Функция Sinc
В математике , физике и технике функция sinc , обозначаемая sinc( x ) , имеет две формы: нормализованную и ненормализованную. [1]
Синк | |
---|---|
Общая информация | |
Общее определение | |
Мотивация изобретения | Телекоммуникации |
Дата решения | 1952 |
Области применения | Обработка сигналов, спектроскопия |
Домен, кодомен и изображение | |
Домен | |
Изображение | |
Основные функции | |
Паритет | Даже |
Конкретные значения | |
На нуле | 1 |
Значение при +∞ | 0 |
Значение при −∞ | 0 |
Максима | 1 в |
Минимумы | в |
Особенности | |
Корень | |
Связанные функции | |
Взаимный | |
Производная | |
Первообразная | |
Определение серии | |
Серия Тейлора |
В математике историческая ненормализованная функция sinc определяется для x ≠ 0 выражением
Альтернативно, ненормализованную функцию sinc часто называют функцией выборки и обозначают как Sa( x ). [2]
В цифровой обработке сигналов и теории информации нормализованная функция sinc обычно определяется для x ≠ 0 как
В любом случае значение при x = 0 определяется как предельное значение. для всех вещественных a ≠ 0 (предел можно доказать с помощью теоремы о сжатии ).
определенный нормализации В результате интеграл функции по действительным числам становится равным 1 (тогда как тот же интеграл ненормированной функции sinc имеет значение π ). Еще одно полезное свойство: нули нормализованной функции sinc представляют собой ненулевые целочисленные значения x .
Нормализованная функция sinc представляет собой преобразование Фурье без прямоугольной функции масштабирования. Он используется в концепции восстановления непрерывного сигнала с ограниченной полосой частот из равномерно расположенных выборок этого сигнала.
Единственная разница между двумя определениями заключается в масштабировании независимой переменной ( x ось ) с коэффициентом π . В обоих случаях под значением функции в устранимой особенности в нуле понимается предельное значение 1. Тогда функция sinc аналитична всюду и, следовательно, является целой функцией .
Эту функцию также называют кардинальным синусом или синусоидальной кардинальной функцией. [3] [4] Термин sinc / ˈ s ɪ ŋ k / был введен Филипом М. Вудвордом в его статье 1952 года «Теория информации и обратная вероятность в телекоммуникациях», в которой он сказал, что функция «так часто встречается в анализе Фурье и его приложениях, что кажется, заслуживает некоторых собственных обозначений", [5] и его книга 1953 года «Теория вероятностей и информации с приложениями к радарам» . [6] [7] Сама функция была впервые математически выведена в таком виде лордом Рэлеем в его выражении ( формула Рэлея нулевого порядка ) для сферической функции Бесселя первого рода.
Характеристики
[ редактировать ]Пересечения нуля ненормализованного sinc происходят в ненулевых целых числах, кратных π , тогда как пересечения нуля нормализованного sinc происходят в ненулевых целых числах.
Локальные максимумы и минимумы ненормированного синка соответствуют его пересечениям с косинусной функцией. То есть, sin( ξ ) / ξ = cos( ξ ) для всех точек ξ , где производная sin( x ) / x равен нулю, и, таким образом, достигается локальный экстремум. Это следует из производной функции sinc:
Первые несколько членов бесконечного ряда для x координаты n -го экстремума с положительной x координатой равны где и где нечетное n приводит к локальному минимуму, а четное n к локальному максимуму. Из-за симметрии вокруг оси y существуют экстремумы с x координатами − x n . Кроме того, существует абсолютный максимум при ξ 0 = (0, 1) .
Нормализованная функция sinc имеет простое представление в виде бесконечного произведения :
и связана с гамма-функцией Γ( x ) через формулу отражения Эйлера :
Эйлер открыл [8] что и из-за тождества произведения к сумме [9]
Произведение Эйлера можно представить в виде суммы
Непрерывное преобразование Фурье нормализованного sinc (к обычной частоте) является прямым ( f ) : где прямоугольная функция равна 1 для аргумента между — 1/2 и 1/2 случае . и ноль в противном Это соответствует тому факту, что sinc-фильтр является идеальным ( «кирпичная стена» , имеется в виду прямоугольная частотная характеристика) фильтром нижних частот .
