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 دالتينوباستخدام تحويلات فورييهو:
أينيرمز إلى مُعامل تحويل فورييه . يمكن تطبيع التحويل بطرق أخرى، وفي هذه الحالة تكون عوامل القياس ثابتة (عادةًأوسيظهر ) في نظرية الالتفاف أدناه. التفافويُعرَّف بما يلي:
في هذا السياق، تشير علامة النجمة إلى عملية الالتفاف، بدلاً من الضرب القياسي. رمز الضرب الموترييُستخدم أحيانًا بدلاً من ذلك.
تنص نظرية الالتفاف على ما يلي: [ 1 ] [ 2 ] : المعادلة 8
( المعادلة 1أ )
تطبيق تحويل فورييه العكسيينتج عنه النتيجة التالية : [ 2 ] : المعادلتان 7 و 10
( المعادلة 1ب )
تنطبق النظرية أيضاً بشكل عام على الدوال متعددة الأبعاد.
الاشتقاق متعدد الأبعاد للمعادلة 1 |
|---|
ضع في اعتبارك الدوالفي فضاء L pباستخدام تحويلات فورييه: أينيشير إلى الناتج الداخلي لـ: و التفافويُعرَّف بواسطة : أيضًا: وبالتالي، وفقًا لنظرية فوبيني، لدينا أنلذا فإن تحويل فورييه الخاص بهيتم تعريفها بواسطة الصيغة التكاملية التالية : لاحظ أن وبالتالي، بناءً على الحجة المذكورة أعلاه، يمكننا تطبيق نظرية فوبيني مرة أخرى (أي تبديل ترتيب التكامل): |
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)
يعتبرالدوال الدورية و والتي يمكن التعبير عنها كمجموعات دورية :
و
عملياً، الجزء غير الصفري من المكوناتوغالباً ما تكون محدودة المدةلكن لا شيء في النظرية يتطلب ذلك.
معاملات متسلسلة فورييه هي:
;\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}}}
أينيرمز إلى تكامل متسلسلة فورييه .
- المنتج:وهو أيضًادورية، ومعاملات متسلسلة فورييه الخاصة بها تُعطى بواسطة الالتفاف المنفصل لـوالتسلسلات:
- الالتفاف: ;\quad \quad \scriptstyle {\text{التكامل على أي فترة طولها }}P\end{aligned}}} هو أيضًا-دوري، ويسمى التفاف دوري .
اشتقاق الالتفاف الدوري |
|---|
تنص نظرية الالتفاف المقابلة على ما يلي :
( المعادلة 2 )
اشتقاق المعادلة 2 |
|---|
دوال المتغير المنفصل (المتتابعات)
وباستخدام اشتقاق مشابه للمعادلة 1، توجد نظرية مماثلة للمتتاليات، مثل عينات من دالتين متصلتين، حيث الآنيرمز إلى مُعامل تحويل فورييه المنفصل زمنيًا (DTFT). لنفترض وجود متتابعتينومع التحويلاتو:
الالتفاف المنفصل لـ ويُعرَّف بما يلي:
نظرية الالتفاف للمتتاليات المنفصلة هي: [ 3 ] [ 4 ] : ص.60 (2.169)
( المعادلة 3 )
الالتفاف الدوري
وكما هو مُعرَّف أعلاه، فهي دورية، ودورتها تساوي 1. لنأخذ في الاعتبار-المتتابعات الدوريةو:
و
تحدث هذه الوظائف نتيجة لأخذ العيناتوعلى فترات منوإجراء تحويل فورييه المنفصل العكسي (DFT) علىالعينات (انظر § أخذ عينات من تحويل فورييه المنفصل ). الالتفاف المنفصل :
وهو أيضًا- دورية، وتسمى التفافًا دوريًا . إعادة تعريفالمشغل كـبالنسبة لـ DFT بطول n، فإن النظرية المقابلة هي: [ 5 ] [ 4 ] : ص 548
( المعادلة 4أ )
وبالتالي:
( المعادلة 4ب )
في ظل الظروف المناسبة، يكون ذلك ممكناًتسلسل بطول يحتوي على جزء خالٍ من التشوه منالالتفاف. ولكن عندما يكون الجزء غير الصفري منأوالتسلسل يساوي أو أطول منبعض التشوه أمر لا مفر منه. هذا هو الحال عندمايتم الحصول على التسلسل عن طريق أخذ عينات مباشرة من تحويل فورييه المنفصل (DTFT) لاستجابة النبضة ذات الطول اللانهائي . [ أ ]
لوالمتتاليات التي لا تقل مدتها عن الصفر عن أو تساويالتبسيط النهائي هو:
( 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).
