Множитель (анализ Фурье)
Эта статья включает список общих ссылок , но в ней отсутствуют достаточные соответствующие встроенные цитаты . ( февраль 2016 г. ) |
В анализе Фурье оператор множителя является разновидностью линейного оператора или преобразования функций . Эти операторы воздействуют на функцию, изменяя ее преобразование Фурье . В частности, они умножают преобразование Фурье функции на заданную функцию, известную как множитель или символ . Иногда сам термин «оператор множителя» сокращается до «множитель» . [1] Проще говоря, множитель изменяет форму частот, участвующих в любой функции. Этот класс операторов оказывается широким: общая теория показывает, что трансляционно-инвариантный оператор в группе , подчиняющийся некоторым (очень мягким) условиям регулярности, может быть выражен как оператор-множитель, и наоборот. [2] Многие знакомые операторы, такие как сдвиг и дифференцирование , являются операторами умножения, хотя существует множество более сложных примеров, таких как преобразование Гильберта .
В обработке сигналов оператор умножения называется « фильтром фильтра », а множитель — это частотная характеристика (или передаточная функция ).
В более широком контексте операторы-множители представляют собой частные случаи операторов-спектральных множителей, которые возникают в результате функционального исчисления оператора (или семейства коммутирующих операторов). Они также являются частными случаями псевдодифференциальных операторов и, в более общем смысле, интегральных операторов Фурье . В этой области до сих пор остаются открытыми естественные вопросы, например, о характеристике L п операторы ограниченного множителя (см. ниже).
Операторы умножения не связаны с множителями Лагранжа , за исключением того, что они оба включают операцию умножения.
Необходимую информацию о преобразовании Фурье см. на этой странице. Дополнительную важную информацию можно найти на страницах оператор норма и L. п космос .
Примеры [ править ]
В случае периодических функций, определенных на единичной окружности , преобразование Фурье функции представляет собой просто последовательность ее коэффициентов Фурье . Чтобы увидеть, что дифференцирование можно реализовать как множитель, рассмотрим ряд Фурье для производной периодической функции. После использования интегрирования по частям в определении коэффициента Фурье имеем, что
- .
Итак, формально отсюда следует, что ряд Фурье для производной — это просто ряд Фурье для умноженный на коэффициент . Это то же самое, что сказать, что дифференцирование — это оператор множителя с множителем .
Примером оператора умножения, действующего на функции на действительной прямой, является преобразование Гильберта . Можно показать, что преобразование Гильберта — это оператор мультипликатора, множитель которого определяется выражением , где Signum — функция Signum .
Наконец, еще одним важным примером множителя является характеристическая функция единичного куба в которое возникает при изучении «частичных сумм» для преобразования Фурье (см. Сходимость рядов Фурье ).
Определение [ править ]
Операторы мультипликатора могут быть определены на любой группе G, для которой также определено преобразование Фурье (в частности, на любой локально компактной абелевой группе ). Общее определение следующее. Если — достаточно регулярная функция , пусть обозначим его преобразование Фурье (где является двойственным к G Понтрягину ). Позволять обозначим другую функцию, которую назовем множителем . Тогда оператор умножения связанное с этим символом m определяется по формуле
Другими словами, преобразование Фурье Tf на частоте ξ определяется преобразованием Фурье f на этой частоте, умноженным на значение множителя на этой частоте. Это объясняет терминологию «множитель».
Обратите внимание, что приведенное выше определение определяет Tf только неявно; чтобы восстановить Tf явно, необходимо инвертировать преобразование Фурье. Это легко сделать, если и f , и m достаточно гладкие и интегрируемые. Одной из основных проблем в этой теме является определение для любого заданного множителя m , продолжает ли соответствующий оператор множителя Фурье быть четко определенным, когда f имеет очень низкую регулярность, например, если предполагается, что он находится в L п космос. См. обсуждение «проблемы ограниченности» ниже. Как минимум, обычно требуется, чтобы множитель m был ограниченным и измеримым ; этого достаточно, чтобы установить ограниченность на но, вообще говоря, недостаточно силен, чтобы обеспечить ограниченность в других пространствах.
