SciTech-Mathmatics-Sinusoids正弦波/Harmonics(谐波) + FrequenciesSynthesis(频率合成) + Fourier Series(傅里叶级数):PeriodicalFunctions + (Discrete)FourierTransform:AllFunctions + Spectral Analysis
几何角度看,Fourier Series(傅立叶级数) 其实非常容易理解:
-
每一组
三角函数都可看作决定一“谐波空间”的 轴与 轴;
Time-domain 的信号, 是用 Freq.-domain 的 N 个独立空间的谐波合成;
每一个“谐波空间”, 都是一对可配置 的三角函数(cos/sin);
每一个“谐波空间”, 都有三个坐标轴: :
-
合成的
周期为 ,
是因为其 个Frequency Components(频率成分) 的 周期的最小公倍数为 T;
这些 Harmonics(Frequency Components) 谐波任意“加减”组合, 周期最小公倍数为 T.
下文 “Preliminaries.3. Frequency Components) for Synthesis” 有述; -
内积(inner product of vectors) 与 分解;
-
向量的内积, 在有限维向量空间, 两个向量的内积:
-
函数的内积, 在无限维函数空间, 两个函数(连续)的内积(内积要重新定义,用到积分):
-
离散向量分解:
将向量 分解到 两个"正交向量" 与 上:
假设在( , )两坐标轴上坐标为( , ), 则有:
-
连续向量分解:
将连续向量函数 分解到 两个"正交基函数" 与 上:
要将以上向量分解公式,由 有限维的向量空间 扩展到 无限维的函数空间;
要将内积由 有限维的向量空间 扩展到 无限维的函数空间,
并且, 要将每个三角函数(cos/sin)都看作一个“独立的坐标轴”,
用到 上文的 “函数的内积” 积分公式.
但是为方便高效, 最好用 将$cos/sin转换为:
-
-
向量的正交与分解: 投影到正交的一堆向量为基的空间;
之所以选择分解到 与 , 是因为这是“一对正交基函数”,
而且在任意时刻 开始, 时长 的 信号的积分都是 :
类比: 就像
平面的 与 是正交的,
因此 平面上任何一点, 可用其分别在 与 上的投影作为(x,y)坐标;向量正交: 对于
平面上两个向量 ,
如果它们的内积为0, 夹角为 , 则称这两个向量点是“正交的”, 即 :
函数正交: 余弦函数
与 正弦函数 ,
可看作 无限维的 Hilbert 空间 的 无限维向量, 向量的各个“元”是连续区间的“函数值”;
无限维空间的向量内积需要用到积分重新定义为“两个连续函数的函数值先相乘后积分”:
-
分解 Time-domain 信号到 Frequency-domain,
总体思路上, 与“Taylor Series(泰勒级数)拟合任意N阶可导函数”类似:-
Taylor Series 是以无限项
(带可调参数的幂函数) 合成任意的 ;
确定系数 与 是用 无限高阶导数进行拟合与误差估计; -
Fourier Series 是以无限项
(可配置系数的sin正弦信号发生器);
确定系数 与 是用 积分/复数 运算 进行拟合与误差估计;
实际上, 把 Time-domain 的 Signal 函数
分解/投影到 Frequency-domain 的多个“平面”(sin信号发生器):-
每个“平面”有 一对“正交基函数”(cos/sin), 实现上是一组(
个)“可配置系数”的sin信号发生器(谐波信号轮);
每个“sin正弦信号轮”的用:- 半径(Radius)表示
系数, - 用起始的距0弧度的bias量表示
系数, - 以配置的常数的转动频率周期转动(产生信号)表示 Harmonic(
) 固定的谐波频率;
通过这一组(
个)“sin信号轮”以配置好的 同时转动(产生信号),
可以合成任意的周期函数; 谐波信号轮个数越多( 越大)越精准; - 半径(Radius)表示
-
参数
可以导出 , 因为 这个系数,
总是 Harmonic(谐波频点, “基频 ”的自然数倍), 所以可视为可变的常数;
因此实际最需要确定的系数 用 导出就足够;
Sampling在任意时刻 , 最短采集( (the fundamental period)$时长就足够;
-
-
既可以选用 sin 系列的正弦函数, 也可以选用 cos系列的余弦函数;
之所以选用 cos 与 sin 两个函数作为“基函数”:- 因为 cos 与 sin 这一对“基函数”正交.
