Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книжка умняшкина по моцос

.pdf
Скачиваний:
133
Добавлен:
16.04.2013
Размер:
1.55 Mб
Скачать

 

 

 

 

2

n

2 ограничена свер-

Числовая последовательность sn =

 

yn

 

= λ2j

 

ϕ j

 

 

 

 

 

 

j=1

 

 

 

 

ху, т.к. n sn = x 2 x yn 2 x 2 , и является неубывающей (sn+1sn). Поэтому {sn} – сходится. Сходимость последовательности частичных

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ,

сумм {sn} означает, по определению, сходимость ряда

s = λ2j

 

ϕ j

 

 

 

 

причём

 

 

 

 

 

j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

2 .

 

 

 

 

 

 

s = λ2j

 

ϕ j

 

x

 

 

 

 

(8)

j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Неравенство (8) носит название неравенство Бесселя.

Определения. Ортогональная система {ϕk }k =1 H называется пол-

ной в гильбертовом пространстве H, если x H можем записать разложение:

 

x = λkϕk ,

(9)

k =1

 

 

n

т.е. lim x λkϕk = 0 . Ряд (9) называется рядом Фурье (по орто-

n→∞

k =1

 

гональной системе {ϕk } ), а числа {λk } – коэффициентами Фурье.

Теорема 9. Пусть {ϕk }k =1 H – полная ортогональная система в гиль-

бертовом пространстве H. Тогда x H для

коэффициентов Фурье

{λk }k=1 верна формула (6).

 

n

 

◄ Обозначим частичную сумму xn = λkϕk .

В силу непрерывности

k =1

 

скалярного произведения и ортогональности системы {ϕ }∞= имеем:

k k 1

 

 

 

 

n

 

< x,ϕ j >= lim < xn

,ϕ j >= lim

λkϕk ,ϕ

 

 

n→∞

n→∞

k =1

 

 

 

 

= lim

n

λk (<ϕk ,ϕ j >)= λk (<ϕk ,ϕ j

>)= λj <ϕ

n→∞

k =1

k =1

 

 

 

j =

j ,ϕ j > ,

откуда следует формула (6). ►

21

Теорема 10. Ортогональная система {ϕk }k =1 H является полной в

гильбертовом пространстве H тогда и только тогда, когда x H неравенство (8) выполняется как равенство:

 

 

2

2 ,

x

 

= λ2j

 

ϕ j

 

 

 

j=1

 

 

 

которое называется равенством Парсеваля-Стеклова.

◄ Действительно, понятие полной системы {ϕk }k =1 H означает, что

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

x H:

x = λkϕk

и

x λkϕk

 

 

 

= 0 ,

 

k =1

 

 

 

k =1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

2 = 0 ,

 

 

 

 

что эквивалентно равенству

 

x

 

λ2j

 

ϕ j

которое получается

предельным переходом из (7). ►

j=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Важнейшим примером гильбертова пространства является пространство функций L2[a,b] (см. пример 7). При этом под L2(R), или просто L2, будем понимать пространство всех функций, интегрируемых с квадратом на всей числовой оси (данное требование необходимо для

существования скалярного произведения < x, x >= x 2 ).

1.7. Примеры ортогональных систем в пространстве L2

Элементами пространства в L2 являются функции. Приведём ряд примеров ортогональных функциональных базисов {ϕk}, которые нашли широкое применение на практике, в том числе, при обработке сигналов.

Пример 8.

 

Тригонометрическая

система

функций

 

2π

 

2π

 

 

 

1,cos

 

kt,sin

 

kt

, как хорошо известно из курса специальных

T

T

 

 

k =1

 

 

разделов математического анализа, является полной системой на любом отрезке t [a,a+T] длины T.

22

Пример 9. Система многочленов Лежандра {Pk (t)}k =0 – ортогональна и

полна

на отрезке

t [-1,1].

P (t) =1,

P (t) = t ,

P (t) = 1

(3t 2

1) ,…,

 

 

 

 

 

 

0

1

2

2

 

 

 

 

 

 

((t 2

1)n ),…

 

 

 

 

 

Pn (t) =

1 d n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2n n! dtn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При цифровой обработке сигналов использование степенных многочленов для представления сигналов часто более предпочтительно по сравнению с тригонометрическими функциями, так как вычисление последних реализуется обычно более сложным образом. В этой связи ещё более интересны базисы кусочно-постоянных функций.

