Jump to content

Вейвлет для волос

(Перенаправлено с Haar Wavelet )

Вейвлет Хаара

В математике вейвлет Хаара представляет собой последовательность масштабированных функций «квадратной формы», которые вместе образуют вейвлетов семейство или базис . Вейвлет-анализ похож на анализ Фурье в том, что он позволяет представить целевую функцию на интервале в терминах ортонормированного базиса . Последовательность Хаара теперь признана первым известным базисом вейвлетов и широко используется в качестве обучающего примера.

Последовательность Хаара была предложена в 1909 году Альфредом Хааром . [1] Хаар использовал эти функции, чтобы привести пример ортонормированной системы для пространства функций, интегрируемых с квадратом на единичном интервале [0, 1]. Изучение вейвлетов и даже самого термина «вейвлет» появилось намного позже. Как частный случай вейвлета Добеши , вейвлет Хаара также известен как Db1 .

Вейвлет Хаара также является самым простым из возможных вейвлетов. Технический недостаток вейвлета Хаара состоит в том, что он не является непрерывным и, следовательно, не дифференцируемым . Однако это свойство может быть преимуществом для анализа сигналов с внезапными переходами ( дискретных сигналов ), например, для мониторинга поломок инструментов в машинах. [2]

Материнская вейвлет-функция вейвлета Хаара можно описать как

Его функция масштабирования можно описать как

Функции Хаара и система Хаара

[ редактировать ]

Для каждой пары n , k целых чисел в , функция Хаара ψ n , k определена на вещественной прямой по формуле

Эта функция поддерживается на правом открытом интервале I n , k = [ k 2 п , ( к +1)2 п ) , т. е . он исчезает вне этого интервала. Он имеет интеграл 0 и норму 1 в гильбертовом пространстве   L 2 ( ) ,

Функции Хаара попарно ортогональны [ сломанный якорь ] ,

где представляет собой дельту Кронекера . Вот причина ортогональности: когда два опорных интервала и не равны, то они либо не пересекаются, либо меньшая из двух опор, скажем , содержится в нижней или верхней половине другого интервала, на котором функция остается постоянным. В этом случае следует, что произведение этих двух функций Хаара кратно первой функции Хаара, следовательно, произведение имеет целое число 0.

Система Хаара на прямой представляет собой набор функций

Это полно в L 2 ( ): Система Хаара на прямой является ортонормированным базисом в L 2 ( ).

Его вейвлет-свойства

[ редактировать ]

Вейвлет Хаара имеет несколько примечательных свойств:

  1. Любая непрерывная действительная функция с компактным носителем может быть равномерно аппроксимирована линейными комбинациями и их смещенные функции. Это распространяется на те функциональные пространства, где любая функция в них может быть аппроксимирована непрерывными функциями.
  2. Любая непрерывная действительная функция на [0, 1] может быть аппроксимирована равномерно на [0, 1] линейными комбинациями постоянной функции 1 , и их смещенные функции. [3]
  3. Ортогональность в форме
    Здесь, представляет собой дельту Кронекера . Двойственная функция к ψ( t ) — это сама ψ( t ).
  4. Функции вейвлета/масштабирования с разным масштабом n имеют функциональную взаимосвязь: [4] с
    отсюда следует, что коэффициенты шкалы n можно вычислить по коэффициентам шкалы n+1 :
    Если
    и
    затем
[ редактировать ]

В этом разделе обсуждение ограничивается единичным интервалом [0, 1] и функциями Хаара, которые поддерживаются на [0, 1]. Система функций, рассмотренная Хааром в 1910 г., [5] называемая в этой статье системой Хаара на [0, 1] , состоит из подмножества вейвлетов Хаара, определяемых как

с добавлением постоянной функции 1 на [0, 1].

В терминах гильбертова пространства эта система Хаара на [0, 1] является полной ортонормированной системой, т. е . ортонормированным базисом для пространства L 2 ([0, 1]) функций, интегрируемых с квадратом на единичном интервале.

Система Хаара на [0, 1] — с постоянной функцией 1 в качестве первого элемента, за которой следуют функции Хаара, упорядоченные в соответствии с лексикографическим упорядочением пар ( n , k ), — является также монотонным базисом Шаудера для пространства L. п ([0, 1]) , когда 1 ≤ p < ∞ . [6] Этот базис является безусловным , если 1 < p < ∞ . [7]

Существует родственная система Радемахера , состоящая из сумм функций Хаара:

Обратите внимание, что | р п ( т )| = 1 на [0, 1). Это ортонормированная система, но она не полная. [8] [9] На языке теории вероятностей последовательность Радемахера представляет собой экземпляр последовательности независимых Бернулли случайных величин со средним значением 0. Неравенство Хинчина выражает тот факт, что во всех пространствах L п ([0, 1]), 1 ≤ p < ∞ , последовательность Радемахера эквивалентна базису единичного вектора в ℓ 2 . [10] В частности, замкнутая линейная оболочка последовательности Радемахера в L п ([0, 1]), 1 ≤ p < ∞ , изоморфен 2 .

