نظرية الالتفاف

في الرياضيات ، تنص نظرية الالتفاف على أنه في ظل شروط معينة، يكون تحويل فورييه للالتفاف بين دالتين (أو إشارتين ) مساويًا لحاصل ضرب تحويلي فورييه لهما. وبشكل أعم، فإن الالتفاف في مجال معين (مثل المجال الزمني ) يساوي الضرب النقطي في المجال الآخر (مثل مجال التردد ). وتُطبق صيغ أخرى من نظرية الالتفاف على تحويلات مختلفة مرتبطة بتحويل فورييه .

دوال المتغير المستمر

لنفترض دالتينu(x){\displaystyle u(x)}وv(x){\displaystyle v(x)}باستخدام تحويلات فورييهيو{\displaystyle U}وV{\displaystyle V}:

يو(و)F{u}(و)=-u(x)هـ-أنا2πوxدx،وRV(و)F{v}(و)=-v(x)هـ-أنا2πوxدx،وR{\displaystyle {\begin{aligned}U(f)&\triangleq {\mathcal {F}}\{u\}(f)=\int _{-\infty }^{\infty }u(x)e^{-i2\pi fx}\,dx,\quad f\in \mathbb {R} \\[1ex]V(f)&\triangleq {\mathcal {F}}\{v\}(f)=\int _{-\infty }^{\infty }v(x)e^{-i2\pi fx}\,dx,\quad f\in \mathbb {R} \end{aligned}}}

أينF{\displaystyle {\mathcal {F}}}يرمز إلى مُعامل تحويل فورييه . يمكن تطبيع التحويل بطرق أخرى، وفي هذه الحالة تكون عوامل القياس ثابتة (عادةً2π{\displaystyle 2\pi }أو2π{\displaystyle {\sqrt {2\pi }}}سيظهر ) في نظرية الالتفاف أدناه. التفافu{\displaystyle u}وv{\displaystyle v}يُعرَّف بما يلي:

ر(x)={u*v}(x)-u(τ)v(x-τ)دτ=-u(x-τ)v(τ)دτ.{\displaystyle r(x)=\{u*v\}(x)\triangleq \int _{-\infty }^{\infty }u(\tau )v(x-\tau )\,d\tau =\int _{-\infty }^{\infty }u(x-\tau )v(\tau )\,d\tau .}

في هذا السياق، تشير علامة النجمة إلى عملية الالتفاف، بدلاً من الضرب القياسي. رمز الضرب الموتري{\displaystyle \otimes }يُستخدم أحيانًا بدلاً من ذلك.

تنص نظرية الالتفاف على ما يلي: [ 1 ] [ 2 ] : المعادلة 8

R(و)F{ر}(و)=يو(و)V(و).وR{\displaystyle R(f)\triangleq {\mathcal {F}}\{r\}(f)=U(f)V(f).\quad f\in \mathbb {R} }   ( المعادلة 1أ )

تطبيق تحويل فورييه العكسيF-1،{\displaystyle {\mathcal {F}}^{-1},}ينتج عنه النتيجة التالية : [ 2 ] : المعادلتان 7 و 10

نظرية الالتفاف

ر(x)={u*v}(x)=F-1{يوV}.{\displaystyle r(x)=\{u*v\}(x)={\mathcal {F}}^{-1}\{U\cdot V\}.}   ( المعادلة 1ب )

تنطبق النظرية أيضاً بشكل عام على الدوال متعددة الأبعاد.

تنطبق هذه النظرية أيضًا على تحويل لابلاس ، وتحويل لابلاس ثنائي الجانب ، وعند تعديلها بشكل مناسب، تنطبق على تحويل ميلين وتحويل هارتلي (انظر نظرية ميلين العكسية ). ويمكن تعميمها على تحويل فورييه للتحليل التوافقي المجرد المعرف على مجموعات أبيلية متراصة محليًا .

