Множитель (анализ Фурье)
![]() | Эта статья включает в себя список общих ссылок , но в ней не хватает достаточно соответствующих встроенных цитат . ( Февраль 2016 г. ) |
В анализе Фурье оператор множителя является типом линейного оператора или преобразования функций . Эти операторы действуют на функцию, изменяя его преобразование Фурье . В частности, они умножают преобразование Фурье функции на указанную функцию, известную как множитель или символ . Иногда сам оператор множителя термина сокращается просто для множителя . [ 1 ] Проще говоря, множитель изменяет частоты, связанные с любой функцией. Этот класс операторов оказывается широким: общая теория показывает, что оператор-инвариант перевода в группе , который подчиняется некоторым (очень мягким) условиям регулярности, может быть выражен в качестве оператора множителя, и, наоборот. [ 2 ] Многие знакомые операторы, такие как переводы и дифференциация , являются операторами множителя, хотя есть много более сложных примеров, таких как преобразование Гильберта .
При обработке сигнала оператор множителя называется « фильтром фильтра », а множитель является частотной характеристикой (или передаточной функции ).
В более широком контексте операторы множителя являются специальными случаями операторов спектрального множителя, которые возникают в результате функционального исчисления оператора (или семейства операторов коммутирующих). Они также являются особыми случаями псевдодифференциальных операторов , а в более общем смысле операторы Фурье . В этой области есть естественные вопросы, которые все еще открыты, такие как характеристика L п Ограниченные операторы множителя (см. Ниже).
Операторы множителя не связаны с множителями Lagrange , за исключением того, что они оба включают операцию умножения.
Необходимый фон для преобразования Фурье , см. Страницу. Дополнительный важный фон можно найти на норме оператора страниц и L п космос .
Примеры
[ редактировать ]В настройке периодических функций, определенных на единичном круге , преобразование Фурье функции - это просто последовательность его коэффициентов Фурье . Чтобы увидеть, что дифференциация может быть реализована как множитель, рассмотрим серию Фурье для производной периодической функции После использования интеграции по частям в определении коэффициента Фурье у нас есть
- .
Таким образом, формально из этого следует, что серия Фурье для производной - это просто серия Фурье для умножен на фактор Полем Это то же самое, что сказать, что дифференциация является оператором множителя с множителем .
Примером оператора множителя, действующего на функции на реальной линии, является преобразование Гильберта . Можно показать, что преобразование Гильберта является оператором множителя, чей множитель определяется , где SGN является функцией Signum .
Наконец, еще одним важным примером множителя является характерная функция единичного куба в который возникает при изучении «частичных сумм» для преобразования Фурье (см. Сходимость серии Фурье ).
Определение
[ редактировать ]Операторы мультипликатора могут быть определены в любой группе G, для которой также определено преобразование Фурье (в частности, на любой локально компактной группе Абелевой ). Общее определение заключается в следующем. Если достаточно регулярная функция , пусть обозначайте его преобразование Фурье (где это Pontryagin двойник G ). Позволять Обознайте другую функцию, которую мы будем называть множителем . Тогда оператор множителя Связан с этим символом M определяется через формулу
Другими словами, преобразование Фурье TF на частоте ξ определяется преобразованием Фурье на этой частоте , умноженное на значение множителя на этой частоте. Это объясняет терминологию «множитель».
Обратите внимание, что вышеуказанное определение только определяет TF неявно; Чтобы явно восстановить TF, необходимо инвертировать преобразование Фурье. Это можно легко сделать, если и F , и M достаточно гладкие и интегрируемые. Одна из основных задач у субъекта-определить, для любого указанного множителя M , независимо от того, остается ли соответствующий оператор множителя Фурье, остается четко определенным, когда F имеет очень низкую регулярность, например, если он предполагается, что он лежит в L п космос. См. Обсуждение «Проблема ограниченности» ниже. Как минимум, обычно требуется, чтобы множитель M был ограничен и измеримым ; Этого достаточно, чтобы установить ограниченность на но в целом недостаточно силен, чтобы придать ограничению на других местах.
