フーリエ変換

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フーリエ変換は、関数を別の関数に変える、積分変換の一種。フランスの数学者・物理学者ジョゼフ・フーリエに因んでこのような名前がついた。FTとも。

定義[編集]

時間関数 x(t)のラプラス変換は、虚数単位jと円周率πを用いて、

X(f)=∫−∞∞x(t)e−j2πftdt

と定義される。 ここでtは時間、fは周波数で、それぞれ時間領域・周波数領域の関数などと言う。
逆の計算も

x(t)=∫−∞∞X(f)ej2πftdf

と定義できて、これをフーリエ逆変換と言う。
フーリエ変換・フーリエ逆変換の式は以下のようにも表す。

X(f)=F[x(t)](フーリエ変換)
x(t)=F−1[X(f)](フーリエ逆変換)

ただし、2π倍や2π倍ずれた定義をすることもあり、それは分野による。

用途[編集]

数学的には積分計算に応用できる。 工学的には周波数ごとの性質を見ることができる。

変換表[編集]

変換表 原関数
x(t)=F−1[X(f)]
t 領域 / 時間領域
像関数
X(f)=F[x(t)]
f 領域 / 周波数領域
線形和 λx(t)+μy(t) λX(f)+μY(f)
時間軸の積・周波数軸の畳み込み x(t)y(t) X(f)*Y(f)
時間軸の畳み込み・周波数軸の積 x(t)*y(t) X(f)Y(f)
遅延・時間軸の推移 x(t−t0) X(f)e−j2πft0
変調・周波数軸の推移 x(t)ej2πf0t X(f−f0)
時間微分 x'(t) j2πfX(f)
周波数微分 −j2πtx(t) X'(f)
a倍速 x(at) 1|a|X(fa)
複素共役 x(t)* X(−f)*
対称性 X(t) x(−f)
定数関数 1 δ(f)
ディラックのデルタ関数 δ(t) 1
複素指数関数 ej2πf0t δ(f−f0)
余弦関数 cos⁡(2πf0t) δ(f−f0)+δ(f+f0)2
正弦関数 sin⁡(2πf0t) δ(f−f0)−δ(f+f0)2j
矩形関数 rect⁡(t) sinc⁡(f)(正規化sinc関数)
正規化sinc関数 sinc⁡(t) rect⁡(f)
三角形関数 tri⁡(t) sinc2(f)(正規化sinc関数の2乗)
正規化sinc関数の2乗 sinc2(t) tri⁡(f)
絶対値付き減衰指数関数 e−|t| 21+(2πf)2
双曲線正割関数 sech⁡(t) πsech⁡(π2f)

各種フーリエ変換の導出[編集]

ここでは上記フーリエ変換の公式や性質を導いて行く事にする。

時間軸の積・周波数軸の畳み込み[編集]

時間軸の積・周波数軸の畳み込みの性質は、畳み込みを定義に従って計算し、指数の肩を2つに分けて、積分順序を交換し、置換積分(変数変換)でフーリエ逆変換することで求まる。
g=f−ϕとすると、dg=dfで、fが−∞→∞のとき、 gは−∞→∞なので、

F−1[X(f)*Y(f)]=∫−∞∞X(f)*Y(f)ej2πftdt=∫−∞∞(∫−∞∞X(ϕ)Y(f−ϕ)dϕ)ej2πftdf=∫−∞∞(∫−∞∞X(ϕ)Y(f−ϕ)dϕ)ej2πϕtej2π(f−ϕ)tdf=∫−∞∞X(ϕ)(∫−∞∞Y(f−ϕ)ej2π(f−ϕ)tdf)ej2πϕtdϕ=∫−∞∞X(ϕ)(∫−∞∞Y(g)ej2πgtdg)ej2πtϕdϕ=(∫−∞∞X(ϕ)ej2πϕtdϕ)(∫−∞∞Y(g)ej2πgtdg)=x(t)y(t)

はじめと結果をフーリエ変換をすれば、

F[x(t)y(t)]=F[F−1[X(f)*Y(f)]]=X(f)*Y(f)

時間軸の畳み込み・周波数軸の積[編集]

時間軸の畳み込み・周波数軸の積の性質は、畳み込みを定義に従って計算し、指数の肩を2つに分けて、積分順序を交換し、置換積分(変数変換)でフーリエ変換することで求まる。
u=t−τとすると、dt=duで、tが−∞→∞のとき、 uは−∞→∞なので、

F[x(t)*y(t)]=∫−∞∞x(t)*y(t)e−j2πftdt=∫−∞∞(∫−∞∞x(τ)y(t−τ)dτ)e−j2πftdt=∫−∞∞(∫−∞∞x(τ)y(t−τ)dτ)e−j2πfτe−j2πf(t−τ)dt=∫−∞∞x(τ)(∫−∞∞y(t−τ)e−j2πf(t−τ)dt)e−j2πfτdτ=∫−∞∞x(τ)(∫−∞∞y(u)e−j2πfudu)e−j2πfτdτ=(∫−∞∞x(τ)e−j2πfτdτ)(∫−∞∞y(u)e−j2πfudu)=X(f)Y(f)

遅延・時間軸の推移[編集]

遅延・時間軸の推移の性質は、指数の肩を整理して、フーリエ逆変換することで求まる。

F−1[X(f)e−j2πft0]=∫−∞∞X(f)e−j2πft0ej2πftdt=∫−∞∞X(f)ej2πf(t−t0)dt=x(t−t0)

