Transformimi i Furierit

Nga testwiki
Kërceni tek navigimi Kërceni tek kërkimi

matematikë, transformimi i Furierit është një metodë që transformon një sinjal në një varg numerik që tregon frekuencat e pranishme në sinjal. Funksioni i ri, i cili është paraqitja e funksionit në fushën e frekuencave të funksionit origjinal, tregon se cila nga frekuencat janë të pranishme në funksionin origjinal. Një analogji e vlefshme është rasti kur njerëzit mund të dëgjojnë se cilat nota luhen kur një violinist luan instrumentin. Pra në thelb, transformimi i Furierit bën dekompozimin e një funksioni në funksione sinusoidale dhe tregon se cila nga këto frekuenca të këtyre sinjaleve është e pranishme në sinjalin që po analizohet.Transformimi i Furierit është shumë i ngjashëm me transformime të tjera në matematikë të cilat së bashku formojnë degën e analizës se Furierit. Në ketë rast specifik, fushat e përcaktimit të funksionit origjinal dhe paraqitja në fushën e frekuencave janë kontinuume të vazhdueshme dhe të pa kufizuara. Termi transformimi i Furierit i referohet paraqitjes së funksionit në fushën e frekuencave ose operatorit/formulës që "transformon" një funksion në një tjetër.

E shprehur më formalisht, transformimi i Furierit transformon një funksion me vlerë komplekse të një ndryshoreje reale në një funksion tjetër. Transformimi i Furierit është një nga teknikat themelore të analizës së Furierit. Kjo teknikë mund të zgjerohet në mënyrë që të përfshijë shumë dimensione. Kjo gjen aplikime direkte në analizimin e imazheve. Aplikimi i transformimit të Furierit tek sinjalet digjitale,çoi në zbulimin e një metode tepër të shpejtë për llogaritjen e tij, e njohur si transformimi i shpejtë i Furierit.

Përcaktimi

Ka disa konvencione të ndryshme për përcaktimin e transformimit të Furierit të një funksioni të integrueshëm f:R . Ky artikull përdor përcaktimin :

f^(ξ):=f(x) e2πixξdx,   per cdo numër real ξ.

Kur ndryshorja e pavarur x paraqet kohën (me njësi SIsekonda), ndryshorja e transformimit ξ paraqet frekuencën (në herc). Në raste të favorshme, f mund te rindërtohet f^ nga transformimi i anasjelltë:

f(x)=f^(ξ) e2πixξdξ,   për çdo numer real x.

Për konvencione të tjera të përdorura shikoni seksionet më poshtë.

Paraqitje e përgjithshme

Stampa:Main

Në studimin e serive të Furierit funksione të komplikuara shkruhen si shuma e funksioneve të thjeshta sinusoidale dhe kosinusoidale. Vetitë e këtyre funksioneve elementare bëjnë të mundur që të shprehim "sasinë" e këtye valëve në funksionin aktual përmes një integrali. Në shumë raste është e dëshirueshme që të përdorim formulën e Ojlerit, e cila pohon se e2πθi=cos(2πθ)+isin(2πθ), në mënyrë që ti shkrujamë seritë e Furierit në terma të këtyre valëve elementare e2πθi. Seritë e Furierit mund të përdoren për të arritur tek transformimi i Furierit në mënyrën e mëposhtme. Supozoni se f është një funksion i cili është zero jashtë një intervali të caktuar [L/2,L/2]. Atëherë për çdo TL mund ta zgjerojmë ƒ në një seri Furieri në intervalin [T/2,T/2], ku "shuma" (e dhene nga cn) e valës e2πinx/T në serinë e Furierit të f jepet nga

f^(n/T)=cn=T/2T/2e2πinx/Tf(x)dx

dhe f duhet të jepet nga formula

f(x)=1Tn=f^(n/T)e2πinx/T.

Po të lëmë ξn=n/T, dhe të lemë Δξ=(n+1)/Tn/T=1/T, atëhere kjo shuma e fundit kthehet ne një shumë Rimaniane

f(x)=n=f^(n/T)e2πixξnΔξ.

