※轻松认识傅立叶转换∕傅立叶分析的入门书※
※以简洁趣味的手法说明三角函数与微积分※
我们的生活週遭充满声波、电波、光波等各种不可见的波,如果将它们转变成电子讯号便能观测,而凡是能以讯号形式观测的事物,几乎都能借傅立叶分析了解它们的成分、运动与变化。因此傅立叶分析成为讯号分析最常用的一种方法。如:声纹分析、图像档压缩以及心电图、核磁共振等的讯号处理,广泛应用在物理学、数学、工程学、医学等领域。
「傅立叶分析」是基于「傅立叶转换」理论来解析各种波的性质的数学方法,也就是利用数学方法来分析及计算讯号的频谱,所以必须具备微积分与三角函数的知识。本书着重在三角函数随着时间回转、运动的相关函数上,让读者熟悉函数的积分、微分、四则运算、正交函数,以及週期函数、傅立叶级数、傅立叶系数、波形合成等概念;然后以「声音」领域的应用当范例,介绍傅立叶转换∕傅立叶分析的具体计算方式、频谱的时间变化等。
本书特色在于将充满数学式的解说内容转变成精采故事与充满魅力与趣味的漫画,对话式的内容浅显易懂。希望读者能与书中人物一样,从毫无概念一举轻松学会应用傅立叶转换∕傅立叶分析。
作者简介
涩谷道雄
1971年日本东海大学工学部电子工学科毕业。曾任职于民间医疗机构研究所NMR研究员、半导体制造商的MOS商品开发、企划及技术部,现任电子技术顾问公司Accu Elements Inc.执行董事。共同着作有:《用 Excel 学讯号解析与数值模拟》、《用 Excel 学傅立叶转换》(以上OHM社出版)。
●制作 株式会社 TREND.PRO
1988年创业。专门承办运用漫画制作报纸杂志的广告特辑,或制作公家机关、大型企业团体等各种领域的漫画广告。近年亦积极参与利用数位内容的广告制作与出版企划事业。制作履历公开于网页中。
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译者简介
谢仲其
声音艺术家,擅长电脑作曲、剧场配乐、录音,并从事评论、企划、翻译。曾任国立台北艺术大学艺术与科技中心电脑音乐研究室助理,相关论文及作品曾入选数位艺术评论奖,长期参与科技艺术领域。现为台北声音小组成员、动漫文化网路杂志〈逗猫棒电子报〉专栏作家,撰文并翻译多篇日文动漫画业界报导及深度访谈。
序章 声波
第一章 迈向傅立叶转换的道路
1. 声音与频率
2. 横波与纵波
3. 波的时间变化
4. 频率与振幅
5. 约瑟夫.傅立叶的发现
6. 面对傅立叶转换的数学准备
第二章 三角函数的概念
1. 回转、振动与三角函数
2. 单位圆
3. 正弦函数
4. 余弦函数
5. 参数式与圆的方程式
6. 将时间变化量代入三角函数
7. ωt 与三角函数
第三章 积分与微分的概念
1. 积分的概念
2. 常数表示式的积分
3. 一次函数的积分
4. n次函数的积分
5. 任意曲线的定积分
6. 切线的概念
7. 微分
8. 三角函数的微分
9. 三角函数的定积分
第四章 函数四则运算
1. 函数和的概念
2. 函数加法
3. 函数减法
4. 函数乘法
5. 函数的积与定积分
第五章 正交函数
1. 正交函数
2. 以图表确认两函数的正交关系
3. 计算确认两函数的正交关系
4. y = sin2x 的定积分
第六章 理解傅立叶转换的准备
1. 以三角函数加法制作波形
2. a cos x与b sin x的合成
3. 合成不同週期的三角函数
4. 傅立叶级数
5. 时间函数与频谱
6. 傅立叶转换的入口
第七章 傅立叶分析
1. 调整频率成分的步骤
2. 傅立叶系数
3. 音叉的频谱
4. 吉他的频谱
5. 人声的频谱
6. Sweet Voice
附录 傅立叶级数的代数应用范例
索引
前言
本书是希望使读者对傅立叶转换∕傅立叶分析能有概略认识的入门书。
「傅立叶分析」不只应用在物理学领域,在工业制造等领域也广泛地应用。支撑傅立叶分析的依据是名为「傅立叶转换」的数学理论。我想大多数读者会有一种「数学=公式」的想法,但是就研究数学而言,需要的不是背公式,而是理解其中的理论与概念。
此外,为了理解这些概念,我们还必须具备基础的知识。傅立叶转换所需要的基本知识是微积分与三角函数,能建立对这些基础知识的「概念」也非常重要。国、高中课程对三角函数(正弦、余弦、正切)的介绍,重点在直角三角形两边的比,不断进行相关公式运用的训练;本书则着重在三角函数随着时间回转、运动的相关函数上。希望各位能理解本书这种方向的适当性。
换个角度看,本书也可以说是借傅立叶分析之名的三角函数参考书。在书中有最低限度的必要公式未作证明便直接运用,但最重要的并非死背这些公式,而是运用它们获得新的发现和理解时的感动。以前许多教科书与参考书都着重在记忆公式与演练解题上,国、高中与大学的考试也都在测验公式的运用(计算)能力,以致最后有些人干脆将习题全背起来。
傅立叶转换可以从数种基础的数学知识推导出崭新的概念,理解这概念所获得的乐趣,是死背公式完全无法相比的。傅立叶的应用范围极广,本书仅介绍「声音」领域的应用当作范例。读者若能自己解析各式各样的声音,说不定能有新的发现呢!
经由本书对傅立叶转换∕傅立叶分析有了基本认识后,读者若对傅立叶转换的具体计算方式及频谱的时间变化等有进一步了解的兴趣,我建议可以接着阅读我着作(共着)的《用Excel学傅立叶转换》(OHM 社出版)。该书介绍的例题是在电脑上运用Excel软体进行各式各样简便的解析。
在此我要感谢将原本充斥数学式的傅立叶分析的解说转变成精采故事的re_akino,以及将故事化成充满魅力的漫画形式的晴濑□□□先生。最后还要对从本书企划到最后一路大力支持的 OHM 社开发局各位成员至上最深的谢意。
在我的学生时代,傅立叶分析这个词总是伴随着无数的公式和令我头疼的证明题。每次上课,我都感觉自己像是被淹没在数学的海洋里,拼命地想抓住一条救命的浮木,但往往是徒劳无功。《世界第一简单傅立叶分析》这个标题,就像一剂强心针,让我这个曾经对傅立叶分析感到绝望的人,重新燃起了希望。我非常好奇,这本书到底采用了何种“简单”的秘诀,能够让一个如此复杂的数学工具变得易于理解。我设想,它或许会用一些非常生活化的比喻,例如,把一个复杂的交响乐想象成由不同乐器演奏出的纯净音符的叠加,而傅立叶分析就是找到这些纯净音符的方法。我期待书中能够通过大量的图解和直观的例子,来展示傅立叶变换的实际意义,而不是仅仅停留在理论层面。我希望作者能够像一位经验丰富的向导,带领我穿过傅立叶分析的迷雾,让我看到它背后隐藏的美丽和力量。如果这本书能够真正做到“世界第一简单”,那它将不仅仅是一本教材,更是一次思想的启迪,让我能够以一种全新的视角去认识和理解这个世界,发现隐藏在看似混乱现象背后的规律。
评分当我第一次听说“傅立叶分析”这个词的时候,它在我脑海里就是一堆难以理解的公式和图形的集合,仿佛是一门只属于数学天才的语言。尽管我深知它在科学和工程领域的重要性,但在多次尝试接触和学习的过程中,我都以失败告终。那些密密麻麻的积分符号、三角函数以及各种变换,总让我觉得高不可攀。《世界第一简单傅立叶分析》这个书名,对我而言,简直就像是黑暗中的一道光,给足了我重新尝试的勇气和期待。我特别好奇,作者到底是怎么做到“世界第一简单”的?它是否会用一种全新的教学方法,比如通过大量的可视化的动画,来展示一个复杂信号是如何被分解成一系列简单的正弦波的?我希望这本书能够避开那些枯燥的数学推导,而是用一种更具故事性和启发性的方式来讲解。例如,能否用音乐的和谐或者色彩的丰富性来类比傅立叶分析的原理,让我们直观地理解信号的组成?我期待这本书能够从最基础的常识出发,逐步引导读者理解傅立叶分析的逻辑,而不是一上来就抛出复杂的概念。如果这本书真的能够做到“世界第一简单”,它将是我学习傅立叶分析的一个重要的转折点,或许还能改变我对数学学习的看法,让我觉得数学并非只能是枯燥的符号,也可以是理解世界的工具。
评分这本书的标题真是太吸引人了——“世界第一简单傅立叶分析”。作为一名在工程领域摸爬滚打了多年的普通从业者,我对傅立叶分析这个概念一直心有余悸。它常常出现在信号处理、图像分析、通信系统等课程和工作中,但每次深入研究,都会被那些繁复的数学公式和抽象的概念搞得晕头转向。我尝试过阅读市面上的一些教材,但要么过于理论化,要么跳跃性太强,总感觉抓不住核心,更别提“简单”了。所以,当看到《世界第一简单傅立叶分析》这个标题时,我内心是既期待又怀疑。期待是因为它承诺了一种前所未有的简化方式,怀疑是因为“世界第一简单”这个说法实在是太过于自信,甚至有些夸张,我担心它会为了“简单”而牺牲掉必要的严谨性,或者说,它所谓的“简单”只是对某个特定读者群体的“简单”,而非普适的。但是,出于对傅立叶分析的迫切需求,我还是决定尝试一下,希望能找到一条通往理解的捷径。我希望这本书能从最基本的概念入手,用最直观的比喻和最易懂的语言来解释傅立叶分析的核心思想,而不是一开始就抛出一堆积分和三角函数。例如,它是否会用声音的合成来类比信号的分解,或者用颜色混合来解释频谱的概念?我期待作者能够真正站在初学者的角度,将复杂的数学工具转化为能够被轻松理解的原理。同时,我也希望这本书能够提供一些实际的应用案例,让我看到傅立叶分析在现实世界中是如何发挥作用的,而不仅仅是停留在理论层面。毕竟,理解了“是什么”,更重要的是知道“能做什么”。希望这本书能够真正兑现它的承诺,让我这个曾经畏惧傅立叶分析的读者,也能感受到它的魅力和力量。
评分一直以来,我对那些能够解释世界运行规律的数学工具都充满了敬畏。傅立叶分析,这个名字对我来说,既熟悉又陌生。熟悉是因为它经常出现在各种科学技术领域,陌生是因为我始终没能真正掌握它的精髓。那些抽象的数学符号和复杂的定理,总是让我望而却步。《世界第一简单傅立叶分析》这个书名,就像是给我打开了一扇新的大门,让我看到了理解傅立叶分析的希望。我特别好奇,作者是如何将如此复杂的概念“简单化”的。它是否会用一些非常贴近生活的比喻,比如将复杂的乐曲分解成简单的音符,或者将混合的光线分解成不同颜色的组合?我期待书中能够用一种非常直观的方式来讲解傅立叶变换的过程,甚至是通过可视化的方式来展示信号在时域和频域之间的相互转换。我也希望这本书能够不仅仅是理论的讲解,而是能够提供一些实际的应用案例,让我看到傅立叶分析在现实世界中是如何发挥作用的,从而加深我对它的理解。如果这本书真的能够做到“世界第一简单”,那它将是我学习傅立叶分析的一个里程碑,让我能够更深入地理解科学背后的原理,并发现隐藏在纷繁现象中的数学之美。
