Fakta om fouriertransformasjonen

Like dokumenter
Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Forelesning Matematikk 4N

EKSAMENSOPPGAVER FOR TMA4120 MATEMATIKK 4K H-03 Del A: Laplacetransformasjon, Fourieranalyse og PDL

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

Kap 5 Laplace transformasjon. La f(t) være definert for t 0. Laplace transformasjonen er. F (s) = f(t)e st dt (1)

Eksamensoppgave i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

TMA4135 Matematikk 4D Høst 2014

TMA4120 Matematikk 4K Høst 2015

Eksamensoppgave i TMA4122,TMA4123,TMA4125,TMA4130 Matematikk 4N/M

EKSAMEN. Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Morten Brekke. Klasser: (div) Dato: 18. feb Eksamenstid:

EKSAMENSOPPGAVER MATEMATIKKDELEN AV TMA4135 MATEMATIKK 4D H-03

FYS2140 Kvantefysikk. Løsningsforslag for Oblig 7

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/N

0.1 Kort introduksjon til komplekse tall

Eksamen i TMA4122 Matematikk 4M

Eksamen i TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Fourier-Transformasjoner

Forelesning Matematikk 4N

TMA4123/TMA4125 Matematikk 4M/4N Vår 2013

Matematikk 1 (TMA4100)

Derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 2. september 2011

Filter-egenskaper INF Fritz Albregtsen

Løsningsforslag, Ma-2610, 18. februar 2004

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN I MATEMATIKK 4N/D (TMA4125 TMA4130 TMA4135) Norges teknisk naturvitenskapelige universitet Institutt for matematiske fag

13.1 Fourierrekker-Oppsummering

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

En (reell) funksjon f fra en (reell) mengde D er en regel som til hvert element x D tilordner en unik verdi y = f (x).

Potensrekker Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

x(x 1)(x 2) p(x) = 3,0 1( 1 1)( 1 2) Newtons interpolasjonsformel: Tabellen over dividerte differenser er gitt ved

2 Fourierrekker TMA4125 våren 2019

UNIVERSITETET I OSLO

Fremdriftplan. I går. I dag. 2.5 Uendelige grenser og vertikale asymptoter 2.6 Kontinuitet

Uke 9: Diskret Fourier Transform, I

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

f(t) F( ) f(t) F( ) f(t) F( )

Matematikk 1 (TMA4100)

arbeid - massesenter - Delvis integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Fasit MAT102 juni 2016

Dagens temaer. Tema. Time 6: Analyse i frekvensdomenet. z-transformasjonen. Fra forrige gang. Frekvensrespons funksjonen

Fourieranalyse. Fourierrekker på reell form. Eksempel La. TMA4135 Matematikk 4D. En funksjon sies å ha periode p > 0 dersom

Kontinuitet og derivasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

MA1102 Grunnkurs i analyse II Vår 2019

Funksjoner Forelesning i Matematikk 1 TMA4100. Hans Jakob Rivertz Institutt for matematiske fag 19. august 2010

Hjelpemidler/hjelpemiddel: D - "Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Enkel kalkulator tillatt."

Notat med oppgaver for MAT1140

EKSAMEN BOKMÅL STEMMER. DATO: TID: OPPG. SIDER: VEDLEGG: 3 desember :00-13: FAGKODE: IR Matematikk 1

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

Analyse og metodikk i Calculus 1

FYS2140 Kvantefysikk, Løsningsforslag for Oblig 1

Repetisjon: LTI-systemer

UNIVERSITETET I BERGEN Det matematisk-naturvitenskapelige fakultet. Eksamen i MAT111 Grunnkurs i matematikk I Løsningsforslag

EKSAMEN. Om eksamen. EMNE: MA2610 FAGLÆRER: Svein Olav Nyberg, Morten Brekke. Klasser: (div) Dato: 3. des Eksamenstid:

Forelesningsplan M 117

1 Mandag 1. februar 2010

LØSNINGSFORSLAG EKSAMEN MATEMATIKK 4N,

Kapittel 2. Antiderivering. 2.1 Derivasjon

MAT Grublegruppen Uke 37

MAT jan jan feb MAT Våren 2010

TMA4120 Matte 4k Høst 2012

Enkel matematikk for økonomer. Del 1 nødvendig bakgrunn. Parenteser og brøker

TMA Matematikk 4D Fredag 19. desember 2003 løsningsforslag

Løsningsførslag i Matematikk 4D, 4N, 4M

Basisbilder - cosinus. Alternativ basis. Repetisjon Basis-bilder. INF april 2010 Fouriertransform del II. cos( )

