网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

快速傅立叶变换:一种突破性的算法,其背后的数学魅力与实际应用

0
分享至

接上篇:傅里叶变换的数学原理与细节



在数据科学、通信、图像处理以及许多其他领域,傅立叶变换(Fourier Transform)是一个重要的数学工具,它允许我们在时域和频域之间进行转换。然而,对于大规模数据的处理,传统的傅立叶变换可能会非常耗时,这在实际应用中会变得不可接受。此时,快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)就显得非常重要。

快速傅立叶变换,简称FFT,是一种高效的算法,它能够快速计算傅立叶变换和其逆变换。FFT利用了傅立叶变换的一些数学性质,使得其计算效率大大提高。这一突破性的算法首次被Cooley和Tukey在1965年公开介绍,但其基本思想可以追溯到高斯在1805年的工作。

尽管FFT与傅立叶变换在数学上是等价的,但由于其在计算效率上的优势,FFT已经成为了实际计算傅立叶变换的主要工具。通过减少计算的复杂性,FFT使得实时处理大量数据成为可能,这无疑极大地扩展了傅立叶变换在工程和科学中的应用领域。

如果f是一个周期为1的周期函数,通过计算它的傅里叶系数就可以获得大量有关f的信息。这一点在理论上和实践上都是如此,而由于实践上的理由,非常希望有一种好的方法来快速地计算傅里叶系数。

第r个傅里叶系数是由以下公式给出的:



如果没有f的显式的公式来计算上面的积分(例如当f是由物理讯号给出,而不是由数学公式给出时,就是这样),就需要从数值上来逼近这个积分,而做这件事的自然的方法是把它离散化,就是把积分换成以下形式的和:



如果f不是震荡得太剧烈,r又不太大,这将是一个好的逼近。

如果对上式中的r加上N的整数倍,这个积分和的值不会改变,所以只需考虑f在形如n/N的点处的值。同样,因为f以1为周期,所以若对n加上N的整数倍也不会影响上式。既然对r和N都允许加上N的整数倍,所以可以认为r和N都是群Z_N(整数 mod N所成的群)。现在把记号稍作改动来反映这件事:给定了一个定义在Z_N上的函数g,定义同样是定义在Z_N上的函数



  • 式(1)

为g的离散傅里叶变换(以下简记为DFT),其中用ω来代表



所以



注意这里的求和就是对n从0到N-1求和,和前面一样。再有一个记号变化就是用g(n)代替了f(n/N)。

DFT可以看成是用一个N×N矩阵



去乘一个列向量



所以这里需要N^2个算术运算。快速傅里叶变换(以下简记为FFT)的出现则是由于看到了(1)中的和具有的对称性质,使得其计算可以更加有效地进行。当N为2的幂时,这一点最容易看见,而为了做得更加容易一些,令N=8,想要求的和是



其中的r也取从0到7的某个整数值。这样一个和可以重写为



有趣的是





都是某个函数的DFT。例如,设



则上面第一个式子现在就成了



如果我们认为h是定义在Z_4上的,这恰好就是h(r)的公式。

对于第二个表达式,也可以作类似说明,所以,如果对g的“偶部”和“奇部”作DFT,就很容易直接得到g本身的傅里叶变换的每一个值,这个值只不过是偶部和奇部的傅里叶变换值的线性组合而已。这样,若N是偶数,用F(N)来表示计算定义在Z_N上的函数的DFT所需要的算术运算的次数,就会得到以下的递推公式:



这个公式的意思就是:如果要算出定义在Z_N上的某个函数的傅里叶变换的N个值,只需作两次定义在Z_(N/2)上的函数的傅里叶变换的N/2个值,再加上N个线性组合,每一个需要一个常数步数。

如果N是2的幂,就可以用迭代方法进行如下:F(N/2)是2F(N/4)+CN/2(但这里的C与上面的可以不同)。并仿此以往,不难证明,最后的结果是



其中C是某个常数,比之CN²这当然是很大的改进。如果N不是2的幂,上面的论证当然不行了。但是对这个方法可以作某些修正,并得到类似的效率的收益(事实上,对于任意有限阿贝尔群上的傅里叶变换,这都是对的)。

一旦我们会有效地计算傅里叶变换了,有许多其他计算也同样变得容易了。逆傅里叶变换是一个简单的例子,因为它有一个类似的公式使它也可以类似地来计算。再一个例子是两个序列的卷积,其定义如下:若a=(a0,a1,a2…,am),b=(b0,b1,b2…,bn)是两个序列,它们的卷积就是序列c=(c0,c1,c2,…,c(m+n)),其中的cr定义为



序列c记作a*b。傅里叶变换的最重要的性质之一就是“变卷积为乘积”,就是说,如果有了一个适当的方法把a和b都看作Z_N上的函数,则a*b的傅里叶变换就是一个函数



所以想要做出a*b,只需作出



把它们乘起来,再作其积的逆傅里叶变换。计算的每一个阶段都很快,所以整个计算也很快。

这导出一种求两个多项式:



的乘积的快速的方法,因为它们的乘积的系数正是由系列c=a*b给出的。如果所有的a都在0到9之间,就有了一个计算两个多项式在x=10处之值的快速的方法(因为每一个系数cr的位数都不高),所以也就有了一个计算两个n位数的比长乘法更快的方法。这样,就有了快速傅里叶变换的为数巨大的应用中的两个。工程是一个更直接的应用的来源,因为在工程中,我们时常想通过研究信号的傅里叶变换来分析这些信号。它对于量子计算的应用是非常惊人的,Peter Shor有一个著名的结果,就是可以用量子计算机来非常快地对大数作因数分解,这个算法很本质地依赖于快速傅里叶变换,但是又奇迹般地应用量子计算机的能力,把Nlog N步分成N批,每批logN步,而这N批可以“并行计算”。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

再爆出轨,谁在搞死黄仁勋?

