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.
Следовательно , по теореме Фубини имеет , что так ее преобразование Фурье определяются интегральной формулой :
Обратите внимание, что и, следовательно, с помощью приведенного выше аргумента мы можем снова применить теорему Фубини (т.е. поменять порядок интегрирования) :
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 :
( Уравнение 2 )
Вывод уравнения 2
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]
( Уравнение 3 )
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]
( Ур. 4а )
И поэтому :
( Ур. 4b )
Для получения и последовательностей, ненулевой длительностью меньше или равно N , окончательное упрощение :
Круговая свертка
( Уравнение 4c )
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 )
Вывод уравнения 4
Вывод во временной области происходит следующим образом :
Вывод в частотной области следует из § Периодические данные , которые указывают, что DTFT могут быть записаны как :
Таким образом, произведение с сводится к дискретно-частотной функции :
где эквивалентность и следует из § Выборка ДВПФ . Следовательно, эквивалентность (5a) и (5b) требует:
Мы также можем вычислить обратное ДВПФ для (5b) :
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 ]
^ Доказательство:
Цитирование страниц [ править ]
^ Weisstein , уравнение (8).
^ Weisstein , уравнения (7) и (10).
^ Оппенгейм и Шафера , р 60 (2,169).
Перейти ↑ Oppenheim and Schafer , p 548.
Ссылки [ править ]
^ 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.
^ 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
^ 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.
^ Хорват, Джон (1966). Топологические векторные пространства и распределения . Ридинг, Массачусетс: издательство Addison-Wesley Publishing Company.
Перейти ↑ Barros-Neto, José (1973). Введение в теорию распределений . Нью-Йорк, Нью-Йорк: Деккер.
^ Петерсен, Бент Э. (1983). Введение в преобразование Фурье и псевдодифференциальные операторы . Бостон, Массачусетс: Pitman Publishing.
Вайсштейн, Эрик В. "Теорема о свертке" . Материал из MathWorld - веб-ресурса Wolfram . Проверено 8 февраля 2021 года .
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