左辺と右辺をフーリエ変換をすれば、

F[x(t−t0)]=F[F−1[X(f)e−j2πft0]]=X(f)e−j2πft0

変調・周波数軸の推移[編集]

変調・周波数軸の推移の性質は、指数の肩を整理して、フーリエ変換をすることで求まる。

F[x(t)ej2πf0t]=∫−∞∞x(t)ej2πf0te−j2πftdt=∫−∞∞x(t)e−j2π(f−f0)tdt=X(f−f0)

時間微分[編集]

時間微分の性質は、部分積分でフーリエ変換するで求まる。

F[x'(t)]=∫−∞∞x'(t)e−j2πftdt=[x(t)e−j2πft]−∞∞−∫−∞∞x'(t)(−j2πf)e−j2πftdt=0+j2πf∫−∞∞x(t)e−j2πftdt=j2πtX(f)

周波数微分[編集]

周波数微分微分の性質は、部分積分でフーリエ逆変換するで求まる。

F−1[X'(f)]=∫−∞∞X'(f)ej2πftdt=[X(f)ej2πft]−∞∞−∫−∞∞X'(f)(j2πf)ej2πftdt=0−j2πf∫−∞∞X(f)ej2πftdt=−j2πfx(t)

左辺と右辺をフーリエ変換をすれば、

F[−j2πfx(t)]=F[F−1[X'(f)]]=X'(f)

a倍速[編集]

a倍速の性質は、置換積分(変数変換)でフーリエ変換するで求まる。
u=atとすると、dt=duaで、tが−∞→∞のとき、 uはa>0では−∞→∞で、a<0では∞→−∞なので、 積分区間が逆になると積分結果の符号が反転することに注意して

F[x(at)]=∫−∞∞x(at)e−j2πfaatdt=∫−∞∞1|a|x(u)e−j2πfaudu=1|a|∫−∞∞x(u)e−j2πfaudu=1|a|X(fa)

複素共役[編集]

複素共役の性質は、複素共役を積および積分と順序を入れ替えて、フーリエ変換をすることで求まる。

F[x(t)*]=∫−∞∞x(t)*e−j2πftdt=∫−∞∞(x(t)e−j2π(−f)t)*dt=(∫−∞∞x(t)e−j2π(−f)tdt)*=X(−f)*

対称性[編集]

対称性の性質は、指数の肩のマイナスを入れ替えて、フーリエ逆変換をすることで求まる。

F[X(t)]=∫−∞∞X(t)e−j2πftdt=∫−∞∞X(t)ej2πt(−f)dt=x(−f)

デルタ関数[編集]

デルタ関数のフーリエ変換は、デルタ関数の定義より求まる。
デルタ関数の定義∫−∞∞δ(t)f(t)dt=f(0)より、

F[δ(t)]=∫−∞∞δ(t)e−j2πftdt=e−j2πf⋅0=1

定数関数[編集]

定数関数のフーリエ変換は、デルタ関数のフーリエ変換に、対称性の性質を適用し、デルタ関数が偶関数であることを利用して求まる。

F[1]=δ(−f)=δ(f)

複素指数関数[編集]

複素指数関数のフーリエ変換は、定数関数のフーリエ変換に、変調・周波数軸の推移の性質を適用すると求まる。

F[ej2πf0t]=F[1⋅ej2πf0t]=δ(f−f0)

三角関数[編集]

三角関数(余弦関数・正弦関数)のフーリエ変換は、三角関数を複素指数関数の線形和に変形して、線形和の性質を適用すると求まる。

F[cos⁡(2πf0t)]=F[ej2πf0t+e−j2πf0t2]=δ(f−f0)+δ(f+f0)2
F[sin⁡(2πf0t)]=F[ej2πf0t−e−j2πf0t2j]=δ(f−f0)−δ(f+f0)2j

矩形関数[編集]

矩形関数のフーリエ変換は、矩形関数が値をもつ範囲で積分することで求まる。

F[rect⁡(t)]=∫−∞∞rect⁡(t)e−j2πftdt=∫−12121⋅e−j2πftdt=[1−j2πfe−j2πft]−1212=e−jπf−ejπf−j2πf=ejπf−e−jπfj2πf=sinc⁡(f)

ただし、sinc関数は正規化sinc関数である。

三角形関数[編集]

三角形関数のフーリエ変換は、三角形関数が矩形関数同士の畳み込みであることに、時間軸の畳み込み・周波数軸の積の性質を適用することで求まる。

F[tri⁡(t)]=F[rect⁡(t)*rect⁡(t)]=F[rect⁡(t)]⋅F[rect⁡(t)]=sinc⁡(f)⋅sinc⁡(f)=sinc2⁡(f)

ただし、sinc関数は正規化sinc関数である。

正規化sinc関数[編集]

正規化sinc関数のフーリエ変換は、矩形関数のフーリエ変換に、対称性の性質を適用し、矩形関数が偶関数であることを利用して求まる。
正規化sinc関数の2乗のフーリエ変換は、三角形関数のフーリエ変換に、対称性の性質を適用し、三角形関数が偶関数であることを利用して求まる。

F[sinc⁡(t)]=rect⁡(−f)=rect⁡(f)
F[sinc2(t)]=tri⁡(−f)=tri⁡(f)

関連項目[編集]