傅里叶变换
简述一维和d维连续和离散变量的傅里叶变换。见 Principles of Condensed Matter Physics,pp 97
一维连续变量
考虑函数f(x),x∈[−L/2,L/2],如果f(x)连续或只有有限个第一类间断点,只有有限个极值点,则可以展开成傅立叶级数:
f(x)=∑qψq(x)f(q)(2)(1)
ψq(x)与
f(x)满足同样的边界条件。
在物理学中,
f(x)常常是周期函数,
f(x)=f(x+L)(2)
那么,相应地,
ψq(x)也为周期函数,可取为
ψq(x)=Aeiqx(3)
其中,
q=2πLn,n=0,±1,±2,⋯(4)
A为任意归一化常数,函数eiqx正交完备,于是,
f(x)=A∑qeiqxf(q)(5)
f(q)=1AL∫L/2−L/2e−iqxf(x)dx(6)
L→∞,求和变积分,
∑q≡∑nΔn=L2π∑qΔq→L∫∞−∞dq2π(7)
于是,
f(x)=AL∫∞−∞dq2πeiqxf(q)⟶AL=1∫∞−∞dq2πeiqxf(q)(8)
f(q)=1AL∫L/2−L/2e−iqxf(x)dx⟶AL=1∫∞−∞dxe−iqxf(x)(9)
这里选
A=L−1,还可以选
A=L−1/2。
d维连续变量
考虑函数f(x),其中,x为d维矢量,x=(x1,x2,⋯,xd),x为周期函数,
f(x1,x2,⋯,xd)=f(x1+L1,x2+L2,⋯,xd+Ld)(10)
f(x)展开成傅立叶级数,
f(x)=A∑qeiq⋅xf(q)(11)
f(q)=1AV∫e−iq⋅xf(x)dx(12)
其中,
V=L1L2⋯Ld,并且
q=(2πL1n1,2πL2n2,⋯,2πLdnd)(13)
ni为整数。体积趋于无限时,
f(x)=A∑qeiq⋅xf(q)=AV∫dq(2π)deiq⋅xf(q)⟶AV=1∫dq(2π)deiq⋅xf(q)(14)
f(q)=1AV∫e−iq⋅xf(x)dx⟶AV=1∫dxe−iq⋅xf(x)(15)
这里选
A=V−1,还可以选
A=V−1/2。