Duke lënë T shuma e Rimanit konvergon tek integrali i transformimit të anasjelltë të Furierit i dhënë tek seksioni i përcaktimit. Nën situata të caktuara ky argument jepet në mënyrë preçize. Pra si në rastin e serive te Furierit, transformimi i Furierit mund të mendohet si një funksion që mat sa shumë prej cdo frekuence individuale është e pranishme tek funksioni jonë, rikombinimi i këtyre valëve duke përdorur një integral riprodhon funksionin origjinal.

Figurat e mëposhtme japin një ilustrim sesi transformimi i Furierit matet nëqoftëse frekuenca është e pranishme në një funksion të caktuar. Funksioni i paraqitur f(t)=cos(6πt)eπt2 oshilon me 3 herc (nqs t matet në sekonda) dhe arrin shumë shpejt tek vlera 0. Ky funksion është zgjedhur specifikisht që të ketë një transformim real të Furierit i cili mund të vizatohet. Figura e parë përmban grafin e funksionit. Në mënyrë që të llogarisim f^(3) +duhet të integrojmë e2πi(3t)f(t), Figura e dytë tregon grafet e pjesëve reale dhe imagjinare të funksionit. Pjesa reale e integrantit është pothuajse gjithmonë pozitive, kjo ndodh sepse kur f është negative e2πi(3t) është negative gjithashtu. Meqenëse ato oshilojnë me të njëjtën shpejtësi kur ƒ është pozitive, ashtu eshtë edhe e2πi(3t). Rezultati është që kur behet integrimi i pjesës reale te integrandit merret një numër relativisht i madh (0.5 në këtë rast). Nga ana tjetër, kur përpiqemi të matim një frekuencë q nuk është e pranishme, si në rastin kur shikojmë f^(5), integranti oshilon në mënyrë që vlera e integralit të jete shumë e vogël. Situata e përgjithshme është pak më e komplikuar, por në përgjithësi ky shembull tregon mënyrën se si transformimi i Furierit mat prezencën e një frekuence të caktuar në një funksion f(t).

Vetitë e transformimit të Furierit

Vetitë themelore

Le të marrim funksionet e integrueshme f(x), g(x), dhe h(x) , gjithashtu le të quajmë transformimet e Furierit të tyre me f^(ξ), g^(ξ), dhe h^(ξ) respektivisht. Transformimi i Furierit ka vetitë e mëposhtme themelore Stampa:Harv.

Lineariteti
për çdo numër kompleks a dhe b, nëqoftëse h(x)=af(x)+bg(x), atëherë h^(ξ)=af^(ξ)+bg^(ξ).
Zhvendosja
Për çdo numër real x0, nëqoftëse h(x)=f(xx0) atëherë h^(ξ)=e2πix0ξf^(ξ).
Modulimi
Për çdo numër real ξ0, nëqoftëse h(x)=e2πixξ0f(x), atëherë  h^(ξ)=f^(ξξ0).
Përshkallimi
Për çdo numër real jo-zero a, nëqoftëse h(x)=f(ax), atëherë  h^(ξ)=1|a|f^(ξa).     Për rastin a=1 kjo çon tek vetia e rikthimit-kohor, e cila pohon se: nëqoftëse h(x)=f(x), atëherë  h^(ξ)=f^(ξ).
Konjugimi
Nëqoftëse h(x)=f(x), atëherë  h^(ξ)=f^(ξ).
Ne veçanti, nëqoftëse ƒ është reale, atëherë kemi konditën realef^(ξ)=f^(ξ).
Dhe nëqoftëse ƒ numri është imagjinar, atëhere  f^(ξ)=f^(ξ).
Konvulimi
Nëqoftëse h(x)=(f*g)(x), atëhere   h^(ξ)=f^(ξ)g^(ξ).

Teorema e Plansharelit dhe teorema e Parsevalit

Le të jenë f(x) dhe g(x) funskione të integrueshme, dhe le të jenë f^(ξ) dhe g^(ξ) transformimet e tyre të Furierit. Nqs f(x) dhe g(x) janë të integrueshme në katror, atëhere kemi Teoremën e Parsevalit Stampa:Harv:

f(x)g(x)dx=f^(ξ)g^(ξ)dξ,

ku viza mbi tregon konjugimin kompleks.

