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从行星运行轨道到傅里叶分析级数的诞生

 炫叶楓雪 2019-05-13

从行星运行轨道到傅里叶分析级数的诞生

如果有两个圆,其中小圆的半径是大圆半径的一半,小圆上有个小红点,现在让小圆与大圆保持内切并滚动起来。

那么小红点的轨迹是什么?答案就是一条直线,它是13世纪波斯天文学家阿尔丁.图西发现的

今天我们就从早期的宇宙模型到当代傅里叶级数分析,天体的运行轨道就是一个圆的组合叠加运动,月亮绕地球旋转时,如果月亮是动圆上的红点,行星是动圆上的中心,你就会联想到如图轨迹。

如果小圆尺寸不变,将月球向小圆周边移动,月球的轨道就是完美的椭圆形状

如果把动圆半径变为大圆半径的1/3,就会得到一个近似的等边三角形

所以此类任意复杂曲线都可以通过无数种方式画出来,但要达到数学上的精确程度,就需要无数个小圆。如图许多叠加的小圆绘制的图形。

19世纪初法国大数学家傅里叶发表了一篇论文,使得人们对这种复杂运动有了更深层次的认识,这就是傅里叶分析

现在我们由此进入正题,傅里叶级数:首先欧拉公式已经很熟悉了,当角度t从0到2π时,红点的轨迹就是单位圆

红点从0到π时,它的位置就从0移到了-1

注意;红点逆时针绕单位圆一周时,t就是正的。如果顺时针绕单位圆一圈时,t就是负数,即-t

如果用2t代替t,则t从0到2π时,红点逆时针旋转速度加倍,t前面的数字越大旋转越快。

我们将t变为3t,指数系数乘以4,就是沿着半径为4的圆周运动

而这样的描述不但对所有实数成立,它对所有复数也成立,如图表示圆周运动的起点和终点

为1+i,角速度是3rad/

这种复指数项从0到2π的积分是0,直观的理解就是经过圆上每个复数点都会被其反向抵消。

如果你想匀速的画出π的图像,就需要更多的圆周叠加,圆越多,图形越精确。

如图画出图中轮廓,就需要这四个圆按照一定的方式叠加,四个彩色的圆和如下公式的颜色一一对应。圆周运动组合项顶部那个复数项,代表黑色的定位点

仔细观察这些项中复指数部分,蓝色圆对应的指数是1it,紫色圆是-1it,橘色为2it,红色为-2it,规律很明显,接着就是,3,-3, 4,-4,每个整数都出现一次,除了0之外,只是e^0=1,因此无数的圆周运动的和就是这样的。

它是双向的无穷项的和,所以可以写成如下公式,t取值从0到2π,因为闭合曲线起止于同一个复数点,所以该和在0和2π处取值相等。因而和式包含多个周期函数

傅里叶变换将任意周期介于0到2π乘以某复数之间的函数,表示成这种双向无穷复数项之和的形式,看如何计算这些复数函数

要去除c2右边的e^2it,首先在等式两边同时乘以e^-2it

上式化简整理,然后两边积分,方框内的均为0(前面得出的结论)

化简得到:C2

由此也得到Cn的

让我们再次向伟大的傅里叶致敬

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