从头到尾彻底理解傅里叶变换算法(下)
從頭到尾徹底理解傅里葉變換算法(上),請(qǐng)看今天第一條。
以下繼續(xù):
第三章、復(fù)數(shù)
復(fù)數(shù)擴(kuò)展了我們一般所能理解的數(shù)的概念,復(fù)數(shù)包含了實(shí)數(shù)和虛數(shù)兩部分,利用復(fù)數(shù)的形式可以把由兩個(gè)變量表示的表達(dá)式變成由一個(gè)變量(復(fù)變量)來(lái)表達(dá),使得處理起來(lái)更加自然和方便。
我們知道傅立葉變換的結(jié)果是由兩部分組成的,使用復(fù)數(shù)形式可以縮短變換表達(dá)式,使得我們可以單獨(dú)處理一個(gè)變量(這個(gè)在后面的描述中我們就可以更加確切地知道),而且快速傅立葉變換正是基于復(fù)數(shù)形式的,所以幾乎所有描述的傅立葉變換形式都是復(fù)數(shù)的形式。
但是復(fù)數(shù)的概念超過(guò)了我們?nèi)粘I钪兴芾斫獾母拍?#xff0c;要理解復(fù)數(shù)是較難的,所以我們?cè)诶斫鈴?fù)數(shù)傅立葉變換之前,先來(lái)專(zhuān)門(mén)復(fù)習(xí)一下有關(guān)復(fù)數(shù)的知識(shí),這對(duì)后面的理解非常重要。
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一、?復(fù)數(shù)的提出
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在此,先讓我們看一個(gè)物理實(shí)驗(yàn):把一個(gè)球從某點(diǎn)向上拋出,然后根據(jù)初速度和時(shí)間來(lái)計(jì)算球所在高度,這個(gè)方法可以根據(jù)下面的式子計(jì)算得出:
其中h表示高度,g表示重力加速度(9.8m/s2),v表示初速度,t表示時(shí)間。現(xiàn)在反過(guò)來(lái),假如知道了高度,要求計(jì)算到這個(gè)高度所需要的時(shí)間,這時(shí)我們又可以通過(guò)下式來(lái)計(jì)算:
??????????????
經(jīng)過(guò)計(jì)算我們可以知道,當(dāng)高度是3米時(shí),有兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)到達(dá)該高度:球向上運(yùn)動(dòng)時(shí)的時(shí)間是0.38秒,球向下運(yùn)動(dòng)時(shí)的時(shí)間是1.62秒。但是如果高度等于10時(shí),結(jié)果又是什么呢?根據(jù)上面的式子可以發(fā)現(xiàn)存在對(duì)負(fù)數(shù)進(jìn)行開(kāi)平方運(yùn)算,我們知道這肯定是不現(xiàn)實(shí)的。
第一次使用這個(gè)不一般的式子的人是意大利數(shù)學(xué)家Girolamo Cardano(1501-1576),兩個(gè)世紀(jì)后,德國(guó)偉大數(shù)學(xué)家Carl Friedrich Gause(1777-1855)提出了復(fù)數(shù)的概念,為后來(lái)的應(yīng)用鋪平了道路,他對(duì)復(fù)數(shù)進(jìn)行這樣表示:復(fù)數(shù)由實(shí)數(shù)(real)和虛數(shù)(imaginary)兩部分組成,虛數(shù)中的根號(hào)負(fù)1用i來(lái)表示(在這里我們用j來(lái)表示,因?yàn)閕在電力學(xué)中表示電流的意思)。
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我們可以把橫坐標(biāo)表示成實(shí)數(shù),縱坐標(biāo)表示成虛數(shù),則坐標(biāo)中的每個(gè)點(diǎn)的向量就可以用復(fù)數(shù)來(lái)表示,如下圖:
???????????????
?上圖中的ABC三個(gè)向量可以表示成如下的式子:
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??????????? A = 2 + 6j
??????????? B = -4 – 1.5j
??????????? C = 3 – 7j
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這樣子來(lái)表達(dá)方便之處在于運(yùn)用一個(gè)符號(hào)就能把兩個(gè)原來(lái)難以聯(lián)系起來(lái)的數(shù)組合起來(lái)了,不方便的是我們要分辨哪個(gè)是實(shí)數(shù)和哪個(gè)是虛數(shù),我們一般是用Re( )和Im( )來(lái)表示實(shí)數(shù)和虛數(shù)兩部分,如:
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??????????? Re A = 2????? Im A = 6
??????????? Re B = -4???? Im B = -1.5
??????????? Re C = 3????? Im C = -7?