Teorema e Plansharelit, e cila është ekuivalente me teoremën e Parsevalit, pohon se Stampa:Harv:

|f(x)|2dx=|f^(ξ)|2dξ.

Teorema e Plansharelit bën të mundur të përcaktojmë transformimin e Furierit për funksione në L2(𝑹), siç përshkruhet tek përgjithësimet më poshtë. Teorema e Plansharelit pohon se trasformimi i Furierit ruan energjinë e madhësisë origjinale të transformuar. Duhet të theksohet se në varësi të autorit këto teorema mund ti gjeni të referuara si teorema e Plansharelit ose si ajo e Parsevalit.

Shikoni artikullin mbi dualitetin e Pontryaginit për një formulim të përgjithshëm të këtij koncepti në kontekstin e grupeve lokale kompakte abeliane.

Formula e mbledhjes e Puasonit

Formula e mbledhjes e Puasonit jep një lidhje midis transformimit të Furierit dhe serive të Furierit. Po të kemi një funksion të integrueshëm f mund të konsiderojmë periodizimin e f të dhënë nga :

f¯(x)=kf(x+k),

ku shuma merret mbi të gjithë bashkësine e numrave të plote k. Formula e mbledhjes e Puasonit lidh seritë e Furierit me f¯ transformimin e Furierit të f. Specifikisht ajo pohon se seritë e Furierit të f¯ janë të dhëna nga:

f¯(x)kf^(k)e2πikx.

Teorema e konvulimit

Teoreme e ndër-korelacionit

Ajgenfunksionet

Transformimi i Furierit në hapësirën Euklidiane

Transformimi i Furierit mund të ekzistojë në çdo numër arbitrar dimensionesh n. Ashtu si në rastin një dimensional ka shumë konvencione, për një funksion të integrueshëm f(x) ky artikull adapton përkufizim:

f^(ξ)=(f)(ξ)=nf(x)e2πixξdx

ku x dhe ξ jane vektorë n-përmasorë, dhe xξ është prodhimi i brendshëm i vektorëve. Prodhimi i brendshëm shkruhet ndonjëherë si x,ξ.

Të gjitha të vetite bazë të përmendur më sipër jane te vlefshme për transformimin e Furierit n-permasor, e njejta gje mund te thuhet per teoremen e Plansharelit dhe teoremen e Parsevalit. Kur funksioni është i integrueshem, transformimi i Furierit eshte i vazhdueshëm dhe ende uniform lema Riemann-Lebesgue mban. Stampa:Harv

Parim i papërcaktueshmërisë

Në përgjithësi, sa më i përqëndruar te jete f(x), aq më e përhapur është transformimi i Furierit f^(ξ) . Në veçanti, vetia e shkallëzimit të transformimit të Furierit mund të shihet si më poshtë: nëse ne "shtrydh" një funksion në përmasën x, transformimi i Furierit tij "zgjerohet" në ξ. Nuk është e mundur që të përqëndrohemi në mënyrë arbitrare si tek një funksion ashtu edhe tek transformimi i Furierit i tij.

Shkëmbimi midis kompaktifikimit te nje funksionit dhe transformimi te Furierit te tij mund të formalizohet në formën e një parimi te papërcaktueshmërisë', dhe formalizohet duke e shikuar një funksion dhe transformimin e Furierit te tij si variabla te konjuguara në lidhje me formen simplektikefushën kohë-frekuencë: nga pikëpamja e transformimeve lineare kanonike, transformimi i Furierit eshte nje rotullim me 90 ° ne fushen kohe-frekuencë, dhe si e tillë ruan formën simplektike.

Supozoni se funksion f(x) është i integrueshem dhe i integrueshem ne katror. Pa humbje te përgjithshme, supozojmë se f(x) është i normalizuar:

|f(x)|2dx=1.

Nga teorema e Plansherelit del që f^(ξ)  është e normalizuar gjithashtu.

Zgjerimi rreth x = 0, mund të matet me dispersionin rreth zero Stampa:Harv përcaktuar nga

D0(f)=x2|f(x)|2dx.

Në terma probabiliteti, kjo është momenti i dytë i |f(x)|2 rreth zero.

