Jump to content

Преобразование Ханкеля

В математике выражает преобразование Ханкеля любую заданную функцию f ( r ) как взвешенную сумму бесконечного числа функций Бесселя первого рода J ν ( kr ) . Все функции Бесселя в сумме имеют один и тот же порядок ν, но различаются масштабным коэффициентом k вдоль оси r . Необходимый коэффициент F ν каждой функции Бесселя в сумме как функция масштабного коэффициента k составляет преобразованную функцию. Преобразование Ханкеля является интегральным преобразованием и было впервые разработано математиком Германом Ханкелем . Оно также известно как преобразование Фурье-Бесселя. Подобно тому, как преобразование Фурье для бесконечного интервала связано с рядом Фурье на конечном интервале, преобразование Ханкеля на бесконечном интервале связано с рядом Фурье–Бесселя на конечном интервале.

Определение

[ редактировать ]

Ханкеля Преобразование порядка функции f ( r ) определяется выражением

где функция Бесселя первого рода порядка с . Обратное преобразование Ханкеля F ν ( k ) определяется как

что можно легко проверить с помощью соотношения ортогональности, описанного ниже.

Область определения

[ редактировать ]

Обращение преобразования Ганкеля функции f ( r ) допустимо в каждой точке, в которой f ( r ) непрерывна, при условии, что функция определена в (0, ∞), кусочно непрерывна и имеет ограниченную вариацию на каждом конечном подинтервале в (0, ∞) и

Однако, как и преобразование Фурье, область определения можно расширить с помощью аргумента плотности, включив в нее некоторые функции, чей приведенный выше интеграл не конечен, например .

Альтернативное определение

[ редактировать ]

Альтернативное определение гласит, что преобразование Ганкеля g ( r ) есть [1]

Эти два определения связаны:

Если , затем

Это означает, что, как и в предыдущем определении, преобразование Ханкеля, определенное таким образом, также является обратным самому себе:

Очевидная область теперь имеет условие

но это можно продлить. Согласно приведенной выше ссылке, мы можем принять интеграл в качестве предела, поскольку верхний предел стремится к бесконечности ( несобственный интеграл, а не интеграл Лебега ), и таким образом преобразование Ханкеля и его обратная работа для всех функций из L 2 (0, ∞).

Преобразование уравнения Лапласа

[ редактировать ]

Преобразование Ханкеля можно использовать для преобразования и решения уравнения Лапласа, выраженного в цилиндрических координатах. При преобразовании Ханкеля оператор Бесселя превращается в умножение на . [2] В осесимметричном случае уравнение в частных производных преобразуется как

где . Таким образом, лапласиан в цилиндрических координатах становится обыкновенным дифференциальным уравнением в преобразованной функции .

Ортогональность

[ редактировать ]

Функции Бесселя образуют ортогональный базис относительно весового коэффициента r : [3]

Теорема Планшереля и теорема Парсеваля.

[ редактировать ]

Если f ( r ) и g ( r ) таковы, что их преобразования Ганкеля F ν ( k ) и G ν ( k ) корректно определены, то теорема Планшереля утверждает:

Теорема Парсеваля , которая утверждает

является частным случаем теоремы Планшереля. Эти теоремы можно доказать, используя свойство ортогональности.

Связь с многомерным преобразованием Фурье

[ редактировать ]

Преобразование Ханкеля появляется, когда записывают многомерное преобразование Фурье в гиперсферических координатах , что является причиной того, что преобразование Ханкеля часто появляется в физических задачах с цилиндрической или сферической симметрией.

