京都大学 情報学研究科 知能情報学専攻 2022年8月実施 専門科目 S-5
Author
realball
Description
Suppose that the Fourier transform F [ f ( x ) ] \mathcal{F}[f(x)] F [ f ( x )] of a function f ( x ) f(x) f ( x ) and the Fourier integral representation of the Dirac delta function δ ( x ) \delta(x) δ ( x ) are given by the following formulae, where x x x and k k k are real numbers, and i = − 1 i=\sqrt{-1} i = − 1 . Answer the following questions.
F [ f ( x ) ] = F ( k ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − i k x d x δ ( x ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ e i k x d k \begin{align}
\mathcal{F}[f(x)]&=F(k)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x)\mathrm{e}^{-ikx}\text{d}x \tag{i}\\
\delta(x)&=\frac{1}{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}\mathrm{e}^{ikx}\text{d}k \tag{ii}
\end{align} F [ f ( x )] δ ( x ) = F ( k ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − ik x d x = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ e ik x d k ( i ) ( ii )
Q.1
Compute the Fourier transform of the function given below, where ω \omega ω is a real number.
(1) f 1 ( x ) = { 0 ( x < 0 ) 1 ( 0 ≤ x ≤ 2 ) 0 ( x > 2 ) f_1(x)=\left\{\begin{array}{ll}0&(x<0) \\ 1&(0\le x\le2)\\0&(x>2)\end{array}\right. f 1 ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 1 0 ( x < 0 ) ( 0 ≤ x ≤ 2 ) ( x > 2 )
(2) f 2 ( x ) = cos 2 ω x f_{2}(x)=\cos^{2}\omega x f 2 ( x ) = cos 2 ω x
Q.2
Compute the Fourier transform of function f 3 ( x ) f_3(x) f 3 ( x ) by following the steps below.
f 3 ( x ) = { 0 ( x < − 2 ) x + 2 ( − 2 ≤ x < 0 ) 2 − x ( 0 ≤ x < 2 ) 0 ( x ≥ 2 ) f_3(x)=\left\{\begin{array}{l}0 \ \ (x<-2)\\
x+2 \ \ (-2\leq x<0)\\
2-x \ \ (0\leq x<2)\\
0 \ \ (x\geq2)\end{array}\right. f 3 ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 ( x < − 2 ) x + 2 ( − 2 ≤ x < 0 ) 2 − x ( 0 ≤ x < 2 ) 0 ( x ≥ 2 )
(1) Derive the following equation concerning convolution operation.
F [ f ( x ) ∗ g ( x ) ] = F [ ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ] = 2 π F [ f ( x ) ] F [ g ( x ) ] \mathcal{F}[f(x)*g(x)]=\mathcal{F}\left[\int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)g(x-\tau)\text{d}\tau\right]=\sqrt{2\pi}\mathcal{F}[f(x)]\mathcal{F}[g(x)] F [ f ( x ) ∗ g ( x )] = F [ ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ] = 2 π F [ f ( x )] F [ g ( x )]
(2) Find function f 4 ( x ) f_4(x) f 4 ( x ) whose convolution with the above f 1 ( x ) f_1(x) f 1 ( x ) satisfies f 3 ( x ) = f 1 ( x ) ∗ f 4 ( x ) f_3(x)=f_1(x) * f_4(x) f 3 ( x ) = f 1 ( x ) ∗ f 4 ( x ) , and explain how the convolution gives f 3 ( x ) f_3(x) f 3 ( x ) .
(3) Compute F [ f 3 ( x ) ] \mathcal{F}[f_3(x)] F [ f 3 ( x )] .
