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自然界的照妖鏡
傅氏分析法簡介
(第 4 頁)

林孝信

 


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.原載於科學月刊第一卷第二期
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現象的對稱與週期性

我們已解決了一部份問題。接著是:什麼叫「 對稱」?悅耳的聲波有什麼對稱?

先研究常用「對稱」的意義。人的外表,有左手便有右手,有左眼就有右眼。這是左右對稱。如果沿鼻脊有個鏡子,反射過去便如全人。故又叫鏡面對稱。又如一個正六邊形,我們覺得它對稱,因為我們可以旋轉六十度(360度的六分之一),回到原狀。這是旋轉某角度的對稱。如果是圓形,則不論旋轉多少度,通通都和原狀相同。故圓也有旋轉對稱,而且旋轉對稱性最高。在這些例子中。我們發現,所謂對稱,都是經某種「運作」(Operation )--如反射或旋轉等--而回到原狀。因此如對某個圖形能找到某種這類的「運作」,我們便說這圖形具有「某種」對稱。

在波中,如我們將這函數沿某方向移一定距離。便和原來圖形吻合。這種對稱,叫平移對稱,或週期對稱。高一所學的三角函數,便都具有這種週期性。例如正弦函數$\sin x$是:



圖三

平移$2\pi$,函數值不變,即:

\begin{displaymath}\sin (x+2\pi)=\sin x\end{displaymath}

一般說來,如果一個函數f(x)是週期的,那一定能滿足下列關係:

f(x+a)=f(x)

a 叫做這個週期函數的週期。(在波而言:是波長)

傅氏分析是要把加在一起的函數分為許多部份。現在先反過來看,如果把兩個函數加在一起,有什麼現象呢?

顯然地,如果原來兩個函數(或有限個)具有相同的週期及其他性質(如連續性,可微分性,可積分性等),那麼加起來的函數照樣都有這些性質。例如週期性:

f(x)=g(x)+h(x)

g(x+a)=g(x)h(x+a)=h(x)
f(x+a)=g(x+a)+h(x+a)=g(x)+h(x)=f(x)

   

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編輯:陳文是 / 繪圖:簡立欣 最後修改日期:6/17/2002