Questo si è rivelato essere un argomento piuttosto caldo.
Dopo aver letto la ricca moltitudine di opinioni e interpretazioni buone e diverse e aver lasciato che il problema mi scendesse in testa per un po ', credo di avere un'interpretazione fisica del fenomeno delle frequenze negative. E credo che l'interpretazione chiave qui sia che Fourier sia cieco al tempo. Espandendo ulteriormente questo:
Si è parlato molto della "direzione" della frequenza, e quindi di come può essere + ve o -ve. Mentre le intuizioni generali degli autori affermano che ciò non è perso, questa affermazione è tuttavia incompatibile con la definizione di frequenza temporale, quindi prima dobbiamo definire i nostri termini con molta attenzione. Per esempio:
La distanza è uno scalare (può essere sempre + ve), mentre lo spostamento è un vettore. (ovvero, ha direzione, può essere + ve o -ve per illustrare l'intestazione).
La velocità è uno scalare (può essere solo + ve), mentre la velocità è un vettore. (cioè, ancora una volta, ha una direzione e può essere + ve o -ve).
Quindi con gli stessi token,
- La frequenza temporale è uno scalare, (può essere solo + ve)! La frequenza è definita come numero di cicli per unità di tempo. Se questa è la definizione accettata, non possiamo semplicemente affermare che sta andando in "una direzione diversa". Dopotutto è uno scalare. Invece, dobbiamo definire un nuovo termine: l'equivalente vettoriale della frequenza. Forse la "frequenza angolare" sarebbe la giusta terminologia qui, e in effetti è proprio ciò che misura una frequenza digitale .
Ora, all'improvviso, ci occupiamo di misurare il numero di rotazioni per unità di tempo (una quantità vettoriale che può avere direzione), VS solo il numero di ripetizioni di alcune oscillazioni fisiche.
Pertanto, quando chiediamo l'interpretazione fisica delle frequenze negative, ci chiediamo anche implicitamente come le misure scalari e molto reali del numero di oscillazioni per unità di tempo di alcuni fenomeni fisici come onde su una spiaggia, corrente alternata sinusoidale su un filo, mappare su questa frequenza angolare che ora all'improvviso sembra avere una direzione, in senso orario o antiorario.
Da qui, per arrivare a un'interpretazione fisica delle frequenze negative, è necessario tenere conto di due fatti. Il primo è che, come sottolineato da Fourier, un tono reale oscillatorio con
frequenza temporale scalare, f , può essere costruito aggiungendo due toni complessi oscillatori, con frequenze angolari vettoriali, + w e -w insieme.
cos(ω0t)=eȷω0t+e−ȷω0t2
È fantastico, ma che importa? Bene, i toni complessi ruotano in direzioni opposte. (Vedi anche il commento di Sebastian). Ma qual è il significato delle "direzioni" qui che danno alle nostre frequenze angolari il loro stato vettoriale? Quale quantità fisica si riflette nella direzione di rotazione? La risposta è tempo. Nel primo tono complesso, il tempo viaggia nella direzione + ve, e nel secondo tono complesso, il tempo viaggia nella direzione -ve. Il tempo sta andando indietro.
Tenendo presente questo e prendendo una rapida diversione per ricordare che la frequenza temporale è la prima derivata della fase rispetto al tempo, (semplicemente il cambiamento di fase nel tempo), tutto inizia a prendere posto:
L'interpretazione fisica delle frequenze negative è la seguente:
La mia prima realizzazione è stata che Fourier è agnostico nel tempo . Cioè, se ci pensate, non c'è nulla nell'analisi di Fourier o nella trasformazione stessa che può dirvi quale sia la "direzione" del tempo. Ora, immagina un sistema che oscilli fisicamente (cioè una vera sinusoide, una corrente su un filo) che oscilli ad una certa frequenza temporale scalare, f .
Immagina di 'guardare' lungo questa onda, nella direzione in avanti del tempo mentre progredisce. Ora immagina di calcolare la sua differenza di fase in ogni momento nel tempo che avanzi ulteriormente. Questo ti darà la tua frequenza temporale scalare e la tua freschezza è positiva. Fin qui tutto bene.
Ma aspetta un minuto: se Fourier è cieco al tempo, allora perché dovrebbe considerare la tua onda solo nella direzione del tempo "in avanti"? Non c'è nulla di speciale in quella direzione nel tempo. Pertanto, per simmetria, deve essere considerata anche l'altra direzione del tempo. Quindi ora immagina di "guardare" la stessa onda (cioè indietro nel tempo) e di eseguire lo stesso calcolo delta-fase. Dato che il tempo sta tornando indietro ora e la tua frequenza è di cambiamento di fase / (tempo negativo), la tua frequenza sarà ora negativa!
Ciò che Fourier sta realmente dicendo è che questo segnale ha energia se riprodotto in avanti nel tempo con il bin di frequenza f, ma ANCHE ha energia se riprodotto indietro nel tempo anche se con il bin di frequenza -f. In un certo senso DEVE dirlo perché Fourier non ha modo di "conoscere" quale sia la "vera" direzione del tempo!
Quindi come fa Fourier a catturarlo? Bene, per mostrare la direzione del tempo, una rotazione di qualche tipo deveessere impiegato in modo tale che una rotazione in senso orario si occupa di "guardare" il segnale nella freccia in avanti del tempo, e una rotazione in senso antiorario si occupa di "guardare" il segnale come se il tempo stesse andando indietro. La frequenza temporale scalare che tutti conosciamo dovrebbe ora essere uguale al valore assoluto (ridimensionato) della nostra frequenza angolare vettoriale. Ma come può un punto che indica lo spostamento di un'onda sinusoidale arrivare al suo punto di partenza dopo un ciclo ma allo stesso tempo ruotare attorno a un cerchio e mantenere una manifestazione della frequenza temporale che indica? Solo se gli assi principali di quel cerchio sono composti dalla misurazione dello spostamento di questo punto rispetto alla sinusoide originale e da una sinusoide di 90 gradi. (Questo è esattamente il modo in cui Fourier ottiene il suo seno e le basi del coseno contro cui proietti ogni volta che esegui un DFT!). E infine, come possiamo mantenere separati quegli assi? La "j" garantisce che la grandezza su ciascun asse sia sempre indipendente dalla grandezza sull'altro, poiché i numeri reali e immaginari non possono essere aggiunti per produrre un nuovo numero in entrambi i domini. (Ma questa è solo una nota a margine).
Quindi in sintesi:
La trasformata di Fourier è agnostica nel tempo. Non può dire la direzione del tempo. Questo è al centro delle frequenze negative. Poiché frequenza = cambio di fase / tempo, ogni volta che prendi il DFT di un segnale, Fourier sta dicendo che se il tempo andava avanti, la tua energia si trova sull'asse della frequenza + ve, ma se il tuo tempo andava indietro, la tua energia è situato sull'asse di frequenza -ve.
Come il nostro universo ha dimostrato prima , è proprio perché Fourier non conosce la direzione del tempo, che entrambi i lati della DFT devono essere simmetrici e perché l'esistenza di frequenze negative è necessaria e in effetti molto reale.