Пример 10. Систему функций Радемахера {rk (x)}k =0 определим сле-

дующим образом. Для x [0,1) положим

r0

1

при x [0; 1 2)

(x) =

при x [1 2;1)

 

1

и периодически продолжим r0(x) на всю числовую ось с периодом T=1. Остальные функции системы определим так: rk (x) = r0 (2k x), k=1,2,…

(см. рис).

r0(x)

1

0

0,5

1 x

-1

Для дальнейшего изложения удобно использовать следующее обо-

 

n m

 

m +1

значение:

m =

 

 

,

 

n

, где

2

n

2

 

 

 

 

 

 

n=0,1,…; m Z (целое число). Тогда из определения функций Радемахера и приведённых иллюстраций видны следующие свойства данной системы.

r1(x)

1

0

0,5

1 x

-1

r2(x)

1

0

0,5

1 x

-1

23

1°. Кусочное постоянство.

k +1

:

rk ( x)

 

1, еслиm - четное

 

.

 

 

 

 

x m

= const =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

-1, еслиm - нечетное

 

 

 

 

 

На более мелких подынтервалах, естественно, функции также по-

стоянны:

 

j k +1, x j , m Ζ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k = 0,1,K,

r (x) = const .

(10)

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

2°. Интеграл по периоду

функции rk(x)

равен нулю. Поэтому m

rk (x)dx = 0 (как интеграл по одному периоду, T =

 

km

 

= 2k ) и

 

 

km

m, j = 0,K,k :

rk (x)dx = 0 ,

 

 

 

 

(11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

m

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

как интеграл по N периодам, N =

 

mj

 

 

=

2j

=

2k j .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

km

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2k

 

 

 

 

 

 

3°. Система функций {rk (x)}k=0

– ортонормирована на отрезке x [0,1].

◄ Очевидно, k

rk , rk

= 01(rk (x))2 dx =1 , т.е. функции нормирова-

ны. Покажем, что m k :

rk , rm

= 01rk (x)rm (x)dx = 0 . Пусть km и

для определенности k>m, тогда:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2k 1

 

 

 

 

123

 

 

 

 

 

 

rk , rm =

rk

( x)rm

(x)dx =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rk (x) rm ( x) dx =

 

 

 

 

 

00

 

 

 

j=0 kj

 

 

 

 

c(m,k, j)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

см.(10)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2k 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

c1(42m,k43, j) rk (x)dx = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j=0

±1

kj

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14243

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=0, см.(11)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким образом, система функций {rk (x)}k=0

является ортонормирован-

ной, но не является полной в пространстве L2[0,1], поэтому в L2[0,1] сис-

тема {rk (x)}k=0

не является базисом.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание. Покажите самостоятельно по схеме, аналогичной доказательству свойства 3°, что ненулевой элемент f(x)=r0(x)r1(x), f (x) =1,

f(x) L2[0,1], является ортогональным любой из функций Радемахера, т.е. k: <f,rk>=0. Следовательно, система {rk (x)}k =0 не является базисом в L2[0,1].

Пример 11. Систему функций Уолша {wn ( x)}n=0 определим следующим образом. Представим целое число n0 в виде двоичного разложе-

l(n)

 

 

 

 

 

 

ния: n = nk 2k , nk {0,1}. Тогда функции системы Уолша выражаются

k =0

 

 

 

 

 

 

при помощи функций Радемахера как

 

 

 

 

 

 

l(n)

= rk (x) ,

 

 

wn (x) = (rk (x))nk

 

(12)

k =0

 

k: nk =1

 

 

 

так как k (rk (x))0 =1 . Т.е. функция

 

 

 

 

 

 

 

n

n2

n1

n0

wn(x)

Уолша wn(x) определяется как произ-

 

 

 

 

 

 

 

0

0

0

0

w0(x)=1

ведение функций Радемахера с но-

 

 

 

 

 

 

 

1

0

0

1

w1(x)=r0(x)

мерами, которые соответствуют еди-

 

 

 

 

 

 

 

2

0

1

0

w2(x)=r1(x)

ничным индексам в двоичном раз-

 

 

 

 

 

 

 

3

0

1

1

w3(x)=r0(x)r1(x)

ложении числа n. При этом если все

 

 

 

 

 

 

 

4

1

0

0

w4(x)=r2(x)

коэффициенты {n } двоичного раз-

 

k

 

 

 

 

 

 

ложения равны нулю, то считаем последнее произведение в (12) равным единице, т.е. w0(x)=1. Поясним определение системы {wn (x)}n=0 построением её первых функций, см. табл.

Замечание. Очевидно, что функции системы Уолша имеют период T=1.

Задание. Постройте самостоятельно по определению (12) функции w3(x),…,w7(x) и их графики.