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?????? 復(fù)數(shù)之間也可以進(jìn)行加減乘除運(yùn)算:
????????????
??
這里有個(gè)特殊的地方是j2等于-1,上面第四個(gè)式子的計(jì)算方法是把分子和分母同時(shí)乘以c – dj,這樣就可消去分母中的j了。
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復(fù)數(shù)也符合代數(shù)運(yùn)算中的交換律、結(jié)合律、分配律:
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????????????? A B = B A
????????????? (A + B) + C = A + (B + C)
??????????? ? A(B + C) = AB + AC
?
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二、?復(fù)數(shù)的極坐標(biāo)表示形式
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前面提到的是運(yùn)用直角坐標(biāo)來(lái)表示復(fù)數(shù),其實(shí)更為普遍應(yīng)用的是極坐標(biāo)的表示方法,如下圖:
??????????????
上圖中的M即是數(shù)量積(magnitude),表示從原點(diǎn)到坐標(biāo)點(diǎn)的距離,θ是相位角(phase angle),表示從X軸正方向到某個(gè)向量的夾角,下面四個(gè)式子是計(jì)算方法:
?????????????????????
我們還可以通過(guò)下面的式子進(jìn)行極坐標(biāo)到直角坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換:
a + jb = M (cosθ + j sinθ)
上面這個(gè)等式中左邊是直角坐標(biāo)表達(dá)式,右邊是極坐標(biāo)表達(dá)式。
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還有一個(gè)更為重要的等式——?dú)W拉等式(歐拉,瑞士的著名數(shù)學(xué)家,Leonhard Euler,1707-1783):
ejx = cos x + j sin x?
這個(gè)等式可以從下面的級(jí)數(shù)變換中得到證明:
上面中右邊的兩個(gè)式子分別是cos(x)和sin(x)的泰勒(Taylor)級(jí)數(shù)。
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這樣子我們又可以把復(fù)數(shù)的表達(dá)式表示成指數(shù)的形式了:
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?????????? ??a + jb = M ejθ (這便是復(fù)數(shù)的兩個(gè)表達(dá)式)
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指數(shù)形式是數(shù)字信號(hào)處理中數(shù)學(xué)方法的支柱,也許是因?yàn)橛弥笖?shù)形式進(jìn)行復(fù)數(shù)的乘除運(yùn)算極為簡(jiǎn)單的緣故吧:
??????????????
三、復(fù)數(shù)是數(shù)學(xué)分析中的一個(gè)工具
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為什么要使用復(fù)數(shù)呢?其實(shí)它只是個(gè)工具而已,就如釘子和錘子的關(guān)系,復(fù)數(shù)就象那錘子,作為一種使用的工具。我們把要解決的問(wèn)題表達(dá)成復(fù)數(shù)的形式(因?yàn)橛行﹩?wèn)題用復(fù)數(shù)的形式進(jìn)行運(yùn)算更加方便),然后對(duì)復(fù)數(shù)進(jìn)行運(yùn)算,最后再轉(zhuǎn)換回來(lái)得到我們所需要的結(jié)果。
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有兩種方法使用復(fù)數(shù),一種是用復(fù)數(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的替換,如前面所說(shuō)的向量表達(dá)式方法和前一節(jié)中我們所討論的實(shí)域DFT,另一種是更高級(jí)的方法:數(shù)學(xué)等價(jià)(mathematical equivalence),復(fù)數(shù)形式的傅立葉變換用的便是數(shù)學(xué)等價(jià)的方法,但在這里我們先不討論這種方法,這里我們先來(lái)看一下用復(fù)數(shù)進(jìn)行替換中的問(wèn)題。
