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傅里叶级数 和 高次多项式函数

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傅里叶级数 和 高次多项式函数 在 构建 函数曲线 形状 多样化 方面 的 异同, 各自 的 能力 和 特点 。
这个 课题 也 和 霍奇猜想 有关 。 我还在 《三角函数 版 的 霍奇猜想》 里 提出了 三角函数 版 的 霍奇猜想 呢 。
为什么 和 霍奇猜想 有关 ? 因为 都 和 “形状” 有关 嘛 。
本文 也可以叫 《论 傅里叶级数 和 高次多项式函数 构建 函数曲线 形状 多样化》, 《论 傅里叶级数 和 高次多项式函数 在 构建 函数曲线 形状 多样化 方面》 ,
《傅里叶级数 和 高次方程》, 《论 傅里叶级数 和 高次方程 构建 函数曲线 形状 多样化》, 《论 傅里叶级数 和 高次方程 在 构建 函数曲线 形状 多样化 方面》 。
如果 将 一个 定义域 T 里 的 多项式函数 定义 为 一个 周期, 则 可以用 多项式函数 来 表示 周期函数, T 是 一个 周期 。 如果 周期函数 是 连续的, 则 要求 T 内 的 多项式函数 的 函数曲线 首尾 的 函数值 相等 。 如果 周期函数 是 连续光滑 的, 则 要求 T 内 的 多项式函数 的 函数曲线 首尾 的 函数值 和 导数 相等 。
以上 写于 2020-10-03 , 今天 是 2022-06-13 , 接着写, 也对 上文 做了一些 修改 。
下文 内容 大部分 节选于 《我邀请 民科吧 网友 来 反相吧 数学探讨 和 数学辩论》 https://tieba.baidu.com/p/6407504187 13 楼 14 楼 。
傅里叶级数 分解法 就是 求 f ( x ) 的 傅里叶级数 的 方法 。
傅里叶级数 分解法 可以有 若干种, 比如 :
1 传统的方法, 好像就是 傅里叶变换 , 还有 小波分解 什么的,
2 我在 10 楼 提到的 方法
3 规划, 规划 是 计算机程序 为主 的 方法, 基于 特征 。 简单的 规划 可以 算为 专家系统, 自主学习 的 规划 可以算为 人工智能 。
长久以来, 傅里叶级数 在 信号分析 领域 的 应用 大概 是 光环 多于 实际作用 。
傅里叶级数 反映 的 是 一种 数学性质, 而 实际中, 信号分析 要 知道 的 可能 更多 是 信号 的 特征, 也可以说 是 特征分量 。
就是 说, “特征” 可能 比 “数学性质” 更 满足 信号分析 的 需求 。
我以前 在 《一个 周期信号 分解为 若干个 正弦信号》 https://tieba.baidu.com/p/6698544745 里 提出过 特征分量 。
比如, 生物, 包括 人 和 动物 , 甚至 植物, 它们 的 耳朵 和 听觉 处理 声波 大概 是 用 提取 特征 的 方式 的 , 不太像是 用 傅里叶级数 。
我以前想, 动物 和 人 的 脑子 里 有没有 一个 模块 是 处理 傅里叶级数 的 ? 把 声波 的 波形 分解为 傅里叶级数 。
自然界 的 信号 强行 分解 为 傅里叶级数 反而 会 丢失 特征信息 。
就算是 电信 和 计算机 网络 的 物理层 和 链路层, 用 傅里叶级数 进行 信号分析 也 往往 可能 是 走弯路 。
实际上, 用 特征 的 方法 也许 更好 。
比如, 对于 方波, 可以 将 它 的 “方” 的 2 个 角 作为 特征 提取出来, 剩下 的 波形 就变成 比较 圆滑 和 渐变 的 , 可以 分析 2 个 方角 的 分量(波) 在 电路 中 传输时 受到 的 影响, 比如 电路 对 方角 突变 的 响应延迟 和 失真, 等等 。
这样 的 方法 不需要 高深 的 数学, 主要 是 系统思维 和 系统设计 。
一说起 傅里叶级数(的 用途), 大家可能就会说 “频谱”, 好吧, 频谱 就 频谱 吧, 哈哈哈哈 。
傅里叶级数 在 数学 上 有 重要价值, 因此, 傅里叶级数 更大 的 用途 应该 是 数学分析,未来, 傅里叶级数 会 在 各种 新式 的 数学方法 中 扮演 重要 关键 奇兵 的 角色 。
傅里叶级数 反映 的 是 正弦函数 的 一种 “相干性” , 多个 二次函数 相加 结果 还是 一个 二次函数, 函数 顶点 仍然只有一个, 不会增加 新的 极值点 , 而 正弦函数 则 不然 , 这就是 正弦函数 的 相干性 。
我想 这些 值得研究 , 有什么用, 还不知道 。
证明 傅里叶级数 不一定 从 周期函数 入手, 可以从 相干性 入手 。
证明了 相干性, 就 证明了 傅里叶级数 。
相干性 指 两个 或 多个 正弦函数 相加 可以 产生 额外 或 任意 的 极值点 和 拐点 。 这一性质 可以带来 形状多样化 , 函数曲线 的 形状多样化 。
傅里叶级数 的 正弦函数 们 是 倍频 的 关系, 即 频率 是 基频 的 整数倍, 实际上, 任意 的 两个 或 多个 不同 频率 的 正弦函数 都 有 相干性 。
试了一下, 两个 相同频率 但有 相位差 的 正弦函数 相加 还是 一个 同频率 的 波形 像 正弦函数 的 函数, 不会产生额外 的 极值点 , 嘿嘿嘿 。
两个 相同频率 但有 相位差 的 正弦函数 相加 可以 写成
y = sin ( ω t ) + sin ( ω t + ψ ) , t 为 变量, ω 、ψ 为 常量
因为 频率相同, 也就是 ω 相同, 可以把 ω t 写成 α ,
y = sin α + sin ( α + ψ )
根据 三角和角公式 ,
= sin α + sin α cos ψ + cos α sin ψ
= ( 1 + cos ψ ) sin α + cos α sin ψ , α 为 变量 , ψ 为 常量
可以写成
y = A sin α + B cos α , A 、B 为 常量
这一看, 有点傻眼, A sin α + B cos α 是 什么 鬼 ? 既不是 正弦函数, 又不是 余弦函数, 用 《一个 周期信号 分解为 若干个 正弦信号》 https://tieba.baidu.com/p/6698544745 文章结尾 的 演示程序 演示了一下, sin α + sin ( α + ψ ) 的 波形 类似 正弦函数, 没有 产生 额外 的 极值点, 频率(周期) 和 sin α 一样 。
那 问题来了, 要怎么证明 A sin α + B cos α 的 波形 类似 正弦函数, 没有 产生 额外 的 极值点, 频率(周期) 和 sin α 一样 ?