Система Фабера – Шаудера.

[ редактировать ]

Система Фабера – Шаудера. [11] [12] [13] - это семейство непрерывных функций на [0, 1], состоящее из постоянной функции 1 и кратных неопределенных интегралов функций системы Хаара на [0, 1], выбранных так, чтобы иметь норму 1 в максимальной норме . Эта система начинается с s 0 = 1 , затем s 1 ( t ) = t — неопределенный интеграл, обращающийся в нуль в точке 0 функции 1 , первого элемента системы Хаара на [0, 1]. Далее, для каждого целого числа n ≥ 0 функции s n , k определяются по формуле

Эти функции sn и , k непрерывны, кусочно-линейны поддерживаются интервалом I n , k, который также поддерживает ψ n , k . Функция sn линейна , k равна 1 в средней точке , xn k интервала In , k на обеих , половинах этого интервала. Он везде принимает значения от 0 до 1.

Система Фабера–Шаудера является базисом Шаудера пространства C ([0, 1]) непрерывных функций на [0, 1]. [6] Для каждого f в C ([0, 1]) частичная сумма

системе разложения f в ряд по в Фабера–Шаудера представляет собой непрерывную кусочно-линейную функцию, совпадающую с f точке 2 н + 1 балл к 2 п , где 0 ≤ k ≤ 2 н . Далее формула

дает возможность вычислить разложение f шаг за шагом . Поскольку f равномерно непрерывна , последовательность { fn } сходится равномерно к f . Отсюда следует, что разложение f в ряд Фабера–Шаудера сходится в C ([0, 1]), а сумма этого ряда равна f .

Система Франклина

[ редактировать ]

Система Франклина получается из системы Фабера–Шаудера с помощью процедуры ортонормировки Грама–Шмидта . [14] [15] Поскольку система Франклина имеет ту же линейную оболочку, что и система Фабера–Шаудера, эта оболочка плотна в C ([0, 1]), следовательно, в L 2 ([0, 1]). Таким образом, система Франклина является ортонормированным базисом для L 2 ([0, 1]), состоящее из непрерывных кусочно-линейных функций. П. Франклин доказал в 1928 г., что эта система является базисом Шаудера для C ([0, 1]). [16] Система Франклина также является безусловным базисом Шаудера пространства L п ([0, 1]), когда 1 < p < ∞ . [17] Система Франклина обеспечивает базис Шаудера в дисковой алгебре A ( D ). [17] Это было доказано в 1974 году Бочкаревым, после того как существование основы дисковой алгебры оставалось открытым более сорока лет. [18]

Конструкция Бочкарева базиса Шаудера в A ( D ) выглядит следующим образом: пусть f — комплекснозначная липшицева функция на [0, π]; тогда f — сумма косинусного ряда с абсолютно суммируемыми коэффициентами. Пусть T ( f ) будет элементом A ( D ), определяемым комплексным степенным рядом с теми же коэффициентами,

Базис Бочкарева для A ( D ) образован образами под T функций системы Франклина на [0, π]. Эквивалентное описание Бочкарёва отображения T начинается с расширения f до четной липшицевой функции g 1 на [−π, π], отождествляемой с липшицевой функцией на единичной окружности   T . Далее, пусть g 2 будет функцией, сопряженной с g 1 , и определим T ( f ) как функцию из A ( D ), значение которой на границе T группы D равно g 1 + i g 2 .

Имея дело с 1-периодическими непрерывными функциями или, скорее, с непрерывными функциями f на [0, 1] такими, что f (0) = f (1) удаляется функция s 1 ( t ) = t. , из системы Фабера–Шаудера , чтобы получить периодическую систему Фабера–Шаудера . Периодическая система Франклина получается ортонормировкой периодической системы Фабера–-Шаудера. [19] Результат Бочкарева об A ( D ) можно доказать, доказав, что периодическая система Франклина на [0, 2π] является базисом банахова пространства A r , изоморфного A ( D ). [19] Пространство Ar , состоит из комплексных непрерывных функций на единичной окружности T которых сопряженная функция также непрерывна.

