Теорема обращения Фурье - Fourier inversion theorem

В математике , то теорема Фурье инверсии говорит , что для многих типов функций можно восстановить функцию от его преобразования Фурье . Интуитивно это можно рассматривать как утверждение, что если мы знаем всю информацию о частоте и фазе волны, то мы можем точно восстановить исходную волну.

Теорема гласит, что если у нас есть функция, удовлетворяющая определенным условиям, и мы используем соглашение для преобразования Фурье, что

тогда

Другими словами, теорема говорит, что

Это последнее уравнение называется интегральной теоремой Фурье .

Другой способ сформулировать теорему, что если оборотная оператор есть , то

Теорема верна, если оба и их преобразование Фурье абсолютно интегрируемысмысле Лебега ) и непрерывны в точке . Однако даже при более общих условиях верны версии теоремы обращения Фурье. В этих случаях указанные выше интегралы могут не сходиться в обычном смысле.

Заявление

В этом разделе мы предполагаем, что это интегрируемая непрерывная функция. Используйте соглашение для преобразования Фурье, которое

Кроме того, мы предполагаем, что преобразование Фурье также интегрируемо.

Обратное преобразование Фурье как интеграл

Чаще всего в теореме обращения Фурье обратное преобразование формулируется как интеграл. Для любой интегрируемой функции и всего набора

Тогда для всех у нас есть

Интегральная теорема Фурье

Теорема может быть переформулирована как

Если f является действительным знаком, то, взяв действительную часть каждой стороны указанного выше, мы получим

Обратное преобразование в терминах оператора переворота

Для любой функции определите оператор переворота следующим образом:

Тогда мы можем вместо этого определить

Из определения преобразования Фурье и оператора переворота следует, что оба и соответствуют интегральному определению , и, в частности, равны друг другу и удовлетворяют .

Поскольку у нас есть и

Двусторонний инверсный

Форма сформулированной выше теоремы об обращении Фурье, как правило, такова:

Другими словами, является левым обратным преобразованию Фурье. Однако он также является правым обратным преобразованию Фурье, т.е.

Поскольку это так похоже на , это очень легко следует из теоремы об обращении Фурье (с заменой переменных ):

В качестве альтернативы, это может быть видно из соотношения между и флип - оператора и ассоциативности из композиции функций , так как

Условия на функцию

При использовании в физике и технике теорема обращения Фурье часто используется в предположении, что все «ведет себя хорошо». В математике такие эвристические аргументы недопустимы, а теорема об обращении Фурье включает явное указание того, какой класс функций разрешен. Однако не существует «лучшего» класса функций для рассмотрения, поэтому существует несколько вариантов теоремы обращения Фурье, хотя и с совместимыми выводами.

Функции Шварца

Теорема обращения Фурье верна для всех функций Шварца (грубо говоря, гладких функций, которые быстро убывают и все производные которых быстро убывают). Это условие имеет то преимущество, что оно представляет собой элементарное прямое утверждение о функции (в отличие от наложения условия на ее преобразование Фурье), а интеграл, определяющий преобразование Фурье, и его обратное преобразование являются абсолютно интегрируемыми. Эта версия теоремы используется при доказательстве теоремы обращения Фурье для умеренных распределений (см. Ниже).

Интегрируемые функции с интегрируемым преобразованием Фурье

Теорема обращения Фурье верна для всех непрерывных функций, которые являются абсолютно интегрируемыми (т. Е. С абсолютно интегрируемым преобразованием Фурье). Сюда входят все функции Шварца, так что это строго более сильная форма теоремы, чем предыдущая. Это условие используется выше в разделе операторов .

Небольшой вариант - отказаться от условия непрерывности функции, но при этом требовать, чтобы она и ее преобразование Фурье были абсолютно интегрируемыми. Тогда почти всюду, где g - непрерывная функция, и для каждого .

Интегрируемые функции в одном измерении

Кусочно-гладкая; одно измерение

Если функция абсолютно интегрируема в одном измерении (т. Е. ) И кусочно гладкая, то верна версия теоремы об обращении Фурье. В этом случае мы определяем

Тогда для всех

т.е. равно среднему значению левого и правого пределов at . В точках, где непрерывно, это просто равно .

Имеется и многомерный аналог этой формы теоремы, но, по словам Фолланда (1992), он «довольно тонкий и не очень полезный».

Кусочно-непрерывный; одно измерение

Если функция является абсолютно интегрируемой в одном измерении (т.е. ), но просто кусочно-непрерывной, то версия теоремы об обращении Фурье все еще остается в силе. В этом случае интеграл в обратном преобразовании Фурье определяется с помощью гладкой, а не точной отсекающей функции; конкретно мы определяем

Заключение теоремы тогда такое же, как и для рассмотренного выше кусочно-гладкого случая.

