt{2\pi}} F(k) e^{+i k x}

    定义 系数 F(k)F(k)f(x)f(x)傅里叶变换,或称为f(x)f(x) 的傅里叶变换 像函数

    F(k)12π+f(x)eikxdx .\green{F(k) \coloneqq \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty}f(x)e^{- i k x}dx} \ .

    f(x)f(x) 称为 F(k)F(k) 的傅里叶变换 原函数
第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换

  • 原本 f(x)f(x) 的展开称为傅里叶 逆变换F(k)f(x)F(k) \to f(x)

    f(x)=12π+F(k)eikxdkf(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} F(k) e^{i k x}dk

  • 常用记号

    f(x)F(k) f(x) \leftrightarrow F(k)

    F=F[f],f=F1[F] F = \mathscr{F}[f], \quad f = \mathscr{F}^{-1}[F]

    F(k)=F(f(x)),f(x)=F1[F(k)] F(k) = \mathscr{F}(f(x)), \qquad f(x) = \mathscr{F}^{-1}[F(k)]

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换与基底变换

  • 正交基底 {em}\{e_m\}v=mvmemv = \sum_{m} v_m e_m
  • 新正交归一基底 {en}\{e'_n\}v=nvnenv = \sum_{n} v'_n e'_n

    em=mAmnen,Amn=(en,em)=enem e_m = \sum_{m} A_{mn} e'_n, \qquad A_{mn} = (e'_n, e_m) = e'_n \cdot e_m

  • 矢量 vv 的重新分解

    v= mvmem=mvmn(en,em)en= n[mvm(en,em)]en=nvnen\begin{align*} v = & \ \sum_{m} v_m \orange{e_m} = \sum_{m} v_m \orange{\sum_{n} (e'_n, e_m) e'_n}\\ = & \ \sum_{n} \green{\left[{\sum_{m}v_m (e'_n, e_m)}\right]} e'_n = \sum_{n} \green{v'_n} e'_n \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换与基底变换

波函数 ψ(x)\psi(x):坐标基底 x|x\rangle 下的分量

ψ=+dxψ(x)x |\psi\rangle = \int_{-\infty}^{+\infty} dx \psi(x) |x\rangle

动量基底 k|k\rangle

kx=eikx\langle k |x \rangle = e^{-i k x}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换与基底变换

动量基底下重新展开

ψ= +dx(+dkkk)ψ(x)x= +dk[+dxψ(x)kx]k= +dkΨ(k)k\begin{align*} |\psi\rangle = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} dx \left({\int_{-\infty}^{+\infty} dk |k\rangle \langle k|}\right) \psi(x) | x\rangle\\ = & \ \int_{-\infty}^{+\infty}dk \green{\left[{\int_{-\infty}^{+\infty}dx \psi(x) \langle k|x\rangle}\right]} |k\rangle\\ = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} dk \green{\Psi(k)} |k\rangle \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换与基底变换

动量基底下的展开系数 (波函数)

Ψ(k)=+dxψ(x)kx=+dxψ(x)eikx\Psi(k) = \int_{-\infty}^{+\infty} dx \psi(x) \langle k|x\rangle = \int_{-\infty}^{+\infty} dx \psi(x) e^{- i k x}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

高维傅里叶变换

  • 可以推广到多变量函数 f(x,y)f(x, y)f(x,y,z)f(x, y, z), \cdots
  • 二维傅里叶变换

    F(k,) 12π+f(x,y)ei(kx+y)dxdyf(x,y) 12π+F(k,)ei(kx+y)dkd\begin{align*} F(k, \ell) \coloneqq & \ \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{+\infty}f(x, y) e^{-i (kx + \ell y)} dx dy\\ f(x, y) \coloneqq & \ \frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{+\infty} F(k, \ell) e^{i (k x + \ell y)}dk d\ell \end{align*}

    多元函数可以选择对其中一个若干个变量做傅里叶变换。其中 2π=(2π)22\pi = (\sqrt{2\pi})^2

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

高维傅里叶变换

  • f(x,y)f(x, y) 先对 xx 做傅里叶变换,再对 yy 做傅里叶变换。

    F~(k,y)=12π+f(x,y)eikxdx\tilde F(k, y) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f(x, y) e^{-i k x} dx

  • 像函数 F~(k,y)\tilde F(k, y)kk 看成参数、常数。再对 yy 做傅里叶变换

    F(k,)=12π+F~(k,y)eiydyF(k, \ell) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} \tilde F(k, y) e^{-i \ell y} dy

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

常用积分公式

+f(x)dx=+f(x)dx \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) dx = \int_{-\infty}^{+\infty} f(-x) dx

+f(x+a)dx=+f(x)d(xa)=+f(x)dx \int_{-\infty}^{+\infty} f(x+a) dx = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x') d(x'-a) = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) dx

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 厄米性”:当 f(x)f(x)函数,则

    F(k)=F(k)F(-k) = \overline{F(k)}

    直接计算,利用 f(x)=f(x)\overline{f(x)} = f(x)

    F(k)=12π+f(x)e+ikxdx=F(k)\overline{F(k)} = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{+ i k x} dx = F(-k)

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • f(x)f(x)函数,则 F(k)F(k) 也是函数

    直接计算,

    F(k)= +f(x)e+ikxdx2π=+f(x)eikxdx2π=+f(x)eikxdx2π= F(k)\begin{align*} F(-k) = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{+ i k x} \frac{dx}{\sqrt{2\pi}} \\ = & \int_{-\infty}^{+\infty} f(-x) e^{- i k x} \frac{dx}{\sqrt{2\pi}} = \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{- i k x} \frac{dx}{\sqrt{2\pi}} \\ = & \ F(k) \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 实偶性:当 f(x)f(x)实偶函数,则 F(k)F(k) 也是实偶函数

    直接计算,

    F(k)= 12π+f(x)e+ikxdx= 12π+f(x)eikxdx= 12π+f(x)eikxdx=F(k)\begin{align*} \overline{F(k)} = & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{+ i k x} dx \\ = & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} f(-x) e^{- i k x} dx\\ = & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) e^{- i k x} dx = F(k) \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 线性性, λ,λ1,λ2R\lambda, \lambda_1, \lambda_2 \in \mathbb{R}

    F[λf]= λF[f],F[λ1f1+λ2f2]= λ1F[f1]+λ2F[f2]\begin{align*} \mathscr{F}[\lambda f] = & \ \lambda \mathscr{F}[f],\\ \mathscr{F}[\lambda_1 f_1 + \lambda_2 f_2] = & \ \lambda_1 \mathscr{F}[f_1] + \lambda_2 \mathscr{F}[f_2] \end{align*}

