Читать книгу Пиксель. История одной точки - - Страница 7

Можно ли было в работе по алгебре 1789 года – той самой, что отвлекла внимание Фурье от Революции, – усмотреть черты будущего великого ученого? Содержались ли в ней предпосылки его великой идеи? Несомненно, работая над ней, он отточил свои математические навыки и достиг, как это называют специалисты, «математической зрелости». Но, к сожалению, о ней практически ничего не известно.

Также неизвестно, когда Фурье впервые использовал концепцию волны, фундаментальную форму, лежащую в основе его великой идеи. Мы знаем лишь, что в 1807 году он изложил ее в работе «О распространении тепла в твердом теле». Волну можно получить, преобразовав идеальную окружность, так что это революционная форма. И она элегантна в своей простоте. Так что у пикселя благородное происхождение.

Чтобы получить наглядное представление о волнах Фурье, давайте начнем с окружности (рис. 1.1). Нам поможет старомодный циферблат аналоговых часов. Кончик секундной стрелки раз за разом пробегает по окружности, отсчитывая одну минуту за другой. Нижнее изображение отличается от верхнего на три секунды.

Большая точка вычерчивает волну. Здесь неплохо бы поместить анимированную картинку, но, поскольку в книге это невозможно, просто представьте, что с течением времени точка движется вправо, как показано стрелкой на оси. Каждому делению на циферблате соответствует аналогичная отметка на оси времени. Теперь представьте, что большая точка связана с кончиком секундной стрелки эластичной линией. С течением времени точка смещается вправо, а проделанный ей путь и есть волна.

Здесь важно понять, как выглядит волна и насколько тесно она связана с равномерным движением по окружности. Детали этой тесной связи не так важны, как само интуитивное понимание, но еще несколько подробностей помогут лучше уяснить и запомнить все это.

Рассмотрим осевую линию на циферблате – линию, соединяющую отметки на 9 часов и 3 часа. Большая точка всегда отмечает текущую высоту кончика секундной стрелки над или под этой линией. В момент, изображенный на верхней иллюстрации (он выбран произвольно), большая точка преодолела уже двадцать три позиции, потому что с начала фиксации прошло двадцать три секунды. С очередным движением секундной стрелки большая точка переместится в следующую позицию на волне. А еще через две секунды мы получим нижнюю иллюстрацию. Так что по мере того, как секундная стрелка снова и снова обегает по кругу циферблат, ее кончик – а точнее, прикрепленная к нему большая точка – движется по волнистой траектории вверх и вниз, вверх и вниз…

Секундная стрелка делает полный оборот за минуту, поэтому волна, нарисованная большой точкой, бесконечно движется вправо. Так же бесконечно она простирается влево. Волна на рисунке, по-видимому, начинается ровно в 12:01 – тоже совершенно случайный выбор, – но подразумевается, что часы вели отсчет времени и раньше, поэтому рисовать волну влево можно, насколько хватит терпения.

Волна на рисунке – это одна из волн Фурье. Сами волны – не его изобретение, но его идея лежит в основе их использования. Эти волны – элементы его музыки. Математики называют такую особенно изящную волну синусоидальной. Поскольку это единственный вид волн, который нам нужен, далее я буду называть его просто волной.

Рис. 1.1

Все, что касается волн Фурье, очень просто, красиво, изящно… идеально. У ученых и инженеров есть официальный термин для систем уравнений, которые Фурье использовал для описания теплового потока в твердом теле, применимый также для его великой музыкальной идеи вообще. Они описывают это как гармонию или «систему гармонических уравнений».

Волны окружают нас всегда и везде. Напряжение электрического тока в любой розетке нашего дома или офиса описывается волной. Из-за этого он даже называется переменным током. Обычно он создается при помощи ротора, вращающегося в постоянном магнитном поле, например на гидроэлектростанции, где ротор приводится в действие потоком воды на плотине. Вращение ротора преобразуется в волну – в переменный ток. В электрическом моторе происходит обратный процесс: волнообразный переменный ток поступает на клеммы электродвигателя, который снова преобразует его во вращательное механическое движение. Так, электрический вентилятор, получив волну изнутри, превращает ее во вращение лопастей снаружи.