Parimi i papërcaktueshmërisë thekson se, në qoftë se f(x) është absolutisht i vazhdueshëm dhe funksionet xf(x) dhe f(x) janë te integrueshme ne katror, atëherë

D0(f)D0(f^)116π2    Stampa:Harv.

Barazisë është arritur vetëm në rastin f(x)=C1eπx2/σ2    (hence   f^(ξ)=σC1eπσ2ξ2  )  , ku σ>0 është arbitrare dhe C1 është e tillë që f është L2 - e normalizuar Stampa:Harv Me fjalë të tjera, ku f është një funksion Gaussian i (normalizuar) , i përqendruar në zero.

Në fakt, kjo pabarazi nënkupton se:

((xx0)2|f(x)|2dx)((ξξ0)2|f^(ξ)|2dξ)116π2

për çdo x0,ξ0  në R  Stampa:Harv.

mekanikën kuantike, funksionet valore te momentit dhe pozicionit janë transformimet Furieri çifte, brenda një faktor të konstantes se Planckut. Me këtë konstante të marrë në konsideratë siç duhet, pabarazia më lart bëhet teorema e parimit të papërcaktueshmërisë e Heisenbergut (Stampa:Harv.

Harmonikat sferike

Problemet e kufizimit

Përgjithësime

Transformimi i Furierit ne hapesira te tjera funksionesh

Transformimi Furier-Stieltjes

Grupe abeliane me kompaktesi lokale

Hapesira lokale kompakte e Hausdorfit

Grupet jo-abeliane

Alternativat

Në terminologjinë e përpunimit të sinjaleve , një funksion (kohor) është një përfaqësim i një sinjali me rezolucion të përsosur kohor,por pa informacion të frekuencave, ndërsa transformimi i Furierit ka rezolucion të përkryer të frekuencave, por nuk ka informacion kohor: madhësia e transformimit te Furierit në një pikë është se sa shumë përmbajtje frekuencash ka, por pozicioni është i dhënë vetëm nga faza (argumenti i transformimit te Furierit në një pikë), dhe valët qendruese nuk janë të lokalizuara në kohë - një valë sinusoidale vazhdon në pafundësi, pa u zvogëluar ne amplitude. Kjo kufizon dobine e transformimit te Furierit për të analizuar sinjalet që janë të lokalizuar në kohë, sidomos tranzientet, apo ndonjë sinjal me interval të fundëm.

Si alternativa të transformimit te Furierit , në analizën kohore të frekuencave, përdoren transformime kohë-frekuencë për të përfaqësuar sinjale në një formë që ka disa të dhëna në fushën kohore dhe disa informacione të frekuencave - nga parimi i papërcaktueshmersie. Këto transformime janë përgjithësimet te transformimit te Furierit , të tilla si transformimi i Furierit në kohë të shkurtër ose transformimi fraksional i Furierit , ose mund të përdorni funksione të ndryshme për të përfaqësuar sinjale, si valëzat dhe shndërrimet çirplet, për valëzat analogja me transformimin e (vazhdueshëm) të Furierit është transformimi i vazhdueshëm i valëzave.

Aplikimet

Analiza e ekuacioneve diferenciale

NMR, FT-IR dhe MRI

Konvencione te tjera

Ekzistojne tre konvencione te zakonshme per percaktimin e transformimit te Furierit. Transformimi i Furierit zakonisht shkruhet ne terma te frekuencës këndore:   ω=2πξ njesite e se ciles jane radian per sekonda.

Zevendesimi ξ=ω/(2π) ne formulen me lart jep konvencionin :

f^(ω)=nf(x)eiωxdx

Nen kete konvencion, transformimi i anasjelltë bëhet:

f(x)=1(2π)nnf^(ω)eiωxdω.

Ne ndryshim nga konvencioni i perdorur ne kete artikull , kur transformimi i Furierit percaktohet ne kete menyre nuk eshte me e mundur te paraqitet si nje transformim unitarL2(𝑹n). Gjithashtu ka me pak simetri midis formules se transformimit dhe inversit te saj.

Nje sistem tjeter percaktimi eshte kur ndajme faktorin (2π)n ne menyre te njejte midis transformimit Thurje dhe të anasjelltit të tij , gje e cila jep percaktimin :

f^(ω)=1(2π)n/2nf(x)eiωxdx
f(x)=1(2π)n/2nf^(ω)eiωxdω.