    证明:显然

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 微分定理:如果 f(±)=0f(\pm \infty) = 0

    f(x)(ik)F(k)f'(x) \leftrightarrow (ik) F(k)

    用于把函数导数变成乘积,把微分方程变成代数方程

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

微分定理证明:分部积分,

 2πF[f](k)=+f(x)eikxdx= f(x)eikx++f(x)(ik)eikxdx= 0+2πikF(k)\begin{align*} & \ \sqrt{2\pi}\mathscr{F}[f'](k) = \int_{-\infty}^{+\infty}f'(x)e^{-ikx}dx \\ = & \ f(x)e^{- i k x}\bigg|_{-\infty}^{+\infty} \red{-} \int_{-\infty}^{+\infty}f(x)(\red{-}ik)e^{-ikx}dx \\ = & \ 0 + \sqrt{2\pi} ik F(k) \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 微分定理推论:如果 f(k=0,1,n1)(±)=0f^{(k = 0, 1, \dots n-1)}(\pm \infty) = 0,则

    f(n)(x)(ik)nF(k)f^{(n)}(x) \leftrightarrow (ik)^n F(k)

    导数条件
    f(k)=0f^{(k)} = 0 均需单独列出:无穷远处函数趋零 不代表 彻底躺平

    f(±)=0⇏f(1)(±)=0 f(\pm \infty) = 0 \quad \red{\not \Rightarrow} \quad f^{(1)}(\pm \infty) = 0

    函数可以在归零的同时,以 越来越高 的频率震荡

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质


sin(x2)/x\sin(x^2)/x(200,201)(200, 201) 之间的图像

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

sin(x2)/x\sin(x^2)/x(1000,1000.5)(1000, 1000.5) 之间的图像

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

Do not go gentle into that good night.
Old age should burn and rave at close of day.
Rage, rage against the dying of the light.

——Dylan Thomas

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 积分定理:如果 +f(x)dx=0\int_{-\infty}^{+\infty}f(x) dx = 0,则

    f(x)F(k)xf(ξ)dξ1ikF(k)f(x) \leftrightarrow F(k) \quad \Rightarrow \quad \int_{-\infty}^x f(\xi)d\xi \leftrightarrow \frac{1}{ik}F(k)

    求导是 ikik,积分是 ikik

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

说明

  • g(x)=xf(ξ)dξg(x) = \int_{-\infty}^x f(\xi)d\xi。则 g(x)=f(x)g'(x) = f(x)
  • 根据题设,g()=0g(-\infty) = 0;另外显然 g(+)=0g(+\infty) = 0
  • g(x)G(k)g(x) \leftrightarrow G(k)。则由微分定理

    g(x)=f(x)ikG(k)g'(x)=f(x) \leftrightarrow ik G(k)

  • 但是根据题设,f(x)F(k)f(x) \leftrightarrow F(k),所以

    ikG(k)=F(k)G(k)=1ikF(k)ik G(k) = F(k) \quad \Rightarrow \quad G(k) = \frac{1}{ik} F(k)

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 延迟定理 (平移变换行为):定义 延迟函数 fa(x)f(xa)\green{f_a(x) \coloneqq f(x - a)}

    f(xa)eikaF(k)f(x - a) \leftrightarrow e^{- i k a}F(k)

    或者说

    f(x+a)eikaF(k),f(xa)eikaF(k)f(x + a) \leftrightarrow e^{ika}F(k), \qquad f(x - a) \leftrightarrow e^{-ika}F(k)

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

说明

  • 按定义,

    Fa(k)= 12π+f(xa)eikxdx\begin{align*} F_a(k) = & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f(x - a) e^{-i k x}dx \end{align*}

  • 定义 x=xa\green{\boldsymbol{x'} = x - a}

    =12π+f(x)eik(x+a)dx=eikaF(k)= \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} f(x') e^{-i k (x' + a)}dx' = e^{-i k a} F(k)

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 相似定理 (标度变换行为)

    f(ax)1aF(ka)f(ax) \leftrightarrow \frac{1}{|a|} F\left({\frac{k}{a}}\right)

    说明

    分情况讨论,a>0a > 0a<0a < 0,做个变量替换即可,过程略

    y=ax,dy=adx y = ax, \qquad dy = a dx

    但是要注意符号,当 a<0a < 0

    +dx=+d(ya)=1a+dy=1a+dy \int_{-\infty}^{+\infty} dx = \int_{-\infty}^{+\infty} d\left({\frac{y}{a}}\right) = \frac{1}{a} \int_{\red{+\infty}}^{\red{-\infty}} dy = - \frac{1}{a} \int_{-\infty}^{+\infty} dy

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 定义 卷积 (convolution)

    (f1f2)(x)12π+f1(ξ)f2(xξ)dξ\green{(f_1 * f_2)(x) \coloneqq \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty}f_1(\xi) f_2(x - \xi) d\xi}

    卷积是对称的,f1f2=f2f1f_1 * f_2 = f_2 * f_1:通过变量替换

    xξ=ξξ=xξ,x - \xi = \xi' \quad \Rightarrow \quad \xi = x - \xi',

    +f1(ξ)f2(xξ)dξ=+f1(xξ)f2(ξ)dξ \int_{-\infty}^{+\infty} f_1(\xi) f_2(x - \xi) d\xi = \int_{-\infty}^{+\infty} f_1(x - \xi) f_2(\xi) d\xi

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

  • 卷积定理

    (f1f2)(x)F1(k)F2(k)(f_1 * f_2)(x) \leftrightarrow F_1(k) F_2(k)

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

卷积定理证明。

  • 根据卷积的定义,以及傅里叶变换定义

    F[f1f2](k)=12π+[12π+f1(ξ)f2(xξ)dξ]eikxdx\mathscr{F}[f_1 * f_2](k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} \bigg[\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_1(\xi)f_2(x - \xi)d\xi\bigg] e^{-ikx}dx

  • 交换 dx,dξdx, d\xi 积分顺序,将 f1(ξ)f_1(\xi) 移出 xx 积分,

    =12π+f1(ξ)[12π+f2(xξ)eikxdx]dξ= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_1(\xi) \bigg[\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_2(x - \xi)e^{-ikx}dx\bigg]d\xi

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

卷积定理证明。

  • 定义 x=xξ\boldsymbol{x'} = x - \xi

     12π+f1(ξ)[12π+f2(xξ)eikxdx]dξ= 12π+f1(ξ)[12π+f2(x)eikxdx]eikξdξ= 12π+f1(ξ)F2(k)eikξdξ=F1(k)F2(k)\begin{align*} & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_1(\xi) \bigg[\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_2(x - \xi)e^{-ikx}dx\bigg]d\xi \\ = & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_1(\xi) \bigg[\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} f_2(\boldsymbol{\green{x'}})e^{-ik\boldsymbol{\green{x'}}}d\boldsymbol{\green{x'}}\bigg] \purple{e^{-i k \xi}}d\xi \\ = & \ \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} f_1(\xi) F_2(k) e^{-ik\xi}d\xi = F_1(k) F_2(k) \end{align*}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的性质