Еще одну хорошо знакомую синусоидальную волну можно найти в мире средств массовой информации. Это цифры в названии вашей любимой FM-радиостанции. Мне нравится слушать KCSM Jazz 91,1 выходящую в эфир из Сан-Франциско. Цифра 91,1 обозначает, какая волна выделена для вещания этой радиостанции. Они описывают электромагнитную волну, которую станция использует, чтобы донести свою музыку до радиослушателей.

Хотя все волны Фурье имеют одинаковую форму, они отличаются двумя характеристиками – насколько быстро (это называется частотой) и насколько сильно (это называется амплитудой) происходят колебания. Вернемся к рисунку с часами. Как часто расположены гребни волны, оставленные секундной стрелкой? Она делает один оборот в минуту, так что собственная частота этой волны – один полный волновой цикл в минуту. Цикл – правильное слово. По мере того как секундная стрелка делает полный оборот по циферблату, красная точка, прикрепленная к ее кончику, нарисует полный цикл волны на шкале времени. За один полный оборот получается один волновой цикл.

Кончик минутной стрелки изобразит такую же кривую, но более медленно. Волна минутной стрелки вздымается только один раз в час. Ее частота – один цикл в час, что в шестьдесят раз медленнее, чем у секундной стрелки. Третья волна – волна часовой стрелки. Она имеет самую низкую частоту из трех – один цикл за 12 часов.

Цифра в названии радиостанции KCSM Jazz 91,1 – частота (в миллионах циклов в секунду) радиоволны, которую использует эта станция. А к каждой электрической розетке подведен переменный ток с частотой волны 60 (в США) или 50 (в России и большинстве стран Европы) циклов в секунду.

Волны от секундной, минутной и часовой стрелок отличаются не только частотой, но и амплитудой. Я нарисовал минутную стрелку чуть короче, чем секундную, поэтому гребни ее волн будут немного ниже. Поскольку максимальная высота гребня волны равна ее амплитуде, амплитуда волн минутной стрелки ниже, чем у волн секундной. Часовая стрелка еще короче, поэтому амплитуда ее волны – самая низкая из трех.

Для теории Фурье волна может иметь любую частоту и любую амплитуду, если это синусоидальная волна – развертка окружности. На примере часов мы рассмотрели создание трех таких волн, а рисунок 1.2 показывает еще три изящных по форме синусоидальных волны, отличающихся друг от друга только количеством колебаний и высотой, то есть частотой и амплитудой. Все они имеют одинаковую форму точно так же, например, как и все треугольники. Фигура, чтобы мы назвали ее треугольником, должна иметь три стороны, а волне, чтобы называться волной, достаточно быть разверткой окружности.

Рис. 1.2

Отметим еще одну особенность волн на этом рисунке: по левому краю изображения выровнены разные точки их цикла. Верхняя волна начинается с пика, средняя – с максимального спада, а нижняя – с точки между ними. Если вы сдвинете любую из них влево или вправо, ее частота и амплитуда останутся прежними, но изменится положение относительно других волн. Это важно, потому что для вычислений Фурье нам придется складывать волны. Мы получим разные результаты, если волны будут выровнены по-разному.

Для описания положения волны мы используем слово фаза. Фазы луны отлично описывают, на каком этапе цикла находится луна: полнолуние или новолуние, растущая или убывающая луна между ними. Волна циклична, поэтому у нее тоже есть фазы. На левом краю рисунка 1.2 верхняя волна находится в фазе полнолуния, а средняя – новолуния. Нижняя же волна только начинает убывать. Изменение начальной фазы сдвигает всю волну влево или вправо. Но обратите внимание, что если вы переместите ее на полный цикл, то снова получите исходную волну. Их невозможно будет отличить друг от друга. Таким образом, указания одного места в одном цикле – то есть значения фазы – достаточно, чтобы указать положение всей волны. Для целей Фурье волна может находиться в любой фазе.

Теперь мы можем осознать значимость замечательной идеи Фурье: большую часть информации об окружающем мире – включая все, что мы можем видеть или слышать, а также многое другое – можно описать как сумму таких волн, и больше ничего. Частоты Фурье – это частоты волн из такого описания. Их гармония – это музыка мира. Эта идея поражает масштабностью и противоречит нашей бытовой интуиции, поэтому ее сложно понять и принять. Давайте начнем с музыки – знакомой физической реальности, которая поможет доступнее раскрыть глубочайшую идею Фурье.