Ini ternyata menjadi topik hangat.
Setelah membaca begitu banyak pendapat dan interpretasi yang baik dan beragam dan membiarkan masalah itu mendidih dalam kepala saya untuk beberapa saat, saya percaya saya memiliki interpretasi fisik dari fenomena frekuensi negatif. Dan saya percaya interpretasi utama di sini adalah bahwa Fourier buta terhadap waktu. Perluas ini lebih lanjut:
Ada banyak pembicaraan tentang 'arah' frekuensi, dan dengan demikian bagaimana bisa + ve atau -ve. Sementara wawasan menyeluruh dari penulis mengatakan ini tidak hilang, pernyataan ini tidak konsisten dengan definisi frekuensi temporal, jadi pertama-tama kita harus mendefinisikan istilah kita dengan sangat hati-hati. Sebagai contoh:
Jarak adalah skalar (hanya bisa + ve), sedangkan perpindahan adalah vektor. (Yaitu, memiliki arah, dapat + ve atau -ve untuk menggambarkan heading).
Kecepatan adalah skalar (hanya bisa + ve), sedangkan kecepatan adalah vektor. (Yaitu, sekali lagi, memiliki arah, dan dapat + ve atau -ve).
Jadi dengan token yang sama,
- Temporal Frequency adalah skalar, (hanya + ve)! Frekuensi didefinisikan sebagai jumlah siklus per satuan waktu. Jika ini adalah definisi yang diterima, kita tidak dapat dengan mudah mengklaim bahwa itu sedang menuju 'arah yang berbeda'. Lagipula itu skalar. Sebagai gantinya, kita harus mendefinisikan istilah baru - vektor yang setara dengan frekuensi. Mungkin 'frekuensi sudut' akan menjadi terminologi yang tepat di sini, dan memang, itulah yang diukur oleh frekuensi digital .
Sekarang tiba-tiba kita berada dalam bisnis pengukuran jumlah rotasi per satuan waktu, (jumlah vektor yang dapat memiliki arah), VS hanya jumlah repitisi dari beberapa osilasi fisik.
Jadi ketika kita bertanya tentang interpretasi fisik frekuensi negatif, kita juga secara implisit bertanya tentang bagaimana skalar dan ukuran nyata dari jumlah osilasi per unit waktu dari beberapa fenomena fisik seperti gelombang di pantai, arus AC sinusoidal melalui kawat, peta ke frekuensi sudut ini yang sekarang tiba-tiba memiliki arah, baik searah jarum jam atau berlawanan arah jarum jam.
Dari sini, untuk sampai pada interpretasi fisik frekuensi negatif, dua fakta perlu diperhatikan. Yang pertama adalah bahwa seperti yang ditunjukkan Fourier, nada real berosilasi dengan
frekuensi temporal skalar, f , dapat dibangun dengan menambahkan dua nada kompleks osilasi, dengan frekuensi sudut vektor, + w dan -w bersamaan.
cos(ω0t)=eȷω0t+e−ȷω0t2
Itu hebat, tapi terus kenapa? Nah, nada kompleks berputar ke arah yang berlawanan satu sama lain. (Lihat juga komentar Sebastian). Tapi apa pentingnya 'arah' di sini yang memberikan frekuensi sudut kita status vektor? Berapa kuantitas fisik yang direfleksikan ke arah rotasi? Jawabannya adalah waktu. Pada nada kompleks pertama, waktu bergerak ke arah + ve, dan pada nada kompleks kedua, waktu bergerak ke arah -ve. Waktu berjalan mundur.
Ingatlah hal ini dan lakukan pengalihan cepat untuk mengingat bahwa frekuensi temporal adalah turunan pertama dari fase sehubungan dengan waktu, (hanya perubahan fase dari waktu ke waktu), semuanya mulai jatuh ke tempatnya:
Interpretasi fisik frekuensi negatif adalah sebagai berikut:
Kesadaran pertama saya adalah bahwa Fourier adalah agnostik waktu . Yaitu, jika Anda memikirkannya, tidak ada dalam analisis fourier atau transformasi itu sendiri yang dapat memberi tahu Anda apa 'arah' waktu. Sekarang, bayangkan sebuah sistem berosilasi fisik (yaitu sinusoid nyata dari katakanlah, arus di atas kawat) yang berosilasi pada beberapa frekuensi temporal skalar, f .
Bayangkan 'melihat' ke bawah gelombang ini, ke arah waktu ke depan saat berlangsung. Sekarang bayangkan menghitung perbedaannya dalam fase di setiap titik waktu Anda maju lebih jauh. Ini akan memberi Anda frekuensi temporal skalar Anda, dan frquency Anda positif. Sejauh ini bagus.
Tapi tunggu sebentar - jika Fourier buta waktu, lalu mengapa itu hanya mempertimbangkan gelombang Anda dalam arah waktu 'maju'? Tidak ada yang istimewa tentang arah waktu itu. Jadi dengan simetri, arah waktu yang lain juga harus dipertimbangkan. Jadi sekarang bayangkan 'melihat' pada gelombang yang sama, (yaitu, mundur dalam waktu), dan juga melakukan perhitungan fase-delta yang sama. Karena waktu akan mundur sekarang, dan frekuensi Anda adalah perubahan fase (waktu negatif), frekuensi Anda sekarang akan negatif!
Apa yang benar-benar dikatakan Fourier, adalah bahwa sinyal ini memiliki energi jika diputar maju dalam waktu pada frekuensi bin f, tetapi JUGA memiliki energi jika diputar mundur dalam waktu meskipun pada frekuensi bin -f. Dalam arti tertentu, HARUS mengatakan ini karena Fourier tidak memiliki cara untuk 'mengetahui' apa arah waktu 'yang sebenarnya'!
Jadi bagaimana Fourier menangkap ini? Nah, untuk menunjukkan arah waktu, suatu rotasi harus dilakukandigunakan sedemikian rupa sehingga roasi searah jarum jam berurusan dengan 'melihat' pada sinyal di panah waktu ke depan, dan roasi berlawanan arah berlawanan memberikan 'melihat' pada sinyal seolah-olah waktu berjalan mundur. Frekuensi temporal skalar yang kita semua kenal sekarang harus sama dengan nilai absolut (skala) dari frekuensi sudut vektor kita. Tetapi bagaimana suatu titik yang menandakan perpindahan gelombang sinusoid sampai pada titik awalnya setelah satu siklus namun secara bersamaan berputar di sekitar lingkaran dan mempertahankan manifestasi frekuensi temporal yang ditandakannya? Hanya jika sumbu utama dari lingkaran itu terdiri dari pengukuran perpindahan titik ini relatif terhadap sinusoid asli, dan sinusoid lepas 90 derajat. (Ini persis bagaimana Fourier mendapatkan basis sinus dan cosinusnya, proyek Anda terhadap setiap kali Anda melakukan DFT!). Dan akhirnya, bagaimana kita menjaga kapak itu terpisah? The 'j' menjamin bahwa magnitudo pada setiap sumbu selalu independen dari magnitudo pada yang lain, karena bilangan real dan imajiner tidak dapat ditambahkan untuk menghasilkan bilangan baru di salah satu domain. (Tapi ini hanya catatan tambahan).
Demikian ringkasannya:
Transformasi fourier adalah agnostik waktu. Itu tidak bisa mengatakan arah waktu. Ini adalah jantung dari frekuensi negatif. Karena frekuensi = fase-perubahan / waktu, kapan saja Anda mengambil DFT dari suatu sinyal, Fourier mengatakan bahwa jika waktu berjalan maju, energi Anda terletak pada sumbu frekuensi + ve, tetapi jika waktu Anda mundur, energi Anda adalah terletak pada sumbu frekuensi -ve.
Seperti yang diperlihatkan alam semesta kita sebelumnya , justru karena Fourier tidak tahu arah waktu, kedua sisi DFT harus simetris, dan mengapa keberadaan frekuensi negatif diperlukan dan pada kenyataannya memang sangat nyata.