Можно рассматривать оператор множителя T как композицию трех операторов, а именно преобразование Фурье, операция точечного умножения на M , а затем обратное преобразование Фурье. Эквивалентно, t - сопряжение оператора точкового умножения с помощью преобразования Фурье. Таким образом, можно придумать операторов множителя как операторов, которые диагонализируются преобразованием Фурье.
Операторы множителя в общих группах
[ редактировать ]Теперь мы специализируем вышеупомянутое общее определение для конкретных групп g . Сначала рассмотрим круг единицы Таким образом, функции на G можно рассматривать как 2π -периодические функции на реальной линии. В этой группе двойник Pontryagin - это группа целых чисел, Преобразование Фурье (для достаточно регулярных функций f ) определяется
и обратное преобразование Фурье дается
Мультипликатор в этом настройке - просто последовательность чисел и оператора Связан с этим множителем затем определяется формулой
по крайней мере для достаточного благополучия выбора множителя и функция f .
Теперь пусть G будет евклидовым пространством Полем Здесь двойная группа также евклидова, и преобразования Фурье и обратные Фурье даются формулами
Мультипликатор в этом настройке является функцией и связанный оператор множителя определяется
Опять же, предполагая достаточно сильную регулярность и предположения о ограничении на множитель и функцию.
В смысле распределений нет никакой разницы между операторами множителя и операторами свертки ; Каждый множитель также может быть выражен в форме TF = F ∗ k для некоторого распределения k известного как ядра свертки T. T , В этой точке, перевод на сумму x 0 является сверткой с дельта -функцией Dirac Δ (· - x 0 ), дифференциация - это свертка с Δ '. Дальнейшие примеры приведены в таблице ниже .
Диаграммы
[ редактировать ]Дальнейшие примеры
[ редактировать ]На круге подразделения
[ редактировать ]В следующей таблице показаны некоторые общие примеры операторов множителя на круге устройства
Имя | Множитель, | Оператор, | Ядро, |
---|---|---|---|
Оператор личности | 1 | f ( t ) | Dirac Delta Function |
Умножение на постоянное C | в | cf ( t ) | |
Перевод по с | f ( t - s ) | ||
Дифференциация | в | ||
K -Fold Difsioniation | |||
дифференциала коэффициента Оператор дифференциала | |||
Дробная производная порядка | |||
Среднее значение | 1 | ||
Средний компонент | |||
Интеграция (без среднего компонента) | Функция пилобата | ||
Периодическое трансформация Гильберта h | |||
Суммирование Дирихле | Дирихлет ядра | ||
Фехер суммирование | Голова -Кернел | ||
Общий множитель | |||
Общий свертки оператор |
На евклидовом пространстве
[ редактировать ]В следующей таблице показаны некоторые общие примеры операторов множителя на эвклидовом пространстве .
Имя | Множитель, | Оператор, | Ядро, |
---|---|---|---|
Оператор личности | 1 | f ( x ) | |
Умножение на постоянное C | в | CF ( x ) | |
Перевод по y | |||
Производное (только одно измерение) | |||
Частичная производная | |||
Лапласиан | |||
Оператор дифференциала дифференциала коэффициента | |||
Дробная производная порядка | |||
Потенциал порядка Риза | |||
Потенциал Бесселя порядка | |||
Оператор теплового потока | Нагреть ядро | ||
уравнения Schrödinger Оператор эволюции | Ядра Schrödinger | ||
Гильберт преобразование H (только одно измерение) | |||
Riesz Transfors R J | |||
Частичный интеграл Фурье (только одно измерение) | |||
Мультипликатор диска | ( J - функция Бесселя ) | ||
Операторы Бохнера -Риз | |||
Общий множитель | |||
Общий оператор свертки |
Общие соображения
[ редактировать ]Карта это гомоморфизм C *-Algebras . Это следует, потому что сумма двух операторов множителя и операторы множителя с множителем , композиция этих двух операторов множителя является оператором множителя с множителем и приспособление оператора множителя еще один оператор множителя с множителем .
