雷鋒網按：本文作者韓昊，原載於，雷鋒網已獲授權。文章上半部分詳見：連結。知乎專欄

上一篇文章發出來之後，為了掐死我，大家真是很下工夫啊，有拿給姐姐看的，有拿給妹妹看的，還有拿給女朋友看的，就是為了聽到一句“完全看不懂啊”。幸虧我留了個心眼，不然就真的像標題配圖那樣了。我的文章題目是，如果看了這篇文章你“還”不懂就過來掐死我，潛臺詞就是在你學了，但是沒學明白的情況下看了還是不懂，才過來掐死我。

另外，想跟很多人抱歉，因為評論太多了，時間有限，不能給每個人回覆，還望大家諒解。但是很感謝一直在評論區幫忙解答讀者問題的各位，就不一一@了。

這裡鄭重感謝大連海事大學的吳楠老師，一位學識淵博、備課縝密、但授課不拘一格的年輕教師！當時大三他教我通訊原理，但是他先用了4結課幫我們複習了很多訊號與系統的基本概念，那個用樂譜代表頻域的概念就是他講的，一下子讓我對這門課豁然開朗，才有了今天的這篇文章。

————————————今天的定場詩有點長——————————

下面繼續開始我們無節操的旅程：

三、傅立葉級數（Fourier Series）的相位譜

上次的關鍵詞是：從側面看。這次的關鍵詞是：從下面看。

在第二課最開始，我想先回答很多人的一個問題：傅立葉分析究竟是幹什麼用的？這段相對比較枯燥，已經知道了的同學可以直接跳到下一個分割線。

先說一個最直接的用途。無論聽廣播還是看電視，我們一定對一個詞不陌生——頻道。頻道頻道，就是頻率的通道，不同的頻道就是將不同的頻率作為一個通道來進行資訊傳輸。下面大家嘗試一件事：

先在紙上畫一個sin（x），不一定標準，意思差不多就行。不是很難吧。

好，接下去畫一個sin（3x）+sin（5x）的圖形。

別說標準不標準了，曲線什麼時候上升什麼時候下降你都不一定畫的對吧？

好，畫不出來不要緊，我把sin（3x）+sin（5x）的曲線給你，但是前提是你不知道這個曲線的方程式，現在需要你把sin（5x）給我從圖裡拿出去，看看剩下的是什麼。這基本是不可能做到的。

但是在頻域呢？則簡單的很，無非就是幾條豎線而已。

所以很多在時域看似不可能做到的數學操作，在頻域相反很容易。這就是需要傅立葉變換的地方。尤其是從某條曲線中去除一些特定的頻率成分，這在工程上稱為濾波，是訊號處理最重要的概念之一，只有在頻域才能輕鬆的做到。

再說一個更重要，但是稍微複雜一點的用途——求解微分方程。（這段有點難度，看不懂的可以直接跳過這段）微分方程的重要性不用我過多介紹了。各行各業都用的到。但是求解微分方程卻是一件相當麻煩的事情。因為除了要計算加減乘除，還要計算微分積分。而傅立葉變換則可以讓微分和積分在頻域中變為乘法和除法，大學數學瞬間變小學算術有沒有。

傅立葉分析當然還有其他更重要的用途，我們隨著講隨著提。

下面我們繼續說相位譜：

透過時域到頻域的變換，我們得到了一個從側面看的頻譜，但是這個頻譜並沒有包含時域中全部的資訊。因為頻譜只代表每一個對應的正弦波的振幅是多少，而沒有提到相位。基礎的正弦波A。sin（wt+θ）中，振幅，頻率，相位缺一不可，不同相位決定了波的位置，所以對於頻域分析，僅僅有頻譜（振幅譜）是不夠的，我們還需要一個相位譜。那麼這個相位譜在哪呢？我們看下圖，這次為了避免圖片太混論，我們用7個波疊加的圖。

鑑於正弦波是週期的，我們需要設定一個用來標記正弦波位置的東西。在圖中就是那些小紅點。小紅點是距離頻率軸最近的波峰，而這個波峰所處的位置離頻率軸有多遠呢？為了看的更清楚，我們將紅色的點投影到下平面，投影點我們用粉色點來表示。當然，這些粉色的點只標註了波峰距離頻率軸的距離，並不是相位。

