高斯的遗憾

高斯的遗憾        

        快速傅立叶变换(FFT)是一种实现高效DFT运算的快速算法。以1965年库利(J. W. Cooley)和图基(J. W. Tukey)发表在“Mathematics of Computation”杂志上的题为“An Algorithm for the MachineCalculation of Complex Fourier Series”的论文为标志,FFT算法成为数字信号处理这门学科兴起的一座极为重要的里程碑。直到现在,仍然是应用最为广泛的DSP算法之一。

        频率作为自然界的一个基本物理量,是很多领域研究的重要内容。人们很早就认识到,用DFT的方法可以有效进行信号的频率分析。但是因为DFT算法运算量很大,在数字计算机发明以前,运算效率普遍很低的情况下,DFT也更多的是一种理论分析工具,很难被用于实际的信号处理。FFT的出现,破解了这一历史性难题,极大地促进了数字信号处理这门学科的应用和发展。有人甚至以FFT算法提出的1965年作为数字信号处理这门学科的诞生之年。

        现在人们普遍将FFT算法提出者的桂冠戴在库利和图基头上,很多文献中,也将FFT算法称为“库利-图基算法”。但一般的人们所不知道的是,可能早在1805年,人类历史上最伟大的数学家之一高斯就提出过类似现在FFT算法的一种计算傅立叶系数的快速算法。

        高斯的这种快速算法并没有公开发表,而是收录在1860年出版的高斯论文集第三卷中。据研究人员推测,论文可能完成于1805年。

        高斯方法的基本原理是将长度为的周期信号分解为N=N1*N2,其中N1是单个周期内的信号点数,N2为信号的周期数。然后将N点的DFT分解为先计算N2个N1点的DFT,然后再对这N2个N1的结果进行综合,得到最终的结果。这和按频率抽取(DIF)的FFT算法的思路几乎是完全一致的。

        正因为如此,也有研究人员称FFT算法为高斯所提出的第1001种算法。实际上,如果高斯的论文真的是在1805年完成的话,这在时间上还要早于傅立叶发表的关于傅立叶级数论文的时间。这样,傅立叶级数说不定就要改称为高斯级数,离散傅立叶变换也要改称为离散高斯变换了。

        当然历史没有假设,高斯的论文毕竟没有公开发表出来。但这也无损于他在科学史上的地位。傅立叶以其贡献,也已经在历史上打下了深深的烙印。库利和图基所提出的算法也一直为人们所认同,并在事实上成为数字信号处理这门学科发展的助推剂。

        如果说真的有遗憾的话,高斯的遗憾在于他太超前了,超越了时代的背景和需求。库利-图基算法之所以一经提出就广受关注,所依托的时代背景是数字计算机的发明和迅猛发展,数字革命浪潮已经势不可当。这点是高斯所处的时代所不具备的。

        这个历史事件的另外一层意义也许在于,对于很多特定科学问题的解决,是没有固定的时间表的,解决的过程也可能反复不断,需要一代又一代的科学家们去不断探索。在这种反复的背后,是人类对自然规律认识的不断深化。

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