Теорема 11. На отрезке x [0,1] система Уолша ортонормированна.

◄ Очевидно, что n: <wn,wn>=1. Пусть теперь kn:

1

 

 

wk , wn = rj (x)

rj (x)

dx =

0 j:k j =1

j:n j =1

 

25

1

(rj ( x))2

 

 

 

1

 

=

 

rj (x) dx =

rj ( x)dx .

0 j:k j =n j =1

j:n j k j

 

0

j:n j k j

В подынтегральном произведении имеется по крайней мере один сомножитель, поскольку nk, и потому не все коэффициенты nj, kj одина-

ковы. Положим

~

= max j

и продолжим преобразования.

j

 

 

n j k j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

константа

 

1

 

 

~

 

c(k,n,m), ñì.(10)

 

 

 

j

 

64748

wk , wn = r~j

( x) rj (x)dx = 21 r~j ( x)

rj ( x) dx =

 

0

j:n k

 

m=0

~

j:n k

 

 

j

j

j

 

j ~

 

m

j ~

 

 

j< j

 

 

 

j< j

 

~

2 j 1

c(k, n, m)

14243

m=0 ±1

rj (x)dx = 0 .

~

 

~

 

mj

 

14243

 

=0, ñì.(11)

 

Теорема 12. Система Уолша (12) - полная в пространстве L2[0,1]. ◄ Примем утверждение теоремы без доказательства. ►

Так как функции системы Уолша принимают лишь два значения

±1, они очень удобны для программных вычислений и для аппаратной реализации в цифровой аппаратуре.

Пример 12. Систему функций Хаара {hn (x)}n=0 определим на полуинтервале x [0,1) следующим образом. Положим h0(x)=1. Для n>0 номер базисной функции hn(x) представим следующим образом: n = 2k + m ,

где целые числа k0, 0m2k-1 однозначно определяются по номеру n>0. Тогда

 

 

2k 2

при x k2+m1

 

 

 

hn (x) =

 

 

k 2

k +1

 

.

(13)

2

 

при x

2m+1

 

 

 

0

при x k

= ∆k +1

k +1

 

 

 

 

 

 

m

2m

2m+1

 

 

 

 

 

 

 

 

h1(x)

 

 

Приведём графики первых функций

1

 

 

системы {hn (x)}n=0 .

 

 

 

0

0,5

1 x

26

h2(x)

 

 

h3(x)

 

 

2

 

 

2

 

 

0

0,5

1 x

0

0,5

1 x

h4(x)

 

 

h5(x)

 

2

 

 

2

 

0

0,25

1 x

0 0,25 0,5

1 x

Рассмотренным ранее свойствам системы Радемахера во многом аналогичны следующие очевидные свойства системы Хаара. Для n>0, n = 2k + m , k0, 0m2k-1:

1°. j k +1, l {0,1,K,2 j 1}, x lj : hn (x) = const {0,2k 2 ,2k 2 }.

2°. j {0,K, k} l {0,1,K,2 j 1} : hn (x)dx = 0 .

lj

На основании данных свойств и определения (13) можно доказать, что система Хаара является ортонормированной.

Теорема 13. Система Хаара (13) является полной в пространстве L2[0,1]. ◄ Примем утверждение теоремы без доказательства. ►

27

Глава 2. Спектральное представление функций

Широкий класс устройств в электротехнике и радиоэлектронике описывается математической моделью линейной инвариантной во времени (ЛИВ) системы, преобразующей входной сигнал – функцию времени x(t) – в выходной сигнал y(t)=L{x(t)} по правилу, определяемому

+∞

формулой интегральной свёртки: y(t) = x(τ)h(t τ)dτ , где h(τ) – им-

−∞

пульсная характеристика системы. Легко можно показать, что для таких ЛИВ-систем функции вида eiωt являются собственными, т.е. L{eiωt } = Aeiωt , где А – некоторое комплексное число. Это означает, что

гармонические колебания не изменяют своей формы при прохождении через ЛИВ-систему, измениться может лишь их амплитуда и фаза. По этой причине базис гармонических колебаний наиболее удобен для анализа ЛИВ-систем, а спектральное (или частотное) представление функций при помощи преобразования Фурье является исключительно важным математическим аппаратом, используемым для анализа и синтеза систем обработки сигналов.

2.1. Тригонометрические ряды Фурье. Интеграл Фурье

Напомним следующую теорему.