Рассмотрим функцию из -мерный вектор r . Его -мерное преобразование Фурье определяется как Чтобы переписать ее в гиперсферических координатах, можно воспользоваться разложением плоской волны на -мерные гиперсферические гармоники : [4] где и представляют собой множества всех гиперсферических углов в -пространство и -космос. Это дает следующее выражение для -мерное преобразование Фурье в гиперсферических координатах: Если мы расширим и в гиперсферических гармониках: преобразование Фурье в гиперсферических координатах упрощается до Это означает, что функции с угловой зависимостью в виде гиперсферической гармоники сохраняют ее при многомерном преобразовании Фурье, а радиальная часть претерпевает преобразование Ханкеля (с учетом некоторых дополнительных множителей типа ).

Особые случаи

[ редактировать ]

Преобразование Фурье в двух измерениях

[ редактировать ]

Если двумерную функцию f ( r ) разложить в мультипольный ряд ,

то его двумерное преобразование Фурье имеет вид где это Преобразование Ганкеля -го порядка (в этом случае играет роль момента импульса, который обозначили через в предыдущем разделе).

Преобразование Фурье в трех измерениях

[ редактировать ]

Если трехмерную функцию f ( r ) разложить в мультипольный ряд по сферическим гармоникам ,

то его трехмерное преобразование Фурье имеет вид где представляет собой преобразование Ханкеля порядка .

Этот вид преобразования Ханкеля полуцелого порядка также известен как сферическое преобразование Бесселя.

Преобразование Фурье в измерениях d (радиально-симметричный случай)

[ редактировать ]

Если d -мерная функция f ( r ) не зависит от угловых координат, то ее d -мерное преобразование Фурье F ( k ) также не зависит от угловых координат и определяется выражением [5] что является преобразованием Ханкеля порядка до фактора .

2D-функции внутри ограниченного радиуса

[ редактировать ]

Если двумерная функция f ( r ) разложена в мультипольный ряд и коэффициенты разложения f m достаточно гладкие вблизи начала координат и равны нулю вне радиуса R , то радиальная часть f ( r )/ r м можно разложить в степенной ряд 1 − ( r / R )^2 :

такой, что двумерное преобразование Фурье f ( r ) становится

где последнее равенство следует из §6.567.1 гл. [6] Коэффициенты разложения f m,t доступны с помощью дискретного преобразования Фурье : методов [7] если радиальное расстояние масштабируется с помощью

коэффициенты ряда Фурье-Чебышева g выглядят как

Использование повторного расширения

дает f m,t выраженное как суммы g m,j .

Это одна из разновидностей техник быстрого преобразования Ханкеля.

Связь с преобразованиями Фурье и Абеля

[ редактировать ]

Преобразование Ханкеля является одним из членов FHA цикла интегральных операторов . В двух измерениях, если мы определим A как оператор преобразования Абеля , F как оператор преобразования Фурье и H как оператор преобразования Ганкеля нулевого порядка, то частный случай теоремы о проекционном срезе для кругово-симметричных функций утверждает, что

Другими словами, применение преобразования Абеля к одномерной функции, а затем применение преобразования Фурье к этому результату — это то же самое, что применение преобразования Ханкеля к этой функции. Эту концепцию можно распространить на более высокие измерения.

Численная оценка

[ редактировать ]

Простой и эффективный подход к численной оценке преобразования Ханкеля основан на наблюдении, что его можно представить в форме свертки путем логарифмической замены переменных. [8] В этих новых переменных преобразование Ханкеля имеет вид где

Теперь интеграл можно вычислить численно с помощью сложность с использованием быстрого преобразования Фурье . Алгоритм можно дополнительно упростить, используя известное аналитическое выражение для преобразования Фурье : [9] Оптимальный выбор параметров зависит от свойств в частности, его асимптотическое поведение при и

Этот алгоритм известен как «квазибыстрое преобразование Ханкеля» или просто «быстрое преобразование Ханкеля».

Поскольку он основан на быстром преобразовании Фурье в логарифмических переменных, должна быть определена в логарифмической сетке. Для функций, определенных на равномерной сетке, существует ряд других алгоритмов, включая прямую квадратуру , методы, основанные на теореме о проекционном срезе , и методы, использующие асимптотическое разложение функций Бесселя. [10]

Некоторые пары преобразований Ханкеля

[ редактировать ]

[11]

Выражается через эллиптические интегралы . [12]

Kn рода ( z ) модифицированная функция Бесселя второго . K ( z ) полный эллиптический интеграл первого рода .