题目描述
采用归一化
F [ f ] ( k ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − i k x d x , δ ( x ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ e i k x d k , \mathcal F[f](k)=\frac1{\sqrt{2\pi}}
\int_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-ikx}\,dx,
\qquad
\delta(x)=\frac1{2\pi}\int_{-\infty}^{\infty}e^{ikx}\,dk, F [ f ] ( k ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − ik x d x , δ ( x ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ e ik x d k ,
其中 x , k ∈ R x,k\in\mathbb R x , k ∈ R 、i = − 1 i=\sqrt{-1} i = − 1 。
求 Fourier 变换:
f 1 ( x ) = 1 f_1(x)=1 f 1 ( x ) = 1 (0 ≤ x ≤ 2 0\le x\le2 0 ≤ x ≤ 2 ),区间外为 0;
f 2 ( x ) = cos 2 ( ω x ) f_2(x)=\cos^2(\omega x) f 2 ( x ) = cos 2 ( ω x ) ,ω ∈ R \omega\in\mathbb R ω ∈ R 。
三角函数
f 3 ( x ) = { 0 , x < − 2 , x + 2 , − 2 ≤ x < 0 , 2 − x , 0 ≤ x < 2 , 0 , x ≥ 2 f_3(x)=
\begin{cases}
0,&x<-2,\\
x+2,&-2\le x<0,\\
2-x,&0\le x<2,\\
0,&x\ge2
\end{cases} f 3 ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 , x + 2 , 2 − x , 0 , x < − 2 , − 2 ≤ x < 0 , 0 ≤ x < 2 , x ≥ 2
按以下步骤求变换:
推导卷积定理
F [ f ∗ g ] = F [ ∫ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ] = 2 π F [ f ] F [ g ] . \mathcal F[f*g]
=\mathcal F\!\left[\int f(\tau)g(x-\tau)\,d\tau\right]
=\sqrt{2\pi}\,\mathcal F[f]\mathcal F[g]. F [ f ∗ g ] = F [ ∫ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ] = 2 π F [ f ] F [ g ] .
求 f 4 f_4 f 4 使 f 3 = f 1 ∗ f 4 f_3=f_1*f_4 f 3 = f 1 ∗ f 4 ,并说明卷积如何得到 f 3 f_3 f 3 。
求 F [ f 3 ] \mathcal F[f_3] F [ f 3 ] 。
Fourier 变换 :直接积分矩形脉冲,并把 cos 2 \cos^2 cos 2 展开为常数与复指数以得到 Dirac 冲激谱。
卷积定理 :在题给对称归一化下仔细推导 2 π \sqrt{2\pi} 2 π 系数。
三角脉冲的卷积表示 :把三角函数写为两个矩形脉冲卷积,用频域乘积快速求变换。
Kai
Q.1
(1)
F [ f 1 ( x ) ] = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − i k x d x = 1 2 π ∫ 0 2 e − i k x d x = − 1 i k 2 π [ e − i k x ] 0 2 = 1 i k 2 π ( 1 − e − 2 i k ) \begin{aligned}
\mathcal{F}\left[f_{1}(x)\right]
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}f(x)e^{-ikx}dx\\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{0}^{2}e^{-ikx}dx\\
&= -\frac{1}{ik\sqrt{2\pi}}\left[e^{-ikx}\right]_{0}^{2}\\
&= \frac{1}{ik\sqrt{2\pi}}\left(1-e^{-2ik}\right)
\end{aligned} F [ f 1 ( x ) ] = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ f ( x ) e − ik x d x = 2 π 1 ∫ 0 2 e − ik x d x = − ik 2 π 1 [ e − ik x ] 0 2 = ik 2 π 1 ( 1 − e − 2 ik )
applying the Euler formula,
F [ f 1 ( x ) ] = e − i k 2 k 2 π e i k − e − i k 2 i = e − i k 2 π sin k k \begin{aligned}
\mathcal{F}\left[f_{1}(x)\right]
&= e^{-ik}\frac{2}{k\sqrt{2\pi}}\frac{e^{ik}-e^{-ik}}{2i}\\
&= e^{-ik}\sqrt{\frac{2}{\pi}}\frac{\sin k}{k}
\end{aligned} F [ f 1 ( x ) ] = e − ik k 2 π 2 2 i e ik − e − ik = e − ik π 2 k sin k
(2)
F ( f 2 ( x ) ) = F ( cos 2 ω x ) = 1 2 F ( 1 + cos 2 ω x ) = 1 2 ( F ( 1 ) + F ( cos 2 ω x ) ) \begin{aligned}
\mathcal{F}(f_{2}(x)) &= \mathcal{F}\left(\cos^{2}\omega x\right)\\
&= \frac{1}{2}\mathcal{F}\left(1+\cos 2\omega x\right)\\
&= \frac{1}{2}\left(\mathcal{F}(1) + \mathcal{F}\left(\cos 2\omega x\right)\right)
\end{aligned} F ( f 2 ( x )) = F ( cos 2 ω x ) = 2 1 F ( 1 + cos 2 ω x ) = 2 1 ( F ( 1 ) + F ( cos 2 ω x ) )