Nen kete konvencion transfomimi i Furierit eshte prape nje transformim unitarL2(𝑹n). Kjo rikthen simetrine midis transformimit te Furierit dhe inversit te tija.


Nje permbledhje e formave popullore per transfomimin e Furierit

Frekuenca
e zakonshme ξ
(hertz)
Unitare f^1(ξ) =def nf(x)e2πixξdx=f^2(2πξ)=(2π)n/2f^3(2πξ)

f(x)=nf^1(ξ)e2πixξdξ 


Frekuenca
kendore ω
(rad/s)
Jo-unitare f^2(ω) =defnf(x)eiωxdx =f^1(ω2π)=(2π)n/2 f^3(ω)

f(x)=1(2π)nnf^2(ω)eiωxdω 

Unitare f^3(ω) =def 1(2π)n/2nf(x) eiωxdx=1(2π)n/2f^1(ω2π)=1(2π)n/2f^2(ω)

f(x)=1(2π)n/2nf^3(ω)eiωxdω 

Tabela me transformime te rendesishme te Furierit

Tabelat e meposhtme japin disa nga format e mbyllura te transformimit te Furierit. Per funksionet f(x) , g(x) dhe h(x) transformimet e Furirit jane te dhena nga f^, g^, dhe h^ respektivisht. Vetem tre konvencionet me te zakonshme jane te perfshira.

Funksione, katrori i se cilave eshgte i integrueshem

Funksioni Transformimi i Furierit
unitar, Frekuenca kendore
Transformimi i Furierit
unitar, frekuenca e zakonshme
Transformimi i Furierit
jo-unitar, Frekuenca kendore
Shenime
f(x) f^(ξ)=

f(x)e2πixξdx

f^(ω)=

12πf(x)eiωxdx

f^(ν)=

f(x)eiνxdx

201 rect(ax) 1|a|sinc(ξa) 12πa2sinc(ω2πa) 1|a|sinc(ν2πa) Pulsi rektangular dhe Funksioni sink i normalizuar, i percaktuar ketu si sinc(x)=sin(πx)/(πx)
202 sinc(ax) 1|a|rect(ξa) 12πa2rect(ω2πa) 1|a|rect(ν2πa) Duali i rregullit 201. Funksioni drejtkendesh eshte nje filter i frekuencave te ulta, dhe funksioni sink eshte pergjigjja impulsive jokauzale e nje filteri te tille.
203 sinc2(ax) 1|a|tri(ξa) 12πa2tri(ω2πa) 1|a|tri(ν2πa) Funksioni tri(x) eshte funksioni trekendesh
204 tri(ax) 1|a|sinc2(ξa) 12πa2sinc2(ω2πa) 1|a|sinc2(ν2πa) Ligji dual i rregullit 203.
205 eaxu(x) 1a+2πiξ 12π(a+iω) 1a+iν Funksioni u(x) eshte Funksioni shkalle Heaviside dhe a>0.
206 eαx2 παe(πξ)2α 12αeω24α παeν24α Kjo tregon se , per transfromimet unitare te Furierit, Funksioni Gausian eαx2 eshte transformimi i Furierit i vetvetes per nje zgjedhje te α. Per kete qe te jete e integrueshme duhet te kemi Re(α)>0.
207 ea|x| 2aa2+4π2ξ2 2πaa2+ω2 2aa2+ν2 Per a>0.
208 Jn(x)x 2in(i)nUn1(2πξ)

   14π2ξ2rect(πξ)

2πin(i)nUn1(ω)

   1ω2rect(ω2)

2in(i)nUn1(ν)

   1ν2rect(ν2)

Funksionet Jn(x) janë funksionet e Beselit të rendit n të llojit të parë. Funksionet Un(x) jane Polinomet e Çebishevit te rendit te dyte. Shiko 315 dhe 316 poshte.
209 sech(ax) πasech(π2aξ) 1aπ2sech(π2aω) πasech(π2aν) Sekanti hiperbolik eshte transformimi i Furierit i vetvetes

Shih edhe

Lidhje te jashtme