Теорема о свёртке гласит, что при подходящих условиях преобразование Фурье свёртки двух функций (или сигналов) является поточечным произведением их преобразований Фурье. В более общем случае свёртка в одной области (например, во временной) равна точечному умножению в другой области (например, в частотной). Другие версии теоремы о свёртке применимы к различным преобразованиям Фурье.
Функции непрерывной переменной
Рассмотрим две функции и с соответствующими преобразованиями Фурье и :
где обозначает оператор преобразования Фурье. Преобразование может быть нормализовано и другим способом, при котором постоянные коэффициенты масштаба (обычно или ) будут фигурировать в теореме о свёртке ниже. Свёртка и определяется как:
В данном контексте звёздочка обозначает свёртку, а не обычное умножение. Вместо этого иногда используется символ тензорного произведения .
Теорема о свёртке утверждает, что[1][2]:ур.8:
| | (Ур. 1a) |
Применение обратного преобразования Фурье даёт следствие[2]:ур.7,10:
Теорема о свёртке где обозначает поточечное произведение |
| | (Ур. 1b) |
Теорема также в общем случае применима к функциям нескольких переменных.
Вывод ур. 1 для функций нескольких переменных
Рассмотрим функции в Lp-пространстве и преобразования Фурье :
где обозначает скалярное произведение в : и
Свёртка и определяется как:
Также:
Отсюда по теореме Фубини следует, что . Поэтому его преобразование Фурье определяется интегральной формулой:
Отметим, что, отсюда по приведённому выше аргументу можно снова применить теорему Фубини (то есть поменять порядок интегрирования):
Эта теорема также справедлива для преобразования Лапласа, двустороннего преобразования Лапласа и, при соответствующей модификации, для преобразования Меллина и преобразования Хартли (см. теорему об инверсии Меллина[англ.]). Она может быть распространена на преобразование Фурье абстрактного гармонического анализа, определённого над локально компактными абелевыми группами.
Периодическая свёртка (коэффициенты ряда Фурье)
Рассмотрим -периодическую функцию и , которые могут быть выражены как периодические суммы:
- и
На практике ненулевая часть компонентов и часто ограничивается продолжительностью , но ничто в теореме этого не требует.
Коэффициенты ряда Фурье:
где обозначает интеграл ряда Фурье.
- Поточечное произведение также -периодично, и его коэффициенты ряда Фурье задаются дискретной свёрткой и :
- Свёртка:
также Р-периодична и называется периодической свёрткой.
Вывод периодической свёртки
Соответствующая теорема свёртки имеет вид:
| | (Ур. 2) |
Функции дискретной переменной (последовательности)
Аналогично ур. 1 выводится теорема для случая последовательностей, например, выборок двух непрерывных функций, где теперь F обозначает оператор дискретно-временного преобразования Фурье (ДВПФ)[англ.]. Рассмотрим две последовательности и с преобразованиями и :
Дискретная свёртка и определяется:
Теорема о свёртке для дискретных последовательностей имеет вид[3][4]:с.60 (2.169):
| | (Ур. 3) |
Периодическая свёртка
и , как определено выше, являются периодическими с периодом 1. Рассмотрим -периодические последовательности и :
- и
Эти функции возникают в результате выборки и с интервалом в и обратного дискретного преобразования Фурье (ДПФ) на N выборках. Дискретная свёртка имеет вид:
она также является -периодической и называется периодической свёрткой. Переопределим оператор как N-значное ДПФ, тогда соответствующая теорема имеет вид[5][4]:с. 548:
| | (Ур. 4a) |
И следовательно:
| | (Ур. 4b) |
При соответствующих условиях возможно, что -значная последовательность содержит не содержащий искажений сегмент свёртки . Но когда ненулевая часть или последовательности равна или длиннее, чем , неизбежны некоторые искажения. Так происходит, когда последовательность 𝑉(𝑘/𝑁) получается путём прямой дискретизации DTFT бесконечно длинного импульсного отклика § Дискретного преобразования Гильберта[A].
