連續譜
當你演奏一個持續的音符時,它的聲音由幾個精確的頻率構成——一個離散譜,幾條豎直的譜線。當你拍一下手時,聲音是一個短促的爆發,含有一點點每一種頻率,抹成一條光滑的頻帶。那條光滑的頻帶就是連續譜:一個非週期信號的傅立葉變換 F(k),把它看成一條曲線,告訴你信號的內容如何同時鋪展在所有頻率上,沒有間隙,也沒有孤立的譜線。
與傅立葉級數的對比正是關鍵所在。一個週期函數活在一組離散的諧波 n 乘以 omega_0 上,所以它的譜是那些頻率處的尖峰梳。當你讓週期趨於無窮時,相鄰諧波之間的間距縮到零,梳子被填滿,譜變得連續。在那個極限裡,量 F(k) 不再是某一個諧波的振幅;它是譜密度——單位頻率上的振幅——所以有物理意義的是某一頻帶上的面積 F(k) dk,而不是單一點 k 處的值。模 |F(k)|(或 |F(k)|^2)是振幅譜(或能量譜)。
連續譜正是工程師和物理學家描述瞬變、噪聲、脈衝和光的頻率成分的方式。一個短脈衝的譜很寬;一個長而緩變信號的譜很窄,集中在低頻附近。這種互易性——時間上短意味著頻率上寬——是伸縮性質的實用面孔,也是帶寬、光學儀器分辨極限和能量-時間不確定關係的根基。一個真正週期的信號沒有通常意義上的連續譜;它的變換是一串狄拉克 delta,是原先那些譜線的數學幽靈。
衰減脈衝 f(t) = e^{-a t}(t > 0,之前為 0)的連續譜為 F(omega) = 1/(a + i omega),其模 1/sqrt(a^2 + omega^2) 是一個以 omega = 0 為中心的光滑隆起——a 大則寬,a 小則窄。
單個瞬變把它的能量光滑地鋪展到所有頻率上;衰減越快(a 越大),譜的隆起越寬。
因為 F(k) 是密度,單一頻率處的高度本身不攜帶能量——把 |F(k)| 讀成恰好在那個頻率上的分量、而非單位頻率上的分量,是常見的概念性錯誤。