الالتفاف الدوري (معاملات متسلسلة فورييه)

يعتبرP{\displaystyle P}الدوال الدوريةuP{\displaystyle u_{_{P}}} و vP،{\displaystyle v_{_{P}},}والتي يمكن التعبير عنها كمجموعات دورية :

uP(x) م=-u(x-مP){\displaystyle u_{_{P}}(x)\ \triangleq \sum _{m=-\infty }^{\infty }u(x-mP)}وvP(x) م=-v(x-مP).{\displaystyle v_{_{P}}(x)\ \triangleq \sum _{m=-\infty }^{\infty }v(x-mP).}

عملياً، الجزء غير الصفري من المكوناتu{\displaystyle u}وv{\displaystyle v}غالباً ما تكون محدودة المدةP،{\displaystyle P,}لكن لا شيء في النظرية يتطلب ذلك.

معاملات متسلسلة فورييه هي:

يو[ك]F{uP}[ك]=1PPuP(x)هـ-أنا2πكx/Pدx،كZ;التكامل على أي فترة زمنية ذات طول PV[ك]F{vP}[ك]=1PPvP(x)هـ-أنا2πكx/Pدx،كZ{\displaystyle {\begin{aligned}U[k]&\triangleq {\mathcal {F}}\{u_{_{P}}\}[k]={\frac {1}{P}}\int _{P}u_{_{P}}(x)e^{-i2\pi kx/P}\,dx,\quad k\in \mathbb {Z} ;\quad \quad \scriptstyle {\text{التكامل على أي فترة طولها }}P\\V[k]&\triangleq {\mathcal {F}}\{v_{_{P}}\}[k]={\frac {1}{P}}\int _{P}v_{_{P}}(x)e^{-i2\pi kx/P}\,dx,\quad k\in \mathbb {Z} \end{aligned}}}

أينF{\displaystyle {\mathcal {F}}}يرمز إلى تكامل متسلسلة فورييه .

  • المنتج:uP(x)vP(x){\displaystyle u_{_{P}}(x)\cdot v_{_{P}}(x)}وهو أيضًاP{\displaystyle P}دورية، ومعاملات متسلسلة فورييه الخاصة بها تُعطى بواسطة الالتفاف المنفصل لـيو{\displaystyle U}وV{\displaystyle V}التسلسلات:F{uPvP}[ك]={يو*V}[ك].{\displaystyle {\mathcal {F}}\{u_{_{P}}\cdot v_{_{P}}\}[k]=\{U*V\}[k].}
  • الالتفاف:{uP*v}(x) -uP(x-τ)v(τ) دτPuP(x-τ)vP(τ) دτ;التكامل على أي فترة زمنية ذات طول P{\displaystyle {\begin{aligned}\{u_{_{P}}*v\}(x)\ &\triangleq \int _{-\infty }^{\infty }u_{_{P}}(x-\tau )\cdot v(\tau )\ d\tau \\&\equiv \int _{P}u_{_{P}}(x-\tau )\cdot v_{_{P}}(\tau )\ d\tau ;\quad \quad \scriptstyle {\text{التكامل على أي فترة طولها }}P\end{aligned}}} هو أيضًاP{\displaystyle P}-دوري، ويسمى التفاف دوري .

تنص نظرية الالتفاف المقابلة على ما يلي :

F{uP*v}[ك]= Pيو[ك] V[ك].{\displaystyle {\mathcal {F}}\{u_{_{P}}*v\}[k]=\ P\cdot U[k]\ V[k].}   ( المعادلة 2 )

دوال المتغير المنفصل (المتتابعات)

وباستخدام اشتقاق مشابه للمعادلة 1، توجد نظرية مماثلة للمتتاليات، مثل عينات من دالتين متصلتين، حيث الآنF{\displaystyle {\mathcal {F}}}يرمز إلى مُعامل تحويل فورييه المنفصل زمنيًا (DTFT). لنفترض وجود متتابعتينu[ن]{\displaystyle u[n]}وv[ن]{\displaystyle v[n]}مع التحويلاتيو{\displaystyle U}وV{\displaystyle V}:

يو(و)F{u}(و)=ن=-u[ن]هـ-أنا2πون،وR،V(و)F{v}(و)=ن=-v[ن]هـ-أنا2πون،وR.{\displaystyle {\begin{aligned}U(f)&\triangleq {\mathcal {F}}\{u\}(f)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }u[n]\cdot e^{-i2\pi fn}\;,\quad f\in \mathbb {R} ,\\V(f)&\triangleq {\mathcal {F}}\{v\}(f)=\sum _{n=-\infty }^{\infty }v[n]\cdot e^{-i2\pi fn}\;,\quad f\in \mathbb {R} .\end{aligned}}}

الالتفاف المنفصل لـ u{\displaystyle u}وv{\displaystyle v}يُعرَّف بما يلي:

ر[ن](u*v)[ن]=م=-u[م]v[ن-م]=م=-u[ن-م]v[م].{\displaystyle r[n]\triangleq (u*v)[n]=\sum _{m=-\infty }^{\infty }u[m]\cdot v[n-m]=\sum _{m=-\infty }^{\infty }u[n-m]\cdot v[m].}

نظرية الالتفاف للمتتاليات المنفصلة هي: [ 3 ] [ 4 ] : ​​ص.60 (2.169)

R(و)=F{u*v}(و)= يو(و)V(و).{\displaystyle R(f)={\mathcal {F}}\{u*v\}(f)=\ U(f)V(f).}   ( المعادلة 3 )

الالتفاف الدوري

يو(و){\displaystyle U(f)}وV(و)،{\displaystyle V(f),}كما هو مُعرَّف أعلاه، فهي دورية، ودورتها تساوي 1. لنأخذ في الاعتبارشمال{\displaystyle N}-المتتابعات الدوريةuشمال{\displaystyle u_{_{N}}}وvشمال{\displaystyle v_{_{N}}}:

uشمال[ن] م=-u[ن-مشمال]{\displaystyle u_{_{N}}[n]\ \triangleq \sum _{m=-\infty }^{\infty }u[n-mN]}وvشمال[ن] م=-v[ن-مشمال]،نZ.{\displaystyle v_{_{N}}[n]\ \triangleq \sum _{m=-\infty }^{\infty }v[n-mN],\quad n\in \mathbb {Z} .}

تحدث هذه الوظائف نتيجة لأخذ العيناتيو{\displaystyle U}وV{\displaystyle V}على فترات من1/شمال{\displaystyle 1/N}وإجراء تحويل فورييه المنفصل العكسي (DFT) علىشمال{\displaystyle N}العينات (انظر §  أخذ عينات من تحويل فورييه المنفصل ). الالتفاف المنفصل :

{uشمال*v}[ن] م=-uشمال[م]v[ن-م]م=0شمال-1uشمال[م]vشمال[ن-م]{\displaystyle \{u_{_{N}}*v\}[n]\ \triangleq \sum _{m=-\infty }^{\infty }u_{_{N}}[m]\cdot v[n-m]\equiv \sum _{m=0}^{N-1}u_{_{N}}[m]\cdot v_{_{N}}[n-m]}

وهو أيضًاشمال{\displaystyle N}- دورية، وتسمى التفافًا دوريًا . إعادة تعريفF{\displaystyle {\mathcal {F}}}المشغل كـشمال{\displaystyle N}بالنسبة لـ DFT بطول n، فإن النظرية المقابلة هي: [ 5 ] [ 4 ] : ​​ص 548

F{uشمال*v}[ك]= F{uشمال}[ك]يو(ك/شمال)F{vشمال}[ك]V(ك/شمال)،كZ.{\displaystyle {\mathcal {F}}\{u_{_{N}}*v\}[k]=\ \underbrace {{\mathcal {F}}\{u_{_{N}}\}[k]} _{U(k/N)}\cdot \underbrace {{\mathcal {F}}\{v_{_{N}}\}[k]} _{V(k/N)},\quad k\in \mathbb {Z} .}   ( المعادلة 4أ )

وبالتالي:

{uشمال*v}[ن]= F-1{F{uشمال}F{vشمال}}.{\displaystyle \{u_{_{N}}*v\}[n]=\ {\mathcal {F}}^{-1}\{{\mathcal {F}}\{u_{_{N}}\}\cdot {\mathcal {F}}\{v_{_{N}}\}\}.}   ( المعادلة 4ب )