有点 困难 。
简单一点, 粗略的, 我们 来 寻找 A sin α + B cos α 上 相距最近 的 2 个 极值点 。
对 A sin α + B cos α 求导
( A sin α + B cos α ) ′
= A cos α - B sin α
让 导数 = 0
A cos α - B sin α = 0
A cos α = B sin α
sin α / cos α = A / B
tan α = A / B
A / B 是 常量, tan α 的 周期 是 π , 也就是, α 每隔 π , tan α 等于一次 A / B , 也就是 α 每隔 π , ( A sin α + B cos α ) ′ = 0 , 也就是 α 每隔 π , A sin α + B cos α 出现一次 极值点, 也就是, A sin α + B cos α 相距最近 的 2 个 极值点 之间 相距 π 。
波峰之后 要 经过 波谷 才会 再 出现 波峰, 波峰 和 波谷 之间 相距 π , 波峰 和 波峰 之间 相距 2 π , 所以 A sin α + B cos α 周期 和 sin α 一样, 都是 2 π , 也没有 额外 的 极值点, 大致 可认为 波形 和 sin α 相似 。
这是 周期一样 的 两个 正弦函数, 相加 不会 产生 额外 的 极值点 (和 拐点) , 但是, 如果 周期 不一样, 两个 正弦函数 相加 是 会 产生 额外 的 极值点 的, 这个 我也用 演示程序 演示过了 。
由此, 将 一个 信号 分解 为 正弦分量, 不一定 要 按照 傅里叶级数 的 倍频关系, 而是 可以 根据 需要 选择 适当 的 频率, 也就是说, 可以 用 任意 的 频率 相位 振幅 的 任意 个 正弦函数 相加 来 表示 一个 信号, 这些 正弦函数 都是 信号 的 正弦分量 。 换句话说, 一个 信号 可以 分解 为 任意 频率 相位 振幅 的 任意 个 正弦函数 。 简单的说, 一个 信号 可以 分解为 任意 的 一些 正弦函数 。
这样 就 比 傅里叶级数 灵活, 正弦分量 本身 就 可以 接近 信号 的 特征分量, 也可以说 这种做法 融合了 傅里叶级数 和 特征分量 两种 方法 。
顺带引出一个 问题 :
众所周知, 三角函数 可以 展开 为 泰勒级数, 泰勒级数 是 高次多项式, 多个 正弦函数 相加 可以 表示为 多个 泰勒级数 相加,
正弦函数 相加 产生 额外 的 极值点 和 拐点, 多项式 相加 不会 产生 额外 的 极值点 和 拐点,
那么, 把 多个 正弦函数 表示 为 多个 泰勒级数, 一个 正弦函数 对应 一个 泰勒级数, 这些 正弦函数 相加 会 产生 额外 的 极值点 和 拐点,
那么, 按理, 这些 泰勒级数 相加 也会 产生 额外 的 极值点 和 拐点, 但 另一方面, 泰勒级数 是 多项式, 多项式 相加 不会 产生 额外 的 极值点 和 拐点,
这就 矛盾了, 这是 为什么 ?
也可以说, n 次 多项式函数 最多 有 n - 1 个 极值点, 泰勒级数 n -> 无穷, 那么, 多个 泰勒级数 相加 还是一个 n 次 多项式, n -> 无穷, 这个 n 次多项式 的 极值点 就算 不是 n - 1 个, (极值点数量)也和 n 相关, 可能 也是 无穷 个, 虽然 没有 具体分析, 更没有 严格证明, 但 大概 可以这样看 。 那么, 设 有 一个 信号 f ( t ), 有 5 个 极值点, 将 f ( t ) 表示 为 傅里叶级数, 傅里叶级数 里 的 正弦函数 又 表示 为 泰勒级数, 则 傅里叶级数 表示 为 多个 泰勒级数 相加, 结果 是 一个 n 次 多项式, 刚刚说了, 这个 n 次 多形式 的 极值点 大概 有 无穷 个, 但 这个 n 次 多项式 是 f ( t ) 的 傅里叶级数, 即 n 次 多项式 和 f ( t ) 等价, 当然 两者 的 函数曲线 也一样, 因为 f ( t ) 有 5 个 极值点, n 次 多项式 也 应该 是 5 个 极值点, 这 就 和 刚刚说的 n 次 多项式 的 极值点 有 无穷 个 矛盾 了 。 这是 怎么回事 ?
从 这里 还可以 引出 一个 课题, 设 一个 任意 的 连续光滑 的 信号 f ( t ) , 有 n - 1 个 极值点, 因为 n 次多项式 最多有 n - 1 个 极值点, 是不是 可以用 一个 n 次 多项式 来 表示 这个 信号, 只要 给 n 次 多项式 的 各项 指定 适当 的 系数, n 次 多项式 的 函数曲线 就会 和 f ( t ) 一样, 即 两者等价 ?
