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 ]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 ]- Преобразование Фурье
- Интегральное преобразование
- Преобразование Абеля
- Ряд Фурье – Бесселя
- Полином Неймана
- Преобразования Y и H
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Луи де Бранж (1968). Гильбертово пространство целых функций . Лондон: Прентис-Холл. п. 189 . ISBN 978-0133889000 .
- ^ Пуларикас, Александр Д. (1996). Руководство по преобразованиям и приложениям . Бока-Ратон, Флорида: CRC Press. ISBN 0-8493-8342-0 . ОСЛК 32237017 .
- ^ 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 .
- ^ Эйвери, Джеймс Эмиль. Гиперсферические гармоники и их физические приложения . ISBN 978-981-322-930-3 . OCLC 1013827621 .
- ^ 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.
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Папулис, Афанасиос (1981). Системы и преобразования с приложениями к оптике . Флорида, США: Издательская компания Krieger. стр. 140–175. ISBN 978-0898743586 .
- ^ 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 .
- Гаскилл, Джек Д. (1978). Линейные системы, преобразования Фурье и оптика . Нью-Йорк: Джон Уайли и сыновья. ISBN 978-0-471-29288-3 .
- Полянин А.Д.; Манжиров А.В. (1998). Справочник интегральных уравнений . Бока-Ратон: CRC Press. ISBN 978-0-8493-2876-3 .
- Смайт, Уильям Р. (1968). Статическое и динамическое электричество (3-е изд.). Нью-Йорк: МакГроу-Хилл. стр. 179–223.
- Оффорд, AC (1935). «О преобразованиях Ханкеля». Труды Лондонского математического общества . 39 (2): 49–67. дои : 10.1112/plms/s2-39.1.49 .
- Исон, Г.; Благородный, Б.; Снеддон, Индиана (1955). «О некоторых интегралах типа Липшица-Ханкеля, включающих произведения функций Бесселя». Философские труды Королевского общества А. 247 (935): 529–551. Бибкод : 1955RSPTA.247..529E . дои : 10.1098/rsta.1955.0005 . JSTOR 91565 .
- Килпатрик, Дж. Э.; Кацура, Сигетоши; Иноуэ, Юджи (1967). «Вычисление интегралов от произведений функций Бесселя» . Математика вычислений . 21 (99): 407–412. дои : 10.1090/S0025-5718-67-99149-1 .
- Маккиннон, Роберт Ф. (1972). «Асимптотические разложения преобразований Ганкеля и связанных с ними интегралов» . Математика вычислений . 26 (118): 515–527. дои : 10.1090/S0025-5718-1972-0308695-9 . JSTOR 2003243 .
- Линц, Питер; Кропп, Т.Е. (1973). «Заметка о вычислении интегралов, включающих произведения тригонометрических функций и функций Бесселя» . Математика вычислений . 27 (124): 871–872. дои : 10.2307/2005522 . JSTOR 2005522 .
- Нолл, Роберт Дж (1976). «Полиномы Цернике и атмосферная турбулентность». Журнал Оптического общества Америки . 66 (3): 207–211. Бибкод : 1976JOSA...66..207N . дои : 10.1364/JOSA.66.000207 .
- Зигман, AE (1977). «Квази-почти преобразование Ханкеля». Опт . 1 (1): 13–15. Бибкод : 1977OptL....1...13S . дои : 10.1364/OL.1.000013 . ПМИД 19680315 .
- Магни, Витторио; Черулло, Джулио; Де Сильверстри, Сандро (1992). «Высокоточное быстрое преобразование Ханкеля для распространения оптического луча». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 9 (11): 2031–2033. Бибкод : 1992JOSAA...9.2031M . дои : 10.1364/JOSAA.9.002031 .
- Аньези, А.; Реали, Джанкарло К.; Патрини, Дж.; Томаселли, А. (1993). «Численная оценка преобразования Ханкеля: замечания». Журнал Оптического общества Америки А. 10 (9 1872 ) . : дои : 10.1364/JOSSAA.10.001872 .
- Баракат, Ричард (1996). «Численная оценка преобразования Ханкеля нулевого порядка с использованием квадратурной философии Филона» . Письма по прикладной математике . 9 (5): 21–26. дои : 10.1016/0893-9659(96)00067-5 . МР 1415467 .
- Феррари, Хосе А.; Персианте, Дэниел; Дубра, Альфредо (1999). «Быстрое преобразование Ханкеля n-го порядка». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 16 (10): 2581–2582. Бибкод : 1999JOSAA..16.2581F . дои : 10.1364/JOSAA.16.002581 .
- Видер, Томас (1999). «Алгоритм 794: Численное преобразование Ханкеля с помощью программы HANKEL на Фортране» . АКМ Транс. Математика. Программное обеспечение . 25 (2): 240–250. дои : 10.1145/317275.317284 .
- Нокарт, Люк (2000). «Быстрое преобразование Ханкеля с помощью быстрых синусоидальных и косинусных преобразований: связь Меллина» . IEEE Транс. Сигнальный процесс . 48 (6): 1695–1701. Бибкод : 2000ITSP...48.1695K . CiteSeerX 10.1.1.721.1633 . дои : 10.1109/78.845927 . hdl : 20.500.12860/4476 .
- Чжан, Д.В.; Юань, X.-C.; Нго, Северная Каролина; Шум, П. (2002). «Быстрое преобразование Ханкеля и его применение для изучения распространения цилиндрических электромагнитных полей» . Опция Выражать . 10 (12): 521–525. Бибкод : 2002OExpr..10..521Z . дои : 10.1364/oe.10.000521 . ПМИД 19436390 .
- Маркхэм, Джоан; Кончелло, Хосе-Анхель (2003). «Численная оценка преобразований Ганкеля для осциллирующих функций». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 20 (4): 621–630. Бибкод : 2003JOSAA..20..621M . дои : 10.1364/JOSAA.20.000621 . ПМИД 12683487 .
- Персианте, Сезар Д.; Феррари, Хосе А. (2004). «Быстрое преобразование Ханкеля n-го порядка с улучшенной производительностью». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 21 (9): 1811–2. Бибкод : 2004JOSAA..21.1811P . дои : 10.1364/JOSAA.21.001811 . ПМИД 15384449 .
- Гизар-Сикайрос, Мануэль; Гутьеррес-Вега, Хулио К. (2004). «Расчет квазидискретного преобразования Ганкеля целого порядка для распространения оптических волновых полей». J. Опт. Соц. Являюсь. А. 21 (1): 53–58. Бибкод : 2004JOSAA..21...53G . дои : 10.1364/JOSAA.21.000053 . ПМИД 14725397 .
- Сержан, Чарльз (2007). «Представление Цернике-Бесселя и его применение к преобразованиям Ганкеля» . J. Опт. Соц. Являюсь. А. 24 (6): 1609–1616. Бибкод : 2007JOSAA..24.1609C . дои : 10.1364/JOSAA.24.001609 . ПМИД 17491628 .