2 π δ ( k ) = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ e − i k x d x ⇒ F ( 1 ) = 2 π δ ( k ) \sqrt{2\pi}\delta(k) = \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-ikx}dx \Rightarrow
\mathcal{F}(1) = \sqrt{2\pi}\delta(k) 2 π δ ( k ) = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ e − ik x d x ⇒ F ( 1 ) = 2 π δ ( k )
F [ cos 2 ω x ] = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ ( cos 2 ω x ) e − i k x d x = 1 2 2 π ∫ − ∞ ∞ ( e i 2 ω x + e − i 2 ω x ) e − i k x d x = 1 2 2 π ∫ − ∞ ∞ ( e − i ( k − 2 ω ) x + e − i ( k + 2 ω ) x ) d x = 1 2 ⋅ 1 2 π ∫ − ∞ ∞ e − i ( k − 2 ω ) x d x + 1 2 ⋅ 1 2 π ∫ − ∞ ∞ e − i ( k + 2 ω ) x d x = 1 2 ⋅ 2 π δ ( k − 2 ω ) + 1 2 ⋅ 2 π δ ( k + 2 ω ) = 2 π 2 ( δ ( k − 2 ω ) + δ ( k + 2 ω ) ) \begin{aligned}
\mathcal{F}\left[\cos 2\omega x\right]
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}(\cos 2\omega x)e^{-ikx}dx\\
&= \frac{1}{2\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}\left(e^{i2\omega x}+e^{-i2\omega x}\right) e^{-ikx}dx\\
&= \frac{1}{2\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}\left(e^{-i(k-2\omega)x}+e^{-i(k+2\omega)x}\right)dx\\
&= \frac{1}{2}\cdot\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-i(k-2\omega)x}dx+\frac{1}{2}\cdot\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}e^{-i(k+2\omega)x}dx\\
&= \frac{1}{2}\cdot \sqrt{2\pi}\delta(k-2\omega)+\frac{1}{2}\cdot \sqrt{2\pi}\delta(k+2\omega)\\
&= \frac{\sqrt{2\pi}}{2}\left(\delta(k-2\omega)+\delta(k+2\omega)\right)
\end{aligned} F [ cos 2 ω x ] = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ ( cos 2 ω x ) e − ik x d x = 2 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ ( e i 2 ω x + e − i 2 ω x ) e − ik x d x = 2 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ ( e − i ( k − 2 ω ) x + e − i ( k + 2 ω ) x ) d x = 2 1 ⋅ 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ e − i ( k − 2 ω ) x d x + 2 1 ⋅ 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ e − i ( k + 2 ω ) x d x = 2 1 ⋅ 2 π δ ( k − 2 ω ) + 2 1 ⋅ 2 π δ ( k + 2 ω ) = 2 2 π ( δ ( k − 2 ω ) + δ ( k + 2 ω ) )
Hence
F ( f 2 ( x ) ) = 2 π 4 ( δ ( k − 2 ω ) + 2 δ ( k ) + δ ( k + 2 ω ) ) \mathcal{F}(f_{2}(x)) = \frac{\sqrt{2\pi}}{4}\left(\delta(k-2\omega)+2\delta(k)+\delta(k+2\omega)\right) F ( f 2 ( x )) = 4 2 π ( δ ( k − 2 ω ) + 2 δ ( k ) + δ ( k + 2 ω ) )
Q.2
(1)
F [ f ( x ) ∗ g ( x ) ] = F [ ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ] = 1 2 π ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ) e − i k x d x = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ g ( x − τ ) e − i k x d x ) d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) e − i k τ ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ g ( x − τ ) e − i k ( x − τ ) d x ) d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) ( 1 2 π ∫ − ∞ ∞ g ( y ) e − i k y d y ) d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) F [ g ( x ) ] d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) d τ ⋅ F [ g ( x ) ] = 2 π F [ g ( x ) ] F [ g ( x ) ] \begin{aligned}
\mathcal{F}\left[f(x)\ast g(x)\right] &= \mathcal{F}\left[\int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)g(x-\tau)d\tau\right]\\