Теорема 1. Если функция f(t) имеет период T и является кусочногладкой на периоде, то её ряд Фурье1 сходится к f(t) в каждой её точке

непрерывности и к значению

 

1

( f

( t + 0 ) +

f ( t

0 ) )

в точке

2

разрыва, то есть

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

f (t +0) + f (t

0)

 

a

0

 

 

2πk

 

2πk

 

 

 

 

 

=

 

+ ak cos

 

t +bk sin

 

 

t ,

(1)

2

 

2

T

T

 

 

k =1

 

 

 

 

где коэффициенты Фурье находятся по формулам:

1 Если не говорится, какая система функций рассматривается в виде базиса для построения ряда Фурье (см. раздел 1.6), то традиционно подразумевается использование тригонометрической системы.

28

 

 

2 T / 2

2πk

 

 

 

 

ak

=

 

 

 

f (t) cos

 

 

t dt,

k = 0,1,K

 

 

T T

 

T

 

 

 

2

 

 

 

 

(2)

 

 

2 T / 2

2πk

 

 

.

 

 

 

 

 

b

=

 

 

f (t) sin

 

 

 

t dt,

k = 1,2,K

 

T

 

 

T

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 2

 

 

 

 

 

 

 

 

Задание. Убедитесь, что формула (2) является частным случаем (1.6) для L2[-T/2; T/2] из примера 8 главы 1.

Часто, однако, более удобной является комплексная форма записи ряда Фурье (1):

 

f (t +0) + f (t 0)

 

2πk

 

 

 

=

ck ei

 

t ,

 

 

T

(3)

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

k =−∞

 

 

 

 

1 T / 2

 

 

 

 

2πk

 

 

 

 

ck =

 

f

(t)exp

i

 

 

t dt,

k = 0,±1,±2,K

(4)

T

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реальные сигналы, чаще всего, представляют собой апериодические функции, искусственная периодизация которых, необходимая для корректного использования разложений (1) или (3), представляет собой неоднозначную процедуру, приводящую к искажению сигнала. Поступим

следующим образом. Обозначим νk = k / T ,

νk =νk +1 νk

=1/ T = ∆ν ,

тогда из (3), (4):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2πk

 

T / 2

 

 

 

 

 

c ei

 

t =

 

f (u) exp(i2πν

 

u)du ei2πνk t ν

 

.

T

k

k

k

 

 

 

 

 

 

 

k =−∞

 

 

k =−∞ −T 2

 

 

 

 

 

Далее непериодический сигнал представим как периодический с бесконечно большим периодом.

T→∞

Тогда если существует интеграл

 

 

 

+∞

f (u) exp(i2πν

 

u)du ,

S(ν

k

) = lim c T =

k

 

T →∞ k

 

 

 

 

 

−∞

 

 

 

то при формальном переходе Т→∞ получим для ряда (3):

29

 

2πk

 

 

+∞

lim

ck ei

 

t

= lim

S(νk )ei2πνk t νk =

S(ν) exp(2πiνt)dν ,

T

T →∞ k =−∞

 

 

ν 0 k =−∞

−∞

в случае существования последнего интеграла, который понимается в

смысле главного значения по Коши:

+∞

 

+N

S(ν) exp(2πiνt)dν =

Nlim→∞

S(ν) exp(2πiνt)dν .

−∞

 

N

Данный интеграл носит название интеграла Фурье. Условия, при которых функция допускает представление в виде интеграла Фурье, определяет следующая теорема.

Теорема 2. Если функция f(t) абсолютно интегрируема на всей числовой

+∞

оси, т.е. f (t) dt < ∞ , и кусочно-гладкая на любом конечном отрезке

−∞

t [a,b] (-;+), то она представима в виде интеграла Фурье:

 

+N

+∞

 

 

f (t) = Nlim→∞

S(ν) exp(2πiνt)dν = S(ν) e2πiνt dν ,

(5)

 

N

−∞

 

 

(считаем, что в точках разрыва f (t) =

f (t +0) + f (t 0)

), где

 

2

 

 

 

 

 

 

+∞

 

 

 

 

S(ν) = f (t) e2πiνt dt .

 

(6)

−∞

Интеграл (6) носит название частотного спектра, или спектральной плотности, или спектральной характеристики функции (сигнала) f(t). Прямое (6) и обратное (5) преобразования Фурье записывают также с использованием в качестве аргумента (6) циклической частоты ω=2πν:

 

1

+∞

S(ω) =

f (t) eiωt dt ,

 

2π

−∞

f (t) = 1

+∞

S(ω) eiωt dω .

 

2π

−∞

Таким образом, при выполнении условий теоремы 2 сигнал можно однозначно описать как во временной области, т.е. через функцию времени f(t), так и в частотной области, через функцию частоты S(ν), оба

30