评分作为一名业余的电子爱好者,我对各种信号处理技术一直很感兴趣。但每次深入研究,总会被傅立叶分析这个概念卡住。各种公式、定理,虽然在书上都能找到,但总觉得抓不住重点,理解起来很费劲。尤其是在实际操作中,比如设计滤波器或者分析信号的频率成分时,总感觉理论和实践之间隔着一层看不见的墙。《世界第一简单傅立叶分析》这个名字,简直就是为我这样的人量身定做的。它承诺了一种能够让普通人也能理解的傅立叶分析,这让我非常兴奋。我非常好奇,作者是如何做到“世界第一简单”的。是不是会用一些非常接地气的例子,比如分析一段音乐的旋律,或者解释收音机是如何接收不同电台的信号?我期待这本书能够用最少的数学符号,最直观的语言来阐述傅立叶变换的核心思想,比如它到底是怎么把一个复杂信号分解成无数个简单的正弦波的。我希望书中能够有大量的示意图,能够直观地展示时域信号和频域谱之间的关系。我也希望这本书能够提供一些简单的实验或者代码示例,让我能够亲手验证傅立叶分析的原理,将理论知识转化为实际技能。如果这本书真的能让我轻松理解傅立叶分析,那它对我的业余爱好将是巨大的推动,我可能会因此尝试更多复杂的信号处理项目。
评分作为一个对科学原理充满好奇的普通人,我一直对各种现象背后的数学解释很感兴趣,但每次遇到傅立叶分析,我都会感到一种无力感。那些在教科书中出现的复杂的数学公式,就像一道道无形的墙,将我挡在了理解的门外。《世界第一简单傅立叶分析》这个名字,听起来充满了魔力,仿佛它能够轻易地击碎这些障碍。我非常渴望知道,这本书是如何实现“世界第一简单”的承诺的。它是否会从最基本的人类感知体验出发,比如我们如何辨别不同的声音,或者我们如何分辨出色彩的细微差别,来引出傅立叶分析的核心思想?我期待书中能够用最直观、最形象的比喻,将抽象的数学概念具象化。例如,能否将一个复杂的信号比作一幅由不同颜色颜料混合而成的画作,而傅立叶分析就是找出构成这幅画作的所有基本颜色的过程?我希望这本书能够帮助我理解傅立叶分析的“为什么”,以及它能够解决的实际问题,而不仅仅是“是什么”。如果这本书能真正做到“世界第一简单”,它将是我学习傅立叶分析的一次愉快而成功的体验,甚至可能激发我对更多数学工具的探索兴趣。
评分我曾在工程领域学习和工作中接触过傅立叶分析,但每次都感觉自己只是在“用”这个工具,而没有真正“理解”它。那些复杂的数学推导,以及它在不同应用中的变体,总是让我感到困惑。《世界第一简单傅立叶分析》这个书名,对我来说,无疑是一个巨大的惊喜和挑战。它似乎在承诺,傅立叶分析不再是高不可攀的理论,而是可以被任何人轻松掌握的知识。我非常好奇,作者是如何做到“世界第一简单”的?它是否会从一个全新的角度来讲解,比如从信号的“构成”和“分解”这两个最本质的概念入手?我希望这本书能够用大量的图示和实例,将时域和频域的转换过程形象地展现出来,让我能够直观地看到一个信号在不同“视角”下的样子。我也期待,这本书能够解释清楚傅立叶分析在不同工程领域,如通信、控制、图像处理中的具体应用,让我能够明白它为何如此重要。如果这本书能够真正做到“世界第一简单”,那它将极大地提升我解决实际问题的能力,让我能够更自信地运用傅立叶分析来分析和设计各种系统,甚至可能重新点燃我对深入学习信号处理理论的热情。
评分我一直对物理世界中的各种规律和现象充满好奇,尤其是在声音、光波这些看似神秘的领域。从小到大,我接触过不少关于物理学的普及读物,但总觉得它们在某些关键点上,或者说在如何解释“为什么”的时候,总是隔靴搔痒,留有遗憾。特别是当涉及到一些更深层次的分析工具时,比如傅立叶分析,那种无力感就更加强烈了。我总觉得,那些数学公式背后,一定隐藏着一个非常优美、非常直观的解释,只是我还没有找到那个“钥匙”。《世界第一简单傅立叶分析》这个书名,就像一道曙光,点燃了我对解开傅立叶分析奥秘的希望。