можно рассматривать Оператор-умножитель T как композицию трех операторов, а именно преобразования Фурье, операции поточечного умножения на m и затем обратного преобразования Фурье. Эквивалентно, T представляет собой сопряжение оператора поточечного умножения преобразованием Фурье. Таким образом, операторы-множители можно рассматривать как операторы, которые диагонализуются преобразованием Фурье.
Операторы множителя в общих группах [ править ]
Теперь мы специализируем приведенное выше общее определение на конкретных группах G . Сначала рассмотрим единичный круг Таким образом, функции на G можно рассматривать как 2π-периодические функции на действительной прямой. В этой группе двойственной Понтрягину является группа целых чисел: Преобразование Фурье (для достаточно регулярных функций f ) имеет вид
а обратное преобразование Фурье имеет вид
Множитель в этой настройке представляет собой просто последовательность чисел и оператор связанный с этим множителем, затем определяется по формуле
по крайней мере, при достаточно грамотном выборе множителя и функция f .
Пусть теперь G — евклидово пространство. . Здесь двойственная группа также евклидова, а преобразование Фурье и обратное преобразование Фурье задаются формулами
Множитель в этой настройке является функцией и связанный с ним оператор множителя определяется
снова при условии достаточно сильных предположений регулярности и ограниченности множителя и функции.
В смысле распределений нет никакой разницы между операторами множителя и операторами свертки ; каждый множитель T быть выражен в форме Tf = f ∗ K для некоторого распределения K , известного как ядро свертки T также может . С этой точки зрения перевод на величину x 0 представляет собой свертку с дельта-функцией Дирака δ(· − x 0 ), дифференцирование представляет собой свертку с δ'. Дополнительные примеры приведены в таблице ниже .
Диаграммы [ править ]
Дальнейшие примеры [ править ]
На единичном круге [ править ]
В следующей таблице показаны некоторые распространенные примеры операторов множителя на единичном круге.
Имя | Множитель, | Оператор, | ядро, |
---|---|---|---|
Оператор идентификации | 1 | ж ( т ) | Дельта-функция Дирака |
Умножение на константу c | с | см ( т ) | |
Перевод с . | ж ( т - s ) | ||
Дифференциация | в | ||
k -кратное дифференцирование | |||
с постоянным коэффициентом Дифференциальный оператор | |||
Дробная производная порядка | |||
Среднее значение | 1 | ||
Компонент без среднего значения | |||
Интегрирование (компонента, свободного от среднего) | Пилообразная функция | ||
Периодическое преобразование Гильберта H | |||
Суммирование Дирихле | Ядро Дирихле | ||
Суммирование Фейера | Ядро Фейера | ||
Общий множитель | |||
Общий свертки оператор |
В евклидовом пространстве [ править ]
В следующей таблице показаны некоторые распространенные примеры операторов множителя в евклидовом пространстве. .
Имя | Множитель, | Оператор, | ядро, |
---|---|---|---|
Оператор идентификации | 1 | е ( х ) | |
Умножение на константу c | с | см ( х ) | |
Перевод y | |||
Производная (только одно измерение) | |||
Частная производная | |||
лапласиан | |||
Дифференциальный оператор с постоянным коэффициентом | |||
Дробная производная порядка | |||
Потенциал порядка Рисса | |||
Бессель потенциал порядка | |||
Оператор теплового потока | Тепловое ядро | ||
уравнения Шредингера Оператор эволюции | Ядро Шрёдингера | ||
Преобразование Гильберта H (только одно измерение) | |||
Рисс преобразует R j | |||
Частичный интеграл Фурье (только одно измерение) | |||
Дисковый множитель | ( J — функция Бесселя ) | ||
Операторы Бохнера – Рисса | |||
Общий множитель | |||
Общий оператор свертки |
Общие соображения [ править ]
Карта является гомоморфизмом С *-алгебр . Это следует из того, что сумма двух операторов-множителей и это операторы множителя с множителем , композиция этих двух операторов множителя представляет собой оператор множителя с множителем и сопряженный оператору множителя это еще один оператор множителя с множителем .