操作 傅里叶变换
求导 d/dxd/dx ×ik\times ik
积分 x\int_{-\infty}^x ÷ik\div ik
平移 xxax \to x - a ×eika\times e^{- i k a}
标度 xaxx \to ax kk/a,×1abs(a)k \to k/a, \times \frac{1}{\operatorname{abs}(a)}
卷积 乘积
第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的几何意义

  • F(0)F(0) 刻画 f(x)f(x)总量 /2π/ \sqrt{2\pi}

    F(0)=12π+f(x)dxF(0) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) dx

  • F(k)F(k) 刻画 f(x)f(x) 的涨落的 频率分布
    • f(x)=cosωxf(x) = \cos \omega xF(k)F(k) 是 Dirac δ(k+ω)+δ(kω)\delta(k+\omega) + \delta(k-\omega) 函数
    • f(x)=f(x) = 多个 sinωx\sin \omega x 的叠加:F(k)F(k) 是个梳子形 Delta 函数
  • F(k)F(k) 刻画 f(x)f(x)局域化 (localization) 程度
    • f(x)f(x) 的方差 越大F(k)F(k) 方差 越小
第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的几何意义

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的几何意义

  • 例子:高斯函数、高斯波包

    f(x)=1σ2πex22σ2F(k)=12πeσ22k2f(x) = \frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{x^2}{2 \sigma^2}} \quad \Rightarrow \quad F(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} e^{-\frac{\sigma^2}{2} k^2}

    高斯函数的傅里叶变换还是一个高斯函数

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的几何意义

高斯函数及其 傅里叶变换

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的几何意义

  • 例子

    f(x)=a2eax,F(k)=12πa2a2+k2f(x) = \frac{a}{2} e^{- a |x|}, \qquad \Rightarrow \qquad F(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \frac{a^2}{a^2 + k^2}

    利用积分等式

    0+eaxcosx=aa2+1 \int_0^{+\infty} e^{-a x} \cos x = \frac{a}{a^2 + 1}

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换

傅里叶变换的几何意义

a2eax\frac{a}{2} e^{- a |x|} 及其 傅里叶变换

第八章:傅里叶变换
傅里叶变换
第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动

  • 傅里叶变换法
  • 行波法
第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 考虑理想的无穷长的弦

    近似描述很长的弦的、远离两端的弦体振动,比如中部弦体受局域冲击的初期振动;此时无穷远边界u(x=,t)=0u(x = \infty, t) = 0

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 定解问题

    2ut2a22ux2= 0u(t=0,x)= φ(x)utt=0=ψ(x)\begin{align*} \frac{\partial^2 u}{\partial t^2} - a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = & \ 0 \\ u(t = 0, x) = & \ \varphi(x) \qquad \frac{\partial u}{\partial t}\bigg|_{t = 0} = \psi(x) \end{align*}

    省略边界条件,边界未受冲击,默认

    u(n)(x=)=0 u^{(n)}(x = \infty) = 0

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • u(x,t)u(x, t) 中的 xx 坐标进行傅里叶变换

    u(x,t)U(k,t)u(x, t) \quad \leftrightarrow \quad U(k, t)

    xx 是自变量,tt 看成一个外参数

  • 傅里叶变换把 xx 的二阶导数变成乘积 (ik)2(ik)^2

    2ux2(ik)2U(k,t)\frac{\partial^2 u}{\partial x^2} \leftrightarrow (ik)^2U(k, t)

    使用微分定理u(n)(x=)=0u^{(n)}(x = \infty) = 0

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 关于 xx微分方程变成 kk 的代数方程

    但还是参数 tt 的常微分方程

    d2Udt2+k2a2U= 0\begin{align*} \frac{d^2 U}{dt^2} + k^2 a^2 U = & \ 0 \end{align*}

    解是 coskat\cos katsinkat\sin kat 的线性组合

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 初始条件进行傅里叶变换

    u(x,t=0)=φ(x)U(k,t=0)=Φ(k)u(x, t = 0) = \varphi(x) \quad \leftrightarrow \quad U(k, t = 0) = \green{\Phi(k)}

    utt=0=ψ(x)dUdtt=0=Ψ(k)\frac{\partial u}{\partial t}\bigg|_{t = 0} = \psi(x) \quad \leftrightarrow \quad \frac{dU}{dt}\bigg|_{t = 0} = \green{\Psi(k)}

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 求解 U(k,t)U(k, t) 的常微分方程 + 初始条件

    U(k,t)=Φ(k)cos(kat)+Ψ(k)sin(kat)kaU(k, t) = \green{\Phi(k)} \cos (k a t) + \green{\Psi(k)} \frac{\sin(kat)}{ka}

    检验 U(k,t=0)=Φ(k)U(k, t = 0) = \Phi(k)ddtU(k,t=0)=Ψ(k)\frac{d}{dt}U(k, t = 0)=\Psi(k)

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 但是我们真正关心的是 U(k,t)U(k, t)原函数 u(x,t)u(x, t):傅里叶逆变换

    u(x,t)= +dk2πU(k,t)eikx= +dk2π[Φ(k)cos(kat)+Ψ(k)sin(kat)ka]eikx= +dk2πTk(t)Xk(x)\begin{align*} u(x, t) = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} U(k, t) e^{ikx}\\ = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \green{\Big[\Phi(k) \cos(kat) + \Psi(k) \frac{\sin(kat)}{ka} \Big]} \purple{e^{ikx}} \\ = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \green{T_k(t)} \purple{X_k(x)} \end{align*}

  • 似曾相识?
第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 第 7 章有界波动方程的求解:

    u(x,t)=nTn(t)Xn(x)u(x, t) = \sum_{n} T_n(t) X_n(x)

  • 现在

    u(x,t)=dk2πTk(t)Xk(x)u(x, t) = \int \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} T_k(t) X_k(x)

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

无界弦振动方程

  • 傅里叶变换法 \Leftrightarrow 分离变量法

    • 有界 \rightarrow 无界
    • 离散动量 nπ\frac{n\pi}{\ell} \rightarrow 连续动量 kk
    • nn 求和 \rightarrowkk 积分
第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • cos\cossin\sin 两项分别完成傅里叶逆变换
  • cos\cos 项 做傅里叶逆变换

    cos term(x,t)= +dk2πΦ(k)cos(kat)eikx= +dk2πΦ(k)eikat+eikat2×eikx\begin{align*} \text{cos term}(x,t) = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \Phi(k) \green{\cos(kat)} e^{i k x}\\ = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \Phi(k) \green{\frac{e^{ikat} + e^{- i kat }}{2}} \times e^{i k x} \end{align*}