Матрица волос

[ редактировать ]

Матрица Хаара 2×2, связанная с вейвлетом Хаара, равна

Используя дискретное вейвлет-преобразование , можно преобразовать любую последовательность четной длины в последовательность двухкомпонентных векторов . Если умножить каждый вектор на матрицу справа , получаем результат одного этапа быстрого вейвлет-преобразования Хаара. Обычно последовательности s и d разделяют и продолжают преобразование последовательности s . Последовательность s часто называют частью средних значений , тогда как последовательность d известна как детальная часть. [20]

Если у вас есть последовательность длиной, кратной четырем, можно построить блоки из 4 элементов и преобразовать их аналогичным образом с помощью матрицы Хаара 4 × 4.

который объединяет два этапа быстрого вейвлет-преобразования Хаара.

Сравните с матрицей Уолша , которая представляет собой нелокализованную матрицу 1/–1.

Обычно матрицу Хаара размером 2N×2N можно получить с помощью следующего уравнения.

где и является произведением Кронекера .

Кронекеровское произведение , где представляет собой матрицу размера m×n и — матрица ap×q, выражается как

Ненормализованная 8-точечная матрица Хаара показано ниже

Обратите внимание, что приведенная выше матрица представляет собой ненормализованную матрицу Хаара. Матрица Хаара, необходимая для преобразования Хаара, должна быть нормализована.

Из определения матрицы Хаара , можно заметить, что в отличие от преобразования Фурье , имеет только действительные элементы (т. е. 1, -1 или 0) и несимметричен.

Возьмите 8-точечную матрицу Хаара. в качестве примера. Первый ряд измеряет среднее значение, а вторая строка измеряет низкочастотную составляющую входного вектора. Следующие две строки чувствительны к первой и второй половине входного вектора соответственно, что соответствует компонентам средней частоты. Остальные четыре строки чувствительны к четырем участкам входного вектора, соответствующим высокочастотным компонентам. [21]

Преображение волос

[ редактировать ]

Преобразование Хаара — самое простое из вейвлет-преобразований . Это преобразование перекрестно умножает функцию на вейвлет Хаара с различными сдвигами и растяжениями, подобно тому, как преобразование Фурье перекрестно умножает функцию на синусоидальную волну с двумя фазами и множеством растяжений. [22] [ нужны разъяснения ]

Введение

[ редактировать ]

Преобразование Хаара — одна из старейших функций преобразования, предложенная в 1910 году венгерским математиком Альфредом Хааром . Он эффективен в таких приложениях, как сжатие сигналов и изображений в электротехнике и вычислительной технике, поскольку обеспечивает простой и эффективный в вычислительном отношении подход к анализу локальных аспектов сигнала.

Преобразование Хаара получается из матрицы Хаара. Пример матрицы преобразования Хаара 4×4 показан ниже.

Преобразование Хаара можно рассматривать как процесс выборки, в котором строки матрицы преобразования действуют как выборки все более высокого разрешения.

Сравните с преобразованием Уолша , которое также равно 1/–1, но нелокализовано.

Свойство

[ редактировать ]

Преобразование Хаара обладает следующими свойствами

  1. Нет необходимости в умножениях. Для этого требуются только сложения, и в матрице Хаара много элементов с нулевым значением, поэтому время вычислений невелико. Это быстрее, чем преобразование Уолша , матрица которого состоит из +1 и -1.
  2. Входная и выходная длина одинаковы. Однако длина должна быть степенью 2, т.е. .
  3. Его можно использовать для анализа локализованных особенностей сигналов. Благодаря ортогональному свойству функции Хаара можно анализировать частотные составляющие входного сигнала.

Трансформация волос и обратная трансформация волос

[ редактировать ]

Преобразование Хаара y n n -входной функции x n равно

Матрица преобразования Хаара действительна и ортогональна. Таким образом, обратное преобразование Хаара можно получить с помощью следующих уравнений.

где является единичной матрицей. Например, когда n = 4

Таким образом, обратное преобразование Хаара имеет вид

Коэффициенты преобразования Хаара 4-точечного сигнала можно найти как

Затем входной сигнал может быть идеально восстановлен с помощью обратного преобразования Хаара.

