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