В частности, мы видим, что любые два оператора множителя ездят друг на друга. Известно, что операторы множителя являются инвариантными переводами. И наоборот, можно показать, что любой инвариантный линейный оператор перевода, который ограничен на L 2 ( G ) является оператором множителя.
L. п проблема ограниченности
[ редактировать ]L. п Проблема ограниченности (для любого конкретного p ) для данной группы G , просто заявлена, просто идентифицировать множители M , так что соответствующий оператор множителя ограничен из L п ( G ) к L п ( G ). Такие множители обычно просто называют « L п множители ». Обратите внимание, что по мере того, как операторы множителя всегда являются линейными, такие операторы ограничены тогда и только в том случае, если они непрерывны . Эта проблема считается чрезвычайно сложной в целом, но многие особые случаи можно рассматривать. Проблема во многом зависит от P , P, Хотя есть отношения с двойственностью : если и 1 ≤ p , q ≤ ∞, затем оператор множителя ограничен на L п Если и только если он ограничен на l Q. .
Теорема риса-тарорина показывает, что если оператор множителя ограничен двумя разными l п Пространства, тогда это также ограничено во всех промежуточных пространствах. Следовательно, мы понимаем, что пространство множителей наименьшее для L для L 1 и L. ∞ приближения и растет по мере 2 , который имеет самое большое пространство множителя.
Ограниченность на л 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 измеримы.
Ограниченность на л 1 или L. ∞
[ редактировать ]Этот случай сложнее, чем гильбертиан ( L 2 ) случай, но полностью разрешен. Следующее верно:
Теорема : в евклидовом пространстве функция это L. 1 множитель (эквивалентно L ∞ множитель), если и только в том случае, если существует конечная мера бореля μ, такое, что M является преобразованием Фурье μ.
(Часть «если» - это простой расчет. Часть «только если» здесь более сложная.)
Ограниченность на л п для 1 < p <∞
[ редактировать ]В этом общем случае необходимые и достаточные условия для ограничения не были установлены, даже для евклидового пространства или круга единицы. Однако известно несколько необходимых условий и нескольких достаточных условий. Например, известно, что для того, чтобы оператор множителя был ограничен даже одним L п Пространство, множитель должен быть ограничен и измеримым (это следует из характеристики L 2 множители выше и свойство включения). Однако этого недостаточно, за исключением случаев, когда p = 2.
Результаты, которые дают достаточные условия для ограничения, известны как теоремы множителя . Три таких результата приведены ниже.
Marcinkiewicz Multiplier Теор
[ редактировать ]Позволять быть ограниченной функцией, которая непрерывно дифференцируется на каждом наборе формы [ нужно разъяснения ] для и имеет производную такую, что
Тогда м - l п Множитель для всех 1 < p <∞.
Михлин мультипликатор теорема
[ редактировать ]Пусть M будет ограниченной функцией на что гладко, за исключением, возможно, в начале координат, и так, чтобы функция ограничен для всех целых чисел : Тогда м - l п Множитель для всех 1 < p <∞ .
Это особый случай теоремы мультипликатора Hörmander-Mikhlin.
Доказательства этих двух теоремы довольно сложные, включающие методы теории Кальдерона -Бигмунда и теоремы интерполяции Марцинкьюсека : для первоначального доказательства см. Михлин (1956) или Михлин (1965 , с. 225–240).
Радиальные множители
[ редактировать ]Для радиальных множителей необходимое и достаточное условие для ограниченность известна некоторым частичным диапазоном Полем Позволять и Полем Предположим, это является радиальным мультипликатором, компактно поддерживаемым вдали от происхождения. Затем является множитель тогда и только тогда, когда преобразование Фурье принадлежит .