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ см. стр. 361 в «Волосах» (1910) .
  2. ^ Ли, Б.; Тарнг, Ю.С. (1999). «Применение дискретного вейвлет-преобразования для мониторинга отказа инструмента при концевом фрезеровании с использованием тока двигателя шпинделя». Международный журнал передовых производственных технологий . 15 (4): 238–243. дои : 10.1007/s001700050062 . S2CID   109908427 .
  3. ^ В отличие от предыдущего утверждения, этот факт не очевиден: см. с. 363 в Хааре (1910) .
  4. ^ Видакович, Брани (2010). Статистическое моделирование с помощью вейвлетов . Серия Уайли по вероятности и статистике (2-е изд.). стр. 60, 63. doi : 10.1002/9780470317020 . ISBN  9780470317020 .
  5. ^ с. 361 в волосах (1910)
  6. ^ Jump up to: а б см. стр. 3 в Й. Линденштраусе , Л. Цафрири, (1977), «Классические банаховы пространства I, пространства последовательностей», Результаты математики и ее пограничных областей 92 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN   3-540-08072-4 .
  7. ^ Результат принадлежит Р. Э. Пейли , Замечательный ряд ортогональных функций (I) , Proc. Лондонская математика. 34 (1931), стр. 241–264. См. также стр. 155 в Дж. Линденштраусе, Л. Цафрири, (1979), «Классические банаховы пространства II, Функциональные пространства». Результаты математики и ее пограничные области 97 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN   3-540-08888-1 .
  8. ^ «Ортогональная система» , Математическая энциклопедия , EMS Press , 2001 [1994]
  9. ^ Уолтер, Гилберт Г.; Шен, Сяопин (2001). Вейвлеты и другие ортогональные системы . Бока-Ратон: Чепмен. ISBN  1-58488-227-1 .
  10. ^ см., например, стр. 66 в Дж. Линденштраусе , Л. Цафрири, (1977), «Классические банаховы пространства I, пространства последовательностей», Результаты математики и ее пограничных областей 92 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN   3-540-08072-4 .
  11. ^ Фабер, Георг (1910), «Об ортогональных функциях г-на Хаара», Deutsche Math.-Ver (на немецком языке) 19 : 104–112. ISSN   0012-0456 ; http://www-gdz.sub.uni-goettingen.de/cgi-bin/digbib.cgi?PPN37721857X ; http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?GDZPPN002122553
  12. ^ Шаудер, Юлиуш (1928), «Свойство ортогональной системы Хаара», Mathematical Journal 28 : 317–320.
  13. ^ Голубов, Б.И. (2001) [1994], «Система Фабера–Шаудера» , Энциклопедия математики , EMS Press
  14. ^ см. З. Чесельский, Свойства ортонормированной системы Франклина . Студия Матем. 23 1963 г. 141–157.
  15. ^ Система Франклина. Б.И. Голубов (составитель), Математическая энциклопедия. URL: http://www.encyclepediaofmath.org/index.php?title=Franklin_system&oldid=16655
  16. ^ Филип Франклин, Набор непрерывных ортогональных функций , Матем. Энн. 100 (1928), 522–529. два : 10.1007/BF01448860
  17. ^ Jump up to: а б С. В. Бочкарев, Существование базиса в пространстве аналитических в круге функций и некоторые свойства системы Франклина . Мат. Сб. 95 (1974), 3–18 (рус.). Переведено на математику. СССР-Сб. 24 (1974), 1–16.
  18. ^ Появляется вопрос с. 238, §3 в книге Банаха, Банах, Стефан (1932), Теория линейных операций , Математические монографии, том 1, Варшава: Субсидии Национального фонда культуры, Zbl   0005.20901 . Дисковая алгебра A ( D ) появляется в примере 10, стр. 12 в книге Банаха.
  19. ^ Jump up to: а б См. стр. 161, III.D.20 и с. 192, III.E.17 в Войтащик, Пшемыслав (1991), Банаховы пространства для аналитиков , Кембриджские исследования по высшей математике, том. 25, Кембридж: Издательство Кембриджского университета, стр. xiv+382, ISBN  0-521-35618-0
  20. ^ Рух, Дэвид К.; Ван Флит, Патрик Дж. (2009). Теория вейвлетов: элементарный подход с приложениями . Джон Уайли и сыновья. ISBN  978-0-470-38840-2 .
  21. ^ «хаар» . Fourier.eng.hmc.edu. 30 октября 2013 года. Архивировано из оригинала 21 августа 2012 года . Проверено 23 ноября 2013 г.
  22. ^ Преобразование волос
[ редактировать ]

Преображение волос

[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 115bb7458c3580b776f8f13c6c9c43d8__1722268200
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/11/d8/115bb7458c3580b776f8f13c6c9c43d8.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Haar wavelet - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)