Этот интеграл Фурье, включая частный случай является несобственным интегралом (см. интеграл Дирихле ), а не сходящимся интегралом Лебега , так как
Нормализованная функция sinc обладает свойствами, которые делают ее идеальной для интерполяции функций выборочных с ограниченной полосой пропускания :
- Это интерполирующая функция, т. е. sinc(0) = 1 и sinc( k ) = 0 для ненулевого целого числа k .
- Функции x k ( t ) = sinc( t − k ) ( k целое число) образуют ортонормированный базис для с ограниченной полосой пропускания функций в функциональном пространстве L. 2 ( R ) с наибольшей угловой частотой ω H = π (т. е. наибольшей частотой цикла f H = 1 / 2 ).
Другие свойства двух функций sinc включают в себя:
- нулевого порядка Ненормированный sinc — это сферическая функция Бесселя первого рода, j 0 ( x ) . Нормализованный sinc равен j 0 (π x ) .
- где Si( x ) — синус-интеграл ,
- λ sinc( λx ) (не нормализованный) — одно из двух линейно независимых решений линейного обыкновенного дифференциального уравнения Другой cos( λx ) / x , который не ограничен в точке x = 0 , в отличие от своего аналога функции sinc.
- Используя нормализованный sinc,
- Следующий несобственный интеграл включает в себя (ненормализованную) функцию sinc:
Связь с дельта-распределением Дирака
[ редактировать ]Нормализованную функцию sinc можно использовать в качестве зарождающейся дельта-функции , что означает, что выполняется следующий слабый предел :
Это не обычный предел, поскольку левая часть не сходится. Скорее, это означает, что
для каждой функции Шварца , как видно из теоремы обращения Фурье .В приведенном выше выражении при a → 0 количество колебаний на единицу длины функции sinc стремится к бесконечности. Тем не менее, выражение всегда колеблется внутри огибающей ± 1 / π x , независимо от значения a .
Это усложняет неформальную картину того, что δ ( x ) равно нулю для всех x, кроме точки x = 0 , и иллюстрирует проблему рассмотрения дельта-функции как функции, а не как распределения. Аналогичная ситуация наблюдается и в феномене Гиббса .
Суммирование
[ редактировать ]Все суммы в этом разделе относятся к ненормализованной функции sinc.
Сумма sinc( n ) по целому числу n от 1 до ∞ равна π − 1 / 2 :
Сумма квадратов также равна π − 1 / 2 : [10] [11]
Когда знаки слагаемых чередуются и начинаются с +, сумма равна 1 / 2 :
Попеременные суммы квадратов и кубов также равны 1 / 2 : [12]
Расширение серии
[ редактировать ]Ряд Тейлора ненормализованной функции sinc можно получить из ряда синуса (который также дает значение 1 при x = 0 ):
Ряд сходится для всех x . Нормализованная версия легко выглядит:
Эйлер, как известно, сравнил этот ряд с разложением бесконечной формы произведения для решения Базельской задачи .
Высшие измерения
[ редактировать ]Произведение одномерных функций sinc легко обеспечивает многомерную функцию sinc для квадратной декартовой сетки ( решетки ): sinc C ( x , y ) = sinc( x ) sinc( y ) , преобразование Фурье которой является индикаторной функцией квадрата в частотном пространстве (т. е. кирпичная стена, определенная в двумерном пространстве). Функция sinc для недекартовой решетки (например, гексагональной решетки ) — это функция, преобразование Фурье которой является индикаторной функцией зоны Бриллюэна этой решетки. Например, функция sinc для гексагональной решетки — это функция, преобразование Фурье которой является индикаторной функцией единичного шестиугольника в частотном пространстве. Для недекартовой решетки эту функцию невозможно получить простым тензорным произведением. Однако явная формула для функции sinc для гексагональной , объемноцентрированной кубической , гранецентрированной кубической и других решеток более высокой размерности может быть явно выведена. [13] используя геометрические свойства зон Бриллюэна и их связь с зонотопами .
Например, шестиугольная решетка может быть создана с помощью (целого) линейного размаха векторов
Обозначая можно вывести [13] функция sinc для этой гексагональной решетки как
Эту конструкцию можно использовать для проектирования окна Ланцоша для общих многомерных решеток. [13]
См. также
[ редактировать ]- Фильтр сглаживания — математическое преобразование, уменьшающее ущерб, вызванный сглаживанием.