  • Φ\Phie±ikate^{\pm ikat} 乘积的逆变换可以利用延迟定理

    cos term(x,t)=12φ(x+at)+12φ(xat)\text{cos term}(x,t) = \frac{1}{2}\varphi(x + at) + \frac{1}{2}\varphi(x - at)

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • sin\sin

     +dk2πΨ(k)sin(kat)kaeikx= 12a+dk2πΨ(k)eikateikatikeikx\begin{align*} & \ \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \Psi(k) \frac{\sin(kat)}{ka} e^{ikx} = \ \green{\frac{1}{2a}} \int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \Psi(k)\frac{e^{i k at} - e^{- i ka t}}{\orange{i k}}e^{ikx} \end{align*}

  • 分成两项

    =12a+dk2πΨ(k)eik(at+x)ik12a+dk2πΨ(k)eik(xat)ik= \frac{1}{2a}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dk}{\sqrt{2\pi}}\frac{\Psi(k)e^{ik( at + x)}}{\orange{ik}} - \frac{1}{2a}\int_{-\infty}^{+\infty}\frac{dk}{\sqrt{2\pi}}\frac{\Psi(k)e^{ik(x - a t)}}{\orange{ik}}

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • 假设 Ψ(k)ψ(x)\Psi(k) \leftrightarrow \psi(x),则

    Ψ(k)eik(x±at)  ψ(x±at)ψ±at(x)Ψ(k)eik(x±at)ik  xψ±at(ξ)dξ\begin{align*} \Psi(k) e^{i k (x \pm at)} \ \leftrightarrow & \ \psi(x \pm at) \coloneqq \psi_{\pm at}(x)\\ \frac{\Psi(k) e^{i k (x \pm at)}}{\orange{ik}} \ \leftrightarrow & \ \int_{-\infty}^x \psi_{\pm at}(\xi) d\xi \end{align*}

    延迟定理,积分定理

  • 积分的上限吸收 atat

    xψ±at(ξ)dξ=xψ(ξ±at)dξ=x±atψ(ξ)dξ\int_{-\infty}^x \orange{\psi_{\pm at}(\xi)} d\xi = \int_{-\infty}^x \orange{\psi(\xi \pm at)}d\xi = \int_{-\infty}^{\orange{\boldsymbol{x\pm at}}}\psi(\xi') d\xi'

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

积分定理需要 +f(x)dx=0\int_{-\infty}^{+\infty}f(x) dx = 0

  • 这里 f(x)=ψ(x+at)ψ(xat)f(x) = \psi(x + at) - \psi(x - at)
  • 做个变量替换

    +f(x)dx= +ψ(x+at)dx+ψ(xat)dx= +ψ(x)dx+ψ(x)dx=0\begin{align*} \int_{-\infty}^{+\infty} f(x) dx = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \psi(x + at) dx - \int_{-\infty}^{+\infty} \psi(x - at) dx\\ = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \psi(x') dx' - \int_{-\infty}^{+\infty} \psi(x') dx' = 0 \end{align*}

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • 于是 sin\sin 项的傅里叶逆变换为

    12a[x+atxat]ψ(ξ)dξ=12axatx+atψ(ξ)dξ\frac{1}{2a} \bigg[\int_{-\infty}^{x + at} - \int_{-\infty}^{x - at} \bigg] \psi(\xi)d\xi = \frac{1}{2a}\int_{x - at}^{x + at}\psi(\xi)d\xi

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • 总的傅里叶逆变换给出 u(x,t)u(x, t)

    u(x,t)=12(φ(x+at)+φ(xat))+12axatx+atψ(ξ)dξu(x,t) = \frac{1}{2} \big(\varphi(x + at) + \varphi(x - at) \big) + \frac{1}{2a}\int_{x - at}^{x + at}\psi(\xi)d\xi

    此结果也称为 达朗贝尔 (d' Alembert) 公式

  • 左 (ϕL\phi_\text{L}) 右 (ϕR\phi_\text{R}) 行波

    u(x,t)= ϕL(x+at)+ϕR(xat)ϕL/R(x) 12(φ(x)±xψ(ξ)adξ)\begin{align*} u(x, t) = & \ \green{\boldsymbol{\phi_\text{L}}}(x + at) + \green{\boldsymbol{\phi_\text{R}}}(x - at) \\ \green{\boldsymbol{\phi_\text{L/R}(x)}} \coloneqq & \ \frac{1}{2}\bigg( \varphi(x) \pm \int_{-\infty}^{x} \frac{\psi(\xi)}{a}d\xi \bigg) \end{align*}

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • ξxat\xi \coloneqq x - atηx+at\eta \coloneqq x + at

    如果考虑电磁系统,aa 是光速,ξ,η\xi, \eta 称为 null coordinates

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • 重写波动方程

    2ut2a22ux2=4a22uξη=0\frac{\partial^2u}{\partial t^2} - a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = - 4a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial \xi \partial \eta} = 0

    解为

    u(ξ,η)=12ϕL(η)+12ϕR(ξ)u(\xi, \eta) = \frac{1}{2} \phi_\text{L}(\eta) + \frac{1}{2}\phi_\text{R}(\xi)

    此时还未加入初始条件或者边界条件

第八章:傅里叶变换
无界弦振动

行波法

  • 初始时刻 t=0t = 0ξ=η=x\xi = \eta = \orange{\boldsymbol{x}}
  • 使用初始条件

    u(x)= 12ϕL(x)+12ϕR(x)=φ(x)tt=0u(x,t)= a12ϕL(x)12aϕR(x)=ψ(x)\begin{align*} u(\orange{\boldsymbol{x}}) = & \ \frac{1}{2}\phi_\text{L}(\orange{\boldsymbol{x}}) + \frac{1}{2}\phi_\text{R}(\orange{\boldsymbol{x}}) = \varphi(\orange{\boldsymbol{x}}) \\ \frac{\partial}{\partial t}\bigg|_{t = 0}u(\orange{\boldsymbol{x}},t) = & \ a \frac{1}{2} \phi'_\text{L}(\orange{\boldsymbol{x}}) - \frac{1}{2}a \phi_\text{R}'(\orange{\boldsymbol{x}}) = \psi(\orange{\boldsymbol{x}}) \end{align*}

    求解方程组便得到上述 d' Alembert 公式
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数

  • 定义
  • 基本性质
  • 不同表达式
第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

  • δ\delta 用于描述单位质量质点的质量密度
  • 单位点电荷的电荷密度
  • 点状单位磁通
  • 瞬时单位冲量
  • 瞬时单位电荷流量
第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

  • 描述高度局域化 (localized) 的密度分布
  • 考虑 xx 轴上高度集聚的单位质量分布:

    ρ(x)=δϵ(xa){12ϵ,xa<ϵ0,xa>ϵ\rho(x) = \green{\boldsymbol{\delta_\epsilon}(x - a)} \coloneqq \left\{\begin{array}{cc} \frac{1}{2\epsilon}, & |x - a| < \epsilon\\ 0, & |x - a| > \epsilon \end{array} \right.

