Fourier-Transformation

mathematische Methode; zerlegt kontinuierliche, aperiodische Signale in ein kontinuierliches Spektrum
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Die kontinuierliche Fourier-Transformation ist eine Form der Fourier-Transformation (FT), die es erlaubt, kontinuierliche, aperiodische Vorgänge in ein kontinuierliches Spektrum zu zerlegen. Oft wird diese Transformation auch einfach als Fourier-Transformation bezeichnet.

Definition

Sei   eine integrierbare Funktion. Die (kontinuierliche) Fourier-Transformierte   von   ist definiert durch

 

Beispiel

Als Beispiel soll das Frequenzspektrum einer gedämpften Schwingung mit ausreichend schwacher Dämpfung untersucht werden. Diese kann durch folgende Funktion beschrieben werden:

 

oder in komplexer Schreibweise:

 

Hier ist   die Amplitude und   die Kreisfrequenz der Schwingung,  ; die Zeit nach der die Amplitude auf   abgefallen ist und   die Heaviside-Funktion. Das heißt, die Funktion ist nur für positive Zeiten nicht null.

Man erhält

 
 
 
 
 
 
 

Eigenschaften

Stetigkeit

Die Fourier-Transformation   ist ein stetiger linearer Operator von   nach  . Mit   ist die Menge der stetigen Funktionen bezeichnet, welche für  , d.h. im Unendlichen, verschwinden. Außerdem gilt die Ungleichung

 .

Rücktransformationsformel

Sei   eine integrierbare Funktion derart, dass auch   gilt. Dann gilt die Rücktransformation

 

Diese wird auch Fouriersynthese genannt. Der Schwartz-Raum   ist ein Teilraum von  , auf welchem die Fouriertransformation ein Automorphismus ist. Mittels Dichheitsargumente lässt sich diese Aussage sogar auf   übertragen. Die Fouriertransformation ist also sogar ein Automorphismus auf  .

Wichtige Fourier-Transformations-Paare

Hier eine Zusammenstellung wichtiger Fourier-Transformations-Paare.   und   sind die Fouriertransformierten der Funktionen   bzw.  .

  Signal Fouriertransformierte
Kreisfrequenz
Fouriertransformierte
Frequenz
Hinweise
 

 
 

 

 
 

 
1       Linearität
2       Zeitverschiebung
3       Frequenzverschiebung (Äquivalent zu Nr. 2)
4      
5       Dualität der Fouriertransformation durch Vertauschung der Variablen   und  .
6      
7       Äquivalent zu Nr. 6
8         bedeutet die Faltung von   mit  
9       Äquivalent zu Nr. 8
 
Quadratisch integrierbare Funktionen
  Signal Fouriertransformierte
Kreisfrequenz
Fouriertransformierte
Frequenz
Hinweise
 

 
 

 

 
 

 
10       Die Gaußsche Funktion   ergibt fouriertransformiert wieder dieselbe Funktion. Für die Integrierbarkeit muss   sein.
11       Die Rechteckfunktion und die sinc-Funktion.
12       Äquivalent zu Nr. 11. Die Rechteckfunktion ist ein idealisierter Tiefpassfilter, und die sinc-Funktion ist die akausale Stoßantwort eines solchen Filters.
13        . Die FT der um den Ursprung exponentiell abfallenden Funktion ist eine Lorentzkurve.
14       Äquivalent zu Nr. 13.
 
Distributionen
  Signal Fouriertransformierte
Kreisfrequenz
Fouriertransformierte
Frequenz
Hinweise
 

 
 

 

 
 

 
15         bezeichnet die Delta-Distribution.
16       Äquivalent zu Nr. 15.
17       Folgt aus Nr. 3 und 15.
18       Folgt aus Nr. 1 und 17
19      
20       Hier ist   eine Natürliche Zahl.   bezeichnet die  -te Ableitung der Delta-Distribution.
21      
22      
23      
24         ist der Einheitssprung (Heaviside-Funktion).
25      

Fourier-Transformation von Maßen

Die Fourier-Transformation wird allgemein für endliche Borel-Maße auf  definiert:

 

heißt inverse Fourier-Transformierte des Maßes   (wobei   das Skalarprodukt bezeichnet.) Die charakteristische Funktion ist dann die inverse Fourier-Transformierte einer Wahrscheinlichkeitsverteilung.