比如 f ( t ) 有 5 个 极值点, 就 可以 尝试 用 一个 6 次 多项式 来 表示 f ( t ), 说 “无限逼近” 也行, 只要 给出 适当 的 各项系数, 6 次 多项式 的 函数曲线 就会 和 f ( t ) 重合, 或者说 无限逼近 f ( t ) 。 注意 6 次 多项式 的 函数曲线 只需要 在 f ( t ) 的 定义域 T 内 和 f ( t ) 重合, 这句话 好像是 废话, 但 说一下 比较 清楚 。
6 次 多项式 比如 y = a6 * t ⁶ + a5 * t ⁵ + a4 * t ⁴ + a3 * t ³ + a2 * t ² + a1 * t + a0 , 只要 给出 适当 的 各项系数 a6 , a5 , a4 , a3 , a2 , a1 , a0 , y 的 函数曲线 就会 和 f ( t ) 重合, 或者说 无限逼近 f ( t ) 。
这个 设想 称为 “多项式 函数曲线 形状 猜想”, 简称 “多项式 曲线形状 猜想” 、“多项式 曲线 猜想” 。
严格的说, n 次 多项式 最多有 n - 1 个 极值点 + 驻点, 这里 没有 考虑 驻点, 如果 f ( t ) 有 n 个 极值点, m 个 驻点, 那么, 应该 用 n + m + 1 次 多项式 来 表示 它 。
实际上, f ( t ) 有 5 个 极值点(驻点), 不一定只是 用 6 次 多项式 来 表示 f ( t ), 也可以用 7 次 多项式, 8 次 多项式, 9 次 多项式 …… n 次多项式, n >= 6 。 只要 n 次 多项式 在 f ( t ) 的 定义域 T 内 和 f ( t ) 重合 。
所以, 若 n = 6, 有 几个 解 ? 或 无解 ? 即 有 几个 6 次 多项式 可以 表示 (无限逼近) f ( t ) ?
若 n >= 6 , 有 几个 解 ? 或 无解 ?


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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@陈彼方º 本文的 “多项式曲线猜想” 送给你,写出论文和学帝 @数学与自然 比一比 。 @dons222


2025-08-29 07:47:02
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  • dons222
  • 声名远扬
    12
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我来插一句哈。人脑应该有频谱分解机制,至于是不是傅里叶变换倒不清楚,但肯定能从多频谱的不规则连续变化的叠加波形中分离出自己感兴趣或用于识别的频谱。
典型的,电话机的双音频振铃人耳能分辨出来,并且具有锁定或辨别频点的能力。出来傅里叶变换,我认为还有一种机制,那就是拍频。假设听觉系统第一次锁定频率范围在900~1100赫兹,那么可以调用大脑记忆的1000赫兹信号与之对比,音频不同则会在我们大脑里形成所谓音调的区别。这和直接在外部用逼近的频率对原信号进行叠加、然后再去监听拍频波频率的机制我认为是相同的。如果频率相差不大,则原来1000赫兹左右的信号将被屏蔽,而其它频率的信号则会由于双边带调制让人觉得与原频率基本一致。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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回复 3 楼 @dons222
dons 老板 说的 很有 参考价值 。
傅里叶级数 反映的是 数学 的 一个 基本规律, 但 并不见得 和 “需求” 直接对应 。
在 实现需求 的 过程中, 傅里叶级数 可以 作为 一个 工具 。 也可以像 1 楼 说的 灵活 的 利用 正弦函数 的 相干性 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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在 《【快报】美国资深物理博士宣告东方学帝是对的!》 https://tieba.baidu.com/p/7902251378 6 楼 有一些 讨论 。
顺便 艾特一下 @一切都是错的人 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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信号 可以用 n 次 多项式 近似 表示,
各种函数 可以用 n 次 多项式 近似 表示,
三体问题 一段时间 内 的 解 (运动规律 / 运动状态 / 运动状况) 可以用 n 次 多项式 近似 表示,
粗略的看, n 越大, 可以达到的 近似程度 越高 。
(偏导数) 牛顿迭代法 是 “线性化”, 那么, 用 n 次 多项式 近似 表示 各种函数 就是 “代数化” 。
我 前几天 在 《卷积 毫无意义》 https://tieba.baidu.com/p/6670161662 12 楼 说
“
当代, 接下来, 我们 是不是 要把 微积分 和 代数 再次 合起来 ? 或者 静下心 思考 一下 数学 的 未来 ?
