那么,我们该如何从这个非周期函数中分解出各种信号呢?答案就是利用正交!比如说,假设这函数中有一个
的信号,那么我们用 就可以把它乘出来,而其他分量如 都会因为正交而消失。所以我们需要对函数做一个内积:其中,
刚刚介绍过,就是一组正交基的组合。我们用正交基去与函数求内积,如果原函数中包含频率为 的三角函数,则 便为 0,反之为 0,这样自然分离能分离出相应的信号,其图示如上图 c 中右部分所示。细心的同学可能还会注意到上式的计算的结果中还有复数 i。其实是样子的:「实数部分表示振幅」,「虚数部分表示相位」。相关资料同学们可以自己查阅,不再进行过多介绍。
以上就是我们所说的傅立叶变换(Fourier Transform,FT)。同样的我们也存在逆变换:
于是,我们便实现了将信号拆成多个正弦信号,再把正弦信号逆变换为原来信号的过程。
简单介绍下傅立叶变换的应用吧, 省得看了那么多不知道他能干什么。
一个很经典的例子就是:分离、降噪。如果男生和女生一起说话,该如何分离出两者的声音呢?答案就是对这一段声音(时域)做傅立叶变换转换到频率,而男女生的声音频率不同,在频域中,低频为男生,中频为女生,高频可能为噪音,我们可以根据需要去除中频和高频的信号,并将其进行逆变换,这样便分离出了男生的声音。
2.5 图傅立叶变换我们之前提到,我们在图上定义卷积操作,遇到的困难主要是空域不具备“平移不变性”,难以定义一个合适的卷积核。要想解决这个问题,有两种思路,一种是设法直接在空域定义卷积,另一种方法是先将空域转化到谱域,在谱域上定义卷积操作,最后再将结果转化回空域。图傅立叶变换就是用于完成图的空域与谱域之间的转化。
回顾下拉普拉斯谱分析:
我们类比一下:
信号中的傅立叶变换网络图中的傅立叶变换频率
特征值 正交基中某个向量 正交矩阵中的某个向量是不是长得非常像,所以我们也有了网络图上的傅立叶变换: