- Fourier-Transformation
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Die Fourier-Transformation (genauer die kontinuierliche Fourier-Transformation; Aussprache des Namens: fur'je) ist eine Methode der Fourier-Analysis, die es erlaubt, kontinuierliche, aperiodische Signale in ein kontinuierliches Spektrum zu zerlegen. Sie ist benannt nach dem Mathematiker Jean Baptiste Joseph Fourier, der im Jahr 1822 die Fourier-Reihen einführte, ein Analogon der kontinuierlichen Fourier-Transformation für periodische Signale.
Inhaltsverzeichnis
Definition
Sei eine integrierbare Funktion. Die (kontinuierliche) Fourier-Transformierte von f ist definiert durch
wobei mit das Standardskalarprodukt der Vektoren t und x gemeint ist und i die imaginäre Einheit darstellt. Die Normierungskonstante ist in der Literatur nicht einheitlich. In der Theorie der Pseudodifferentialoperatoren ist es üblich, den Faktor wegzulassen, so dass die Rücktransformation den Vorfaktor erhält. Die Transformation lautet dann:
- und
In Literatur zu Signalverarbeitung sowie Systemtheorie findet man auch folgende Konvention, die ohne Vorfaktoren auskommt:
Die reelle Form der Fourier-Transformation wird als Hartley-Transformation bezeichnet. Für reelle Funktionen f(x) kann die Fourier-Transformation durch die Sinus- und Kosinus-Transformation substituiert werden.
Beispiel
Als Beispiel soll das Frequenzspektrum einer gedämpften Schwingung mit ausreichend schwacher Dämpfung untersucht werden. Diese kann durch folgende Funktion beschrieben werden:
oder in komplexer Schreibweise:
Hier ist x0 die Amplitude und ωs die Kreisfrequenz der Schwingung, τ die Zeit nach der die Amplitude auf 1 / e abgefallen ist und Θ(t) die Heaviside-Funktion. Das heißt, die Funktion ist nur für positive Zeiten nicht null.
Man erhält
Eigenschaften
Linearität
Die Fourier-Transformation ist ein linearer Operator. Das heißt es gilt .
Stetigkeit
Die Fourier-Transformation ist ein stetiger Operator von nach . Mit ist die Menge der stetigen Funktionen bezeichnet, welche für , d.h. im Unendlichen, verschwinden. Außerdem gilt die Ungleichung
- .
Differentiationsregeln
Sei eine Schwartz-Funktion und α ein Multiindex. Dann gilt
- und .
- .
Fixpunkt
Die Dichtefunktion der (n-dimensionalen) Gauß'schen Normalverteilung ist ein Fixpunkt der Fouriertransformation. Das heißt, es gilt für alle die Gleichung
- .
Mit Hilfe des Residuensatzes oder mit Hilfe partieller Integration und Lösen einer gewöhnlichen Differentialgleichung kann in diesem Fall das Fourier-Integral bestimmt werden.
Spiegelsymmetrie
Für gilt für alle die Gleichung
- .
Rücktransformationsformel
Sei eine integrierbare Funktion derart, dass auch gilt. Dann gilt die Rücktransformation
Diese wird auch Fouriersynthese genannt. Auf dem Schwartz-Raum ist die Fouriertransformation ein Automorphismus.
Fourier-Transformation von L2-Funktionen
Definition
Für eine Funktion ist die Fouriertransformation mittels eines Dichtheitsargumentes definiert durch
- .
Die Konvergenz ist im Sinne von L2 zu verstehen und ist die Kugel um den Ursprung mit Radius r. Für Funktionen stimmt diese Definition mit der aus dem ersten Abschnitt überein. Da die Fouriertransformation bezüglich des L2-Skalarproduktes unitär ist (s. u.) und in dicht liegt, folgt, dass die Fouriertransformation ein isometrischer Automorphismus des ist. Dies ist die Aussage des Satzes von Plancherel.
Hausdorff-Young-Ungleichung
Seien und . Für ist und es gilt
- .
Die Fourier-Transformation hat also eine Fortsetzung zu einem stetigen Operator , der durch
beschrieben wird. Der Grenzwert ist hier im Sinne von Lq zu verstehen.
Differentiationsregel
Falls die Funktion f schwach differenzierbar ist, gibt es eine Differentiationsregel analog zu denen für Schwarzfunktionen. Sei also eine k-mal schwach differenzierbare L2-Funktion und α ein Multiindex mit . Dann gilt
- .