IR Matematikk 1. Utsatt Eksamen 8. juni 2012 Eksamenstid 4 timer

EKSAMEN I MATEMATIKK 1000

Uke 6: Analyse i frekvensdomenet

TMA4100 Matematikk 1, høst 2013

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

Eksamensoppgave i TMA4135 Matematikk 4D

MA1410: Analyse - Notat om differensiallikninger

UNIVERSITETET I OSLO

Eksamensoppgave i TMA4130/35 Matematikk 4N/4D

Derivasjon ekstremverdier Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

y = x y, y 2 x 2 = c,

MAT1120 Notat 2 Tillegg til avsnitt 5.4

TMA4100 Matematikk 1 Høst 2014

Notat 05 for MAT Relasjoner, operasjoner, ringer. 5.1 Relasjoner

slik at en tredje denisjon kan ogsa brukes: F (!) Fff(t)g 1 p f(t) F ff(!)g 1 p f(t)e,i!t dt ; F (!)ei!t d! : Det er ogsa mulig a bruke frekvensen f i

Eksamen i TMA4130 Matematikk 4N

UNIVERSITETET I OSLO

Newtons metode - Integrasjon Forelesning i Matematikk 1 TMA4100

Dagens mål. Det matematiske fundamentet til den diskrete Fourier-transformen Supplement til forelesning 8 INF Digital bildebehandling

1 FAKTA OM FOURIERTRANSFORMEN

Den deriverte og derivasjonsregler

UNIVERSITETET I OSLO

Litt om numerisk integrasjon og derivasjon og løsningsforslag til noen ekstraoppgaver MAT-INF 1100 uke 48 (22/11-26/11)

Prov i matematik Matematiska institutionen. Transformmetoder Julia Viro

FYS2130 Svingninger og bølger, Obligatorisk oppgave C. Nicolai Kristen Solheim


Vi regner først ut de nødvendige partiellderiverte for å se om vektorfeltet er konservativt. z = 2z, F 2 F 2 z = 2y, F 3. x = 2x, F 3.

Fourier-Transformasjoner II

Forelesning nr.13 INF 1410

Kontinuitet og grenseverdier

Matematikk 1 Første deleksamen. Løsningsforslag

Generelle teoremer og definisjoner TMA4120 Matematikk 4K - NTNU

dg = ( g P0 u)ds = ( ) = 0

Fourier-Transformasjoner

7 Ordnede ringer, hele tall, induksjon

Transkript:

Fakta om fouriertransformasjonen TMA413/TMA415, V13 Notasjon Fouriertransformasjonen til funksjonen f er F[f](ω) = ˆf(ω) = 1 Den inverse fouriertransformasjonen er F 1 [g](x) = 1 f(x)e iωx dx g(ω)e iωx d ω Det viser seg at disse er inverse, f = F 1 [F[f]], så og f(x) = 1 ˆf(ω)e iωx d ω f(x) = 1 f(v)e iω(x v) dv d ω. (1) Formel (1) kalles fourierintegralet til f. Noen egenskaper 1. Vi får at ˆf() = 1 f() = 1 f(x) dx ˆf(ω) d ω. Basert på notat av Harald Krogstad. Notatet er kortfattet og er kun ment som en oversikt. For flere detaljer, se Kreyszig eller andre bøker om fouriertransformasjonen. 1

. Linearitet. Fouriertransformasjonen og dens inverse er lineære operatorer: der a og b er vilkårlige konstanter F[af + bg] = a F[f] + b F[g] F 1 [af + bg] = a F 1 [f] + b F 1 [g] 3. FT til FT. Hvis g(x) = F[f](x), < x <, så er F[g](ω) = f( ω). 4. Translasjon. Fouriertransformasjonen til en translasjon er Hvis g(x) = e iωx f(x) så er F[f(x x )](ω) = e iωx F[f](ω). F[g](ω) = F[f](ω ω ). 5. Strekking og komprimering. Fouriertransformasjonen til en reskalering er F[f(ax)](ω) = 1 ( ω ) a F[f]. a Når funksjonen strekkes ut så trykkes fouriertransformasjonen sammen, og omvendt. Se figur.