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用復(fù)數(shù)進(jìn)行替換的基本思想是:把所要分析的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)換成復(fù)數(shù)的形式,其中只是簡(jiǎn)單地添加一個(gè)復(fù)數(shù)的符號(hào)j,當(dāng)返回到原來(lái)的物理問(wèn)題時(shí),則只是把符號(hào)j去掉就可以了。
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有一點(diǎn)要明白的是并不是所有問(wèn)題都可以用復(fù)數(shù)來(lái)表示,必須看用復(fù)數(shù)進(jìn)行分析是否適用,有個(gè)例子可以看出用復(fù)數(shù)來(lái)替換原來(lái)問(wèn)題的表達(dá)方式明顯是謬誤的:假設(shè)一箱的蘋(píng)果是5美元,一箱的桔子是10美元,于是我們把它表示成 5 + 10j,有一個(gè)星期你買(mǎi)了6箱蘋(píng)果和2箱桔子,我們又把它表示成6 + 2j,最后計(jì)算總共花的錢(qián)是(5 + 10j)(6 + 2j) = 10 + 70j,結(jié)果是買(mǎi)蘋(píng)果花了10美元的,買(mǎi)桔子花了70美元,這樣的結(jié)果明顯是錯(cuò)了,所以復(fù)數(shù)的形式不適合運(yùn)用于對(duì)這種問(wèn)題的解決。
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四、用復(fù)數(shù)來(lái)表示正余弦函數(shù)表達(dá)式
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對(duì)于象M cos (ωt + φ)和A cos(ωt ) + B sin(ωt )表達(dá)式,用復(fù)數(shù)來(lái)表示,可以變得非常簡(jiǎn)潔,對(duì)于直角坐標(biāo)形式可以按如下形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:
???????
上式中余弦幅值A(chǔ)經(jīng)變換生成a,正弦幅值B的相反數(shù)經(jīng)變換生成b:A <=> a,B<=> -b,但要注意的是,這不是個(gè)等式,只是個(gè)替換形式而已。
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對(duì)于極坐標(biāo)形式可以按如下形式進(jìn)行轉(zhuǎn)換:
???????
??????
上式中,M <=> M,θ<=>φ。
這里虛數(shù)部分采用負(fù)數(shù)的形式主要是為了跟復(fù)數(shù)傅立葉變換表達(dá)式保持一致,對(duì)于這種替換的方法來(lái)表示正余弦,符號(hào)的變換沒(méi)有什么好處,但替換時(shí)總會(huì)被改變掉符號(hào)以跟更高級(jí)的等價(jià)變換保持形式上的一致。
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在離散信號(hào)處理中,運(yùn)用復(fù)數(shù)形式來(lái)表示正余弦波是個(gè)常用的技術(shù),這是因?yàn)槔脧?fù)數(shù)進(jìn)行各種運(yùn)算得到的結(jié)果跟原來(lái)的正余弦運(yùn)算結(jié)果是一致的,但是,我們要小心使用復(fù)數(shù)操作,如加、減、乘、除,有些操作是不能用的,如兩個(gè)正弦信號(hào)相加,采用復(fù)數(shù)形式進(jìn)行相加,得到的結(jié)果跟替換前的直接相加的結(jié)果是一樣的,但是如果兩個(gè)正弦信號(hào)相乘,則采用復(fù)數(shù)形式來(lái)相乘結(jié)果是不一樣的。幸運(yùn)的是,我們已嚴(yán)格定義了正余弦復(fù)數(shù)形式的運(yùn)算操作條件:
1、參加運(yùn)算的所有正余弦的頻率必須是一樣的;
2、運(yùn)算操作必須是線性的,如兩個(gè)正弦信號(hào)可以進(jìn)行相加減,但不能進(jìn)行乘除,象信號(hào)的放大、衰減、高低通濾波等系統(tǒng)都是線性的,象平方、縮短、取限等則不是線性的。要記住的是卷積和傅立葉分析也只有線性操作才可以進(jìn)行。
下圖是一個(gè)相量變換(我們把正弦或余弦波變成復(fù)數(shù)的形式稱(chēng)為相量變換,Phasor transform)的例子,一個(gè)連續(xù)信號(hào)波經(jīng)過(guò)一個(gè)線性處理系統(tǒng)生成另一個(gè)信號(hào)波,從計(jì)算過(guò)程我們可以看出采用復(fù)數(shù)的形式使得計(jì)算變化十分的簡(jiǎn)潔:
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在第二章中我們描述的實(shí)數(shù)形式傅立葉變換也是一種替換形式的復(fù)數(shù)變換,但要注意的是那還不是復(fù)數(shù)傅立葉變換,只是一種代替方式而已。下一章、即,第四章,我們就會(huì)知道復(fù)數(shù)傅立葉變換是一種更高級(jí)的變換,而不是這種簡(jiǎn)單的替換形式。?
