讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉(外文名:Joseph Fourier,以下簡稱:傅里葉)法國數學家、物理學家,1768年3月21日出生于法國中部的歐塞爾市。提出傅里葉級數,并將其應用于熱傳導理論與振動理論。他被歸功為溫室效應的發現者。
傅里葉8歲時,雙親亡故被交給教會撫養,后進入軍校讀書。1795年任巴黎綜合工科大學助教,1798年隨拿破侖軍隊遠征埃及,受到拿破侖·波拿巴器重,回國后被任命為格倫諾布爾省省長,由于對熱傳導理論的貢獻于1817年當選為巴黎科學院院士,1822年成為科學院終身秘書,后又任法蘭西學院終身秘書和理工科大學校務委員會主席,敕封為男爵。1830年5月16日,在巴黎去世,時年63歲。
讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉主要貢獻是在研究《熱的傳播》和《熱的分析理論》,創立一套數學理論,對19世紀的數學和物理學的發展都產生了深遠影響。
人物生平
早年經歷
1768年3月21日,讓·巴普蒂斯·約瑟夫·傅里葉生于法國奧塞爾小鎮。8歲時,傅里葉便雙親亡故,后被交給教會撫養。由于法國處在特殊的歷史時期,天主教本篤會把傅里葉送往鎮上的軍校。在軍校讀書時,傅里葉表現出對數學的特殊愛好,立志于成為一個在法國的炮兵,卻被法國當局拒絕。但幸運的是軍校給了他數學教授的職位。
1789年,巴黎出現了小波動,熱心的市民攻占了巴士底獄。傅里葉的研究計劃中斷,他回到母校執教。后積極投身到法國大革命中,因給旁人說情,傅里葉被投入監獄。出獄后,傅里葉曾短暫的到巴黎師范學校學習,他展示出的數學才華給人留下了深刻印象。并因此被招進巴黎理工學院擔任助教,幫助加斯帕爾·蒙日和約瑟夫·拉格朗日進行數學教學。
工作經歷
1795年,巴黎綜合理工學院成立(現稱:巴黎綜合理工學院),傅里葉作為數學家被招進學校。1798年,加斯帕德-蒙日推薦傅里葉與自己一道,和拿破侖·波拿巴麾下的士兵觀光團一起遠游埃及。一起同行的有一百多名學者,其中包括21位數學家。蒙日在埃及籌建了埃及研究院,并且親自擔任院長,傅里葉則擔任埃及研究院秘書并進行外交活動,不久之后還擔任——下埃及總督,管理開羅以北的尼羅河三角洲區域。 1801年,傅里葉回到法國。被任命為格勒諾布爾的高級官員。任期間提高民眾文化水平,還開拓道路、填平沼池。1808年,傅里葉被拿破侖授予男爵稱號。1816年,傅里葉被提名為法國科學院成員。次年,成為科學院成員。1822年,科學院終身秘書的職位。1826年又被選為法蘭西學院院士,隨即又被倫敦皇家自然知識促進學會選為外國會員,1829年獲得彼得堡科學院名譽院士。1830年5月16日,傅里葉在巴黎去世。
個人生活
傅里葉的父親是鎮上的裁縫。
主要貢獻
1822年傅里葉完成了《熱的解析理論》,從而解決了熱在非均勻加熱的固體中分布傳播問題,成為分析學在物理學中應用的最早例證之一。傅里葉級數由此誕生,傅里葉級數可以理解為一種信號分解技術,它將目標信號分解成不同頻率的子信號從而減小信號處理的難度并完成信號的處理工作,在物理學的許多分支中獲得廣泛應用。
相關理論
傅立葉定律
傅立葉定律是傳熱學中的一個基本定律。文字表述:在導熱現象中,單位時間內通過給定截面的熱量,正比例于垂直于該界面方向上的溫度變化率和截面面積,而熱量傳遞的方向則與溫度升高的方向相反。
傅里葉定律用熱流密度q表示時形式如下:
q=-λ(dt/dx) ,可以用來計算熱量的傳導量。
相關的公式如下:
Φ=-λA(dt/dx)
q=-λ(dt/dx)——其中Φ為導熱量,單位為W;λ為導熱系數,w/(m*k) ;A為傳熱面積,單位為m^2;t為溫度,單位為K;x為在導熱面上的坐標,單位為m;q是沿x方向傳遞的熱流密度(嚴格地說熱流密度是向量,所以q應是熱流密度矢量在x方向的分量)單位為W/m^2;dt/dx是物體沿x方向的溫度梯度,即溫度變化率。
一般形式的數學表達式:q=-λgradt=-λ(dt/dx)n
式中:gradt是空間某點的溫度梯度(temperature gradient);n是通過該點的等溫線上的法向單位矢量,指溫度升高的方向。上述式中負號表示傳熱方向與溫度梯度方向相反,λ表征材料導熱性能的物性參數(λ越大,導熱性能越好)
以上信息參考資料:
傅立葉變換
傅立葉變換能將滿足一定條件的某個函數表示成三角函數(正弦和/或余弦函數)或者它們的積分的線性組合。在不同的研究領域,傅立葉變換具有多種不同的變體形式,如連續傅立葉變換和離散傅立葉變換。最初傅立葉分析是作為熱過程的解析分析的工具被提出的。
定義:f(t)滿足傅立葉積分定理條件時,下圖①式的積分運算稱為f(t)的傅立葉變換,②式的積分運算叫做F(ω)的傅立葉逆變換。F(ω)叫做f(t)的象函數,f(t)叫做F(ω)的象原函數。
應用:傅立葉變換在物理學、電子類學科、數論、組合數學、信號處理、概率論、統計學、密碼學、聲學、光學、海洋學、結構動力學等領域都有著廣泛的應用(例如在信號處理中,傅立葉變換的典型用途是將信號分解成幅值分量和頻率分量)。
傅立葉級數
傅立葉級數是一種特殊的三角級數。法國數學家傅立葉在研究偏微分方程的邊值問題時提出。從而極大地推動了偏微分方程理論的發展。在中國,程民德最早系統研究多元三角級數與多元傅立葉級數。他首先證明多元三角級數球形和的唯一性定理,并揭示了多元傅立葉級數的里斯、博赫納球形平均的許多特性。傅立葉級數曾極大地推動了偏微分方程理論的發展。在數學物理以及工程中都具有重要的應用。
傅立葉級數的公式給定一個周期為T的函數x(t),那么它可以表示為級數:
(j為虛數單位)(1)
其中,可以按下式計算:(2)
注意到是周期為T的函數,故k 取不同值時的周期信號具有諧波關系(即它們都具有一個共同周期T)。k=0時,(1)式中對應的這一項稱為直流分量,時具有基波頻率,稱為一次諧波或基波,類似的有二次諧波,三次諧波等等。
熱的解析理論
《熱的解析理論》主要研究各種類型的物體中的熱傳導問題,其基本思想是物理問題數學化,書中的原創思想“傅里葉級數”“傅里葉變換”成為了理解現實世界的工具。傅里葉在書中提出,任何“函數”都可用“正弦函數”和“余弦函數”疊加構成的“級數”來表示,通過傅里葉變換能夠對“數”和“圖”進行轉換。
相關著作
所獲榮譽
參考資料:
人物紀念
小行星10101號命名為傅立葉,他也是名字被刻在埃菲爾鐵塔的七十二位法國科學家與工程師的其中一位。
2024年3月23日,在2024年世界氣象日當日,中國氣象發布氣象日特別策劃《誰是第一個發現全球變暖的人?》科普視頻,其中認為1820年,傅里葉雖然沒有得出明確結論,但發現地球比預期溫暖。國際科學界也將1820年認為是對氣候變化研究的緣起之年。
參考資料 >
埃菲爾鐵塔上的數學家.中科院高能物理研究所官方.2024-03-23
歷史上的今天 | 法國著名學者傅里葉誕辰.搜狐歷史.2024-03-23
校園生活 | 偉大的數學家“傅里葉”.微信公眾平臺.2024-03-23
傅立葉定律.中華自然科學網.2024-03-23
使用“美顏”時應感謝200多年前的他,中科院院士湯濤抖音導讀傅里葉名著.千龍網.2024-03-23
熱的解析理論.豆瓣讀書.2024-03-23
再看傅里葉和他的變換的故事.微信公眾平臺.2024-03-23
氣象日特別策劃:誰是第一個發現全球變暖的人? 答案是……|手繪氣象 #春風十里氣象日等你.今日頭條.2024-03-23