热辣茉莉说
2026-11-12 09:31:14
大哥和女主播奔现遭遇乔碧萝事件:女主真人颜值身材反差太大俩人撕起来了

大哥和女主播奔现遭遇乔碧萝事件:女主真人颜值身材反差太大俩人撕起来了

不二表姐
2026-11-13 02:03:42
比亚迪搞了个“原子弹”!950km续航+兆瓦闪充,连续4个月销量破万

比亚迪搞了个“原子弹”!950km续航+兆瓦闪充,连续4个月销量破万

隔壁说车老王
2026-11-12 05:40:51
随着湖人7连胜,马刺10连胜!西部最新排名出炉,勇士太难了

随着湖人7连胜,马刺10连胜!西部最新排名出炉,勇士太难了

微评体育圈
2026-11-12 15:04:44
CBA新动态:300万续约徐杰,广东同时等萨姆纳回归,来势汹汹!

CBA新动态:300万续约徐杰,广东同时等萨姆纳回归,来势汹汹!

体坛侃侃球
2026-11-12 00:05:18
红四方面军成立时,核心班底竟全是二三十岁的年轻人!

红四方面军成立时,核心班底竟全是二三十岁的年轻人!

犟种美食
2026-11-11 16:57:29
这届新秀太狠了!排名第一场均26.2分9.7篮板7.3助攻1.9抢断1.8封盖!

这届新秀太狠了!排名第一场均26.2分9.7篮板7.3助攻1.9抢断1.8封盖!

篮球大图
2026-11-12 10:27:40
万亿银行,被5.5亿烂账逼急了

万亿银行,被5.5亿烂账逼急了

财通社
2026-11-12 22:56:28
美国大编“间谍”剧本、卡中国芯片,怕的是间谍,还是怕中国追上来?

美国大编“间谍”剧本、卡中国芯片,怕的是间谍,还是怕中国追上来?

华山穹剑
2026-11-12 23:02:56
4女共侍1夫仅皮毛!送妻应酬、当众拖进厕所,圈内人再爆猛料

4女共侍1夫仅皮毛!送妻应酬、当众拖进厕所,圈内人再爆猛料

古事寻踪记
2026-10-26 11:34:59
英伟达CEO黄仁勋辞职,CFO接任过渡CEO

英伟达CEO黄仁勋辞职,CFO接任过渡CEO

鞭牛士
2026-11-12 22:04:09
我们正目睹乔布斯后科技史上最严重的逼宫

我们正目睹乔布斯后科技史上最严重的逼宫

爱范儿
2026-11-12 08:57:39
43架歼20、16架空警500,空军演习随手一出,比美军实战还要阔绰

43架歼20、16架空警500,空军演习随手一出,比美军实战还要阔绰

巅峰高地
2026-11-12 19:14:36
十世班禅灵童接连暴毙,中央三次调整认选方案始末揭秘

十世班禅灵童接连暴毙,中央三次调整认选方案始末揭秘

史不语
2026-11-11 17:13:20
王楚钦父亲身份曝光,既不是苦情寒门,也不是大家口中养尊处优的富二代少爷

王楚钦父亲身份曝光,既不是苦情寒门,也不是大家口中养尊处优的富二代少爷

晚风停靠站
2026-11-11 20:48:53
杨利伟退休待遇揭秘:没有巨额奖金,只有 “终身金钟罩”。

杨利伟退休待遇揭秘:没有巨额奖金,只有 “终身金钟罩”。

莫地方
2026-10-29 12:43:42
连输11局!28岁萨巴伦卡情绪失控当众怒吼 主持人吐槽:疯了?

连输11局!28岁萨巴伦卡情绪失控当众怒吼 主持人吐槽:疯了?

风过乡
2026-11-12 08:23:31
不是景甜舍不得3000万,查了下才知道,原来她穷得日子也不好过

不是景甜舍不得3000万,查了下才知道,原来她穷得日子也不好过

天天热点见闻
2026-08-29 08:53:35
希望越大,失望就越大!新赛季表现最令人失望的4支球队:掘金热火退出争冠行列,奇才继续沉沦

希望越大,失望就越大!新赛季表现最令人失望的4支球队:掘金热火退出争冠行列,奇才继续沉沦

兵哥篮球故事
2026-11-12 21:24:09
政治人物乘机不安检,航班半路被勒令返航

政治人物乘机不安检,航班半路被勒令返航

窗帘拉开
2026-11-12 19:50:03
2026-11-13 04:39:00
老胡说科学 incentive-icons
老胡说科学
科学如此美妙,我想让你知道
1231文章数 33538关注度
往期回顾 全部

科技要闻

突发!黄仁勋辞职,英伟达CFO临时接任

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

头条要闻

小伙疑遭拘禁殴打20天瘦至60斤 被解救送回家次日死亡

体育要闻

库里已前往医院接受MRI 专家预测伤停2周

娱乐要闻

空军生日当天,央视公开“点名”肖战

财经要闻

黄仁勋,辞职

汽车要闻

埃安Ray7上市限时11.47万元起 702km续航/L4同源智驾

态度原创

房产
艺术
数码
本地
军事航空

房产要闻

十年长草!三亚这个豪宅盘,爆出新消息!

艺术要闻

这位法国女摄影师,专拍“不努力”的人像,却把肌肤之美拍到了封神级别

数码要闻

米物推出Neoseek Pure 10新国标22.5W自带线磁吸移动电源:15W无线+ 2C设计,169元

本地新闻

乌兰察布:以前种土豆,现在种Token

军事要闻

俄乌宣告达成换俘协议

无障碍浏览 进入关怀版