התמרת פורייה

Gnome-colors-edit-find-replace.svgיש לשכתב ערך זה. הסיבה לכך היא: הערך הוא כמעט דף נוסחאות. חסרים הסברים רחבים בהרבה על החשיבות והשימושים.
אתם מוזמנים לסייע ולתקן את הבעיות, אך אנא אל תורידו את ההודעה כל עוד לא תוקן הדף. אם אתם סבורים כי אין בדף בעיה, ניתן לציין זאת בדף השיחה.

התמרת פורייה או טרנספורם פורייה היא כלי מרכזי באנליזה הרמונית שאפשר לתארו כפירוק של פונקציה לרכיבים מחזוריים (סינוסים וקוסינוסים או לחלופין אקספוננטים מרוכבים) וביצוע אנליזה מתמטית לפונקציה על ידי ניתוח רכיביה. שיטה זו פותחה על ידי ז'אן-בטיסט ז'וזף פורייה. להתמרות פורייה יש שימוש נרחב מאוד בפיזיקה והנדסה ובכל תחום העוסק בפולסים וגלים, בפרט באופטיקה של גלים ומכניקת הקוונטים. התמרת פורייה היא אחד הכלים החשובים בהנדסת חשמל ומהווה את הבסיס המדעי לפיתוחים טכנולוגיים בתחומי התקשורת הספרתית, עיבוד אותות ומערכות ליניאריות, עיבוד תמונה וקידוד. כמו כן התמרת פורייה משמשת ככלי בתחומים רבים נוספים של המתמטיקה, למשל בתור כלי עזר לפתרון של משוואות דיפרנציאליות, או כלי לביצוע פירוק לגורמים של מספר על ידי מחשב קוונטי (אלגוריתם שור).

התמרת פורייה מאפשרת כתיבה של פונקציה נתונה בתור סכום ליניארי של פונקציות מחזוריות (נקראות גם הרמוניות, בשל הקרבה לצלילים מוזיקליים. ראו דוגמה בהמשך). בשל כך ניתן לראות את ההתמרה בתור מיפוי בין מרחב הזמן למרחב התדר. בפיזיקה של מצב מוצק ניתן להשתמש בהתמרת פורייה למעבר מהסריג הישיר (כלומר סריג המתאר את מבנה הגביש במרחב המקום) לסריג הופכי (סריג המתאר את אותו הגביש ב"מרחב הגל").

לדוגמה צליל מוזיקלי צלול ("תו" בודד) הוא למעשה גל קול המתנודד בזמן בתדר מסוים. התמרת פורייה משמשת ככלי חשוב בניתוח של צלילים: היא מאפשרת לנתח הקלטה של צלילים ולבודד את התדרים המרכיבים אותה. באופן כללי יותר התמרת פורייה מאפשרת לאתר בתוך פונקציה רכיבים מחזוריים, ולכן יש לה שימוש רחב בניתוח אותות ובעיבוד תמונה.

הגדרה פורמלית 1

מוטיבציה - פירוק לפונקציות הרמוניות

התמרת פורייה נוצרה מהצורך לפרק כל פונקציה, לצירוף של כמה פונקציות הרמוניות, כאשר פונקציה הרמונית מוגדרת כפונקציה מחזורית בעלת תדירות זוויתית , ולפעמים נקראת בקיצור פשוט "הרמוניה" או "פונקציה הרמונית". הצורה הכללית של פונקציה הרמונית היא:

.

צירוף ליניארי של כמה פונקציות כאלה נותן ביטוי מהצורה הכללית:

ואם בונים צירוף רציף של פונקציות כאלה, נעביר את הסכום להיות אינטגרל:

,

- המרחב של הפונקציה המותמרת - נקרא מרחב התדירות הזוויתית (או פשוט מרחב התדר) ואפשר לראות את המשרעת והפאזה של כרכיבים של אות מחזורי בעל תדירות זוויתית , ואילו למרחב המקורי קוראים מרחב הזמן.

התמרת פורייה

התמרת פורייה של פונקציה מוגדרת כפונקציה כך ש

(אפשר להגדיר את ההתמרה בעזרת קבועים אחרים, בחירת הקבועים נעשית משיקולי נוחות). ההתמרה מוגדרת רק עבור פונקציות שעבורן אינטגרל כזה מוגדר ולא מתבדר. האינטגרל קיים עבור פונקציות שהן אינטגרביליות בערכן המוחלט לפי לבג, כלומר פונקציות ב-. מכאן ניתן להגדיר את התמרת פורייה בקבוצה שהיא קבוצה צפופה ב-. בשלב הבא מרחיבים את ההתמרה על כל , ומקבלים שהתמרת פורייה מוגדרת על אוסף הפונקציות האינטגרביליות בריבוע לפי לבג - שהוא מרחב הילברט.

התמרת פורייה ההפוכה

באופן דומה, אפשר להגדיר את ההתמרה בצורה הבאה, זו ההתמרה של פונקציה שניתנת על ידי

,

להתמרה זו קוראים התמרת פורייה ההפוכה.

אפשר לראות שהפעלת התמרת פורייה ההפוכה על התמרת פורייה מחזירה את הפונקציה המקורית.

שכן

(פונקציית הדלתא של דיראק).
Other Languages
العربية: تحويل فورييه
azərbaycanca: Furye çevrilməsi
беларуская (тарашкевіца)‎: Пераўтварэньне Фур’е
Bahasa Indonesia: Transformasi Fourier
한국어: 푸리에 변환
norsk nynorsk: Fouriertransformasjon
Simple English: Fourier transform
татарча/tatarça: Фурье рәвешүзгәртүе
Tiếng Việt: Biến đổi Fourier
Bân-lâm-gú: Fourier piàn-ōaⁿ