傅里叶积分变换PPT精选文档

1、1 积分变换积分变换第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进1 傅里叶（傅里叶（Fourier）积分变换）积分变换 2 拉普拉斯拉普拉斯(Laplace)积分变换积分变换 主要内容注：积分变换的学习中，规定：注：积分变换的学习中，规定： 12j31 傅里叶（傅里叶（Fourier）积）积分变换分变换第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进傅里叶变换傅里叶变换又简称为傅氏变换又简称为傅氏变换 内容：内容： 傅氏变换概念傅氏变换概念卷积与相关函数卷积与相关函数 傅氏变换性质傅氏变换性质 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进一、傅氏变换一、傅氏变换1傅氏积分定理傅氏积分定理 若f(t)在(-,+)上满

2、足下列条件：（1） f(t)在任一有限区间上满足条件： f(t)至多有有限个第一类间断点和极值点；（2） f(t)在无限区间(-,+)上绝对可积（即积分 ttfd )( de d)e(21)( j jtftf收敛），则有（1）成立，而左端的f(t)在它的间断点t处，应以2)0()0(tftf来代替。第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进2傅氏变换的概念傅氏变换的概念 若函数f(t)满足傅氏积分定理中的条件，则在f(t)的连续点处，式（1） de d)e(21)( j jtftf成立。 设 ttfFtde )() ( j则 de ) (21)( j tFtf（2）（3）第六章第六章 傅氏变换傅氏

3、变换返回前进从上面两式可以看出， f(t)和F()通过指定的积分运算可以相互表达。将（2）式叫做的傅氏变换式傅氏变换式，记为 )(FF()叫做f(t)的象函数象函数，（3）式叫做F()的傅氏逆傅氏逆变换式变换式，记为 )(tff(t)叫做F()的象原函数象原函数。（2）式右端的积分运算，叫做取f(t)的傅氏变换；（3）式右端的积分运算，叫做取F() 的傅氏逆 变换。象函数F()和象原函数f(t)构成一个 傅氏变换对。 F )(tfF -1 )(F第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进3例子例子例例1 求指数衰减函数函数 的傅氏变换及其积分表达式，其中0。 0,e0 , 0)( tttft第六章

4、第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进解：根据（2）式，傅氏变换为 de )(ttftj0 de )(ttftj 0 de )(ttftjF )(F)(tf第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进tttttde dee 0 )j( j 0 22 jj1通过傅氏逆变换，可求得指数衰减函数的积分表达式。由（3）式，并利用奇偶数的积分性质，可得 de ) (21tjF j2 2d j 21te)(tf)(1FF第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进 2 22 2d)sin)(cos ( 21tjtj 2 22 22 22 2d) cos sin() sin cos( 21ttjtt d) cos sin()

5、 sin cos( 212 22 2 2 22 2ttjttd sin cos1 0 22tt 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进由傅氏积分定理，可得到一个含参量广义积分的结果： 0 , ; 0 ,2; 0 , 0d sin cos 0 2 2 tettttt第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进4单位脉冲函数（狄拉克单位脉冲函数（狄拉克-Dirac函数）函数）设 t0 , 1 t 0 t, 0)(或t定义单位脉冲函数为 )(lim)(0tt第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进单位脉冲函数的一些性质：dt(t) 11lim)(lim)(lim0000dtdttdtt若f(t)为无穷可微的

6、函数，则 )0(d )()( fttfta.b.证明 记 ttftd )()( dttftdttft)()(lim)()(lim00)0()(1lim00fdttf更一般地有更一般地有 )(d )()(0 0tfttftt第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进单位脉冲函数的傅氏变换 c.证明 1)(t1de)( 0 j -ttjtetF )(F)(tF )(F第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例3 证明单位阶跃函数 0 , 10 , 0)(tttu变换为 )( j1的傅氏解：只需证明 的傅氏逆变换为u(t) 。)( j1de)( j121 jtd sin21d)e( 21 jtt)(tf

