Math for Physics - Transformée inverse de Fourier

Sep 26 2020

J'ai un problème de base. Je ne parviens pas à trouver (dans Google) et à dériver sur moi-même la formule intégrale de transformée de Fourier inverse.$$Fourier\space defined:$$ $$F(\omega)=\int\limits_{-\infty}^{+\infty} f(t) \cdot e^{- i \omega t} dt.$$Et maintenant, je voudrais en trouver une transformée inverse générale. Quelqu'un pourrait-il m'aider?

Le but est: $$f(t) = \frac{1}{2\pi} \int \limits_{-\infty}^{+\infty}F(\omega)\cdot e^{ i \omega t} d\omega.$$

Réponses

4 GRrocks Sep 26 2020 at 09:27

Multipliez les deux côtés de votre équation pour la transformée de Fourier avec $e^{i\omega t'}$, intégrez les deux côtés avec $d\omega$et utilisez la propriété de définition de la fonction delta sur le RHS. Explicitement,$$\int d\omega e^{i\omega t'}F(\omega)=\int dt\int d\omega f(t)e^{-i\omega t}e^{i\omega t'}$$

$$\implies \int d\omega e^{i\omega t'}F(\omega)=\int dt\ f(t)\int d\omega e^{-i\omega(t-t')}=\int dt f(t)\delta(t-t')$$ $$\implies \int d\omega e^{i\omega t'}F(\omega)=f(t')$$

Notez que les facteurs de $2\pi$ dépendent de la convention (certains le diviseront également en $1/\sqrt{2\pi}$ entre la transformée de Fourier et l'inverse) donc je les ai ignorés ici, vous pouvez les remettre en normalisant correctement le $\delta$-fonction.

EDIT: Pourquoi nous avons besoin du $\delta$ fonction-

La transformée de Fourier est essentiellement un moyen d'étendre une fonction arbitraire $F(\omega)$ (qui peut être considéré comme un vecteur dans un espace vectoriel de dimension infinie) dans la base de $e^{i\omega t}$(souvent appelée «base d'onde plane»). L'analogie est, supposons que vous ayez des vecteurs de dimension finie, qui ont des composants$F_i$ dans une base donnée $\{\hat{e_i}\}$. Vous pouvez ainsi agrandir$$\vec{F}=\sum_i F_i \hat{e_i}\sim \int_t f(t)e^{i\omega t}$$

et donc le $f(t)$ doivent être considérés comme des `` composants '' de $f(\omega)$ dans le $e^{i\omega t}$base. Maintenant, dans le cas des dimensions finies, si vous deviez trouver les composants$F_i$, vous auriez besoin du produit intérieur $$F_i=\vec{F}\cdot \hat{e_i}$$

Or, le produit interne sur l'espace vectoriel (s'il existe) est complètement spécifié en écrivant le produit interne entre tous les vecteurs de base , c'est-à-dire qu'il suffit de savoir$\langle e_i|e_j\rangle=\hat{e_i}\cdot\hat{e_j}\forall i,j$. Ainsi, dans notre$F(\omega)$ cas, nous devons connaître le produit intérieur pour la base $e^{i\omega t}$, et c'est précisément ce $\delta$ la fonction est-

$$\langle e^{i\omega t}|e^{i\omega t'}\rangle\equiv \int d\omega (e^{i\omega t})^* e^{i\omega t'}=\int d\omega e^{i\omega(t'-t)}\equiv\delta(t'-t)$$

par définition. Donc,

trouver la transformée de Fourier consiste à trouver les composants dans la base de l'onde plane, et cela se trouve en définissant le produit interne des vecteurs de base, et c'est une fonction delta