    总质量为 1

    +ρ(x)dx=a+ϵaϵ12ϵdx=1\int_{-\infty}^{+\infty} \rho(x) dx = \int_{a + \epsilon}^{a - \epsilon}\frac{1}{2\epsilon}dx = 1

第八章:傅里叶变换
delta 函数

密度函数

第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

  • 考虑质量分布越来越密集:ϵ0\epsilon \to 0,一个点状 (point like) 质点,定义 δ\delta 函数

    δ(xa)limϵ0δϵ(xa)\green{\delta(x - a) \coloneqq \lim_{\epsilon \to 0}\delta_\epsilon(x - a) }

    这个函数称为 Dirac δ\delta 函数

    狄拉克在 1927 年的量子力学论文和教科书中引入了 Delta 函数

第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

  • δ\delta 函数满足关键性质,也是 δ\delta启发性定义

    δ(xa)={,x=a0,xa,+δ(xa)dx=1\delta(x - a) = \left\{\begin{array}{cc} \infty, & x = a\\ 0, & x \ne a \end{array} \right., \quad \int_{-\infty}^{+\infty} \delta(x - a) dx = 1

  • 质量为 mm 的质点:密度函数为

    ρ(x)=mδ(xa)\rho(x) = m \delta(x - a)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

  • δ\delta 函数 不是 普通的 R\mathbb{R} 上函数

    x=ax = aδ(xa)\delta(x - a) 的定义域内的点,其值是无穷大

第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

  • δ\delta 函数属于 广义函数 (generalized function)/分布 (distribution)
    • 作为普通函数序列的极限

    • 作为积分的核、与测试函数 (test function) 配合,给出 第二定义

      +f(x)δ(xa)dx=f(a),f:RR\green{\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \delta(x - a) dx = f(a), \qquad \forall f: \mathbb{R}\to \mathbb{R} }

      δ(xa)dx\delta(x - a) dx 定义为一种 奇异测度 (measure)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

Dirac δ\delta 函数

第二定义来自 δ\delta 的极限定义,δ(x)limϵ0δϵ(x)\delta(x) \coloneqq \lim_{\epsilon \to 0}\delta_\epsilon(x)

+f(x)δ(xa)dxlimϵ0+f(x)δϵ(xa)dx=f(a)\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \delta(x - a) dx \coloneqq \lim_{\epsilon \to 0}\int_{-\infty}^{+\infty} f(x) \delta_\epsilon(x - a) dx = f(a)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

高维/多自变量 Dirac δ\delta 函数

  • 可以直接地推广到高维情况

    +δ(n)(xa)f(x)dnx=f(a)\int_{- \infty}^{+\infty} \delta^{(n)}(\vec x - \vec a) f(\vec x) d^n x = f(\vec a)

    或者使用坐标 (x1,...,xn)(x_1, ..., x_n)

    δ(n)(xa)=i=1nδ(xiai)\delta^{(n)}(\vec x - \vec a) = \prod_{i = 1}^n \delta(x_i - a_i)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

  • 归一化

    +δ(xa)dx=1\int_{- \infty}^{+\infty} \delta(x - a) dx = 1

  • 定理:若 ff 连续,则

    f(x)δ(xa)=f(a)δ(xa)f(x)\delta(x - a) = f(\orange{a}) \delta(x - a)

    证明。乘以任意测试函数 gg,积分,

    +f(x)δ(xa)g(x)dx=f(a)g(a)=f(a)+δ(xa)g(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty} \orange{f(x)\delta(x - a)} g(x) dx = f(a) g(a) = \orange{f(a)} \int_{-\infty}^{+\infty} \orange{\delta(x - a)} g(x) dx

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

  • 推论:当 f(x)=xaf(x) = |x|^a, a>0a > 0

    xaδ(x)=xax=0δ(x)=0,xR|x|^a \delta(x) = |x|^a|_{x = 0}\delta(x) = 0, \qquad \forall x \in \mathbb{R}

    证明:乘以任意测试函数积分即可

    xaδ(x)=0|x|^a \delta(x) = 0 说明 δ(x)\delta(x) 奇性非常

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

对比

选择 a=2a = 2,考察几个简单奇性函数

limx0x21x=0,limx0x21x2=1,limx0x21x3=\lim_{x \to 0}|x|^{2} \frac{1}{|x|} = 0, \qquad \lim_{x \to 0}|x|^{2} \frac{1}{|x|^2} = 1, \qquad \lim_{x \to 0}|x|^{2} \frac{1}{|x|^3} = \infty

奇性排行

δ(x)<...<1x<1x2<1x3<...\delta(x) < ... < \frac{1}{|x|} < \frac{1}{|x|^2} < \frac{1}{|x|^3} < ...

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

  • δ(x)=δ(x)\delta(x) = \delta(-x),是偶函数
    证明:乘以任意测试函数积分即可
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

  • 对于 aR0a \in \mathbb{R}_{\ne 0}δ(ax)=1aδ(x)\delta(ax) = \frac{1}{|a|} \delta(x)

    • 证明,考虑任意测试函数 ff,以及 a>0a > 0a=a|a| = a

      +δ(ax)f(x)dx=1a+δ(x)f(x/a)dx=1af(0) \int_{-\infty}^{+\infty} \delta(\green{ax})f(x) dx = \frac{1}{a} \int_{\purple{\boldsymbol{-\infty}}}^{\purple{\boldsymbol{+\infty}}} \delta(\green{x'}) f(x'/a) dx' = \frac{1}{a} \green{f(0)}

    • 于是有恒等式

      +δ(ax)f(x)dx=1af(0)=+1aδ(x)f(x)dx\int_{-\infty}^{+\infty} \delta(ax) f(x) dx = \frac{1}{a} f(0) = \int_{-\infty}^{+\infty} \green{\frac{1}{a} \delta(x)}f(x) dx

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

  • 对于 aR0a \in \mathbb{R}_{\ne 0}δ(ax)=1aδ(x)\delta(ax) = \frac{1}{|a|} \delta(x)

    • 由于 ff任意的,因此

      δ(ax)=1aδ(x)=1aδ(x)\delta(ax) = \green{\frac{1}{a}\delta(x)} = \frac{1}{|a|} \delta(x)

    • 对于 a<0a < 0 也类似证明,

      +δ(ax)f(x)dx=1a+δ(x)f(x/a)dx=1af(0)\int_{-\infty}^{+\infty}\delta(\green{ax}) f(x)dx = \frac{1}{a} \int_{\red{\boldsymbol{+\infty}}}^{\red{\boldsymbol{- \infty}}} \delta(\green{x'})f(x'/a)dx' = - \frac{1}{a}f(0)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的基本性质

  • 对于 aR0a \in \mathbb{R}_{\ne 0}δ(ax)=1aδ(x)\delta(ax) = \frac{1}{|a|} \delta(x)

    • 或者利用偶函数性 δ(x)=δ(x)\delta(x) = \delta(-x),当 a<0a < 0

      δ(ax)=δ(ax)=δ(ax)=1aδ(x)\delta(a x) = \delta(-|a|x) = \delta(|a|x) = \frac{1}{|a|} \delta(x)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

“……回字有四样写法,你知道么?”

——孔乙己

  • 回、囘、囬、外“囗”内“目” 、佪、廻、廽、迴、逥
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • δ\delta-函数有 非常多 不同的表达式

    大有用处 比如考试

  • 先列举,再简单「论证」
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • 平面波积分/傅里叶变换表达式

    δ(x)=12π+eikxdx\delta(x) = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{+\infty} e^{i k x} dx

    δ\delta 函数是常函数 1/2π1/\sqrt{2\pi}傅里叶变换

    • 常函数 方差无限大,傅里叶变换像函数 方差无限小
    • 常函数只有零频率 ω0=0\omega_0 = 0,傅里叶变换只在 k=ω0k = \omega_0 有无穷高峰
    • 常函数总量无穷:原函数 δ(0)=\delta(0) = \infty
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • 三角函数极限表达式

    δ(x)=limK+sinKxπx\delta(x) = \lim_{K \to +\infty} \frac{\sin Kx}{\pi x}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式


高度震荡函数

  • 这函数像 δ\delta 函数吗?
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

逐点收敛

没有说右边 逐点收敛 到左边,没有任何这个意思。但是你问数学家……对这个等号支持不支持,数学家说 支持 利用 Riemann-Lebesgue Lemma

limK+(sinKxπx)g(x)dx=g(0),g\lim_{K \to +\infty} \int_{-\infty}^{\infty} \left( \frac{\sin Kx}{\pi x} \right) g(x) dx = g(0), \qquad \forall g

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • 高斯函数极限

    δ(x)=limσ+012πσex22σ2\delta(x) = \lim_{\sigma \to +0} \frac{1}{\sqrt{2\pi}\sigma} e^{ - \frac{x^2}{2\sigma^2}}

  • Lorentz 分布极限

    δ(x)=limρ+0σπ(x2+σ2)\delta(x) = \lim_{\rho \to +0} \frac{\sigma}{\pi(x^2 + \sigma^2)}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • Heaviside 阶梯函数 θ(x)\theta(x)导数

    δ(x)=θ(x),θ(x)={1,x00,x<0\delta(x) = \theta'(x), \qquad \theta(x) = \left\{ \begin{array}{cc} 1, & x \ge 0\\ 0, & x < 0 \end{array} \right.

    反过来,

    θ(x)=xδ(x)dx\theta(x) = \int_{-\infty}^x \delta(x') dx'

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

Heaviside 阶梯函数 θ(x)\theta(x)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

用双曲正切函数逼近 Heaviside 阶梯函数及其导数

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

平面波积分表达式的证明

  • δ(x)\delta(x)δϵ(x)\delta_\epsilon(x) 的小 ϵ\epsilon 极限
  • δ\delta傅里叶像函数应该是 δϵ\delta_\epsilon 傅里叶像函数的小 ϵ\epsilon 极限 (大概)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • δϵ(x)\delta_\epsilon(x) 的傅里叶变换 像函数 Δϵ(x)\Delta_\epsilon(x)

    Δϵ(k)= +dx2πδϵ(x)eikx=12ϵϵ+ϵdk2π1eikx= 12ϵieikx2πkϵ+ϵ=i2πkϵ(eikϵeikϵ)=12πsin(kϵ)kϵ\begin{align*} \Delta_\epsilon(k) = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dx}{\sqrt{2\pi}}\purple{\delta_\epsilon(x)}e^{-ikx} = \frac{1}{2\epsilon} \int_{\purple{-\epsilon}}^{\purple{+\epsilon}} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \purple{1} \cdot e^{-i k x}\\ = & \ \frac{1}{2\epsilon}\frac{i e^{- i kx}}{\sqrt{2\pi}k} \bigg|_{-\epsilon}^{+\epsilon} = \frac{i}{\sqrt{2\pi} k\epsilon} (e^{ - i k \epsilon} - e^{i k \epsilon}) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \frac{\sin(k \epsilon)}{k\epsilon} \end{align*}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • 假设 limϵ0\lim_{\epsilon \to 0} 与傅里叶逆变换可以交换:先做 ϵ0\epsilon \to 0

     limϵ0Δϵ(k)=limϵ012πsin(kϵ)kϵ=12π\begin{align*} & \ \lim_{\epsilon \to 0} \Delta_\epsilon(k) = \lim_{\epsilon \to 0}\frac{1}{\sqrt{2\pi}} \frac{\sin (k \epsilon)}{k\epsilon} = \orange{\frac{1}{\sqrt{2\pi}}} \end{align*}

  • 再做傅里叶逆变换

    δ(x)=limϵ0δϵ(x)=12π+12πe+ikxdk=12π+eikxdk\delta(x) = \lim_{\epsilon \to 0} \delta_\epsilon(x) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{+\infty} \orange{\frac{1}{\sqrt{2\pi}}} e^{+ i k x} dk = \frac{1}{2\pi} \int_{-\infty}^{+\infty} e^{ikx} dk

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

三角函数表达式粗略理解

  • 积分归一 (回忆第五章),KK 无关

    +sin(Kx)πxdx=1\int_{-\infty}^{+\infty} \frac{\sin(Kx)}{\pi x} dx = 1

  • sin(Kx)/πx\sin(Kx)/\pi x 的零点

    sin(Kx)=0x=nπ/K,nZ\sin(Kx) = 0 \quad \Rightarrow \quad x = n\pi/K, \quad n \in \mathbb{Z}