في ظل الظروف المناسبة، يكون ذلك ممكناًشمال{\displaystyle N}تسلسل بطول يحتوي على جزء خالٍ من التشوه منu*v{\displaystyle u*v}الالتفاف. ولكن عندما يكون الجزء غير الصفري منu(ن){\displaystyle u(n)}أوv(ن){\displaystyle v(n)}التسلسل يساوي أو أطول منشمال،{\displaystyle N,}بعض التشوه أمر لا مفر منه. هذا هو الحال عندماV(ك/شمال){\displaystyle V(k/N)}يتم الحصول على التسلسل عن طريق أخذ عينات مباشرة من تحويل فورييه  المنفصل (DTFT) لاستجابة النبضة ذات الطول اللانهائي . [ أ ]

لu{\displaystyle u}وv{\displaystyle v}المتتاليات التي لا تقل مدتها عن الصفر عن أو تساويشمال،{\displaystyle N,}التبسيط النهائي هو:

الالتفاف الدائري

{uشمال*v}[ن]= F-1{F{u}F{v}}.{\displaystyle \{u_{_{N}}*v\}[n]=\ {\mathcal {F}}^{-1}\{{\mathcal {F}}\{u\}\cdot {\mathcal {F}}\{v\}\}.}   ( المعادلة 4ج )

يُستخدم هذا الشكل غالبًا لتنفيذ عملية الالتفاف العددي بكفاءة باستخدام الحاسوب . (انظر §  خوارزميات الالتفاف السريع و §  مثال )

كعكس جزئي، فقد تم إثبات [ 6 ] أن أي تحويل خطي يحول الالتفاف إلى منتج هو DFT (حتى تبديل المعاملات).

نظرية الالتفاف لتحويل فورييه العكسي

توجد أيضًا نظرية الالتفاف لتحويل فورييه العكسي:

هنا، "{\displaystyle \cdot }يمثل " ناتج هادامارد ، و"*{\displaystyle *}يمثل " عملية التفاف بين المصفوفتين.

F{u*v}=F{u}F{v}F{uv}=F{u}*F{v}{\displaystyle {\begin{aligned}&{\mathcal {F}}\{u*v\}={\mathcal {F}}\{u\}\cdot {\mathcal {F}}\{v\}\\&{\mathcal {F}}\{u\cdot v\}={\mathcal {F}}\{u\}*{\mathcal {F}}\{v\}\end{aligned}}}

لهذا السبب.

u*v=F-1{F{u}F{v}}uv=F-1{F{u}*F{v}}{\displaystyle {\begin{aligned}&u*v={\mathcal {F}}^{-1}\left\{{\mathcal {F}}\{u\}\cdot {\mathcal {F}}\{v\}\right\}\\&u\cdot v={\mathcal {F}}^{-1}\left\{{\mathcal {F}}\{u\}*{\mathcal {F}}\{v\}\right\}\end{aligned}}}

نظرية الالتفاف للتوزيعات المعتدلة

تمتد نظرية الالتفاف لتشمل التوزيعات المعتدلة . هنا،v{\displaystyle v}هو توزيع معتدل عشوائي:

F{u*v}=F{u}F{v}F{uv}=F{u}*F{v}.{\displaystyle {\begin{aligned}&{\mathcal {F}}\{u*v\}={\mathcal {F}}\{u\}\cdot {\mathcal {F}}\{v\}\\&{\mathcal {F}}\{u\cdot v\}={\mathcal {F}}\{u\}*{\mathcal {F}}\{v\}.\end{aligned}}}

لكنα=F{u}{\displaystyle \alpha =F\{u\}}يجب أن يكون "يتناقص بسرعة" نحو-{\displaystyle -\infty }و+{\displaystyle +\infty }لضمان وجود كل من ناتج الالتفاف وناتج الضرب. أو بصورة مكافئة، إذاu=F-1{α}{\displaystyle u=F^{-1}\{\alpha \}}هي دالة عادية سلسة "بطيئة النمو"، وتضمن وجود كل من ناتج الضرب وناتج الالتفاف. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]