Для последовательностей и , ненулевая длина которых меньше или равна , окончательное упрощение имеет вид:
Периодическая свёртка
|
| | (Ур. 4c) |
Эта форма часто используется для эффективной реализации численной свёртки на компьютере. В качестве частичной взаимности было показано[6], что любое линейное преобразование, превращающее свёртку в точечное произведение, является ДПФ (вплоть до перестановки коэффициентов).
Теорема свёртки для обратного преобразования Фурье
Существует также теорема свёртки для обратного преобразования Фурье. Здесь «» представляет собой произведение Адамара, а «» представляет свёртку двух матриц.
так что
Теорема свёртки для обобщённых функций умеренного роста
Теорема о свёртке распространяется на обобщённые функции умеренного роста. Здесь v — произвольная обобщённая функция умеренного роста:
Но должно «быстро убывать» по направлению к и , чтобы гарантировать существование как свёртки, так и её произведения. Эквивалентно, если — гладкая «медленно растущая» обыкновенная функция, то она гарантирует существование как умножения, так и произведения свёрток[7][8][9].
В частности, каждое компактно поддерживаемая обобщённая функция умеренного роста, например, дельта-функция, является «быстро убывающей». Эквивалентно, полосовые функции, такие как функция, которая постоянно равна , являются гладкими «медленно растущими» обычными функциями. Если, например, является гребнем Дирака, то оба уравнения дают формулу суммирования Пуассона[англ.], и если, кроме того, является дельта-функцией, то постоянно равно единице, и эти уравнения дают тождество гребня Дирака.
Замечания
Примечания
- ↑ McGillem, Clare D. Continuous and Discrete Signal and System Analysis / Clare D. McGillem, George R. Cooper. — 2. — Holt, Rinehart and Winston, 1984. — P. 118 (3–102). — ISBN 0-03-061703-0.
- ↑ 1 2 Weisstein, Eric W. Convolution Theorem (англ.). From MathWorld--A Wolfram Web Resource. Дата обращения: 13 апреля 2024. Архивировано 11 июля 2000 года.
- ↑ Proakis, John G.; Manolakis, Dimitri G. (1996), Digital Signal Processing: Principles, Algorithms and Applications (англ.) (3 ed.), New Jersey: Prentice-Hall International, p. 297, Bibcode:1996dspp.book.....P, ISBN 9780133942897, sAcfAQAAIAAJ
- ↑ 1 2 Oppenheim, Alan V. Discrete-time signal processing / Alan V. Oppenheim, Ronald W. Schafer, John R. Buck. — 2nd. — Upper Saddle River, N.J. : Prentice Hall, 1999. — ISBN 0-13-754920-2.
- ↑ Rabiner, Lawrence R. Theory and application of digital signal processing / Lawrence R. Rabiner, Bernard Gold. — Englewood Cliffs, NJ : Prentice-Hall, Inc., 1975. — P. 59 (2.163). — ISBN 978-0139141010.
- ↑ Amiot, Emmanuel. Music through Fourier Space. — Zürich : Springer, 2016. — P. 8. — ISBN 978-3-319-45581-5. — doi:10.1007/978-3-319-45581-5. Архивная копия от 3 июня 2023 на Wayback Machine
- ↑ Horváth, John. Topological Vector Spaces and Distributions. — Reading, MA : Addison-Wesley Publishing Company, 1966.
- ↑ Barros-Neto, José. An Introduction to the Theory of Distributions. — New York, NY : Dekker, 1973.
- ↑ Petersen, Bent E. Introduction to the Fourier Transform and Pseudo-Differential Operators. — Boston, MA : Pitman Publishing, 1983.
Литература
- Katznelson, Yitzhak (1976), An introduction to Harmonic Analysis, Dover, ISBN 0-486-63331-4
- Li, Bing; Babu, G. Jogesh (2019), "Convolution Theorem and Asymptotic Efficiency", A Graduate Course on Statistical Inference, New York: Springer, pp. 295—327, ISBN 978-1-4939-9759-6
- Crutchfield, Steve (October 9, 2010), "The Joy of Convolution", Johns Hopkins University, Дата обращения: 19 ноября 2010