اشتقاقات المعادلة 4 |
|---|
يتم اشتقاق المعادلة في المجال الزمني على النحو التالي: ويتبع اشتقاق مجال التردد من قسم البيانات الدورية ، والذي يشير إلى أنه يمكن كتابة تحويلات فورييه المنفصلة على النحو التالي: المنتج معوبذلك يتم اختزالها إلى دالة تردد منفصلة: حيث تكافؤوويترتب على ذلك من § أخذ عينات من تحويل فورييه المنفصل . لذلك، فإن تكافؤ (5أ) و(5ب) يتطلب ما يلي: يمكننا أيضًا التحقق من التحويل العكسي لـ DTFT للمعادلة (5ب): |
نظرية الالتفاف لتحويل فورييه العكسي
توجد أيضًا نظرية الالتفاف لتحويل فورييه العكسي:
هنا، "يمثل " ناتج هادامارد ، و"يمثل " عملية التفاف بين المصفوفتين.
لهذا السبب.
نظرية الالتفاف للتوزيعات المعتدلة
تمتد نظرية الالتفاف لتشمل التوزيعات المعتدلة . هنا،هو توزيع معتدل عشوائي:
لكنيجب أن يكون "يتناقص بسرعة" نحوولضمان وجود كل من ناتج الالتفاف وناتج الضرب. أو بصورة مكافئة، إذاهي 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 ثابتةهي دوال عادية سلسة "تنمو ببطء". على سبيل المثال، إذاإذا كانت دالة ديراك مشطية، فإن كلا المعادلتين تعطيان صيغة مجموع بواسون ، وإذا، علاوة على ذلك،هل هذا هو دلتا ديراك؟هو واحد باستمرار وهذه المعادلات تعطي هوية مشط ديراك .
انظر أيضاً
- دالة توليد العزوم لمتغير عشوائي
ملحوظات
- ↑ مثال على ذلك هو دالة MATLAB ، hilbert(u,N) .
مراجع
- ↑ 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.
- 1 2 وايسشتاين، إريك دبليو. "نظرية الالتفاف" . من ماث وورلد - مورد ويب من وولفرام . تم الاسترجاع في 8 فبراير 2021 .
- ↑ 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
- 1 2 أوبنهايم، آلان ف .؛ شيفر، رونالد و .؛ باك، جون ر. (1999). معالجة الإشارات الزمنية المنفصلة ( الطبعة الثانية). أبر سادل ريفر، نيوجيرسي: برنتيس هول. ISBN 0-13-754920-2.
- ↑ رابينر، لورانس ر.؛ جولد، برنارد (1975). نظرية وتطبيق معالجة الإشارات الرقمية . إنجلوود كليفس، نيوجيرسي: برنتيس هول، ص 59 (2.163). ISBN 978-0139141010.
- ↑ 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 .
- ↑ هورفاث، جون (1966). الفضاءات المتجهة الطوبولوجية والتوزيعات . ريدينغ، ماساتشوستس: شركة أديسون-ويسلي للنشر.
- ^ باروس نيتو، خوسيه (1973). مقدمة لنظرية التوزيعات . نيويورك، نيويورك: ديكر.
- ↑ 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:
- محاكاة جامعة جونز هوبكنز المدعومة بلغة جافا : http://www.jhu.edu/signals/convolve/index.html
- نظريات في تحليل فورييه