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第四章、復(fù)數(shù)形式離散傅立葉變換
復(fù)數(shù)形式的離散傅立葉變換非常巧妙地運(yùn)用了復(fù)數(shù)的方法,使得傅立葉變換變換更加自然和簡(jiǎn)潔,它并不是只是簡(jiǎn)單地運(yùn)用替換的方法來(lái)運(yùn)用復(fù)數(shù),而是完全從復(fù)數(shù)的角度來(lái)分析問(wèn)題,這一點(diǎn)跟實(shí)數(shù)DFT是完全不一樣的。
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一、? 把正余弦函數(shù)表示成復(fù)數(shù)的形式
通過(guò)歐拉等式可以把正余弦函數(shù)表示成復(fù)數(shù)的形式:
cos( x ) = 1/2 e j(-x) + 1/2 ejx?
sin( x ) = j (1/2 e j(-x) - 1/2 ejx)?
從這個(gè)等式可以看出,如果把正余弦函數(shù)表示成復(fù)數(shù)后,它們變成了由正負(fù)頻率組成的正余弦波,相反地,一個(gè)由正負(fù)頻率組成的正余弦波,可以通過(guò)復(fù)數(shù)的形式來(lái)表示。
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我們知道,在實(shí)數(shù)傅立葉變換中,它的頻譜是0 ~ π(0 ~ N/2),但無(wú)法表示-π~ 0的頻譜,可以預(yù)見(jiàn),如果把正余弦表示成復(fù)數(shù)形式,則能夠把負(fù)頻率包含進(jìn)來(lái)。
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二、? 把變換前后的變量都看成復(fù)數(shù)的形式
復(fù)數(shù)形式傅立葉變換把原始信號(hào)x[n]當(dāng)成是一個(gè)用復(fù)數(shù)來(lái)表示的信號(hào),其中實(shí)數(shù)部分表示原始信號(hào)值,虛數(shù)部分為0,變換結(jié)果X[k]也是個(gè)復(fù)數(shù)的形式,但這里的虛數(shù)部分是有值的。
在這里要用復(fù)數(shù)的觀點(diǎn)來(lái)看原始信號(hào),是理解復(fù)數(shù)形式傅立葉變換的關(guān)鍵(如果有學(xué)過(guò)復(fù)變函數(shù)則可能更好理解,即把x[n]看成是一個(gè)復(fù)數(shù)變量,然后象對(duì)待實(shí)數(shù)那樣對(duì)這個(gè)復(fù)數(shù)變量進(jìn)行相同的變換)。
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三、? 對(duì)復(fù)數(shù)進(jìn)行相關(guān)性算法(正向傅立葉變換)
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從實(shí)數(shù)傅立葉變換中可以知道,我們可以通過(guò)原始信號(hào)乘以一個(gè)正交函數(shù)形式的信號(hào),然后進(jìn)行求總和,最后就能得到這個(gè)原始信號(hào)所包含的正交函數(shù)信號(hào)的分量。
現(xiàn)在我們的原始信號(hào)變成了復(fù)數(shù),我們要得到的當(dāng)然是復(fù)數(shù)的信號(hào)分量,我們是不是可以把它乘以一個(gè)復(fù)數(shù)形式的正交函數(shù)呢?答案是肯定的,正余弦函數(shù)都是正交函數(shù),變成如下形式的復(fù)數(shù)后,仍舊還是正交函數(shù)(這個(gè)從正交函數(shù)的定義可以很容易得到證明):
??????????????? ?? cos x + j sin x, cos x – j sin x,……
?
這里我們采用上面的第二個(gè)式子進(jìn)行相關(guān)性求和,為什么用第二個(gè)式子呢?,我們?cè)诤竺鏁?huì)知道,正弦函數(shù)在虛數(shù)中變換后得到的是負(fù)的正弦函數(shù),這里我們?cè)偌由弦粋€(gè)負(fù)號(hào),使得最后的得到的是正的正弦波,根據(jù)這個(gè)于是我們很容易就可以得到了復(fù)數(shù)形式的DFT正向變換等式:
???????
