Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике , то теорема свертки утверждает , что при подходящих условиях преобразования Фурье из свертки двух функций (или сигналов ) является точечно продукт их преобразований Фурье. В более общем смысле, свертка в одной области (например, во временной области ) равна точечному умножению в другой области (например, в частотной области ). Другие версии теоремы о свертке применимы к различным преобразованиям Фурье .

Функции непрерывной переменной [ править ]

Рассмотрим две функции и с преобразованиями Фурье и :

где обозначает оператор преобразования Фурье . Преобразование может быть нормализовано другими способами, и в этом случае постоянные коэффициенты масштабирования (обычно или ) появятся в теореме свертки ниже. Свертка и определяется :

В этом контексте звездочка обозначает свертку, а не стандартное умножение. Тензорное произведение символ иногда используется вместо этого.

Теорема о свертке утверждает, что : [1] [a]

Применение обратного преобразования Фурье дает следствие : [b]

Теорема свертки

Теорема также обычно применима к многомерным функциям.

Эта теорема справедлива и для преобразования Лапласа , то двустороннее преобразование Лапласа , и, когда соответствующим образом модифицирован, для преобразования Меллина и преобразования Хартли (см Меллина теоремы инверсии ). Его можно расширить до преобразования Фурье абстрактного гармонического анализа, определенного над локально компактными абелевыми группами .

Периодическая свертка (коэффициенты ряда Фурье) [ править ]

Рассмотрим -периодические функции и которые могут быть выражены в виде периодических сложений :

  и  

На практике ненулевая часть компонентов и часто ограничиваются продолжительностью, но ничего в теореме этого не требует. В ряды Фурье коэффициенты :

где обозначает интеграл ряда Фурье . Свертка :

[A]

также является -периодическим и называется периодической сверткой . Соответствующая теорема о свертке :

Функции дискретной переменной (последовательности) [ править ]

По выводу, аналогичному уравнению 1, существует аналогичная теорема для последовательностей, таких как выборки двух непрерывных функций, где теперь обозначает оператор преобразования Фурье в дискретном времени (DTFT). Рассмотрим две последовательности и с преобразованиями и :

§ дискретная свертка из и определяется :

Теорема свертки для дискретных последовательностей : [2] [c]

Периодическая свертка [ править ]

Рассмотрим -периодические последовательности и :

  и  

На практике ненулевая часть компонентов и часто ограничиваются продолжительностью, но ничего в теореме этого не требует. Дискретная свертка :

также является -периодическим и называется периодической сверткой . В этом случае оператор может быть переопределен как гораздо более простое дискретное преобразование Фурье (ДПФ). И соответствующая теорема : [3] [d]

И поэтому :

Для получения и последовательностей, ненулевой длительностью меньше или равно N , окончательное упрощение :

Круговая свертка

Эта форма особенно полезна для реализации числовой свертки на компьютере . (см. § Алгоритмы быстрой свертки ) При определенных условиях подпоследовательность эквивалентна линейной (апериодической) свертке и, что обычно является желаемым результатом. (см. § Пример )

Теорема о свертке для обратного преобразования Фурье [ править ]

Также существует теорема свертки для обратного преобразования Фурье :

так что

Теорема свертки для умеренных распределений [ править ]

Теорема о свертке распространяется на умеренные распределения . Здесь - произвольное умеренное распределение (например, гребешок Дирака )

но должен «быстро уменьшаться» в сторону и для того, чтобы гарантировать существование как свертки, так и произведения умножения. Точно так же, если это гладкая "медленно растущая" обычная функция, она гарантирует существование как произведения умножения, так и произведения свертки. . [4] [5] [6]

В частности, каждое умеренное распределение с компактным носителем, такое как дельта Дирака , «быстро убывает». Эквивалентно, ограниченные по полосе функции , такие как функция, которая постоянно является гладкой "медленно растущей" обычной функцией. Если, например, это гребенка Дирака, оба уравнения дают формулу суммирования Пуассона, а если, кроме того, - дельта Дирака, то она постоянно равна единице, и эти уравнения дают тождество гребенки Дирака .

См. Также [ править ]

  • Момент-Производящая функция из случайной величины

Заметки [ править ]

  1. ^ Доказательство:

Цитирование страниц [ править ]

  1. ^ Weisstein , уравнение (8).
  2. ^ Weisstein , уравнения (7) и (10).
  3. ^ Оппенгейм и Шафера , р 60 (2,169).
  4. Перейти ↑ Oppenheim and Schafer , p 548.

Ссылки [ править ]

  1. ^ МакГиллем, Клэр Д .; Купер, Джордж Р. (1984). Непрерывный и дискретный сигнал и системный анализ (2-е изд.). Холт, Райнхарт и Уинстон. п. 118 (3-102). ISBN 0-03-061703-0.
  2. ^ Proakis, Джон G .; Манолакис, Дмитрий Г. (1996), Цифровая обработка сигналов: принципы, алгоритмы и приложения (3-е изд.), Нью-Джерси: Prentice-Hall International, стр. 297, Bibcode : 1996dspp.book ..... P , ISBN 9780133942897, sAcfAQAAIAAJ
  3. ^ Рабинер, Лоуренс Р .; Золото, Бернард (1975). Теория и применение цифровой обработки сигналов . Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси: Prentice-Hall, Inc. стр. 59 (2,163). ISBN 978-0139141010.
  4. ^ Хорват, Джон (1966). Топологические векторные пространства и распределения . Ридинг, Массачусетс: издательство Addison-Wesley Publishing Company.
  5. Перейти ↑ Barros-Neto, José (1973). Введение в теорию распределений . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Деккер.
  6. ^ Петерсен, Бент Э. (1983). Введение в преобразование Фурье и псевдодифференциальные операторы . Бостон, Массачусетс: Pitman Publishing.
  1. Вайсштейн, Эрик В. "Теорема о свертке" . Материал из MathWorld - веб-ресурса Wolfram . Проверено 8 февраля 2021 года .
  2. Оппенгейм, Алан В .; Шафер, Рональд В .; Бак, Джон Р. (1999). Дискретно-временная обработка сигналов (2-е изд.). Река Аппер Сэдл, штат Нью-Джерси: Prentice Hall. ISBN 0-13-754920-2.  Также доступно на https://d1.amobbs.com/bbs_upload782111/files_24/ourdev_523225.pdf

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Кацнельсон, Ицхак (1976), Введение в гармонический анализ , Dover, ISBN 0-486-63331-4
  • Ли, Бинг; Бабу, Дж. Джогеш (2019), «Теорема свертки и асимптотическая эффективность», Курс для выпускников по статистическому выводу , Нью-Йорк: Springer, стр. 295–327, ISBN 978-1-4939-9759-6
  • Кратчфилд, Стив (9 октября 2010 г.), «The Joy of Convolution» , Университет Джона Хопкинса , получено 19 ноября 2010 г.

Дополнительные ресурсы [ править ]

Для визуального представления использования теоремы свертки в обработке сигналов см .:

  • Университет Джонса Хопкинса «s Java -aided моделирования: http://www.jhu.edu/signals/convolve/index.html