В частности, мы видим, что любые два оператора-множителя коммутируют друг с другом. Известно, что операторы умножения трансляционно-инвариантны. И наоборот, можно показать, что любой трансляционно-инвариантный линейный оператор, ограниченный в L 2 ( G ) — оператор мультипликатора.
Л п проблема ограниченности [ править ]
Л п Проблема ограниченности (для любого конкретного p ) для данной группы G , проще говоря, состоит в том, чтобы идентифицировать мультипликаторы m такие, что соответствующий оператор мультипликатора ограничен из L п ( G ) к L п ( Г ). Такие множители обычно обозначаются просто как « L п множители». Обратите внимание, что, поскольку операторы-множители всегда линейны, такие операторы ограничены тогда и только тогда, когда они непрерывны . Эта проблема в целом считается чрезвычайно сложной, но можно рассмотреть многие частные случаи. Проблема сильно зависит от p , хотя здесь существуют отношения двойственности : если и 1 ⩽ p , q ⩽ ∞, то оператор-мультипликатор ограничен на L п тогда и только тогда, когда оно ограничено на L д .
Теорема Рисса -Торина показывает, что если оператор мультипликатора ограничен на двух разных L п пространствах, то оно также ограничено во всех промежуточных пространствах. Отсюда получаем, что пространство множителей наименьшее для L 1 и Л ∞ и растет по мере приближения к L 2 , который имеет самое большое пространство множителя.
Ограниченность на L 2 [ редактировать ]
Это самый простой случай. Теорема Парсеваля позволяет полностью решить эту проблему и получить, что функция m является L 2 ( G ) мультипликатор тогда и только тогда, когда он ограничен и измерим.
Ограниченность на L 1 или Л ∞ [ редактировать ]
Этот случай сложнее, чем гильбертиан ( L 2 ) случай, но полностью решен. Верно следующее:
Теорема : В евклидовом пространстве функция это буква Л 1 множитель (эквивалент L ∞ множитель) тогда и только тогда, когда существует конечная борелевская мера µ такая, что m является преобразованием Фурье меры µ.
(Часть «если» представляет собой простой расчет. Часть «только если» здесь более сложна.)
Ограниченность на L п для 1 < p < ∞ [ править ]
В этом общем случае не установлены необходимые и достаточные условия ограниченности даже для евклидова пространства или единичного круга. Однако известны несколько необходимых и несколько достаточных условий. Например, известно, что для того, чтобы оператор мультипликатора был ограничен хотя бы одним L п пространстве мультипликатор должен быть ограниченным и измеримым (это следует из характеристики L 2 множители выше и свойство включения). Однако этого недостаточно, за исключением случаев, когда p = 2.
Результаты, дающие достаточные условия ограниченности, известны как теоремы о множителях . Ниже приведены три таких результата.
Марцинкевича множителе Теорема о
Позволять — ограниченная функция, непрерывно дифференцируемая на любом множестве вида [ нужны разъяснения ] для и имеет производную такую, что
Тогда m — это L п множитель для всех 1 < p < ∞.
Михлина множителе о Теорема
Пусть m — ограниченная функция на который является гладким, за исключением, возможно, начала координат, и такой, что функция ограничен для всех целых чисел : тогда m — это L п множитель для всех 1 < p < ∞ .
Это частный случай теоремы Хёрмандера-Михлина о множителях.
Доказательства этих двух теорем довольно сложны и включают методы теории Кальдерона – Зигмунда и интерполяционную теорему Марцинкевича : оригинальное доказательство см. в Михлине (1956) или Михлине (1965 , стр. 225–240).