???? 這個(gè)式子很容易可以得到歐拉變換式子:
???????
其實(shí)我們是為了表達(dá)上的方便才用到歐拉變換式,在解決問(wèn)題時(shí)我們還是較多地用到正余弦表達(dá)式。
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對(duì)于上面的等式,我們要清楚如下幾個(gè)方面(也是區(qū)別于實(shí)數(shù)DFT的地方):
1、X[k]、x[n]都是復(fù)數(shù),但x[n]的虛數(shù)部分都是由0組成的,實(shí)數(shù)部分表示原始信號(hào);
2、k的取值范圍是0 ~ N-1 (也可以表達(dá)成0 ~ 2π),其中0 ~ N/2(或0 ~ π)是正頻部分,
N/2 ~ N-1(π~ 2π)是負(fù)頻部分,由于正余弦函數(shù)的對(duì)稱(chēng)性,所以我們把 –π~ 0表示成π~ 2π,這是出于計(jì)算上方便的考慮。
3、其中的j是一個(gè)不可分離的組成部分,就象一個(gè)等式中的變量一樣,不能隨便去掉,去掉之后意義就完全不一樣了,但我們知道在實(shí)數(shù)DFT中,j只是個(gè)符號(hào)而已,把j去掉,整個(gè)等式的意義不變;
4、下圖是個(gè)連續(xù)信號(hào)的頻譜,但離散頻譜也是與此類(lèi)似的,所以不影響我們對(duì)問(wèn)題的分析:
??????????????
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上面的頻譜圖把負(fù)頻率放到了左邊,是為了迎合我們的思維習(xí)慣,但在實(shí)際實(shí)
現(xiàn)中我們一般是把它移到正的頻譜后面的。
從上圖可以看出,時(shí)域中的正余弦波(用來(lái)組成原始信號(hào)的正余弦波)在復(fù)數(shù)DFT的頻譜中被分成了正、負(fù)頻率的兩個(gè)組成部分,基于此等式中前面的比例系數(shù)是1/N(或1/2π),而不是2/N,這是因?yàn)楝F(xiàn)在把頻譜延伸到了2π,但把正負(fù)兩個(gè)頻率相加即又得到了2/N,又還原到了實(shí)數(shù)DFT的形式,這個(gè)在后面的描述中可以更清楚地看到。
由于復(fù)數(shù)DFT生成的是一個(gè)完整的頻譜,原始信號(hào)中的每一個(gè)點(diǎn)都是由正、負(fù)兩個(gè)頻率組合而成的,所以頻譜中每一個(gè)點(diǎn)的帶寬是一樣的,都是1/N,相對(duì)實(shí)數(shù)DFT,兩端帶寬比其它點(diǎn)的帶寬少了一半;復(fù)數(shù)DFT的頻譜特征具有周期性:-N/2 ~ 0與N/2 ~ N-1是一樣的,實(shí)域頻譜呈偶對(duì)稱(chēng)性(表示余弦波頻譜),虛域頻譜呈奇對(duì)稱(chēng)性(表示正弦波頻譜)。
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四、? 逆向傅立葉變換
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假設(shè)我們已經(jīng)得到了復(fù)數(shù)形式的頻譜X[k],現(xiàn)在要把它還原到復(fù)數(shù)形式的原始信號(hào)x[n],當(dāng)然應(yīng)該是把X[k]乘以一個(gè)復(fù)數(shù),然后再進(jìn)行求和,最后得到原始信號(hào)x[n],這個(gè)跟X[k]相乘的復(fù)數(shù)首先讓我們想到的應(yīng)該是上面進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算的復(fù)數(shù):
cos(2πkn/N) – j si(2πkn/N),
但其中的負(fù)號(hào)其實(shí)是為了使得進(jìn)行逆向傅立葉變換時(shí)把正弦函數(shù)變?yōu)檎姆?hào),因?yàn)樘摂?shù)j的運(yùn)算特殊性,使得原來(lái)應(yīng)該是正的正弦函數(shù)變?yōu)榱素?fù)的正弦函數(shù)(我們從后面的推導(dǎo)會(huì)看到這一點(diǎn)),所以這里的負(fù)號(hào)只是為了糾正符號(hào)的作用,在進(jìn)行逆向DFT時(shí),我們可以把負(fù)號(hào)去掉,于是我們便得到了這樣的逆向DFT變換等式:
x[n] = X[k] (cos(2πkn/N) + j sin(2πkn/N))
我們現(xiàn)在來(lái)分析這個(gè)式子,會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)式其實(shí)跟實(shí)數(shù)傅立葉變換是可以得到一樣結(jié)果的。我們先把X[k]變換一下:
X[k] = Re X[k] + j Im X[k]
這樣我們就可以對(duì)x[n]再次進(jìn)行變換,如:
?????? ??? x[n] = (Re X[k] + j Im X[k]) (cos(2πkn/N) + j sin(2πkn/N))
???????? ????? ?? = ( Re X[k] cos(2πkn/N) + j Im X[k] cos(2πkn/N) +j Re X[k] sin(2πkn/N) -? Im X[k] sin(2πkn/N) )
???????????? ???? = ( Re X[k] (cos(2πkn/N) + j sin(2πkn/N)) +??? ---------------------(1)
????????????????????????? ? Im X[k] ( - sin(2πkn/N) + j cos(2πkn/N)))? ---------------(2)
?
這時(shí)我們就把原來(lái)的等式分成了兩個(gè)部分,第一個(gè)部分是跟實(shí)域中的頻譜相乘,第二個(gè)部分是跟虛域中的頻譜相乘,根據(jù)頻譜圖我們可以知道,Re X[k]是個(gè)偶對(duì)稱(chēng)的變量,Im X[k]是個(gè)奇對(duì)稱(chēng)的變量,即
Re X[k] = Re X[- k]
Im X[k] = - Im X[-k]
但k的范圍是0 ~ N-1,0~N/2表示正頻率,N/2~N-1表示負(fù)頻率,為了表達(dá)方便我們把N/2~N-1用-k來(lái)表示,這樣在從0到N-1的求和過(guò)程中對(duì)于(1)和(2)式分別有N/2對(duì)的k和-k的和,對(duì)于(1)式有:
Re X[k] (cos(2πkn/N) + j sin(2πkn/N)) + Re X[- k] (cos( - 2πkn/N) + j sin( -2πkn/N))
根據(jù)偶對(duì)稱(chēng)性和三角函數(shù)的性質(zhì),把上式化簡(jiǎn)得到:
????????????????
Re X[k] (cos(2πkn/N) + j sin(2πkn/N)) + Re X[ k] (cos( 2πkn/N) - j sin( 2πkn/N))
這個(gè)式子最后的結(jié)果是:
2 Re X[ k] cos(2πkn/N)
再考慮到求Re X[ k]等式中有個(gè)比例系數(shù)1/N,把1/N乘以2,這樣的結(jié)果不就是跟實(shí)數(shù)DFT中的式子一樣了嗎?
?
對(duì)于(2)式,用同樣的方法,我們也可以得到這樣的結(jié)果:
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? ?-2 Im X[k] sin(2πkn/N)
注意上式前面多了個(gè)負(fù)符號(hào),這是由于虛數(shù)變換的特殊性造成的,當(dāng)然我們肯定不能把負(fù)符號(hào)的正弦函數(shù)跟余弦來(lái)相加,還好,我們前面是用cos(2πkn/N) – j sin(2πkn/N)進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算,得到的Im X[k]中有個(gè)負(fù)的符號(hào),這樣最后的結(jié)果中正弦函數(shù)就沒(méi)有負(fù)的符號(hào)了,這就是為什么在進(jìn)行相關(guān)性計(jì)算時(shí)虛數(shù)部分要用到負(fù)符號(hào)的原因(我覺(jué)得這也許是復(fù)數(shù)形式DFT美中不足的地方,讓人有一種拼湊的感覺(jué))。
從上面的分析中可以看出,實(shí)數(shù)傅立葉變換跟復(fù)數(shù)傅立葉變換,在進(jìn)行逆變換時(shí)得到的結(jié)果是一樣的,只不過(guò)是殊途同歸吧。
本文完。
總結(jié)
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