这样的影响力和重要程度,可能连傅里叶本人都大为震惊,尽管在19世纪初提出这种变换的时候,他已经知道自己找到了一件宝物。当时,法国科学院对这项成果的态度有些一言难尽,他们嘉奖了与之相关的公式,但拒绝发表傅里叶的获奖回忆录。
恼怒之下,傅里叶于1822年绕过审查,通过《热解析理论》发布傅里叶变换。两年后,傅里叶以科学院秘书的身份*了回来,并在科学院声誉卓著的期刊上发表了那篇被拒绝的回忆录。
从正式发表到现在,傅里叶变换走过了两个世纪。从历史的角度看,两个世纪不算太长,但新成果总是建立在旧成果的基础上。对傅里叶变换做一番最直接的拆解,我们就能越过它闪亮登场的19世纪,追溯更加遥远的过去。
02 人人都爱微积分谈到傅里叶变换,微积分是一个绕不开的话题。这不仅仅是因为变换式本身涉及积分,还因为傅里叶最初提出这种变换,是为了解这样一个方程——
u(x, t)表示一根金属杆在时刻t,位置x处的温度,常数α则是热扩散率。可以看出,这个方程关注的是温度的变化情况。
以现代人的眼光来看,用导数研究变化是一件顺理成章的事。这当然是因为微积分已经完全进入了我们的生活。然而此前很长一段时间里,学者们往往需要先估算不同时段的平均状态,再推测物体状态的整体变化规律。
微积分诞生于17世纪,恰逢理性时代崛起,一位科学巨匠迎来了他的奇迹之年。当时,躲避瘟疫的牛顿在家乡农场完成了几项震撼世界的物理学研究,在解决这些问题的过程中,他找到了一种先进的数学工具,将极限思想引入针对变化的表达和计算——
在发表之后,微积分也一度深陷争议,只不过这次,争论的最大焦点不是“这个行不行”,而是“这是谁发明的”。在同一时期,另一位科学伟人莱布尼茨从另一条途径找到了相同的方法。从此,“谁才是微积分之父”几乎成了火药桶的引信,一不小心就会引来激烈的争吵。
然而,如果继续了解两人之前的研究,就会发现人类对无穷和极限的兴趣由来已久。到了1656年,沃利斯的《无穷的算术》已经提出了微积分的前身,而费马则在1679年的《论曲线的切线》中提出了和微积分密切相关的重要问题。微积分的诞生呼之欲出,历史很可能同时选择了牛顿和莱布尼茨,这是巧合,也是必然。