In the space C n , fourier provide an orthogonal basis
{ v k = ( ω 0 , ω k , ω 2 k , … , ω ( n − 1 ) k ) } 0 ≤ k ≤ n − 1
with ω = e 2 π i / n ,
the n -th root of 1 .
This proposition is valable thanks to
⟨ v k , v l ⟩ = n ⋅ δ k , l .
and ∀ k ∈ Z , ∣ ∣ v k ∣ ∣ 2 = n .
As a consequence,
I n = n 1 ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 1 1 ⋮ 1 1 ω ⋮ ω n − 1 1 ω 2 ⋮ ω 2 ( n − 1 ) ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ 1 ω ( n − 1 ) ⋮ ω ( n − 1 ) ( n − 1 ) ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 1 1 ⋮ 1 1 ω ˉ ⋮ ω ˉ n − 1 1 ω ˉ 2 ⋮ ω ˉ 2 ( n − 1 ) ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ 1 ω ˉ ( n − 1 ) ⋮ ω ˉ ( n − 1 ) ( n − 1 ) ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤
The discrete fourier transform can be represented as follows,
⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ f ^ 0 f ^ 1 ⋮ f ^ n − 1 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ = ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 1 1 ⋮ 1 1 ω ˉ ⋮ ω ˉ n − 1 1 ω ˉ 2 ⋮ ω ˉ 2 ( n − 1 ) ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ 1 ω ˉ ( n − 1 ) ⋮ ω ˉ ( n − 1 ) ( n − 1 ) ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ f 0 f 1 ⋮ f n − 1 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤
then the inverse fourier transform would be
⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ f 0 f 1 ⋮ f n − 1 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ = n 1 ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ 1 1 ⋮ 1 1 ω ⋮ ω n − 1 1 ω 2 ⋮ ω 2 ( n − 1 ) ⋯ ⋯ ⋱ ⋯ 1 ω ( n − 1 ) ⋮ ω ( n − 1 ) ( n − 1 ) ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ f ^ 0 f ^ 1 ⋮ f ^ n − 1 ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤
Equivalently,
the fourier transform element
f ^ k = j = 0 ∑ n − 1 ω ˉ j k f j , 0 ≤ k ≤ n − 1 ,
and the inverse fourier transform element recovered by
f l = k = 0 ∑ n − 1 ω k l f ^ k , 0 ≤ l ≤ n − 1 .
Note that
∀ k ∈ Z , e 2 π k = 1 ,
the elements in matrix above are massively in common, n elements disinct, precisely.
With the orthogonality,
rewrite the formula as follows,
f ^ k = = = j = 0 ∑ n − 1 ω j k f j j = 0 ∑ n − 1 ω 2 j k f 2 j + j = 0 ∑ n − 1 ω 2 j k + k f 2 j + 1 j = 0 ∑ n − 1 ω 2 j k f 2 j + ω k j = 0 ∑ n − 1 ω 2 j k f 2 j + 1
The above result shows that the coefficients of fourier transform can be calculated recursively using the method of divide and conquer
which reduce the calculation complexity from O ( n 2 ) to O ( n l o g n ) .
Denote the transform matrix as Ω , then
Ω 2 n = [ I n I n D n − D n ] [ Ω n 0 0 Ω n ] P
with P is a permutation matrix and
D n = ⎣ ⎢ ⎢ ⎢ ⎡ ω 0 ω 1 ω 2 ⋱ ⎦ ⎥ ⎥ ⎥ ⎤ .
Consider the space L 1 ( − 2 T , 2 T ) ,
the functions { ψ k = e i k t ⋅ 2 π / T , t ∈ R } k ∈ Z ,
form a orthogonal basis
since
⟨ ψ k , ψ l ⟩ = ∫ − T / 2 T / 2 e i k t ⋅ 2 π / T e − i l t ⋅ 2 π / T d t = T ⋅ δ k , l
For function f ∈ L 1 ( − 2 T , 2 T ) ,
f ( t ) = k = − ∞ ∑ ∞ c k e i k t ⋅ 2 π / T
where
c k = T 1 ⟨ f ( t ) , e i k t ⋅ 2 π / T ⟩ = T 1 ∫ − T / 2 T / 2 f ( t ) e − i k t ⋅ 2 π / T d t
Since e i θ = c o s θ + i s i n θ ,
suppose c k = a k + i b k , a k , b k ∈ R , then
f ( t ) = = k = − ∞ ∑ ∞ ( a k + i b k ) ( c o s ( k t ⋅ 2 π / T ) + i s i n ( k t ⋅ 2 π / T ) ) ( a 0 + i b 0 ) + k = 1 ∑ ∞ ( a k + i b k ) ( c o s ( k t ⋅ 2 π / T ) + i s i n ( k t ⋅ 2 π / T ) ) + k = 1 ∑ ∞ ( a − k + i b − k ) ( c o s ( − k t ⋅ 2 π / T ) + i s i n ( − k t ⋅ 2 π / T ) )
if f ( t ) ∈ R ,
a k = a − k and b k = − b − k which means c k = c k ˉ , then
f ( t ) = a 0 + k = 1 ∑ ∞ ( 2 a k ) c o s ( k t ⋅ 2 π / T ) + ( − 2 b k ) s i n ( k t ⋅ 2 π / T ) )
For 2 π -periodic function f ,
f ( t ) = 2 a 0 + k = 1 ∑ ∞ ( a k c o s ( k t ) + b k s i n ( k t ) )
where
a k = ∣ ∣ c o s ( k t ) ∣ ∣ 2 1 ⟨ f ( t ) , c o s ( k t ) ⟩ = π 1 ∫ − π π f ( t ) c o s ( k t ) d t
b k = ∣ ∣ s i n ( k t ) ∣ ∣ 2 1 ⟨ f ( t ) , s i n ( k t ) ⟩ = π 1 ∫ − π π f ( t ) s i n ( k t ) d t
f ( t ) = k = − ∞ ∑ ∞ ( T 1 ∫ − T / 2 T / 2 f ( x ) e − i k x ⋅ 2 π / T d x ) ⋅ e i k t ⋅ 2 π / T
Since
∫ − ∞ ∞ f ( t ) d t = T → ∞ lim k = − ∞ ∑ ∞ T 2 π f ( k ⋅ T 2 π )
which leads,
f ( t ) = T → ∞ lim k = − ∞ ∑ ∞ ( T 1 ∫ − T / 2 T / 2 f ( x ) e − i k x ⋅ 2 π / T ⋅ e i k t ⋅ 2 π / T d x ) = 2 π 1 T → ∞ lim k = − ∞ ∑ ∞ T 2 π ( ∫ − T / 2 T / 2 f ( x ) e − i k x ⋅ 2 π / T ⋅ e i k t ⋅ 2 π / T d x ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − i x ⋅ ξ ⋅ e i t ⋅ ξ d x ) d ξ = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − i x ⋅ ξ d x ) e i t ⋅ ξ d ξ
Denote the Fourier transform as follows,
f ^ ( ξ ) = ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − i x ⋅ ξ d x
then the Inverse Fourier transform
f ( t ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ f ^ ( ξ ) e i t ⋅ ξ d ξ
this is non-unitary, angular frequency form.