  • K+K \to +\infty,零点分布越来越密
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

三角函数表达式粗略理解

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

三角函数表达式粗略理解

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

三角函数表达式粗略理解

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

三角函数表达式粗略理解

  • 利用 δϵ(x)\delta_\epsilon(x)傅里叶 逆变换

    δϵ(x)= +dk2πΔϵ(k)eikx=limKK+Kdk2πΔϵ(k)eikx\begin{align*} \delta_\epsilon(x) = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \Delta_\epsilon(k) e^{i k x} = \purple{\lim_{K \to \infty}} \int_{-K}^{+K}\frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \Delta_\epsilon(k) e^{i k x} \end{align*}

    先做 KK 极限,再做 ϵ\epsilon 极限
  • 假设 ϵ0\epsilon \to 0K+K \to +\infty 极限交换,则

    δ(x)=limϵ0δϵ(x)=limKK+Kdk2πlimϵ0Δϵ(k)eikx\delta(x) = \lim_{\epsilon \to 0}\delta_\epsilon(x) = \purple{\lim_{K \to \infty}} \int_{-K}^{+K} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \orange{\lim_{\epsilon \to 0} \Delta_\epsilon(k)} e^{i k x}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

  • 定积分可以直接计算,

    δ(x)=limKK+Kdk2π12πeikx=limKsin(Kx)πx\delta(x) = \lim_{K \to \infty} \int_{-K}^{+K} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} \orange{\frac{1}{\sqrt{2\pi}}} e^{i k x} = \lim_{K \to \infty} \frac{\sin(Kx)}{\pi x}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

概率分布极限表达式证明

  • 率密度函数 (方差为 σ\sigma )的归一化保证了

    +δ(x)dx=limσ0+ρσ(x)dx=1\int_{-\infty}^{+\infty} \delta(x) dx = \lim_{\sigma \to 0} \int_{-\infty}^{+\infty} \rho_\sigma(x) dx = 1

  • 当概率分布宽度 σ0\sigma \to 0,

    limσ0ρσ(x)=0,x0\lim_{\sigma \to 0}\rho_\sigma(x) = 0, \qquad x \ne 0

  • ρσ\rho_\sigma 峰值一定趋于无穷,于是得到 δ\delta 函数。
第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的几种表达式

阶梯函数导数表达式证明

  • 几乎处处为θ(x)=0,x0\theta'(x) = 0, \quad x \ne 0
  • 峰值无穷

    θ(x=0)=limΔx010Δx=\theta'(x = 0) = \lim_{\Delta x \to 0} \frac{1 - 0}{\Delta x} = \infty

  • 满足归一化

    1=θ(+)θ()=+θ(x)dx1 = \theta(+\infty) - \theta(-\infty) = \int_{-\infty}^{+\infty} \theta'(x) dx

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的导数

  • 定义δ\delta'广义函数,需配合测试函数 (test function) ff 使用/定义

    f(x)δ(xa)dx=f(x)δ(xa)dx=f(a)\int f(x) \delta'(x - a)dx = - \int f'(x) \delta(x - a) dx = - f'(a)

    分部积分,以及 δ(±)=0\delta(\pm \infty) = 0
    此关系用作 δ(xa)\delta'(x - a) 的定义

第八章:傅里叶变换
delta 函数

δ\delta 函数的导数

  • δ\delta' 基本性质
    • 奇函数:δ(x)=δ(x)\delta'(x) = - \delta'(-x)

      偶函数的导数是奇函数

    • xδ(x)=δ(x)x \delta'(x) = - \delta(x)

  • δ\delta 函数的高阶导数也是广义函数定义

    f(x)δ(n)(xa)dx=(1)nf(n)(a)\int f(x) \delta^{(n)}(x - a) dx = (-1)^n f^{(n)}(a)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

无界杆热传导

  • 有源
  • 无源
第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解

  • 考虑无穷长理想导热细杆的有源热传导方程

    uta22ux2= fu(t=0,x)= φ(x)\begin{align*} \frac{\partial u}{\partial t} - a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = & \ f\\ u(t = 0, x) = & \ \varphi(x) \end{align*}

    ff 是体热源,φ\varphi 是初始条件,均为 xx 的函数
     ~
    默认边界条件 u(x=)=0u(x = \infty) = 0

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解

  • 难点:方程 非齐次,初始 非齐次

    把两个困难分开逐一攻破

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解

  • 分解为两个简化问题:有源+齐次初始,以及,无源+非齐次初始
  • 无源 + 非齐次初始

    uta22ux2=0,u(x,t=0)=φ(x)\frac{\partial u}{\partial t} - a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = 0, \qquad u(x, t = 0) = \varphi(x)

  • 有源 + 齐次初始

    uta22ux2=fu(t=0,x)=0 \frac{\partial u}{\partial t} - a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = f\qquad u(t = 0, x) = 0

  • 完整解就 是两个子问题的解的
第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:无源 + 非齐次初始

  • 对所有东西做傅里叶变换:u(x,t)U(k,t)u(x, t) \leftrightarrow U(k, t)φ(x)Φ(k)\varphi(x) \leftrightarrow \Phi(k)

    dUdt+k2a2U=0,U(k,t=0)=Φ(k)U(k,t)=Φ(k)ek2a2t\begin{align*} \frac{dU}{dt} + k^2 a^2 U = 0, \quad U(k, t = 0) = \orange{\Phi(k)} \quad \Rightarrow U(k, t) = \orange{\Phi(k)} e^{- k^2 a^2 t} \end{align*}

  • 逆变换

    φ(x)Φ(k),1a2tex24a2tek2a2t\varphi(x)\leftrightarrow\Phi(k), \qquad \red{\frac{1}{a \sqrt{2t}} e^{-\frac{x^2}{4a^2 t} } \leftrightarrow e^{- k^2 a^2 t} }

  • u(x,t)u(x,t) 是一个卷积

    u(x,t)=12aπt+φ(ξ)e(xξ)24a2tdξu(x, t) = \frac{1}{2a \sqrt{\pi t}} \int_{-\infty}^{+\infty} \varphi(\xi) e^{ - \frac{(x - \xi)^2}{4a^2 t}} d\xi

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:无源 + 非齐次初始

其中 ek2a2te^{-k^2 a^2 t} 的逆变换计算

12π+dkek2a2teikx(sin部分积分为零)= +dk2πek2a2tcos(kx)=1a2tex24a2t\begin{align*} \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\infty}^{+\infty} dk e^{-k^2 a^2 t}e^{ikx} \\ \gray{(\sin \text{部分积分为零})}\qquad = & \ \int_{-\infty}^{+\infty} \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} e^{-k^2 a^2 t} \cos (kx) = \frac{1}{a\sqrt{2t}} e^{-\frac{x^2}{4a^2 t}} \end{align*}

