Jump to content

Функция Sinc

(Перенаправлено из функции Unnormalized sinc )

В математике , физике и технике функция sinc , обозначаемая sinc( x ) , имеет две формы: нормализованную и ненормализованную. [1]

Синк
Часть нормализованной и ненормализованной функции sinc, показанная в одном масштабе.
Часть нормализованной функции sinc (синий) и ненормализованной функции sinc (красный) показаны в одном масштабе.
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
Duration: 3 seconds.
Функция sinc как звук с частотой 2000 Гц (±1,5 секунды вокруг нуля)

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 ]
Локальные максимумы и минимумы (маленькие белые точки) ненормализованной красной функции sinc соответствуют ее пересечениям с синей функцией косинуса .

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 :

Кардинальная синусоидальная функция sinc(z), построенная на комплексной плоскости от -2-2i до 2+2i.
Кардинальная синусоидальная функция sinc(z), построенная на комплексной плоскости от -2-2i до 2+2i.

и связана с гамма-функцией Γ( x ) через формулу отражения Эйлера :

Эйлер открыл [8] что и из-за тождества произведения к сумме [9]

раскраски домена График sinc z = грех з / з

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 :

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 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 ]
  1. ^ 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 ..
  2. ^ 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
  3. ^ Вайсштейн, Эрик В. «Функция Sinc» . mathworld.wolfram.com . Проверено 7 июня 2023 г.
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ Пойнтон, Чарльз А. (2003). Цифровое видео и HDTV . Издательство Морган Кауфманн. п. 147 . ISBN  978-1-55860-792-7 .
  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 .
  8. ^ Эйлер, Леонард (1735). «О суммах рядов обратных величин». arXiv : math/0506415 .
  9. ^ 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 .
  10. ^ «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 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ Бэйли, Роберт (2008). «Забава с рядом Фурье». arXiv : 0806.0150v2 [ math.CA ].
  13. ^ 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 .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 5123a976554bde8fb797db0533471a60__1716083400
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/51/60/5123a976554bde8fb797db0533471a60.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Sinc function - 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.)