傅里叶变换完成的是一个由时域函数(也就是以时间 $t$ 为自变量)到频域函数(也就是)的映射。
主要利用的原理是复数的旋转特性,也就是欧拉公式的一个应用
按照3Blue1Brown的讲解,傅里叶变换完成的其实是一个将波函数缠绕在通过原点,且垂直于xy平面轴上的过程,也就是这个过程:
这其中有两个频率,一个是3 beats/second,这是源波函数,是我们变换的操作对象,一个是1.81 cycles/second ,这是我们的缠绕频率(也就是我们我们每秒将图像绕轴几圈)。右侧的图像是这个缠绕的图像的质心的x轴(如果曲线有质量的话)。
如果是一般的缠绕频率,可以看出一般缠绕图像就是挺对称的,所以质心一般就在原点附近,但是当缠绕频率等于原来波函数的频率的时候,就会呈现下面这种图像:
可以看出,因为频率恰好相等,所以缠绕的图像变得特别规整(也就是不再弥散的对称了)。此时质心会有一个明显的偏移。
傅里叶变换的目的是把不同的波分开(有点像傅里叶展开了),所以如果在右下侧图刚好对应一个峰,那么就说明有一个这样频率的波在合成的波形中。也就是这样:
可以看到,合成波被分开了。
关于这种旋转的具体实现,我们用的是复数,原理如下:
其中 $e^{-2\pi ift}$ 起到了旋转的作用,而积分则是对质心的模拟。