傅立葉變換與積分變換

傅立葉變換的伸縮性質

把一段錄音用兩倍速播放,音高就跳高一個八度;用半速播放,音高就降下來。把信號在時間上壓縮,就在頻率上拉伸;在時間上拉伸,就在頻率上壓縮。伸縮性質正是這種互易交換的精確表述:一個函數有多鋪展,與它的頻譜有多鋪展,互為反比。

定量地說,若 f(x) 的變換是 F(k),則縮放後的函數 f(a x) 的變換是 (1/|a|) F(k/a)。兩件事同時發生。自變量 k/a 意味著頻譜被拉伸了 a 倍(所以把 f 壓縮——取大的 a——就把 F 加寬),而前因子 1/|a| 重新調節高度,使總面積或能量記賬正確。絕對值處理 a < 0 的情形,那同時也把函數翻轉。沒有辦法讓一個信號在時間和頻率上同時變窄:縮小一個必然加寬另一個,這是規律,不是任何特定方法的局限。

伸縮性質解釋了為什麼短脈衝需要寬帶寬,而一條窄譜線需要長時間的觀測。它支配著光譜儀的分辨率、通信信道的帶寬,以及透鏡的衍射極限光斑(小孔徑把光鋪展到大角度上)。再加上高斯函數是它自己的變換這一事實,伸縮性質就是傅立葉不確定性原理的一個面孔:信號的時間展寬與頻率展寬之積無法被做得任意小。

若 e^{-x^2} 變換為 sqrt(pi) e^{-k^2/4},則更窄的 e^{-4 x^2} = e^{-(2x)^2} 變換為 (1/2) sqrt(pi) e^{-k^2/16}——高度減半,在 k 中寬了四倍。

把高斯函數在 x 中壓縮為原來的二分之一,會加寬並壓低它的頻譜,同時保持總面積。

前因子 1/|a| 不是可有可無的記賬——丟掉它會破壞帕塞瓦爾的能量平衡,給出總面積不再與信號相符的頻譜。

又稱
similarity theorem相似定理相似定理stretch theorem