傅立叶变换的推导

三角函数系
首先引入傅立叶变换所使用的三角函数系
这组三角函数系像波函数一样具有正交性和完备性,但不是归一的。对于正交性我们可以看到:
并且三角函数具有周期性,其周期,即
,见图1。

傅立叶发现周期为的函数可以展开为一系列三角函数的和的形式,即
现在我们先来求系数,对公式两边同时对x作积分,得
这里利用了三角函数的正交性,最后算得
这时,令,则公式(2)变为
这里为了表示方便,把""丢掉,即
接下来我们再求系数,对公式(6)两边同乘cos(mx),并对x进行积分,得
所以求得,
同理求得。这样就求完了周期为
的函数f(x)的傅立叶展开系数。
然而物理中的函数周期通常都不是,现在来求周期T=2L的函数f(t)的傅立叶展开系数。对于函数f(t),我们有
。为了把函数f(t)的周期变换到
,这里利用换元法,令
,所以
。则有,
这样就把周期为2L的函数f(t)变换成了周期为的函数g(x)。周期为
的函数g(x)的展开系数我们已经求过了,即
做变换,所以公式(10)可以写为,
下面引入欧拉公式,
所以
则公式(11)可以化为
把公式(14)第二项,公式(14)继续化为,
现在求系数C的具体形式,
这时,显然我们可以得出公式(15)为,
傅立叶变换
下面正式进行傅立叶变换。每个的间隔
为
,所以有
。随着周期T的变大,
越来越小,可以看作由离散变为连续。当
,公式(17)e指数上的
,
,有
所以最后有
在物理中若要对满足周期性边界条件、正格矢、k空间的函数进行傅立叶变换,只需要把公式(18)中的T代换成即可。详细公式在李正中的《固体理论》第一章第五节中给出。