Unitäre Abbildung
Die Fourier-Transformation ist bezüglich den komplexen L2-Skalarproduktes eine unitäre Abbildung, das heißt es gilt
Fourier-Transformation im Raum der temperierten Distributionen
Sei eine temperierte Distribution, die Fourier-Transformierte ist für alle definiert durch
- .
Stattet man den Raum mit der schwachen Topologie aus, dann ist die Fourier-Transformation eine stetige, bijektive Abbildung auf . Ihre Umkehrabbildung lautet
- .
Fourier-Transformation von Maßen
Die Fourier-Transformation wird allgemein für endliche Borel-Maße auf definiert:
heißt inverse Fourier-Transformierte des Maßes. Die charakteristische Funktion ist dann die inverse Fourier-Transformierte einer Wahrscheinlichkeitsverteilung.
Partielle Differentialgleichungen
In der Theorie der partiellen Differentialgleichungen spielt die Fourier-Transformation eine wichtige Rolle. Mit ihrer Hilfe kann man Lösungen bestimmter Differentialgleichungen finden. Die Differentiationsregel und das Faltungstheorem sind dabei von essentieller Bedeutung. Am Beispiel der Wärmeleitungsgleichung wird nun gezeigt wie man mit der Fourier-Transformation eine partielle Differentialgleichung löst. Das Anfangswertproblem der Wärmegleichung lautet
Hierbei bezeichnet Δx den Laplace-Operator, der nur auf die x-Variablen wirkt. Anwenden der Fourier-Transformation auf beide Gleichungen bezüglich der x-Variablen und Anwenden der Differentiationsregel ergibt
Hierbei handelt es sich nun um eine Gewöhnliche Differentialgleichung, die die Lösung
hat. Daraus folgt und aufgrund des Faltungstheorems gilt
mit Daraus folgt
Das ist die Fundamentallösung der Wärmegleichung. Die Lösung des hier betrachteten Anfangswertproblems hat daher die Darstellung
Wichtige Fourier-Transformations-Paare
Hier eine Zusammenstellung wichtiger Fourier-Transformations-Paare. G und H sind die Fouriertransformierten der Funktionen g(t) bzw. h(t).
Signal Fouriertransformierte
KreisfrequenzFouriertransformierte
FrequenzHinweise
2 Zeitverschiebung 3 Frequenzverschiebung (Äquivalent zu Nr. 2) 4 6 Hier ist n eine Natürliche Zahl und g eine Schwartz-Funktion. g(n) bezeichnet die n-te Ableitung von g. 8 bedeutet die Faltung von mit 9 Äquivalent zu Nr. 8 Quadratisch integrierbare Funktionen Signal Fouriertransformierte
KreisfrequenzFouriertransformierte
FrequenzHinweise
10 Die Gaußsche Funktion exp( − t2 / 2) ergibt fouriertransformiert wieder dieselbe Funktion. Für die Integrierbarkeit muss Re(a) > 0 sein. 11 Die Rechteckfunktion und die sinc-Funktion. 12 Äquivalent zu Nr. 11. Die Rechteckfunktion ist ein idealisierter Tiefpassfilter, und die sinc-Funktion ist die akausale Stoßantwort eines solchen Filters. 13 a > 0. Die FT der um den Ursprung exponentiell abfallenden Funktion ist eine Lorentzkurve. 14 Äquivalent zu Nr. 13. Distributionen Signal Fouriertransformierte
KreisfrequenzFouriertransformierte
FrequenzHinweise
17 18 19 20 Hier ist n eine Natürliche Zahl. δ(n) bezeichnet die n-te Ableitung der Delta-Distribution. 21 22 23 Θ(t) ist der Einheitssprung (Heaviside-Funktion). 24 Literatur
- Dirk Werner: Funktionalanalysis, Springer-Verlag, 6. Auflage, ISBN 978-3-540-72533-6
- Lars Hörmander: The Analysis of Linear Partial Differential Operators I, Springer-Verlag, Second Edition, ISBN 3-540-52345-6
- P. I. Lizorkin: Fourier Transform. In: Michiel Hazewinkel (Hrsg.): Encyclopaedia of Mathematics. Springer-Verlag, Berlin 2002, ISBN 1-4020-0609-8.
Weblinks
- Eric W. Weisstein: Fourier Transform. In: MathWorld. (englisch)
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