别跟我说 微分拓扑 代数几何 就是 把 微积分 和 代数 结合起来 哈 。
应该想想, 微积分 是 实数, 代数 也是 实数, 两者 差别 在哪 ? 它们能干吗 ? 别跟我说 “动力系统”, 这个词 听起来像 物理词汇, 甚至更像 工程词汇, 实际上是 数学名词 。 动力系统 是 微积分 学科, 还是 代数 学科 ?
”
现在 这个 “代数化” 是不是 把 微积分 和 代数 两个 连 起来了 ? 其实 我还没想好 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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6 楼 加上一句
“
微分方程 的 解 可以用 n 次 多项式 近似 表示,
”
昨天 忘记 写了 。


  • K歌之王
  • 声名远扬
    12
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昨天前天 进一步 想了一些 公式推导, 主要有 用 n 次 多项式 在 一段 有限 的 定义域 上 模拟(近似表示) y = e^x 和 y = sin x 。
实际上, 本文课题 也是 离散泛函 的 一部分内容 。
为什么 是 离散泛函 ? 为什么 是 “离散” ? n 次 多项式 的 系数 是 an , a[ n - 1 ] …… a3 , a2 , a1 , 这 是不是 一个 数列 { an } ? 由 这个 数列 作为 系数 的 n 次 多项式 可以 (近似) 表示 各种函数, 是不是 “泛函” ? 而 数列 { an } 是 离散 的, 是 由 离散 的 自变量 { an } 描述 函数 因变量, 所以 是 离散泛函 。 多个 数列 可 组成 矩阵, 矩阵 也是 离散 的 。
本来 最初 我 对 离散泛函 的 设想 是 基于特征 的 规划 分析, 但 也 总觉得 这只是个开始, 只是个 种子, 还没真正成长, 还可以 加入 别的, 到时候才真正成长 。 现在, 把 本文课题 这一类 加进来 。 我 在 早先时候 就 有了 离散泛函 的 设想, 比如 见 《关于 牛顿 一个晚上 搞定 最速降线》 https://tieba.baidu.com/p/6715083475 。
本文课题 和 离散泛函 也是 线性分析 的 一部分内容 。
所谓 线性分析, 就是 从 不同层面 观察 事物, 再 把 观察结果 综合起来 。
不同 的 层面, 比如 一般趋势 和 峰值预警 。 一般趋势 和 峰值预警 就是 两个 层面 。 其实 既然 是 从 不同层面 不同角度 观察事物, 这个 层面 角度 当然 很多 很丰富, 大家 尽管 开动脑筋, 发挥想象力 。
这种 “从 不同层面 观察 事物, 再 把 观察结果 综合起来” 的 思想, 我 在 以前 的 文章 里 提出过, 比如 《三江方士 的 中华级数 想到 数学的界限》 https://tieba.baidu.com/p/6420834774 , 《科学发展的趋势 和 当代科技向未来发展要做的几件大事》, 《对 广义相对论 的 评价》, 《用 机器学习 逼近 求解 高阶方程》, 《数学 怎么用?》 。
来看个例子, 用 n 次 多项式 近似表示 微分方程 的 解, 分析 解 的 一般趋势 和 峰值预警, 需要 做 一些 不同 的 计算 。 一般趋势 要 做一些 “这样的” 计算, “峰值预警” 要 做一些 “那样的” 计算, 都是 n 次 多项式 的 原理, 但 计算逻辑 不同, 也就是 计算程序 不同, 此时, 计算机程序 是 好帮手, 你 可以 为 一般趋势 编写 一段 程序, 为 峰值预警 编写 一段 程序 。
也由此可知, 学帝 @数学与自然 的 那些 算法, 如果 写成 计算机程序, 将会是 应用价值 丰富 的 数学软件 。 学帝 拿着 那些 算法, 找一个 合适 的 投资, 搞一个 上市公司 绰绰有余 了 。 (笑)


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