[EE261学习笔记] 8.Parseval定理

有关傅里叶变换有一个重要的定理,Parseval定理:

∫ − ∞ ∞ ∣ F f ( s ) ∣ 2 d s = ∫ − ∞ ∞ ∣ f ( t ) ∣ 2 d t (1) \huge\int_{-\infty}^{\infty} |\mathscr{F}f(s)|^2ds = \int_{-\infty}^{\infty} |f(t)|^2dt \tag 1 Ff(s)2ds=f(t)2dt(1)

Parseval定理是能量守恒的一种体现,即能量在时域和频域内总是相同的

证明如下:

f f f g g g 为给定的两个可积函数,则

g ( x ) = F − 1 ( F g ( s ) ) = ∫ − ∞ ∞ e 2 π i s x F g ( s ) d s g(x) = \mathscr{F}^{-1}(\mathscr{F}g(s)) = \int_{-\infty}^{\infty} e^{2\pi isx} \mathscr{F}g(s) ds g(x)=F1(Fg(s))=e2πisxFg(s)ds

那么

g ( x ) ‾ = ∫ − ∞ ∞ e − 2 π i s x F g ( s ) ‾ d s \overline{g(x)} = \int_{-\infty}^{\infty} e^{-2\pi isx} \overline{\mathscr{F}g(s)} ds g(x)=e2πisxFg(s)ds

于是

∫ − ∞ ∞ f ( x ) g ( x ) ‾ d x = ∫ − ∞ ∞ f ( x ) ( ∫ − ∞ ∞ e − 2 π i s x F g ( s ) ‾ d s ) d x = ∫ − ∞ ∞ ( ∫ − ∞ ∞ e − 2 π i s x f ( x ) d x ) F g ( s ) ‾ d s = ∫ − ∞ ∞ F f ( s ) F g ( s ) ‾ d s \begin{aligned} \int_{-\infty}^{\infty} f(x) \overline{g(x)}dx &= \int_{-\infty}^{\infty}f(x) \left(\int_{-\infty}^{\infty} e^{-2\pi isx} \overline{\mathscr{F}g(s)} ds \right)dx\\ &=\int_{-\infty}^{\infty} \left( \int_{-\infty}^{\infty}e^{-2\pi isx}f(x)dx \right)\overline{\mathscr{F}g(s)} ds\\ &=\int_{-\infty}^{\infty} \mathscr{F}f(s) \overline{\mathscr{F}g(s)} ds \end{aligned} f(x)g(x)dx=f(x)(e2πisxFg(s)ds)dx=(e2πisxf(x)dx)Fg(s)ds=Ff(s)Fg(s)ds

即:

∫ − ∞ ∞ f ( x ) g ( x ) ‾ d x = ∫ − ∞ ∞ F f ( s ) F g ( s ) ‾ d s (2) \huge \int_{-\infty}^{\infty} f(x) \overline{g(x)}dx = \int_{-\infty}^{\infty} \mathscr{F}f(s) \overline{\mathscr{F}g(s)} ds\tag 2 f(x)g(x)dx=Ff(s)Fg(s)ds(2)

( 2 ) (2) (2)式中的 g = f g=f g=f,即为 ( 1 ) (1) (1)式的另一种写法。得证。

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