王博远:傅立叶变换系列之二——傅立叶级数(I)

《庄子·齐物论》:凡物无成与毁,复通为一。王弼福因才折,没有来得及为《庄子》作注,遂使郭象成名。马一浮先生在浙大校歌中言“靡革匪因 靡故匪新”,这是校歌中我最喜欢的一句。革新基于旧事物中的既有特征,而万物皆孕育新的变化,是故新旧一体,此消彼长,“无成与毁,复通为一”,于是天地万物在消长中重塑平衡,是谓“周期”。

刘琨在八王之乱,中原陆沉时作《劝进表》,写道“昏明迭用,否泰相济。”在刘琨看来,司马睿江南称帝正可使中华文明否极泰来。然而周期短长,时势消长,刘琨岂能预测精准。王敦以及随后的苏峻祖约之乱,世人以为晋朝国运将至,而随后的淝水之战,便又起死回生。拉普拉斯认为宇宙间万物的运行轨迹均已注定,然而个体确实渺小,即便可以仰观宇宙,也只能慨叹自身认知的狭隘。

文明兴替的周期难以洞察,有形物质的变化更容易捕捉。傅立叶变换,便是以周期函数为研究对象的。最简单的周期函数是正弦函数或余弦函数,而后者又可视为仅改变了初始相位的正弦函数。如果将正弦函数/余弦函数视为事物周期变化的基本单元,即“复通为一”的“一”,那么是否任何具有周期特征的事物都可以用这个基本单元来表示呢?法国数学家、物理学家傅立叶的回答是肯定,任何周期函数在满足一定条件下,都可以用正弦函数和余弦函数的集合来表示。

对于正弦函数f(x) = sinx,其振幅为1,初始相位为0,其周期2π使其具有以下特征:

f(x + 2π) = f(x)

那么同样,对于任意整数k,

f(x + 2πk) = f(x)

正弦函数和余弦函数在【-π, π】区间有定义并且运行了一个完整的周期。如果存在另一个周期函数在【-π, π】区间也有定义,那么在傅立叶看来,该函数在符合一定条件下也理应可以用正弦函数和余弦函数来表示。而这种表示形式,便是该函数的傅立叶级数:

图片

这一公式应用的前提为周期函数周期为2π且初始相位为0,否则该公式便要有相应变形,这将在下文介绍。另外,该公式中ak与bk未知,需要求导,且函数f(x)另需要满足一定条件才能使等式成立,这便要引入两个新的概念,分段连续以及三角函数正交性。

作者:王博远,美国加州律师和美国专利代理师,中国律师和专利代理师,获得浙江大学工学学士和美国圣路易斯华盛顿大学电子工程硕士学位,以及美国西北大学法学硕士和圣路易斯华盛顿大学法律博士学位。

审阅:王宇飞,中国电子工程师,获得北京理工大学工学学士和北京理工大学电子工程硕士学位。

王博远:傅立叶变换系列文章之一:总论

哲学涉及对自然法则乃至宇宙规律的认知,而物理学正是对自然法则的片面的局限反映,因此哲学家与物理学家在哲学发展史上并无明确界限。但这并不意味着一定要具备物理学基础才能成为哲学家思想家,没有物理知识的王弼一样可以有传世哲学巨著流传千载,对客观规律的抽象概括并不以穷尽内在原理为前提。然而哲学思想若要冲破“形上谓道兮”的束缚,便必须要有物理学提供更为充分的滋养和源泉。

近代物理学以微积分为基础而迅猛发展,构造了现代工业化社会,并带来了经济全球化。这个全球化的工业社会还能否继续支撑二十年,我们不得而知。梁武帝曰:“由我得之,由我失之。”任何生命体乃至任何由生命体构成的社会结构,均有寿命,而在“其兴也勃焉”之时,便可洞观其内在缺陷,判断其历史走向。

微积分与物理学的发展构建了工业社会,也是当今一切技术进步的基石。我当年作为工科生选择从事法律工作,是因为彼时的我认为法律和知识产权的保护是技术进步的前提和充分条件。随着时间推移,我发现我将因果关系倒置了。知识产权保护并不能带来技术创新,比如再完善的法律制度也不可能将西伯利亚变成科技帝国,也正如任凭刘琨雄才伟略,也无法依靠并州空城来复兴晋室一样。一个国家的科技进步,要靠坚实的基础教育和科学的人才选拔机制。张之洞所说“古来世运之明晦,人才之盛衰,其表在政,其里在学” ,此之谓也。

科技创新是以对基础学科,即数学和物理学的深刻理解为前提的。正如我们若要熟读先秦典籍,便要钻研《尔雅》等“小学”典籍。若不谙于此,便会舍本逐末,急功近利。这也是开设本公众号的目的所在,希望能在传播本人思想的同时,为我们社会的科技进步发出一点点微光。