這裡需要糾正一個概念：時間差並不是相位差。如果將全部週期看作2Pi或者360度的話，相位差則是時間差在一個週期中所佔的比例。我們將時間差除週期再乘2Pi，就得到了相位差。

在完整的立體圖中，我們將投影得到的時間差依次除以所在頻率的週期，就得到了最下面的相位譜。所以，頻譜是從側面看，相位譜是從下面看。下次偷看女生裙底被發現的話，可以告訴她：“對不起，我只是想看看你的相位譜。”

注意到，相位譜中的相位除了0，就是Pi。因為cos（t+Pi）=-cos（t），所以實際上相位為Pi的波只是上下翻轉了而已。對於週期方波的傅立葉級數，這樣的相位譜已經是很簡單的了。另外值得注意的是，由於cos（t+2Pi）=cos（t），所以相位差是週期的，pi和3pi，5pi，7pi都是相同的相位。人為定義相位譜的值域為（-pi，pi］，所以圖中的相位差均為Pi。

最後來一張大集合：

四、傅立葉變換（Fourier Transformation）

相信透過前面三章，大家對頻域以及傅立葉級數都有了一個全新的認識。但是文章在一開始關於鋼琴琴譜的例子我曾說過，這個栗子是一個公式錯誤，但是概念典型的例子。所謂的公式錯誤在哪裡呢？

傅立葉級數的本質是將一個週期的訊號分解成無限多分開的（離散的）正弦波，但是宇宙似乎並不是週期的。曾經在學數字訊號處理的時候寫過一首打油詩：

往昔連續非週期，

回憶週期不連續，

任你ZT、DFT，

還原不回去。

（請無視我渣一樣的文學水平……）

在這個世界上，有的事情一期一會，永不再來，並且時間始終不曾停息地將那些刻骨銘心的往昔連續的標記在時間點上。但是這些事情往往又成為了我們格外寶貴的回憶，在我們大腦裡隔一段時間就會週期性的蹦出來一下，可惜這些回憶都是零散的片段，往往只有最幸福的回憶，而平淡的回憶則逐漸被我們忘卻。因為，往昔是一個連續的非週期訊號，而回憶是一個週期離散訊號。

