Це виявилося досить гарячою темою.
Прочитавши багате безліч добрих і різноманітних думок та інтерпретацій і давши проблемі кипіти в голові якийсь час, я вважаю, що я маю фізичну інтерпретацію явища негативних частот. І я вважаю, що ключове тлумачення тут полягає в тому, що фур’єр сліпий час. Детальніше про це:
Багато говорили про "напрямок" частоти, і, як це може бути + ве або -ве. Хоча загальна думка авторів, яка говорить про те, що це не втрачено, проте це твердження суперечить визначенню часової частоти, тому спочатку ми повинні дуже ретельно визначити наші терміни. Наприклад:
Відстань - скалярна (може бути колись + ве), тоді як переміщення - вектор. (тобто має напрямок, може бути + ve або -ve для ілюстрації заголовка).
Швидкість - скалярна (може бути лише + ве), тоді як швидкість - вектор. (тобто, знову ж таки, має напрямок і може бути + ve або -ve).
Таким чином, тими ж лексемами,
- Тимчасова частота - скалярна (може бути + ве)! Частота визначається як кількість циклів за одиницю часу. Якщо це прийняте визначення, ми не можемо просто стверджувати, що воно йде в іншому напрямку. Це скаляр все-таки. Натомість ми повинні визначити новий термін - векторний еквівалент частоти. Можливо, «кутова частота» була б правильною термінологією тут, і саме це саме те, що вимірює цифрова частота.
Тепер ми раптом перебуваємо в роботі з вимірюванням кількості обертів за одиницю часу (величина вектора, яка може мати напрямок), VS - лише кількість повторень деяких фізичних коливань.
Таким чином, коли ми запитуємо про фізичну інтерпретацію негативних частот, ми також неявно запитуємо про те, як скалярні і дуже реальні вимірювання кількості коливань за одиницю часу якогось фізичного явища, наприклад хвилі на пляжі, синусоїдальний струм змінного струму по дроту, підключіть до цієї кутової частоти, щоб тепер раптом було напрямок, або за годинниковою стрілкою.
Звідси, щоб дійти до фізичної інтерпретації негативних частот, потрібно прислухатися до двох фактів. Перший полягає в тому, що, як вказував Фур'є, коливальний реальний тон зі
скалярною часовою частотою f може бути побудований шляхом додавання двох коливальних складних тонів з векторними кутовими частотами + w і -w разом.
cos(ω0t)=eȷω0t+e−ȷω0t2
Це здорово, але що ж? Ну, складні тони обертаються в напрямках, протилежних один одному. (Див. Також коментар Себастьяна). Але яке значення тут мають "напрямки", які надають нашим кутовим частотам їх векторний статус? Яка фізична величина відображається у напрямку обертання? Відповідь - час. У першому складному тоні час рухається у напрямку + ve, а у другому складному тоні час рухається у напрямку -ve. Час йде назад.
Маючи це на увазі і швидко скориставшись, щоб нагадати, що часова частота є першою похідною фази щодо часу (просто зміна фази з часом), все починає ставати на свої місця:
Фізична інтерпретація негативних частот така:
Першим моїм усвідомленням було те, що фур'є є агностичним часом . Тобто, якщо ви задумаєтесь, то в аналізі фур'є чи самій трансформації немає нічого, що може сказати вам, що таке "напрямок" часу. Тепер уявіть фізично коливальну систему (тобто реальну синусоїду від скажімо, струм по дроту), яка коливається на деякій скалярній часовій частоті, f .
Уявіть, що "дивиться" вниз по цій хвилі в напрямку руху вперед, коли вона прогресує. Тепер уявіть собі обчислити різницю фази в кожен момент часу, коли ви прогресуєте далі. Це дасть вам скалярну часову частоту, і ваша частота позитиву. Все йде нормально.
Але зачекайте хвилину - якщо фур’єр сліпий час, то чому він повинен вважати вашу хвилю лише у напрямку вперед? У цьому напрямку немає нічого особливого в часі. Таким чином, через симетрію слід враховувати й інший напрямок часу. Таким чином, тепер уявіть собі, "дивлячись" на ту саму хвилю (тобто назад у часі), а також виконуючи той же розрахунок дельта-фази. Оскільки час йде назад, а ваша частота змінюється фазою / (негативний час), ваша частота тепер буде негативною!
Що насправді говорить Фур'є, це те, що цей сигнал має енергію, якщо він відтворюється вперед у часі на частоті бін f, але ТАКОЖ має енергію, якщо відтворюється назад у часі, хоча і на частоті бін -f. У певному сенсі ОБОВ'ЯЗКОВО це сказати, тому що фур'є не має можливості «знати», що таке «справжній» напрямок часу!
То як же фур’є захоплює це? Ну, для того , щоб показати напрямок часу, поворот якого - то повиненвикористовуйте так, що обертання за годинниковою стрілкою узгоджується "дивлячись" на сигнал стрілкою вперед, а обертання проти годинникової стрілки - "дивлячись" на сигнал, як би час рухався назад. Скалярна часова частота, з якою ми всі знайомі, тепер повинна дорівнювати (масштабованому) абсолютному значенню нашої кутової частоти вектора. Але як може точка, що означає зміщення синусоїдної хвилі, прийти до своєї початкової точки після одного циклу, але одночасно обертатися навколо кола і підтримувати прояв тимчасової частоти, яку вона позначає? Тільки якщо основні осі цього кола складаються з вимірювання зміщення цієї точки відносно вихідної синусоїди та відключення синусоїди на 90 градусів. (Саме так фур'є отримує синус і косинус, на основі якого ви проектуєте, кожен раз, коли ви виконуєте DFT!). І нарешті, як ми тримаємо ці оси окремо? 'J' гарантує, що величина на кожній осі завжди не залежить від величини на іншій, оскільки реальні та уявні числа не можуть бути додані для отримання нового числа в будь-якій області. (Але це лише бічна нота).
Отже, підсумовуючи:
Перетворення Фур'є є агностичним за часом. Він не може визначити напрямок часу. Це в основі негативних частот. Оскільки частота = зміна фази / час, у будь-який час, коли ви приймаєте сигнал DFT, фур'є говорить, що якщо час йшов вперед, ваша енергія знаходиться на осі частоти + ve, але якщо ваш час рухався назад, ваша енергія розташований на осі частоти -ve.
Як показав наш Всесвіт раніше , саме тому, що Фур'є не знає напрям часу, обидві сторони DFT повинні бути симетричними, і чому існування негативних частот є необхідним і насправді дуже реальним.