Радиальные множители [ править ]
Для радиальных множителей необходимым и достаточным условием ограниченность известна для некоторого частичного диапазона . Позволять и . Предположим, что представляет собой радиальный множитель, компактно закрепленный вдали от начала координат. Затем это множитель тогда и только тогда, когда преобразование Фурье принадлежит .
Это теорема Хео, Назарова и Зегера . [3] Они также предоставили необходимое и достаточное условие, справедливое без предположения компактного носителя на .
Примеры [ править ]
Трансляции — это ограниченные операторы на любом L п . Дифференцирование не ограничено ни на каком L п . ограничено Преобразование Гильберта только для p строго между 1 и ∞. Тот факт, что он неограничен на L ∞ это легко, поскольку хорошо известно, что преобразование Гильберта ступенчатой функции неограничено. Двойственность дает то же самое для p = 1 . Однако обе теоремы о множителях Марцинкевича и Михлина показывают, что преобразование Гильберта ограничено в L п для всех 1 < p < ∞ .
Еще один интересный случай с единичным кругом — это когда последовательность это предлагается как множитель, постоянный для n в каждом из наборов и Из теоремы о множителе Марцинкевича (адаптированной к контексту единичного круга) мы видим, что любая такая последовательность (конечно, также предполагаемая ограниченной) [ нужны разъяснения ] является множителем для каждого 1 < p < ∞ .
В одном измерении оператор дискового множителя (см. таблицу выше) ограничено на L п для каждого 1 < p < ∞ . Однако в 1972 году Чарльз Фефферман показал удивительный результат: в двух и более измерениях оператор дискового множителя неограничен на L п для каждого p ≠ 2 . Соответствующая задача для множителей Бохнера–Рисса решена лишь частично; см. также гипотезу Бохнера – Рисса .
См. также [ править ]
- Лемма Кальдерона–Зигмунда.
- Теорема Марцинкевича
- Сингулярные интегралы
- Сингулярные интегральные операторы типа свертки
Примечания [ править ]
- ^ Duoandikoetxea 2001 , Раздел 3.5.
- ^ Штейн 1970 , Глава II.
- ^ Хо, Ярён; Назаров, Федор; Сигер, Андреас. Радиальные множители Фурье в больших размерностях. Акта Математика. 206 (2011), вып. 1, 55--92. doi:10.1007/s11511-011-0059-x. https://projecteuclid.org/euclid.acta/1485892528
Цитируемые работы [ править ]
- Дуоандикоэчеа, Хавьер (2001), Анализ Фурье , Американское математическое общество, ISBN 0-8218-2172-5
- Стейн, Элиас М. (1970), Сингулярные интегралы и свойства дифференцируемости функций , Princeton University Press
Общие ссылки [ править ]
- Графакос, Лукас (2008), Классический анализ Фурье (2-е изд.), Springer, ISBN 978-0-387-09431-1
- Кацнельсон, Ицхак (2004), Введение в гармонический анализ , Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-54359-0
- Хёрмандер, Ларс (1960), "Оценки трансляционно-инвариантных операторов в L п пробелы», Acta Mathematica , 104 : 93–140, doi : 10.1007/bf02547187
- Хёрмандер, Ларс (1990), Анализ линейных операторов в частных производных, I. Теория распределения и анализ Фурье (2-е изд.), Springer-Verlag, ISBN 3-540-52343-Х
- Михлин, Соломон Г. (1956), «О мультипликаторах интегралов Фурье», Доклады Академии наук СССР , 109 : 701–703, Збл 0073.08402 (на русском языке ).
- Михлин, Соломон Г. (1965), Многомерные сингулярные интегралы и интегральные уравнения , Международная серия монографий по чистой и прикладной математике, том. 83, Пергамон Пресс , Збл 0129.07701 . Он содержит подробный обзор всех результатов, известных на момент публикации, включая краткий обзор истории.
- Рудин, Уолтер (1962), Анализ Фурье групп , Interscience
- Торчинский, Альберто (2004), Методы действительных переменных в гармоническом анализе , Дувр, ISBN 0-486-43508-3