Непрерывный; любое количество измерений

Если является непрерывным и абсолютно интегрируемым на, то теорема об обращении Фурье все еще остается в силе, пока мы снова определяем обратное преобразование с гладкой срезающей функцией, т.е.

Вывод просто таков, что для всех

Нет условия регулярности; любое количество измерений

Если мы отбросим все предположения о (кусочной) непрерывности и предположим просто, что она абсолютно интегрируема, то версия теоремы все еще верна. Обратное преобразование снова определяется с помощью гладкого обрезания, но с заключением, что

почти для каждого

Квадратные интегрируемые функции

В этом случае преобразование Фурье не может быть определено напрямую как интеграл, поскольку оно может не быть абсолютно сходящимся, поэтому вместо этого оно определяется аргументом плотности (см. Статью о преобразовании Фурье ). Например, положив

мы можем установить, где берется предел в -норме. Обратное преобразование может быть определено посредством плотности таким же образом или путем определения его в терминах преобразования Фурье и оператора переворачивания. Тогда у нас есть

в среднеквадратичной норме . В одном измерении (и только в одном измерении) также можно показать, что он сходится почти для каждого x ∈ℝ - это теорема Карлесона , но ее гораздо труднее доказать, чем сходимость в среднеквадратичной норме.

Закаленные дистрибутивы

Преобразование Фурье может быть определено на пространстве умеренных распределений двойственностью преобразования Фурье на пространстве функций Шварца. Специально для и для всех тестовых функций мы устанавливаем

где определяется с помощью интегральной формулы. Если тогда это согласуется с обычным определением. Мы можем определить обратное преобразование либо двойственностью обратного преобразования функций Шварца таким же образом, либо определив его в терминах оператора переворота (где оператор переворота определяется двойственностью). Тогда у нас есть

Связь с рядами Фурье

При рассмотрении ряда Фурье функции принято масштабировать ее так, чтобы она действовала (или была -периодической). Вместо этого в этом разделе мы используем несколько необычное соглашение, чтобы действовать , поскольку оно соответствует соглашению преобразования Фурье, используемому здесь.

Теорема обращения Фурье аналогична сходимости рядов Фурье . В случае преобразования Фурье имеем

Вместо этого в случае рядов Фурье имеем

В частности, в одном измерении сумма колеблется от до .

Приложения

Некоторые проблемы, такие как определенные дифференциальные уравнения, становится легче решать, когда применяется преобразование Фурье. В этом случае решение исходной задачи восстанавливается с помощью обратного преобразования Фурье.

В приложениях преобразования Фурье теорема обращения Фурье часто играет решающую роль. Во многих ситуациях основная стратегия заключается в применении преобразования Фурье, выполнении некоторых операций или упрощений, а затем применении обратного преобразования Фурье.

Говоря более абстрактно, теорема об обращении Фурье - это утверждение о преобразовании Фурье как об операторе (см. Преобразование Фурье в функциональных пространствах ). Например, теорема обращения Фурье показывает, что преобразование Фурье является унитарным оператором на .

Свойства обратного преобразования

Обратное преобразование Фурье очень похоже на исходное преобразование Фурье: как обсуждалось выше, оно отличается только применением оператора переворота. По этой причине свойства преобразования Фурье сохраняются для обратного преобразования Фурье, такие как теорема свертки и лемма Римана – Лебега .

Таблицы преобразований Фурье можно легко использовать для обратного преобразования Фурье, составив искомую функцию с оператором переворота. Например, просматривая преобразование Фурье функции rect, мы видим, что

так что соответствующий факт для обратного преобразования равен

Доказательство

Доказательство использует несколько фактов, приведенных и .

  1. Если и , то .
  2. Если и , то .
  3. Действительно , это следует из теоремы Фубини .
  4. Определить ; тогда .
  5. Определить . Затем с обозначая свертку , является приближением к идентичности : для любых непрерывных и точек , (где сходимость точечно).

Поскольку по предположению, то по теореме о мажорируемой сходимости следует, что

Определить . Применяя факты 1, 2 и 4, если необходимо, многократно для кратных интегралов, получаем

Используя факт 3 и для каждого из них , мы имеем

свертка с приблизительным тождеством. Но поскольку факт 5 говорит, что

Объединив все вышесказанное, мы показали, что

Примечания

Рекомендации

  • Фолланд, Великобритания (1992). Фурье-анализ и его приложения . Белмонт, Калифорния, США: Уодсворт. ISBN   0-534-17094-3 .
  • Фолланд, Великобритания (1995). Введение в уравнения с частными производными (2-е изд.). Принстон, США: Princeton Univ. Нажмите. ISBN   978-0-691-04361-6 .
  1. ^ "DMat0101, Примечания 3: Преобразование Фурье на L ^ 1" . Я проснулся в странном месте . 2011-03-10 . Проверено 12 февраля 2018 .