Twierdzenie o inwersji Fouriera

W matematyce twierdzenie o odwróceniu Fouriera mówi, że dla wielu typów funkcji możliwe jest odzyskanie funkcji z jej transformaty Fouriera . Intuicyjnie można to postrzegać jako stwierdzenie, że znając wszystkie częstotliwości i fazie fali, możemy dokładnie zrekonstruować pierwotną falę.

że jeśli mamy funkcję spełniającą pewne warunki i Fouriera

Następnie

Innymi słowy, twierdzenie mówi, że

To ostatnie równanie nosi nazwę twierdzenia całkowego Fouriera .

Innym sposobem wyrażenia twierdzenia jest to, że jeśli operatorem odwrócenia, tj. , zatem

Twierdzenie to obowiązuje, jeśli zarówno jego transformata Fouriera są absolutnie całkowalne (w sensie Lebesgue'a ) i są ciągłe w punkcie Jednak nawet w bardziej ogólnych warunkach zachowują się wersje twierdzenia o inwersji Fouriera. W takich przypadkach powyższe całki mogą nie być zbieżne w zwykłym sensie.

Oświadczenie

W tej sekcji zakładamy, że funkcją ciągłą. Użyj transformaty Fouriera

Ponadto zakładamy, że transformata Fouriera jest również całkowalna.

Odwrotna transformata Fouriera jako całka

Najczęstszym stwierdzeniem twierdzenia o inwersji Fouriera jest stwierdzenie, że transformata odwrotna jest całką. Dla dowolnej funkcji całkowalnej wszystkich zestawów

Wtedy dla wszystkich mamy

Twierdzenie całkowe Fouriera

Twierdzenie można przekształcić jako

Jeśli f jest wartością rzeczywistą, to biorąc rzeczywistą część każdej strony powyższego, otrzymujemy

Transformacja odwrotna pod względem operatora odwracania

Dla dowolnej funkcji zdefiniuj operatora odwracania przez

Wtedy możemy zamiast tego zdefiniować

Z definicji transformaty Fouriera i operatora odwracania wynika bezpośrednio, że zarówno i pasują do definicja , sobie równe .

fa mamy i ^

Dwustronny odwrotny

Postać twierdzenia o inwersji Fouriera, o którym mowa powyżej, jest powszechna

Innymi słowy, Fouriera. Jednak jest to również prawo odwrotne do transformaty Fouriera, tj

Ponieważ tak podobny do , wynika to bardzo z twierdzenia o inwersji ):

Alternatywnie, można to zobaczyć na podstawie relacji między operatorem odwracania i łącznością składu funkcji , ponieważ

Warunki dotyczące funkcji

W fizyce i inżynierii twierdzenie o inwersji Fouriera jest często używane przy założeniu, że wszystko „zachowuje się ładnie”. W matematyce takie argumenty heurystyczne są niedozwolone, a twierdzenie o odwróceniu Fouriera zawiera wyraźną specyfikację tego, jaka klasa funkcji jest dozwolona. Jednak nie ma „najlepszej” klasy funkcji do rozważenia, więc istnieje kilka wariantów twierdzenia o inwersji Fouriera, aczkolwiek z zgodnymi wnioskami.

funkcje Schwartza

Twierdzenie o odwróceniu Fouriera obowiązuje dla wszystkich funkcji Schwartza (z grubsza mówiąc, gładkich funkcji, które szybko się rozpadają i których wszystkie pochodne szybko się rozpadają). Warunek ten ma tę zaletę, że jest to elementarne bezpośrednie stwierdzenie dotyczące funkcji (w przeciwieństwie do nakładania warunku na jej transformatę Fouriera), a całka definiująca transformatę Fouriera i jej odwrotność są całkowicie całkowalne. Ta wersja twierdzenia jest używana w dowodzie twierdzenia o inwersji Fouriera dla rozkładów temperowanych (patrz poniżej).

Funkcje całkowalne z całkowalną transformatą Fouriera

absolutnie całkowalne (tj. absolutnie całkowalną transformatą Fouriera Obejmuje to wszystkie funkcje Schwartza, więc jest ściślejszą formą twierdzenia niż poprzednia wspomniana. Ten warunek jest użyty powyżej w sekcji instrukcji .

Niewielkim wariantem jest porzucenie warunku, że funkcja ale nadal wymaga, aby ona i jej transformata Fouriera były całkowicie całkowalne. Wtedy prawie wszędzie , gdzie g jest funkcją ciągłą i dla każdego .

Funkcje całkowalne w jednym wymiarze

Kawałki gładkie; jeden wymiar

Jeśli funkcja jest absolutnie całkowalna w jednym wymiarze ( to wersja twierdzenia o inwersji Fouriera posiada. W tym przypadku definiujemy

Wtedy dla wszystkich

tj. równa się średniej lewej i prawej granicy w . W punktach, w których równa się to po prostu .

Wyższa wymiarowa analogia tej formy twierdzenia również się utrzymuje, ale według Follanda (1992) jest „raczej delikatna i niezbyt użyteczna”.

Fragmentarycznie ciągły; jeden wymiar

Jeśli funkcja jest absolutnie całkowalna w jednym wymiarze ( twierdzenia o inwersji Fouriera nadal trzyma. W tym przypadku całka w odwrotnej transformacie Fouriera jest definiowana za pomocą gładkiej, a nie ostrej funkcji odcięcia; konkretnie określamy

Konkluzja twierdzenia jest zatem taka sama, jak w omówionym powyżej przypadku odcinkowo gładkim.

Ciągły; dowolna ilość wymiarów

Jeśli jest ciągła i absolutnie całkowalna na to twierdzenie o odwróceniu Fouriera nadal obowiązuje, o ile ponownie zdefiniujemy transformatę odwrotną za pomocą gładkiej funkcji tj

Wniosek jest teraz po prostu taki, że dla wszystkich

; dowolna ilość wymiarów

Jeśli odrzucimy wszystkie założenia dotyczące (fragmentarycznie) ciągłości jedynie, że jest ona całkowicie całkowalna, wówczas wersja twierdzenia nadal obowiązuje. Transformata odwrotna jest ponownie definiowana z gładkim odcięciem, ale z wnioskiem, że

dla prawie każdego

Kwadratowe funkcje całkowalne

W tym przypadku transformata Fouriera nie może być zdefiniowana bezpośrednio jako całka, ponieważ może nie być absolutnie zbieżna, więc zamiast tego jest definiowana przez argument gęstości (patrz artykuł o transformacji Fouriera ). Na przykład stawianie

fa fa do - norma. Transformatę odwrotną można zdefiniować za pomocą gęstości w ten sam sposób lub definiując ją za pomocą transformaty Fouriera i operatora odwracania. Mamy wtedy

w normie średniokwadratowej . W jednym wymiarze (i tylko w jednym) można też pokazać, że jest zbieżny dla prawie każdego x ∈ℝ - to jest twierdzenie Carlesona , ale znacznie trudniejsze do udowodnienia niż zbieżność w normie średniokwadratowej.

Rozkłady temperowane

Transformatę Fouriera można zdefiniować w przestrzeni rozkładów temperowanych przez dualność transformaty Fouriera w przestrzeni funkcji Schwartza. W szczególności dla i dla wszystkich funkcji testowych ustawiamy

gdzie jest zdefiniowany za pomocą wzoru całkowego. fa to zgadza się ze zwykłą definicją. Możemy zdefiniować transformatę odwrotną , albo przez dualność z odwrotnej transformacji na funkcjach Schwartza w ten sam sposób, albo przez zdefiniowanie jej w kategoriach operatora odwracania (gdzie operator odwracania jest zdefiniowany przez dualność). Mamy wtedy

Związek z szeregiem Fouriera

Twierdzenie o inwersji Fouriera jest analogiczne do zbieżności szeregu Fouriera . W przypadku transformaty Fouriera mamy

Zamiast tego mamy szereg Fouriera

W szczególności w jednym wymiarze, od do .

Aplikacje

Niektóre problemy, takie jak pewne równania różniczkowe, stają się łatwiejsze do rozwiązania po zastosowaniu transformaty Fouriera. W takim przypadku rozwiązanie pierwotnego problemu jest odzyskiwane przy użyciu odwrotnej transformaty Fouriera.

W zastosowaniach transformaty Fouriera twierdzenie o inwersji Fouriera często odgrywa kluczową rolę. W wielu sytuacjach podstawową strategią jest zastosowanie transformaty Fouriera, wykonanie pewnej operacji lub uproszczenia, a następnie zastosowanie odwrotnej transformaty Fouriera.

Mówiąc bardziej abstrakcyjnie, twierdzenie o odwróceniu Fouriera jest stwierdzeniem o transformacie Fouriera jako operatorze (patrz transformata Fouriera w przestrzeniach funkcyjnych ). Na przykład twierdzenie o odwróceniu Fouriera na pokazuje, że transformata Fouriera jest operatorem jednostkowym na .

Własności transformacji odwrotnej

Odwrotna transformata Fouriera jest bardzo podobna do oryginalnej transformaty Fouriera: jak omówiono powyżej, różni się jedynie zastosowaniem operatora odwracania. Z tego powodu właściwości transformaty Fouriera obowiązują dla odwrotnej transformaty Fouriera, takiej jak twierdzenie o splocie i lemat Riemanna – Lebesgue'a .

Tabele transformat Fouriera można z łatwością wykorzystać do odwrotnej transformaty Fouriera, łącząc wyszukiwaną funkcję z operatorem odwracania. Na przykład, patrząc na transformatę Fouriera funkcji rect, widzimy to

więc odpowiednim faktem dla odwrotnej transformacji jest

Dowód

wykorzystuje kilka faktów, biorąc pod i .

  1. x i , wtedy .
  2. i , to .
  3. fa twierdzenie Fubiniego implikuje, że .
  4. Zdefiniuj ; wtedy .
  5. } . Wtedy z splot , jest tożsamości : dla dowolnego i punkt } gdzie zbieżność jest punktowa).

Ponieważ z założenia zdominowane twierdzenie o zbieżności, że

Zdefiniuj . Stosując fakty 1, 2 i 4, wielokrotnie dla całek wielokrotnych, jeśli to konieczne, otrzymujemy

Korzystając z faktu 3 na i , dla każdego mamy

splot . Ale ponieważ fakt 5 mówi, że

Łącząc powyższe wykazaliśmy, że

Notatki

  •   Folland, Wielka Brytania (1992). Analiza Fouriera i jej zastosowania . Belmont, Kalifornia, USA: Wadsworth. ISBN 0-534-17094-3 .
  •   Folland, Wielka Brytania (1995). Wprowadzenie do równań różniczkowych cząstkowych (wyd. 2). Princeton, Stany Zjednoczone: Princeton Univ. Naciskać. ISBN 978-0-691-04361-6 .
  1. ^ "DMat0101, Uwagi 3: Transformata Fouriera na L^1" . Obudziłem się w dziwnym miejscu . 2011-03-10 . Źródło 2018-02-12 .