&= \frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}\left(\int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)g(x-\tau)d\tau\right)e^{-ikx}dx\\
&= \int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)\left(\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}g(x-\tau)e^{-ikx}dx\right)d\tau\\
&= \int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)e^{-ik\tau}\left(\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}g(x-\tau)e^{-ik(x-\tau)}dx\right)d\tau\\
&= \int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)\left(\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int_{-\infty}^{\infty}g(y)e^{-iky}dy\right)d\tau\\
&= \int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)\mathcal{F}\left[g(x)\right]d\tau\\
&= \int_{-\infty}^{\infty}f(\tau)d\tau\cdot\mathcal{F}\left[g(x)\right]\\
&= \sqrt{2\pi}\mathcal{F}\left[g(x)\right]\mathcal{F}\left[g(x)\right]
\end{aligned} F [ f ( x ) ∗ g ( x ) ] = F [ ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ] = 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) g ( x − τ ) d τ ) e − ik x d x = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) ( 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ g ( x − τ ) e − ik x d x ) d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) e − ik τ ( 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ g ( x − τ ) e − ik ( x − τ ) d x ) d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) ( 2 π 1 ∫ − ∞ ∞ g ( y ) e − ik y d y ) d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) F [ g ( x ) ] d τ = ∫ − ∞ ∞ f ( τ ) d τ ⋅ F [ g ( x ) ] = 2 π F [ g ( x ) ] F [ g ( x ) ]
(2)
f 4 ( x ) = { 0 x < − 2 1 − 2 ≤ x ≤ 0 0 x > 0 f_4(x)=\begin{cases}
0 & x < -2 \\
1 & -2\leq x \leq 0\\
0 & x > 0
\end{cases} f 4 ( x ) = ⎩ ⎨ ⎧ 0 1 0 x < − 2 − 2 ≤ x ≤ 0 x > 0
f 3 ( x ) = f 1 ( x ) ∗ f 4 ( x ) = ∫ 0 2 f 4 ( x − τ ) d τ f_3(x)=f_1(x)\ast f_4(x) =\int_{0}^{2}f_4(x-\tau)d\tau f 3 ( x ) = f 1 ( x ) ∗ f 4 ( x ) = ∫ 0 2 f 4 ( x − τ ) d τ
(3)
F [ f 3 ( x ) ] = F [ f 1 ( x ) ∗ f 4 ( x ) ] = F [ f 1 ( x ) ∗ f 1 ( x + 2 ) ] = 2 π F [ f 1 ( x ) ] F [ f 1 ( x + 2 ) ] = 2 π F [ f 1 ( x ) ] ( e 2 i k F [ f 1 ( x ) ] ) = 2 π e 2 i k ( F [ f 1 ( x ) ] ) 2 = 2 π e 2 i k ( e − i k 2 π sin k k ) 2 = 2 2 π ( sin k k ) 2 \begin{aligned}
\mathcal{F}\left[f_{3}(x)\right]
&= \mathcal{F}\left[f_{1}(x)\ast f_{4}(x)\right]\\
&= \mathcal{F}\left[f_{1}(x)\ast f_{1}(x+2)\right]\\
&= \sqrt{2\pi}\mathcal{F}\left[f_{1}(x)\right]\mathcal{F}\left[f_{1}(x+2)\right]\\
&= \sqrt{2\pi}\mathcal{F}\left[f_{1}(x)\right]\left(e^{2ik}\mathcal{F}\left[f_{1}(x)\right]\right)\\
&= \sqrt{2\pi}e^{2ik}\left(\mathcal{F}\left[f_{1}(x)\right]\right)^{2}\\
&= \sqrt{2\pi}e^{2ik}\left(e^{-ik}\sqrt{\frac{2}{\pi}}\frac{\sin k}{k}\right)^{2}\\
&= 2\sqrt{\frac{2}{\pi}}\left( \frac{\sin k}{k} \right)^{2}
\end{aligned} F [ f 3 ( x ) ] = F [ f 1 ( x ) ∗ f 4 ( x ) ] = F [ f 1 ( x ) ∗ f 1 ( x + 2 ) ] = 2 π F [ f 1 ( x ) ] F [ f 1 ( x + 2 ) ] = 2 π F [ f 1 ( x ) ] ( e 2 ik F [ f 1 ( x ) ] ) = 2 π e 2 ik ( F [ f 1 ( x ) ] ) 2 = 2 π e 2 ik ( e − ik π 2 k sin k ) 2 = 2 π 2 ( k sin k ) 2