- Интеграл Борвейна - Тип математических интегралов
- Интеграл Дирихле – интеграл от sin(x)/x от 0 до бесконечности.
- Повторная выборка Ланцоша – применение математической формулы
- Список математических функций
- Шеннонский вейвлет
- Sinc-фильтр – идеальный фильтр нижних частот или усредняющий фильтр.
- Поскольку численные методы
- Тригонометрические функции матриц - важные функции при решении дифференциальных уравнений
- Тригонометрический интеграл - специальная функция, определяемая интегралом.
- Формула интерполяции Уиттекера – Шеннона - Алгоритм (ре)конструирования сигнала
- Трипельная проекция Винкеля - псевдоазимутальная компромиссная картографическая проекция (картография)
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Олвер, Фрэнк WJ ; Лозье, Дэниел М.; Буасверт, Рональд Ф.; Кларк, Чарльз В., ред. (2010), «Численные методы» , Справочник NIST по математическим функциям , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-19225-5 , МР 2723248 ..
- ^ Сингх, РП; Сапре, С.Д. (2008). Системы связи, 2Э (иллюстрированное изд.). Тата МакГроу-Хилл Образование. п. 15. ISBN 978-0-07-063454-1 . Выдержка со страницы 15
- ^ Вайсштейн, Эрик В. «Функция Sinc» . mathworld.wolfram.com . Проверено 7 июня 2023 г.
- ^ Мерка, Мирча (01 марта 2016 г.). «Кардинальная функция синуса и числа Чебышева – Стирлинга» . Журнал теории чисел . 160 : 19–31. дои : 10.1016/j.jnt.2015.08.018 . ISSN 0022-314X . S2CID 124388262 .
- ^ Вудворд, премьер-министр; Дэвис, Иллинойс (март 1952 г.). «Теория информации и обратная вероятность в телекоммуникациях» (PDF) . Труды IEE – Часть III: Радиотехника и техника связи . 99 (58): 37–44. дои : 10.1049/пи-3.1952.0011 .
- ^ Пойнтон, Чарльз А. (2003). Цифровое видео и HDTV . Издательство Морган Кауфманн. п. 147 . ISBN 978-1-55860-792-7 .
- ^ Вудворд, Филип М. (1953). Теория вероятностей и информации с приложениями к радару . Лондон: Пергамон Пресс. п. 29 . ISBN 978-0-89006-103-9 . OCLC 488749777 .
- ^ Эйлер, Леонард (1735). «О суммах рядов обратных величин». arXiv : math/0506415 .
- ^ Луис Ортис-Грасиа; Корнелис В. Остерли (2016). «Высокоэффективная вейвлет-метод Шеннона, обратная Фурье, для оценки европейских опционов» . СИАМ J. Sci. Вычислить . 38 (1): В118–В143. Бибкод : 2016ГАО...38Б.118О . дои : 10.1137/15M1014164 . hdl : 2072/377498 .
- ^ «Расширенная задача 6241». Американский математический ежемесячник . 87 (6). Вашингтон, округ Колумбия: Математическая ассоциация Америки : 496–498. Июнь – июль 1980 г. doi : 10.1080/00029890.1980.11995075 .
- ^ Роберт Бэйли; Дэвид Борвейн ; Джонатан М. Борвейн (декабрь 2008 г.). «Удивительные суммы и интегралы Sinc». Американский математический ежемесячник . 115 (10): 888–901. дои : 10.1080/00029890.2008.11920606 . hdl : 1959.13/940062 . JSTOR 27642636 . S2CID 496934 .
- ^ Бэйли, Роберт (2008). «Забава с рядом Фурье». arXiv : 0806.0150v2 [ math.CA ].
- ^ Jump up to: а б с Йе, В.; Энтезари, А. (июнь 2012 г.). «Геометрическое построение многомерных функций Sinc». Транзакции IEEE при обработке изображений . 21 (6): 2969–2979. Бибкод : 2012ITIP...21.2969Y . дои : 10.1109/TIP.2011.2162421 . ПМИД 21775264 . S2CID 15313688 .