它似乎在告诉我,过去那些让我头疼的难题,在这本书里将变得迎刃而解。我迫切地想知道,作者究竟用了什么样的方法,能够将傅立叶分析这样一个在很多人看来是高深莫测的学科,变得“世界第一简单”。我好奇它是否会从一个全新的角度切入,比如从人类感知世界的本能出发,解释我们是如何通过对不同频率的感知来理解声音的丰富层次,或者我们如何分辨出不同颜色的混合。我更期待的是,这本书不仅仅是理论上的“简单”,而是在概念的梳理、逻辑的构建上,都能够做到清晰流畅,层层递进,让读者在阅读的过程中,能够自然而然地产生“原来是这样”的顿悟。我希望它能提供一些鲜活的例子,比如用日常生活中的声响来举例,说明一个复杂的声音是如何由简单的正弦波叠加而成,或者用图像的细节分析来展示傅立叶变换的威力。如果这本书能做到这一点,那它将不仅仅是一本讲解傅立叶分析的书,更是一本能够启迪思维、激发对科学探索热情的读物。
评分坦白说,我是一个对数学理论感到些许畏惧的人。每次接触到那些长长的公式和抽象的概念,我就会感到大脑一片空白。尤其是在大学时期,信号与系统这门课,傅立叶分析的部分简直是我的一场噩梦。虽然知道它在现代科技中有着举足轻重的地位,但就是无法真正理解其精髓。我曾尝试过各种方法,从各种渠道寻找解释,但总是效果甚微。《世界第一简单傅立叶分析》这个书名,对于我来说,无疑是一个巨大的诱惑。它仿佛在承诺,我多年的困扰将在此书中得到解答,那些曾经遥不可及的知识,将变得触手可及。我渴望这本书能够摒弃那些枯燥的数学推导,而是用一种更加生动、更加形象的方式来呈现傅立叶分析。我希望作者能够运用大量的类比,比如用音乐的乐器发声来比喻不同频率的基波,用不同颜色光线的混合来解释信号的频谱构成。我甚至设想,书中会不会有大量的图示,用可视化的方式来展现信号在时域和频域之间的转换过程,让抽象的概念变得具象化。我特别期待的是,这本书能从“为什么”的角度出发,解释傅立叶分析出现的历史背景和它所解决的核心问题,这样我能更好地理解它的价值和意义。如果这本书真的能做到“世界第一简单”,那它将是我学习傅立叶分析的里程碑,甚至可能改变我对数学学习的态度,让我不再那么排斥它,而是愿意去探索更多的数学工具。
评分我一直认为,科学的魅力在于它能够解释我们身边的世界,而数学则是揭示这些解释的语言。然而,在很多时候,当我们接触到一些高级的数学工具时,这种语言就会变得晦涩难懂,让我们望而却步。傅立叶分析就是其中一个我一直试图跨越的障碍。我曾在不同的场合,接触过关于傅立叶分析的介绍,但要么过于理论化,要么过于碎片化,总感觉无法构建一个完整的、清晰的理解体系。《世界第一简单傅立叶分析》这个书名,极具冲击力,它唤醒了我内心深处对“简单”的渴望。我迫切地想知道,作者是如何化繁为简,将傅立叶分析这样一个看似复杂的数学框架,变得容易理解和掌握。我希望这本书能够打破传统教材的窠臼,从一个全新的视角来解读傅立叶分析。或许,它会从人类最基本的感觉入手,比如声音的产生和传播,来解释傅立叶分析的原理。我期待书中能够运用大量的类比和生动的插图,将抽象的概念可视化,让读者能够“看懂”傅立叶分析,而不是仅仅“记住”它。我也希望这本书能够不仅仅局限于理论的讲解,而是能够展示傅立叶分析在各个领域的实际应用,比如在医学影像、通信技术、甚至天文学中的应用,从而加深我们对它的理解和认识。如果这本书真的能做到“世界第一简单”,那它将是一本具有划时代意义的科普读物,能够点燃更多人对科学探索的热情。
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