傅立叶变换是数学模型在电子工程领域应用的典范,也因此成为本公众号第一篇系列文章的题目。接下来会通过如下几篇文章来系统介绍傅立叶变换及其应用。

王博远:胡太后的历史选择

北魏六镇之乱后,对胡太后而言的最优选项是放任叛乱,有限的资源用于拱卫京师,使葛荣与万俟丑奴两部乱军兵戎相见。然而胡太后一心以文明冯太后为先辈榜样,誓要建立一番丰功伟业,自然不会采取这种消极行为。次优选项是让在北朝没有根深蒂固势力的南朝人萧宝夤平叛,但最终偏是尔朱荣来终结六镇之乱。从哲学上讲,能够产生激烈对抗的事物通常具有极其相似特征。正如后世认为桓玄对东晋社会产生了极大破坏,而刘裕却终结了溃败的趋势,重建南朝。然而历史的涌动自然不会如表象上这般肤浅,破坏与重生本为一体,没有桓玄对东晋门阀社会的破坏,便没有刘裕消灭桓玄与刘毅并建立足以抵御拓跋焘的统一政权。桓玄与刘裕正因其高度相似的特征而被赋予了相同的历史使命,桓玄对门阀制度的破坏正是刘裕崛起的基础。如果没有尔朱荣来整合六镇乱军,则葛荣与万俟醜奴终会在火并中消耗六镇实力,中央政权坐收渔利。而尔朱荣却正是与六镇叛军的对抗中吸收六镇资源收为己用,乃至如董卓一般挥师入京,制造河阴事变。尔朱荣与六镇不过是先与后的时间问题,其行为模式与历史定位高度一致。胡太后资质未必差于冯太后,所御男宠也不少于冯太后,正如桓玄未必不如刘裕。然而个人沉浮取决于历史轨迹和个人使命,桓玄消灭门阀终结东晋政权时,自己作为门阀出身的军阀也处于历史退潮的周期中。若冯太后处在六镇之乱的时代中,其汉化鲜卑的历史定位也与该历史周期相悖,难逃如胡太后被丢入黄河的命运。尔朱荣吸纳中央资源的同时给予北魏政权致命一击,胡太后在被丢入黄河时,应深切感受到了容纳甚至祝福对手的存在是多么重要的胸襟气度,若仍有六镇叛军的制衡,尔朱荣又怎能进入京城杀尽文官。

王博远:仆固怀恩荣列《新唐书》叛臣列传之首或因命运裹挟

仆固怀恩荣列《新唐书》叛臣列传之首,享受了大将军王敦的殊遇。唐代宗认为怀恩“为左右所误”,并不确切,后世认为代宗应当自省,仆固怀恩并非为左右所误,而是代宗为左右宦官所误而逼反仆固怀恩,也是片面。

以仆固怀恩平定史朝义为时间节点来看,仆固怀恩忠烈满门,其功劳高于郭子仪,其忠义也有过之。然而卒与安禄山相等,实因命运为自然法则所裹挟,无所遁逃。唐朝自安史之乱以来,便进入战略收缩周期,对于西域,更是因边防军内迁而逐步丧失有效统治。

继续阅读“王博远:仆固怀恩荣列《新唐书》叛臣列传之首或因命运裹挟”

王博远:李恪被长孙无忌借房遗爱案诬以谋反致死之因

李恪被长孙无忌借房遗爱案诬以谋反致死,应负直接责任的是李世民。李世民因李治暗弱而生更立李恪之心,最终未下决断。表面原因来看,是废太子李承乾后若再行废立,对李世民自身的损害会是巨大的,甚至能否善终也会成问题。

李世民欲废李治却征求李治的娘舅长孙无忌的意见,这当然不是李世民这等聪明人会做的事情。更合理的解释是,李世民已然作出决定,借询问之机由长孙无忌背书而已。若是决心废李治而更立李恪,是决计不会让长孙氏参与决策的。李恪的母亲是隋炀帝杨广的女儿,若立李恪为太子,则李恪当政后势必会有弘农杨氏外戚进入权力中枢。

继续阅读“王博远:李恪被长孙无忌借房遗爱案诬以谋反致死之因”

王博远:若没有暗弱的李治,便不会有武曌施展的舞台

李恪被长孙无忌借房遗爱案诬以谋反致死,应负直接责任的是李世民。李世民因李治暗弱而生更立李恪之心,最终未下决断。表面原因来看,是废太子李承乾后若再行废立,对李世民自身的损害会是巨大的,甚至能否善终也会成问题。

继续阅读“王博远:若没有暗弱的李治,便不会有武曌施展的舞台”

王博远:历史总是能从不同的角度得到矛盾的观点和结论

高昂战死并没有太大的偶然性,这与高纬处死斛律金一样,能够证明高欢建立的北齐与宇文泰建立的北周采取了完全不同的政治模式。高欢同宇文泰虽然都崛起于六镇之乱,且先后纳入尔朱荣麾下,然而二者所继承的政治遗产却大不相同。

继续阅读“王博远:历史总是能从不同的角度得到矛盾的观点和结论”

王博远:认识问题与解决问题是完全不同的

贾谊所指列可为长太息者,彼时未必只有贾谊一人洞若观火,至少汉文在贾谊历次上书后,一定认识到了问题严重。然而认识到问题严重与具备解决问题的能力是完全不同的概念。

继续阅读“王博远:认识问题与解决问题是完全不同的”