用到积分公式

+dkeAk2cosBk=12πAeB24A,A>0\int_{-\infty}^{+\infty} dk e^{- A k^2} \cos Bk = \frac{1}{2} \sqrt{\frac{\pi}{A}} e^{- \frac{B^2}{4A}}, \qquad \forall A > 0

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:无源 + 非齐次初始

  • 总结:无源 + 非齐次初始解

    u(x,t)=12aπt+φ(ξ)e(xξ)24a2tdξu(x, t) = \frac{1}{2a \sqrt{\pi t}} \int_{-\infty}^{+\infty} \varphi(\xi) e^{ - \frac{(x - \xi)^2}{4a^2 t}} d\xi

  • 特殊的例子:高度局域化的初始分布 φ(x)=δ(xx0)\varphi(x) = \delta(x - x_0)

    u(x,t)=12aπt+δ(ξx0)e(xξ)24a2tdξ=12aπte(xx0)24a2tu(x, t) = \frac{1}{2a \sqrt{\pi t}} \int_{-\infty}^{+\infty} \delta(\xi - x_0) e^{-\frac{(x - \xi)^2}{4a^2 t}} d\xi = \frac{1}{2a \sqrt{\pi t}} e^{-\frac{(x - x_0)^2}{4a^2 t}}

    tt 增大,宽度增大,热量向外传播

    u(x,t)u(x, t)xx 的积分 与时间 tt 无关能量守恒

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:有源 + 齐次初始

  • 有源问题 + 齐次初始

    uta22ux2=f(x,t),u(x,t=0)=0\frac{\partial u}{\partial t} - a^2 \frac{\partial^2 u}{\partial x^2} = f(x, t) , \qquad u(x, t = 0) = 0

  • 对所有 xx 的函数傅里叶变换u(x,t)U(k,t)u(x, t) \leftrightarrow U(k, t)f(x,t)F(k,t)f(x, t) \leftrightarrow F(k, t)

    dUdt+k2a2U=F(k,t),U(k,t=0)=0\frac{dU}{dt} + k^2 a^2 U = F(k,t), \qquad U(k, t = 0) = 0

  • 一阶 非齐次 线性常微分方程

    U(k,t)=tdτF(k,τ)ek2a2(tτ)U(k, t) = \int^t d\orange{\boldsymbol{\tau}} F(k, \orange{\boldsymbol{\tau}}) e^{-k^2 a^2 (t - \orange{\boldsymbol{\tau}})}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:有源 + 齐次初始

  • 直接求导验证

    ddttdτF(k,τ)ek2a2(tτ)= F(k,τ)ek2a2(tτ)τ=tk2a2tF(k,τ)ek2a2(tτ)dτ= F(k,τ)k2a2tF(k,τ)ek2a2(tτ)dτ\begin{align*} \frac{d}{dt} \orange{\int^t d\tau F(k, \tau) e^{-k^2 a^2 (t - \tau)}} = & \ F(k, \tau) e^{- k^2 a^2 (t - \tau)}\bigg|_{\tau = t} -k^2 a^2 \orange{\int^t F(k, \tau)e^{- k^2 a^2 (t - \tau)}d\tau}\\ = & \ F(k, \tau) - k^2 a^2 \orange{\int^t F(k, \tau)e^{- k^2 a^2 (t - \tau)}d\tau} \end{align*}

  • 移项

    (ddt+k2a2)tdτF(k,τ)ek2a2(tτ)=F(k,t)\left({\frac{d}{dt} + k^2 a^2}\right) \int^t d\tau F(k, \tau) e^{-k^2 a^2 (t - \tau)} = F(k, t)

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:有源 + 齐次初始

  • 初始条件

    U(k,t=0)=0U(k, t = 0) = 0

    确定 U(k,t)U(k,t) 积分下限

    U(k,t)=0tdτF(k,τ)ek2a2(tτ)U(k, t) = \int_\red{\boldsymbol 0}^t d\tau F(k, \tau) e^{-k^2 a^2 (t - \tau)}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:有源 + 齐次初始

  • 傅里叶逆变换

    u(x,t)=12πdkU(k,t)eikx=12πdk[0tdτF(k,τ)ek2a2(tτ)]eikxu(x, t) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int dk \orange{U(k,t)} e^{ikx} = \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int dk \orange{\left[{\int_0^t d\tau F(k, \tau) e^{-k^2 a^2 (t - \tau)}}\right]} e^{ikx}

  • 交换 k,τk, \tau 积分顺序

    u(x,t)= 0tdτ12πdk[F(k,τ)ek2a2(tτ)]eikx= 0tdτdξf(ξ,τ)e(xξ)24a2(tτ)4πa2(tτ)\begin{align*} u(x, t) = & \ \int_0^t d\tau \green{\frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int dk \left[{F(k, \tau) e^{-k^2 a^2 (t - \tau)}}\right] e^{ikx}}\\ = & \ \int_0^t d\tau \green{\int d\xi f(\xi, \tau) \frac{e^{-\frac{(x - \xi)^2}{4a^2 (t - \tau)}}}{\sqrt{4\pi a^2 (t - \tau)}}} \end{align*}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:有源 + 齐次初始

计算 dkdk 积分。

  • 积分

    12πdk[F(k,τ)ek2a2(tτ)]eikx\frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int dk \left[\purple{F(k, \tau) e^{-k^2 a^2 (t - \tau)}}\right] e^{ikx}

    是对 F(k,τ)F(k, \tau)ek2a2(tτ)e^{-k^2 a^2 (t - \tau)} 的乘积傅里叶逆变换,因此必然是各自傅里叶逆变换卷积
第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解:有源 + 齐次初始

  • 首先,

    F(k,τ)f(x,τ)F(k, \tau) \leftrightarrow f(x, \tau)

  • 其次,ek2a2(tτ)e^{-k^2 a^2 (t - \tau)}傅里叶逆变换

    dk2πek2a2(tτ)eikx=12a2(tτ)ex24a2(tτ)\int \frac{dk}{\sqrt{2\pi}} e^{-k^2 a^2 (t - \tau)} e^{ikx} = \frac{1}{\sqrt{2 a^2 (t - \tau)}} e^{-\frac{x^2}{4a^2 (t - \tau)}}

  • 两个逆变换的卷积

    12πdξf(x,τ)e(xξ)24a2(tτ)2a2(tτ)\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int d\xi f(x, \tau) \frac{e^{-\frac{(x - \xi)^2}{4a^2 (t - \tau)}}}{\sqrt{2 a^2 (t - \tau)}}

第八章:傅里叶变换
delta 函数

一维无界空间的热传导方程求解

  • 最后把两个问题的解加起来即可
第八章:傅里叶变换