是否有一種數學工具將連續非週期訊號變換為週期離散訊號呢？抱歉，真沒有。

比如傅立葉級數，在時域是一個週期且連續的函式，而在頻域是一個非週期離散的函式。這句話比較繞嘴，實在看著費事可以乾脆回憶第一章的圖片。

而在我們接下去要講的傅立葉變換，則是將一個時域非週期的連續訊號，轉換為一個在頻域非週期的連續訊號。

算了，還是上一張圖方便大家理解吧：

或者我們也可以換一個角度理解：傅立葉變換實際上是對一個週期無限大的函式進行傅立葉變換。

所以說，鋼琴譜其實並非一個連續的頻譜，而是很多在時間上離散的頻率，但是這樣的一個貼切的比喻真的是很難找出第二個來了。

因此在傅立葉變換在頻域上就從離散譜變成了連續譜。那麼連續譜是什麼樣子呢？

你見過大海麼？

為了方便大家對比，我們這次從另一個角度來看頻譜，還是傅立葉級數中用到最多的那幅圖，我們從頻率較高的方向看。

以上是離散譜，那麼連續譜是什麼樣子呢？

盡情的發揮你的想象，想象這些離散的正弦波離得越來越近，逐漸變得連續……

直到變得像波濤起伏的大海：

很抱歉，為了能讓這些波浪更清晰的看到，我沒有選用正確的計算引數，而是選擇了一些讓圖片更美觀的引數，不然這圖看起來就像屎一樣了。

不過透過這樣兩幅圖去比較，大家應該可以理解如何從離散譜變成了連續譜的了吧？原來離散譜的疊加，變成了連續譜的累積。所以在計算上也從求和符號變成了積分符號。

不過，這個故事還沒有講完，接下去，我保證讓你看到一幅比上圖更美麗壯觀的圖片，但是這裡需要介紹到一個數學工具才能然故事繼續，這個工具就是——

五、宇宙耍帥第一公式：尤拉公式

虛數i這個概念大家在高中就接觸過，但那時我們只知道它是-1的平方根，可是它真正的意義是什麼呢？

這裡有一條數軸，在數軸上有一個紅色的線段，它的長度是1。當它乘以3的時候，它的長度發生了變化，變成了藍色的線段，而當它乘以-1的時候，就變成了綠色的線段，或者說線段在數軸上圍繞原點旋轉了180度。

我們知道乘-1其實就是乘了兩次 i使線段旋轉了180度，那麼乘一次 i 呢——答案很簡單——旋轉了90度。

同時，我們獲得了一個垂直的虛數軸。實數軸與虛數軸共同構成了一個複數的平面，也稱複平面。這樣我們就瞭解到，乘虛數i的一個功能——旋轉。

現在，就有請宇宙第一耍帥公式尤拉公式隆重登場——

這個公式在數學領域的意義要遠大於傅立葉分析，但是乘它為宇宙第一耍帥公式是因為它的特殊形式——當x等於Pi的時候。

經常有理工科的學生為了跟妹子表現自己的學術功底，用這個公式來給妹子解釋數學之美：”石榴姐你看，這個公式裡既有自然底數e，自然數1和0，虛數i還有圓周率pi，它是這麼簡潔，這麼美麗啊！“但是姑娘們心裡往往只有一句話：”臭屌絲……“

這個公式關鍵的作用，是將正弦波統一成了簡單的指數形式。我們來看看影象上的涵義：

尤拉公式所描繪的，是一個隨著時間變化，在複平面上做圓周運動的點，隨著時間的改變，在時間軸上就成了一條螺旋線。如果只看它的實數部分，也就是螺旋線在左側的投影，就是一個最基礎的餘弦函式。而右側的投影則是一個正弦函式。

關於複數更深的理解，大家可以參考：

複數的物理意義是什麼？

這裡不需要講的太複雜，足夠讓大家理解後面的內容就可以了。

六、指數形式的傅立葉變換

有了尤拉公式的幫助，我們便知道：正弦波的疊加，也可以理解為螺旋線的疊加在實數空間的投影。而螺旋線的疊加如果用一個形象的栗子來理解是什麼呢？

光波

高中時我們就學過，自然光是由不同顏色的光疊加而成的，而最著名的實驗就是牛頓師傅的三稜鏡實驗：

所以其實我們在很早就接觸到了光的頻譜，只是並沒有瞭解頻譜更重要的意義。

但不同的是，傅立葉變換出來的頻譜不僅僅是可見光這樣頻率範圍有限的疊加，而是頻率從0到無窮所有頻率的組合。

這裡，我們可以用兩種方法來理解正弦波：

第一種前面已經講過了，就是螺旋線在實軸的投影。

另一種需要藉助尤拉公式的另一種形式去理解：

將以上兩式相加再除2，得到：

這個式子可以怎麼理解呢？

我們剛才講過，e^（it）可以理解為一條逆時針旋轉的螺旋線，那麼e^（-it）則可以理解為一條順時針旋轉的螺旋線。而cos（t）則是這兩條旋轉方向不同的螺旋線疊加的一半，因為這兩條螺旋線的虛數部分相互抵消掉了！

舉個例子的話，就是極化方向不同的兩束光波，磁場抵消，電場加倍。

這裡，逆時針旋轉的我們稱為正頻率，而順時針旋轉的我們稱為負頻率（注意不是複頻率）。

好了，剛才我們已經看到了大海——連續的傅立葉變換頻譜，現在想一想，連續的螺旋線會是什麼樣子：

想象一下再往下翻：

是不是很漂亮？

你猜猜，這個圖形在時域是什麼樣子？

哈哈，是不是覺得被狠狠扇了一個耳光。數學就是這麼一個把簡單的問題搞得很複雜的東西。

順便說一句，那個像大海螺一樣的圖，為了方便觀看，我僅僅展示了其中正頻率的部分，負頻率的部分沒有顯示出來。

如果你認真去看，海螺圖上的每一條螺旋線都是可以清楚的看到的，每一條螺旋線都有著不同的振幅（旋轉半徑），頻率（旋轉週期）以及相位。而將所有螺旋線連成平面，就是這幅海螺圖了。