على وجه الخصوص، كل توزيع معتدل ذو دعم مضغوط، مثل دالة ديراك دلتا ، يكون "متناقصًا بسرعة". وبالمثل، فإن الدوال محدودة النطاق ، مثل الدالة التي تكون ثابتة1{\displaystyle 1}هي دوال عادية سلسة "تنمو ببطء". على سبيل المثال، إذاvش{\displaystyle v\equiv \operatorname {\text{Ш}} }إذا كانت دالة ديراك مشطية، فإن كلا المعادلتين تعطيان صيغة مجموع بواسون ، وإذا، علاوة على ذلك،uدلتا{\displaystyle u\equiv \delta }هل هذا هو دلتا ديراك؟α1{\displaystyle \alpha \equiv 1}هو واحد باستمرار وهذه المعادلات تعطي هوية مشط ديراك .

انظر أيضاً

ملحوظات

  1. مثال على ذلك هو دالة MATLAB ، hilbert(u,N) .

مراجع

  1. ماكجيليم، كلير د.؛ كوبر، جورج ر. (1984). تحليل الإشارات والأنظمة المستمرة والمتقطعة ( الطبعة الثانية). هولت، راينهارت ووينستون. ص 118 (3-102). ISBN   0-03-061703-0.
  2. 1 2 وايسشتاين، إريك دبليو. "نظرية الالتفاف" . من ماث وورلد - مورد ويب من وولفرام . تم الاسترجاع في 8 فبراير 2021 .
  3. بروكيس، جون ج.؛ مانولاكيس، ديمتري ج. (1996)، معالجة الإشارات الرقمية: المبادئ والخوارزميات والتطبيقات ( الطبعة الثالثة)، نيو جيرسي: برنتيس هول إنترناشونال، ص 297، رمز Bibcode : 1996dspp.book.....P ، ISBN   9780133942897sAcfAQAAIAAJ
  4. 1 2 أوبنهايم، آلان فشيفر، رونالد و .؛ باك، جون ر. (1999). معالجة الإشارات الزمنية المنفصلة ( الطبعة الثانية). أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول. ISBN  0-13-754920-2.
  5. رابينر، لورانس ر.؛ جولد، برنارد (1975). نظرية وتطبيق معالجة الإشارات الرقمية . إنجلوود كليفس، نيوجيرسي: برنتيس هول، ص 59 (2.163). ISBN  978-0139141010.
  6. أميوت، إيمانويل (2016). الموسيقى عبر فضاء فورييه . علم الموسيقى الحاسوبي. زيورخ: سبرينغر. ص 8. doi : 10.1007/978-3-319-45581-5 . ISBN  978-3-319-45581-5. S2CID 6224021 . 
  7. هورفاث، جون (1966). الفضاءات المتجهة الطوبولوجية والتوزيعات . ريدينغ، ماساتشوستس: شركة أديسون-ويسلي للنشر.
  8. ^ باروس نيتو، خوسيه (1973). مقدمة لنظرية التوزيعات . نيويورك، نيويورك: ديكر.
  9. بيترسن، بنت إي. (1983). مقدمة في تحويل فورييه والمؤثرات التفاضلية الزائفة . بوسطن، ماساتشوستس: دار نشر بيتمان.

للمزيد من القراءة

  • كاتزنيلسون، يتسحاق (1976)، مقدمة في التحليل التوافقي ، دوفر، ISBN 0-486-63331-4
  • لي، بينغ؛ بابو، جي. جوجيش (2019)، "نظرية الالتفاف والكفاءة التقاربية"، دورة دراسات عليا في الاستدلال الإحصائي ، نيويورك: سبرينغر، ص 295-327 ، ISBN  978-1-4939-9759-6
  • كروتشيفيلد، ستيف (9 أكتوبر 2010)، "متعة الالتفاف" ، جامعة جونز هوبكنز ، تم الاطلاع عليه في 19 نوفمبر 2010

مصادر إضافية

للاطلاع على تمثيل مرئي لاستخدام نظرية الالتفاف في معالجة الإشارات ، انظر: