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
funkcji, zwykle przeskalowuje się go tak, aby działał na ) 2
. W tej sekcji zamiast tego używamy nieco nietypowej konwencji, biorąc pod uwagę
na
, ponieważ odpowiada to konwencji zastosowanej tutaj transformaty 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 .
- x i , wtedy .
-
i , to .
- fa twierdzenie Fubiniego implikuje, że .
- Zdefiniuj ; wtedy .
-
} . 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