好了，講到這裡，相信大家對傅立葉變換以及傅立葉級數都有了一個形象的理解了，我們最後用一張圖來總結一下：

好了，傅立葉的故事終於講完了，下面來講講我的故事：

這篇文章第一次被寫下來的地方你們絕對猜不到在哪，是在一張高數考試的卷子上。當時為了刷分，我重修了高數（上），但是後來時間緊壓根沒複習，所以我就抱著裸考的心態去了考場。但是到了考場我突然意識到，無論如何我都不會比上次考的更好了，所以乾脆寫一些自己對於數學的想法吧。於是用了一個小時左右的時間在試卷上洋洋灑灑寫了本文的第一草稿。

你們猜我的了多少分？

6分

沒錯，就是這個數字。而這6分的成績是因為最後我實在無聊，把選擇題全部填上了C，應該是中了兩道，得到了這寶貴的6分。說真的，我很希望那張卷子還在，但是應該不太可能了。

那麼你們猜猜我第一次訊號與系統考了多少分呢？

45分

沒錯，剛剛夠參加補考的。但是我心一橫沒去考，決定重修。因為那個學期在忙其他事情，學習真的就拋在腦後了。但是我知道這是一門很重要的課，無論如何我要吃透它。說真的，訊號與系統這門課幾乎是大部分工科課程的基礎，尤其是通訊專業。

在重修的過程中，我仔細分析了每一個公式，試圖給這個公式以一個直觀的理解。雖然我知道對於研究數學的人來說，這樣的學習方法完全沒有前途可言，因為隨著概念愈加抽象，維度越來越高，這種影象或者模型理解法將完全喪失作用。但是對於一個工科生來說，足夠了。

後來來了德國，這邊學校要求我重修訊號與系統時，我徹底無語了。但是沒辦法，德國人有時對中國人就是有種藐視，覺得你的教育不靠譜。所以沒辦法，再來一遍吧。

這次，我考了滿分，而及格率只有一半。

老實說，數學工具對於工科生和對於理科生來說，意義是完全不同的。工科生只要理解了，會用，會查，就足夠了。但是很多高校卻將這些重要的數學課程教給數學系的老師去教。這樣就出現一個問題，數學老師講得天花亂墜，又是推理又是證明，但是學生心裡就只有一句話：學這貨到底幹嘛用的？

缺少了目標的教育是徹底的失敗。

在開始學習一門數學工具的時候，學生完全不知道這個工具的作用，現實涵義。而教材上有隻有晦澀難懂，定語就二十幾個字的概念以及看了就眼暈的公式。能學出興趣來就怪了！

好在我很幸運，遇到了大連海事大學的吳楠老師。他的課全程來看是兩條線索，一條從上而下，一條從下而上。先講本門課程的意義，然後指出這門課程中會遇到哪樣的問題，讓學生知道自己學習的某種知識在現實中扮演的角色。然後再從基礎講起，梳理知識樹，直到延伸到另一條線索中提出的問題，完美的銜接在一起！

這樣的教學模式，我想才是大學裡應該出現的。

最後，寫給所有給我點贊並留言的同學。真的謝謝大家的支援，也很抱歉不能一一回復。因為知乎專欄的留言要逐次載入，為了看到最後一條要點很多次載入。當然我都堅持看完了，只是沒辦法一一回復。

本文只是介紹了一種對傅立葉分析新穎的理解方法，對於求學，還是要踏踏實實弄清楚公式和概念，學習，真的沒有捷徑。但至少透過本文，我希望可以讓這條漫長的路變得有意思一些。

最後，祝大家都能在學習中找到樂趣。…

謹以此文獻給大連海事大學的吳楠老師，柳曉鳴老師，王新年老師以及張晶泊老師。

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