For function f ∈ L 1 ( R ) ,
i.e. ∫ − ∞ ∞ ∣ f ( t ) ∣ d t < ∞ ,
f ^ ( ξ ) = ∫ − ∞ ∞ f ( t ) e − 2 π i ξ t d t
with
f ^ ∈ L 1 ( R ) , i.e.
∫ − ∞ ∞ ∣ f ( ξ ) ∣ d ξ < ∞ .
Inverse Fourier transform
f ( t ) = ∫ − ∞ ∞ f ^ ( ξ ) e 2 π i t ξ d ξ
If function f is frequency band-limited, i.e.
∃ Ω ≤ 0 , ∀ ∣ ξ ∣ ≥ Ω , f ^ ( ξ ) = 0 .
Then
f ^ ( ξ ) = k = − ∞ ∑ ∞ c k e i k ξ ⋅ π / Ω
where
c k = 2 Ω 1 ⟨ f ^ ( ξ ) , e i k ξ ⋅ π / Ω ⟩ = 2 Ω 1 ∫ − Ω Ω f ^ ( ξ ) e − i k ξ ⋅ π / Ω d ξ
Further
c k = 2 Ω 2 π 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ f ^ ( ξ ) e i ( − k π / Ω ) ξ d ξ = 2 Ω 2 π f ( − k π / Ω )
and
f ^ ( ξ ) = k = − ∞ ∑ ∞ 2 Ω 2 π f ( − k π / Ω ) e i k ξ ⋅ π / Ω = k = − ∞ ∑ ∞ 2 Ω 2 π f ( k π / Ω ) e − i k ξ ⋅ π / Ω
Therefore,
f ( t ) = 2 π 1 ∫ − Ω Ω f ^ ( ξ ) e i t ⋅ ξ d ξ = 2 π 1 ∫ − Ω Ω ( k = − ∞ ∑ ∞ 2 Ω 2 π f ( k π / Ω ) e − i k ξ ⋅ π / Ω ) e i t ⋅ ξ d ξ = 2 Ω 1 k = − ∞ ∑ ∞ f ( k π / Ω ) ∫ − Ω Ω e − i ξ ( k ⋅ π / Ω − t ) d ξ = 2 Ω 1 k = − ∞ ∑ ∞ f ( k π / Ω ) [ − i ( k ⋅ π / Ω − t ) 1 e − i ξ ( k ⋅ π / Ω − t ) ] − Ω Ω = k = − ∞ ∑ ∞ f ( k π / Ω ) k π − Ω t s i n ( k π − Ω t )
∫ − ∞ ∞ f ′ ( t ) e − i t ⋅ ξ d t = [ f ( t ) e − i t ⋅ ξ ] − ∞ ∞ − ∫ − ∞ ∞ f ( t ) ( − i ξ ) e − i t ⋅ ξ d t = ( i ξ ) ∫ − ∞ ∞ f ( t ) e − i t ⋅ ξ d t
F ( d t d f ( t ) ) = ( i ξ ) F ( f ( t ) )
Definition
( f ∗ g ) ( x ) = ∫ − ∞ ∞ f ( ξ ) g ( x − ξ ) d ξ
F ( f ∗ g ) = F ( f ) ⋅ F ( g )
f ∗ g = g ∗ f
F ( f ∗ g ) = = = = = ∫ − ∞ ∞ ∫ − ∞ ∞ f ( ξ ) g ( x − ξ ) d ξ e − i x ⋅ t d x ∫ − ∞ ∞ f ( ξ ) ( ∫ − ∞ ∞ g ( x − ξ ) e − i x ⋅ t d x ) d ξ ∫ − ∞ ∞ f ( ξ ) ( ∫ − ∞ ∞ g ( x − ξ ) e − i ( x − ξ ) ⋅ t d ( x − ξ ) ) e − i ξ ⋅ t d ξ g ^ ( t ) ∫ − ∞ ∞ f ( ξ ) e − i ξ ⋅ t d ξ F ( f ) ⋅ F ( g )
∫ − ∞ ∞ ∣ f ^ ( ξ ) ∣ 2 d ξ = 2 π ∫ − ∞ ∞ ∣ f ( t ) ∣ 2 d t