7、F-1 )(F第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进d tsin121 0 由于 0 ,20 , 0; 0,2d sin 0 tttt故 ; 0 , 1; 0 , 0 ; 0 ,2121; 0, 2121d sin121)( 0 ttttttf第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进这表明 的傅氏逆变换为u(t) 。u(t)( j1)( j1和 构成了一个傅氏变换对。同时得到单位阶跃函数u(t)的一个积分表达式)0( d sin121)( 0 tttu第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进所以1和 构成了一个傅氏变换对; 和 也构成了一个傅氏变换对。 类似的方法可得)( 2te0j)( 201)

8、(2tje0)(20F -1 F -1 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例4 求正弦函数 的傅氏变换。 ttf0sin)( 解： 0jsinetdtttetttde2jej jj00tttd eej21 )j( )j(00 )( 2 )( 2j2100 )( )( 00 j F )(F)(tf第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进我们可以看出引入-函数后，一些在普通意义下不存在的积分，有了确定的数值。工程技术上许多重要函数的傅氏变换都可以利用-函数及其傅氏变换很方便地表示出来，并且使许多变换的推导大大地简化。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进5非周期函数的频谱非周期函数的频谱 傅

9、氏变换和频谱概念有着非常密切的关系，这里只简单地介绍一下非周期函数频谱的基本概念。 在频谱分析中，当非周期函数f(t)满足傅氏积分定理中的条件时，将f(t)的傅氏变换F()称为f(t)的频谱函数频谱函数，而频谱函数的模|F()|称为f(t)的振幅频谱（振幅频谱（亦简称为频谱频谱）。 对一个时间函数作傅氏变换，就可求出这个时间函数的频谱。由于F()是随连续变化的，因而称|F()|为连续频谱连续频谱。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例5 作出图1-8中所示的单个矩形脉冲的频谱图。 图1-8 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进解 根据定义，单个矩形脉冲的频谱函数为 ttfFt de )

10、()(j tEetd2 2 j2 sin2E 振幅频谱 2 sin2)(EF0部分的频谱图如图1-9所示。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进图1-9 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进振幅频谱|F()|的一个性质：振幅频谱|F()|是频率的偶函数，即 )()( FF事实上，ttfFtde )()( jtttftttfd sin)(jd cos)( 所以2 2 d sin)(d cos)()(tttftttfF显然有 )()( FF第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进记 d cos)(d sin)(arctan)(tttftttf称 为f(t)的相角频谱相角频谱。 )(可看出，相角频

11、谱 是的奇函数，即 )()()(第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例6 求指数衰减函数 )0(0,e; 0 , 0)( tttft的频谱。 解 根据例1的结果， j1)(F所以指数衰减函数的频谱 22 1)(F第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例7 作单位脉冲函数 及其频谱图。 )( t解 由于 1de )( )(j ttFt所以单位脉冲函数的频谱 1)(F及其频谱图表示在图1-11中。 )( t图1-11 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进 同样，当 时， 。而f ( t )的振幅频谱为 )( )(0tttf0je)(tF1)(F在物理学和工程技术中，将会出现很多非周期函数，

12、它们的频谱求法，可通过查用傅氏变换（或频谱）表来求得。第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进6. 傅氏变换的性质傅氏变换的性质 本节将介绍傅氏变换的几个重要性质，我们假定在这些性质中，求傅氏变换的函数都满足傅氏积分定理中的条件，并设 是常数。 ,)(1F)(1tfF )(2FF )(2tf)(1tf)(11FF)(2tf)(21FF第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进a. 线性性质线性性质 )( )( )( )( 2121FFtftf（1） F 证明证明：只需根据定义就可推出。 傅氏逆变换也具有类似的线性性质傅氏逆变换也具有类似的线性性质 这个性质表明了函数线性组合的傅氏变换等于各函数傅氏变

13、换的线性组合。)( )( )( )( F2121-1tftfFF（2） 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进b.b.位移性质位移性质 0j0e)(tttf)(tfF F （3） 这表明时间函数f(t)沿t轴向左向右位移t0的傅氏变换等于f(t)的傅氐变换乘以因子 或 。 0jet0jet证 由傅氏变换的定义，可知 tttfttftde )()( j00F uuftude )()(j 0uufutde )(ej j00jet)(tfF utt0（令 ） 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进同样，傅氏逆变换具有类似的位移性质，即ttfFF0j01-e )()(（4） 这表明频谱函数 沿 轴向左

14、向右位移 的傅氏变换等于f(t)的傅氐变换乘以因子 或 。 )(F0t0jet0je第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例1 求矩形单脉冲 其他 , 00 ,)(tEtf的频谱函数。 解1 根据傅氏变换的定义，有 tEettfFttdde )()( 0 j j) jsin cos1 (jej0jEEt2 sine22jET第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进解2 前面介绍的矩形单脉冲 其他 , 0;22,)(1tEtf的频谱函数为 2 sin2)(1EF因为f(t)可以由f1(t)在时间轴上向右平移 得到，利用位移性质有 2)(F)(tfF )(e212j1Ftf2 sine22jE=F

15、 且 2 sin2)()(1EFF第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进c.微分性质微分性质 若f(t)在(-,+)上连续或只有有限个可去间断点，且当 , t0)(tf则 j)( tf)(tf证证 由傅氏变换的定义，并利用分部积分可得 ttftftde )()( jttftfttde )(je )( jj j)(tf 这表明一个函数导数的傅氏变换等于这个函数的傅氏变换乘以因子 。jF F F F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进若 在(-,+)上连续或只有有限个可去间断点，且推论： ), 2 , 1)()(nktfk1, 2 , 1 , 0, 0)(lim)(nktfkt则有 nntf)

16、 j ()()()(tf（6） 同样，可得象函数的导数公式。设 )()(FtfF，则 )(ddF)( jtft= -j )( tft一般地，有nnnF) j()(dd)( tftn（7） F F F F F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进d. 积分性质积分性质 如果当 时， ttttftg 0d)()(，则 j1d)( tttf)(tf（8） 证 因为 )(d)(dd tfttftt所以 tttft d)(dd)(tf根据微分性质： jd)(dd tttfttttf d)( 故（8）式成立。这表明：一个函数积分后的傅氏变换等于这个函数的傅氏变换除以因子 。jF F F F F F 第六

17、章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例2 求微分积分方程 )(d)()()( thttxctbxtxat的解，其中 均为常数。cbat,解 记 )()(Xtx)()(Hth在方程式两边取傅氏变换，并利用傅氏变换的微分性质和积分性质可得)()(j)()( jHXcbXXaF F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进cabHX j)()(求上式的傅氏逆变换，可得de )(21)(j tXtx这就是此微分积分方程的解。第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进 运用傅氏变换的线性性质、微分性质以及积分性质，可以把线性常系数微分方程转化为代数方程，通过解代数方程与求傅氏逆变换，就可以得到此微分方程的解。

18、 傅氏变换还是求解数学物理方程的重要方法之一，其计算过程与解常微分方程大体相似。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进e. 乘积定理乘积定理 若 )(1F)(1tf)(2F)(2tf则 d )()(21d )()(2 1 21FFttftfd )()(21 21FF（9） 其中 均为t的实函数，而分别为 的共轭函数。 )(),(21tftf)(, )(21FF)(),(21FFF F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进证 tFtfttftft d de )(21)(d )()( j21 21d de )()(21 j12ttfFt因为 ，而 是时间t的实函数，所以 ttjjee)(1tf

