时域的卷积等于频域的乘积证明

证明[编辑]

这里展示的证明是基于傅立叶变换的特定形式。如果傅里叶变换的形式不同,则推导中将会增加一些常数因子。

fg属于L1(Rn)。{\displaystyle F}{\displaystyle f}的傅里叶变换,{\displaystyle G}{\displaystyle g}的傅里叶变换:

{\displaystyle F(\nu )={\mathcal {F}}\{f\}=\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\,\mathrm {d} x}
{\displaystyle G(\nu )={\mathcal {F}}\{g\}=\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\,\mathrm {d} x,}

其中xν之间的表示Rn上的内积。

{\displaystyle h(z)=\int \limits _{\mathbb {R} }f(x)g(z-x)\,\mathrm {d} x.}

现在发现,

{\displaystyle \int \!\!\int |f(z)g(x-z)|\,dx\,dz=\int |f(z)|\int |g(z-x)|\,dx\,dz=\int |f(z)|\,\|g\|_{1}\,dz=\|f\|_{1}\|g\|_{1}.}

因此,通过富比尼定理我们有{\displaystyle h\in L^{1}(\mathbb {R} ^{n})},于是它的傅里叶变换{\displaystyle H}由积分式定义为

{\displaystyle {\begin{aligned}H(\nu )={\mathcal {F}}\{h\}&=\int _{\mathbb {R} }h(z)e^{-2\pi iz\cdot \nu }\,dz\\&=\int _{\mathbb {R} }\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)g(z-x)\,dx\,e^{-2\pi iz\cdot \nu }\,dz.\end{aligned}}}

观察到{\displaystyle |f(x)g(z-x)e^{-2\pi iz\cdot \nu }|=|f(x)g(z-x)|},因此对以上变量我们可以再次应用富比尼定理(即交换积分顺序):

{\displaystyle H(\nu )=\int _{\mathbb {R} }f(x)\left(\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(z-x)e^{-2\pi iz\cdot \nu }\,dz\right)\,dx.}

代入 {\displaystyle y=z-x}{\displaystyle dy=dz}

{\displaystyle H(\nu )=\int _{\mathbb {R} }f(x)\left(\int _{\mathbb {R} }g(y)e^{-2\pi i(y+x)\cdot \nu }\,dy\right)\,dx}
{\displaystyle =\int _{\mathbb {R} }f(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\left(\int _{\mathbb {R} }g(y)e^{-2\pi iy\cdot \nu }\,dy\right)\,dx}
{\displaystyle =\int _{\mathbb {R} }f(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\,dx\int _{\mathbb {R} }g(y)e^{-2\pi iy\cdot \nu }\,dy.}

这两个积分就是{\displaystyle F(\nu )}{\displaystyle G(\nu )}的定义,所以:

{\displaystyle H(\nu )=F(\nu )\cdot G(\nu ),}

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