- cos 与 sin 可以非常好的与 Complex Space 转换;
- cos 与 sin 可以用 Euler's Equation
进行变换计算; - cos 与 sin 在 实现、转换、变换 以及 实际应用 时非常方便实现.
可用 合成(即phase左移 );
实现上, 只要做好一种可配置(freq., magnitude, phase)的 sin正弦信号发生器就可规模化量产; - 总之优点众多.
Preliminaries
-
Periodic signals:
At least to begin, we’ll mainly be concerned with signals that are periodic.
Informally, a periodic signal is one that repeats, over and over, forever. To be more precise:
A signal is said to be periodic if there exists some number ,
. -
Sinusoids:
Precisely what do we mean by a sinusoid? The term “sinusoid” means a sine wave,
but we don’t just mean the standard . To enable our analysis,
we want to be able to work sine waves of different , and .
So, to us, a single sinusoid means a function of the form
, -
Frequency Components for Synthesis:
-
Harmonics/Sinusoids:
The sinusoidal terms are often called
, a term borrowed from music.
The harmonics will have frequencies and so on.
We also call each , , the of at frequency .
For example, if , we call the for which
the “ ”, reflecting that
in this case is a sinusoid of frequency -
Frequency-domain and Time-domain Representation:
- the frequency-domain representation of the periodic signal:
represent a signal using the magnitudes and phases in its Fourier series.
We often plot the magnitudes in the Fourier series,
using a stem graph and labeling the frequency axis by frequency.
In this sense, this representation is a function of frequency. - the time-domain representation of the signal:
represent a periodic signal as a function of time in its Fourier series. - Example:
- the frequency-domain representation of the periodic signal:
The Fourier Series:
- Joseph Fourier’s idea was to express periodic signals as a sum of sinusoids.
- Theorem.
-
If
is a with ,
Another fact relating to Fourier series is that:
the and
in above equation uniquely determine . That is, if we can find these
and corresponding to a periodic signal ,
then, in effect, we have another way of describing . -
-
-
Time Domain + Frequency Domain
and Fourier Transforms @ Princeton University:
Fourier Series: Periodical Functions
Fourier Transform: All Functions
Frequency Domain and Fourier Transforms @ Princeton University:
https://www.princeton.edu/~cuff/ele201/kulkarni_text/frequency.pdf
Signals and the frequency domain
ENGR 40M lecture notes — July 31, 2017 Chuan-Zheng Lee, Stanford University
https://web.stanford.edu/class/archive/engr/engr40m.1178/slides/signals.pdf
https://www.mathworks.com/help/signal/ug/extract-regions-of-interest-from-whale-song.html
https://web.stanford.edu/class/stats253/lectures_2014/lect7.pdf
https://web.stanford.edu/class/stats253/lectures_2014/
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-time-domain-analysis-vs-frequency-domain-analysis-a-guide-and-comparison
- Time Domain and Frequency Domain:
- Illustrations:
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- Illustrations:
- Application: The role of ECoG magnitude and phase in decoding position, velocity, and acceleration during continuous motor behavior
-
Frequency Domain and Fourier Transforms @ Princeton University:
https://www.princeton.edu/~cuff/ele201/kulkarni_text/frequency.pdf
-
Signals @ WEB.stanford.edu
https://web.stanford.edu/class/archive/engr/engr40m.1178/slides/signals.pdf -
https://web.stanford.edu/class/stats253/lectures_2014/lect7.pdf
The Frequency Domain
(Discrete) Fourier Transform
Spectral Analysis
This is a new course.
• The material that we will be covering has not really been synthesized—because it is at the frontiers of statistics!
• We will be loosely following the books
• Shumway and Stoffer. Time Series Analysis and Applications (with R
Applications).
• Sherman. Spatial Statistics and Spatio-Temporal Data.
• You don’t have to purchase these books: they are available for free for Stanford students. (Link on course website.)
• Other useful references:
• Bivand et al. Applied Spatial Data Analysis with R. (also available free) • Cressie and Wikle. Statistics for Spatio-Temporal Data.
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