Выражение

совпадает с выражением для оператора Лапласа в полярных координатах ( k , θ ), примененного к сферически-симметричной функции F 0 ( k ).

Преобразование Ханкеля полиномов Цернике по сути является функциями Бесселя (Нолл 1976):

для четного n - m ≥ 0 .

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Луи де Бранж (1968). Гильбертово пространство целых функций . Лондон: Прентис-Холл. п. 189 . ISBN  978-0133889000 .
  2. ^ Пуларикас, Александр Д. (1996). Руководство по преобразованиям и приложениям . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN  0-8493-8342-0 . ОСЛК   32237017 .
  3. ^ Понсе де Леон, Дж. (2015). «Возвращаясь к ортогональности функций Бесселя первого рода на бесконечном интервале». Европейский журнал физики . 36 (1): 015016. Бибкод : 2015EJPh...36a5016P . дои : 10.1088/0143-0807/36/1/015016 .
  4. ^ Эйвери, Джеймс Эмиль. Гиперсферические гармоники и их физические приложения . ISBN  978-981-322-930-3 . OCLC   1013827621 .
  5. ^ Фарис, Уильям Г. (6 декабря 2008 г.). «Радиальные функции и преобразование Фурье: заметки по математике 583A, осень 2008 г.» (PDF) . Университет Аризоны, математический факультет . Проверено 25 апреля 2015 г.
  6. ^ Градштейн И.С.; Рыжик, И.М. (2015). Цвиллингер, Дэниел (ред.). Таблица интегралов, рядов и произведений (Восьмое изд.). Академическая пресса. п. 687. ИСБН  978-0-12-384933-5 .
  7. ^ Секада, Хосе Д. (1999). «Численная оценка преобразования Ханкеля». Вычислить. Физ. Коммун . 116 (2–3): 278–294. Бибкод : 1999CoPhC.116..278S . дои : 10.1016/S0010-4655(98)00108-8 .
  8. ^ Зигман, А.Э. (1 июля 1977 г.). «Квазибыстрое преобразование Ханкеля». Оптические письма . 1 (1): 13. Бибкод : 1977OptL....1...13S . дои : 10.1364/ол.1.000013 . ISSN   0146-9592 . ПМИД   19680315 .
  9. ^ Талман, Джеймс Д. (октябрь 1978 г.). «Численные преобразования Фурье и Бесселя в логарифмических переменных». Журнал вычислительной физики . 29 (1): 35–48. Бибкод : 1978JCoPh..29...35T . дои : 10.1016/0021-9991(78)90107-9 . ISSN   0021-9991 .
  10. ^ Кри, MJ; Боунс, Пи Джей (июль 1993 г.). «Алгоритмы численного вычисления преобразования Ханкеля» . Компьютеры и математика с приложениями . 26 (1): 1–12. дои : 10.1016/0898-1221(93)90081-6 . ISSN   0898-1221 .
  11. ^ Папулис, Афанасиос (1981). Системы и преобразования с приложениями к оптике . Флорида, США: Издательская компания Krieger. стр. 140–175. ISBN  978-0898743586 .
  12. ^ Каузель, Э.; Ирфан Байг, ММ (2012). «Преобразование Лапласа произведений функций Бесселя: посещение более ранних формул» (PDF) . Ежеквартальный журнал прикладной математики . 70 : 77–97. дои : 10.1090/s0033-569x-2011-01239-2 . hdl : 1721.1/78923 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ed3f922dabd546ffb2c7f60ff4a1dd08__1721596020
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ed/08/ed3f922dabd546ffb2c7f60ff4a1dd08.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Hankel transform - 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.)