Это теорема Хео, Назаров и Сигер . [ 3 ] Они также предоставили необходимое и достаточное условие, которое является действительным без допущений от компактной поддержки на .
Примеры
[ редактировать ]Переводы являются ограниченными операторами на любом l п Полем Дифференциация не ограничена ни на одном L п Полем ограничено Преобразование Гильберта только для P строго между 1 и ∞. Тот факт, что он не ограничен L ∞ легко, так как хорошо известно, что преобразование Гильберта пошаговой функции неограничено. Двойственность дает то же самое для p = 1 . Тем не менее, теоремы множества множества Marcinkiewicz и Mikhlin показывают, что преобразование Гильберта ограничено в L п Для всех 1 < p <∞ .
Еще один интересный случай на круге устройства - это когда последовательность который предлагается в качестве множителя, постоянна для N в каждом из наборов и Из теоремы множителя MarcInkiewicz (адаптирована к контексту круга единицы), мы видим, что любая такая последовательность (также предполагается, что, конечно, ограничена) [ нужно разъяснения ] является множителем на каждую 1 < p <∞ .
В одном измерении оператор мультипликатора диска (См. Таблицу выше) ограничена L п на каждый 1 < p <∞ . Однако в 1972 году Чарльз Фефферман показал удивительный результат, что в двух и более высоких измерениях оператор множителя диска Неограничен на L п Для каждого P ♠ 2 . Соответствующая проблема для множителей Бохнера -Ризе только частично решается; См. Также Гипотезу Бохнера -Риз .
Смотрите также
[ редактировать ]- Кальдерон - Zygmund Lemma
- Marcinkiewicz Theor
- Единственные интегралы
- Университетские интегральные операторы типа свертки
Примечания
[ редактировать ]- ^ Duolandikoetxea 2001 , раздел 3.5.
- ^ Stein 1970 , глава II.
- ^ Хео, Ярейонг; Назаров, Федор; Сигер, Андреас. Радиальные мультипликаторы Фурье в высоких измерениях. Acta Math. 206 (2011), нет. 1, 55--92. doi: 10.1007/s11511-011-0059-x. https://projecteuclid.org/euclid.acta/1485892528
Работы цитируются
[ редактировать ]- Duoandikoetxea, Javier (2001), Анализ Фурье , Американское математическое общество, ISBN 0-8218-2172-5
- Stein, Elias M. (1970), единственные интегралы и свойства дифференциации функций , Princeton University Press
Общие ссылки
[ редактировать ]- Grafakos, Loukas (2008), классический анализ Фурье (2 -е изд.), Springer, ISBN 978-0-387-09431-1
- Кацнельсон, Ицхак (2004), Введение в гармонический анализ , издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-54359-0
- Hörmander, Lars (1960), «Оценки инвариантных операторов перевода в L п Пространства ", Acta Mathematica , 104 : 93–140, doi : 10.1007/bf02547187
- Hörmander, Lars (1990), Анализ линейных операторов дифференциального дифференциала, I. Теория распределения и анализ Фурье (2-е изд.), Springer-Verlag, ISBN 3-540-52343-х
- Михлин, Соломон Г. (1956), «О множестве интегралов Фурье», Doklady Akademii Nauk Sssr , 109 : 701–703, ZBL 0073.08402 (на российском ).
- Михлин, Соломон Г. (1965), Многомерные единственные интегралы и интегральные уравнения , Международная серия монографий в чистой и прикладной математике, Vol. 83, Pergamon Press , ZBL 0129.07701 . Это содержит всеобъемлющий обзор всех результатов, известных во время публикации, включая набросок истории.
- Рудин, Уолтер (1962), Анализ Фурье по группам , интерсцену
- Torchinsky, Alberto (2004), реальные методы в гармоническом анализе , Dover, ISBN 0-486-43508-3