19、ttttftftfj1j1j1e )(e )(e )(第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进故d de )()(21d )()( j12 21ttfFttftftd de )()(21 j12ttfFtd )()(21 21FF 同理可得 21 21d )()(21d)()(FFttftf第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进f. 能量积分能量积分 若 )(F)(tf，则有 d)( 21d)(2 2Fttf（10） 此式又称为帕塞瓦尔帕塞瓦尔（Parseval）等式等式。 证 在（9）式中，令 )()()(21tftftf，则 d )()( 21d)( 2FFttfd)( 21d)(21 2S

20、F第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进 7. 卷积与相关函数卷积与相关函数 上面我们介绍了傅氏变换的一些重要性质，下面我们将介绍傅氏变换的另一类重要性质，它们都是分析线性系统的极为有用的工具。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进（1）卷积的概念卷积的概念 )(),(21tftf若已知函数，则积分tffd )()( 21称为函数与的卷积卷积，记为)(1tf)(2tf*，即)()(d )()(21 21tftftff)(1tf)(2tf)(2tf)(1tf 显然， (1)*=即卷积满足交换律卷积满足交换律。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进由积分性质可知，不等式 )()()()(212

21、1tftftftf成立，即函数卷积的绝对值小于等于函数绝对值的卷积。第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进)()()()()()()(3121321tftftftftftftf证证 根据卷积的定义 tftfftftftfd )()()()()()(32 1321例例1 证明tfftffd )()()()(3 12 1)()()()(3121tftftftf即卷积也满足对加法的分配律。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进 例例2 若 ; 0,e, 0, 0)(; 0, 1, 0, 0)(21tttftttft求 )(1tf与 )(2tf的卷积。 解 按卷积的定义，有tfftftfd )()(

22、)()( 2121我们可以用图1-14(a)和(b)来表示 )(1f和 )(2tf的图形， 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进图图1-14(b) f2(t-)(a) f1()t1OO1第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进而乘积 )(1f0)(2tf的区间从图中可以看出， 在 0t时，为 , 0t，所以 tfftftfd )()()()( 2121 de ede1 0 0 )(ttttttte1) 1e(e可自己演算一下)()(12tftf，亦得到上述的结果。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进为确定 0)()(21tff的区间，还可以用解不等式 组的方法加以解决。仍以本例来说，要 0

23、)()(21tff即要求 00t且即 t 且0 成立。可见，当 0t时， 0)()(21tff的区间为 ,0t，故tfftftfd )()()()( 2121 e1de1 0 )(ttt卷积在傅氏分析的应用中有着十分重要的作用，这是由卷积定理所决定的。 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进 （2）卷积定理卷积定理 假定 )(),(21tftf都满足傅氏积分 定理中的条件，且 )(1F)(1tf， )(2F)(2tf则 ),()()()(2121FFtftf)()()()(21211tftfFF-（2） F F F F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进证 按傅氏变换的定义，有 ttftf

24、tftftde )()()()(j 2121ttfftde d)()(j 21ttfftdde )(e )( )(j2j1 ttfftdde )(e )( )(j2 j1)()(21FFF 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进这个性质表明，两个函数卷积的傅氏变换等于这两个函数傅氏变换的乘积。 同理可得： )()(21)()(2121FFtftf（3） 即两个函数乘积的傅氏变换等于这两个函数傅氏变换的卷积除以 2。F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进则有 )()()()2(1)()()(21121nnnFFFtftftf卷积定理表明卷积运算可以化为乘积运算。这使得卷积在线性系统分析中成为特别有用的方法。 不难推证，若 ), 2 , 1()(nktfk满足傅氏积分定理中的条件，且 ), 2 , 1( )()(nkFtfkkF F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进例例4 利用傅氏变换的性质，求 ttt0j0e),( 以及 )(ttu的傅氏变换。 解 由 1)( t和位移性质可得 00)(e)( j0tjtettt又因为 )( 21，按象函数的位移性质可知 )( 2e0j0t这与前面得到的结果是完全一致的。 F F F F F 第六章第六章 傅氏变换傅氏变换返回前进所以)( j1)(2ttuj即 )