3 JilalJahangir Sep 26 2020 at 09:27

Une preuve rigoureuse peut être trouvée dans la plupart des manuels sur l'analyse réelle orientée vers les mathématiciens. Voici une dérivation heuristique.\begin{align} \int_{-\infty}^{\infty}F(\omega)\exp(\mathrm{i}\omega t)d\omega&=\int_{-\infty}^\infty\left[\int_{-\infty}^\infty f(t')\exp(-\mathrm{i}\omega t')dt'\right]\exp(\mathrm{i}\omega t)d\omega\\ &=\int_{-\infty}^\infty f(t')\left[\int_{-\infty}^\infty\exp\mathrm{i}\omega(t-t')d\omega\right]dt'\\ &=2\pi\int_{-\infty}^\infty f(t')\delta(t-t')dt'\\ &=2\pi f(t) \end{align} où j'ai utilisé $$\delta(t-t')=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^\infty\exp\mathrm{i}\omega(t-t')d\omega.$$ Par conséquent $$f(t)=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}F(\omega)\exp(\mathrm{i}\omega t)d\omega.$$

2 md2perpe Sep 26 2020 at 13:15

Remarque: $\int := \int_{-\infty}^{\infty}$

Laisser $f \in L^1(\mathbb{R})$ pour que $\hat{f}(\xi) = \int f(x) \, e^{-ix\xi} \, dx$est bien défini. ensuite$$|\hat{f}(\xi)| = |\int f(x) \, e^{-ix\xi} \, dx| \leq \int |f(x)| \, dx < \infty$$ alors $\hat{f} \in L^\infty(\mathbb{R})$, mais il n'est pas certain que $\hat{f} \in L^1(\mathbb{R})$ pour que $F(y) = \int \hat{f}(\xi) \, e^{iy\xi} \, d\xi$est bien défini. Par conséquent, prenez$\alpha>0$ et multiplier $\hat{f}(\xi)$ avec $e^{-\alpha\xi^2}$ faire entrer quelque chose $L^1(\mathbb{R})$. Nous laisserons plus tard$\alpha\to 0$. Maintenant,$$ \int e^{-\alpha\xi^2} \hat{f}(\xi) \, e^{iy\xi} \, d\xi = \int e^{-\alpha\xi^2} \left( \int f(x) \, e^{-ix\xi} \, dx \right) \, e^{iy\xi} \, d\xi = \int f(x) \, \left( \int e^{-\alpha\xi^2} e^{i(y-x)\xi} \, d\xi \right) \, dx $$en changeant l'ordre d'intégration. Ici,$$ \int e^{-\alpha\xi^2} e^{i(y-x)\xi} \, d\xi = \frac{2\pi}{\sqrt{4\pi\alpha}} e^{-(x-y)^2/(4\alpha)} $$ donc l'intégrale devient $$ \int f(x) \, \frac{2\pi}{\sqrt{4\pi\alpha}} e^{-(x-y)^2/(4\alpha)} \, dx = \{ x = y+z \} = \int f(y+z) \, \frac{2\pi}{\sqrt{4\pi\alpha}} e^{-z^2/(4\alpha)} \, dz = \{ u=z/\sqrt{4\alpha} \} = \frac{2\pi}{\sqrt{4\pi\alpha}} \int f(y+\sqrt{4\alpha}u) \, e^{-u^2} \, \sqrt{4\alpha}\,du = \frac{2\pi}{\sqrt{\pi}} \int f(y+\sqrt{4\alpha}) \, e^{-u^2} \, du $$

Donc, $$ \int e^{-\alpha\xi^2} \hat{f}(\xi) \, e^{iy\xi} \, d\xi = \frac{2\pi}{\sqrt{\pi}} \int f(y+\sqrt{4\alpha}) \, e^{-u^2} \, du $$ Location $\alpha\to 0$ on a $$ \lim_{\alpha\to 0} \int e^{-\alpha\xi^2} \hat{f}(\xi) \, e^{iy\xi} \, d\xi = \lim_{\alpha\to 0} \frac{2\pi}{\sqrt{\pi}} \int f(y+\sqrt{4\alpha}) \, e^{-u^2} \, du = \frac{2\pi}{\sqrt{\pi}} \int f(y) \, e^{-u^2} \, du = \frac{2\pi}{\sqrt{\pi}} \int e^{-u^2} \, du \, f(y) = 2\pi\, f(y) $$ Si $\hat{f} \in L^1(\mathbb{R})$ cela implique $$ \int \hat{f}(\xi) \, e^{iy\xi} \, d\xi = 2\pi\, f(y). $$