6. Derivasjonsregler. Anta f(x) når x. (a) Den fouriertransformerte til en nte-derivert er F[f (n) (x)](ω) = (iω) n F[f](ω). (b) Den inverse fouriertransformasjonen til en nte-derivert er F 1 [f (n) (ω)](x) = ( ix) n F 1 [f](x). 7. Jamne og odde funksjoner. f jamn ˆf jamn f odde ˆf odde Dersom f er en jamn funksjon kan vi bruke eulers formel til å forenkle formlene for fouriertransformasjonen og dens invers: ˆf(ω) = 1 f(x) = 1 f(x)e iωx = ˆf(x)e iωx = f(x) cos ωx dx ˆf(x) cos ωx dx () Dersom f er en odde funksjon vil ˆf(ω) = 1 f(x) = 1 f(x)e iωx = i ˆf(x)e iωx = i f(x) sin ωx dx ˆf(x) sin ωx dx (3) Boken kaller integralene i () for henholdsvis fourier cosinus-transformasjonen ˆf c og den inverse fourier cosinus-transformasjonen. Integralene f(x) sin ωx dx ˆf(x) sin ωx dx i (3) kalles henholdsvis fourier sinus-transformasjonen ˆf s og den inverse fourier sinus-transformasjonen. Merk at fouriertransformasjonen til en generell f kan skrives som ˆf(ω) = ˆf c (ω) i ˆf s (ω). 3

Fouriertransformasjonen og konvolusjon Definisjon. Konvolusjonen av f og g er definert ved (f g)(x) = Merk: dette er ekvivalent med Vi har Får dermed (f g)(x) = f(p)g(x p) dp. f(x p)g(p) dp. F[f g](ω) = ˆf ĝ F 1 [ ˆf ĝ] = 1 f g. (f g)(x) = ˆf(ω)ĝ(ω)e iωx d ω. Merk: f g = g f. I operasjonen f h f representerer h et såkalt filter. Et filter er en transformasjon L som sender en funksjon f til L(f). Filteret er lineært dersom L(af + bg) = al(f) + bl(g), og translasjonsinvariant (også kalt tidsinvariant) dersom L[f x ] = (Lf) x, der f x betegner funksjonen f(x x ). Konvolusjonsfilteret f h f er både lineært og translasjonsinvariant: og h (af + gh) = a(h f) + b(h g) (h f) x = h f x. Det viser seg at alle lineære og translasjonsinvariante filtre kan representeres ved konvolusjon. Dermed kan en beregne resultatet av filtreringen via fouriertransformasjonen. Dette er en av de aller viktigste anvendelsene av fouriertransformasjonen. Deltafunksjonen Deltafunksjonen δ(x) er en såkalt generalisert funksjon (Kreyszig, 1. utgave, ch. 6, s. 6). Det er vanlig å beskrive δ som en funksjon som er overalt bortsett fra i x = der den er uendelig, og med totalt areal under grafen lik 1: {, x = δ(x) = og δ(x) = 1, ellers 4

men dette gir ikke en veldefinert funksjon. 1 Tenk på δ(x) eller, mer generelt δ(x x ), som en impuls eller spike konsentrert i ett enkelt punkt x = x. Den viktigste egenskapen til δ(x) er eller mer generelt δ(x x )f(x) dx = δ(x)f(x) dx = f(), Fouriertransformasjonen til deltafunksjonen. ˆδ(ω) = 1 δ(x x)f(x) = f(x ). δ(x)e iωx dx = 1 e iω = 1. Fouriertransformasjonen til deltafunksjonen er lik konstanten 1/. Konvolusjon med deltafunksjonen. det vil si, (δ f)(x) = δ(x p)f(p) dp = f(x), δ f = f. Konvolusjon med deltafunksjonen gir samme funksjon. Fouriertransformasjonen av en gaussfunksjon La f(x) = e x /. Dette gir en såkalte gausskurve (eller bell curve ). Funksjonen er enormt viktig, både i matematikk og statistikk (normalfordelingen). Vi skal finne den fouriertransformerte ˆf til f. Siden f (x) = xe x / vil f tilfredstille differensialligningen f (x) + xf(x) =. (4) 1 for en rigorøs definisjon av deltafunksjonen, se f.eks. http://en.wikipedia.org/wiki/ Dirac_delta_function og referansene gitt der. 5

Fra derivasjonsregelene for fouriertransformasjonen får vi = F[f + xf](ω) = F[f ](ω) + F[xf](ω) = (iω)f[f](ω) + if[ ixf](ω), (i = 1) = (iω) ˆf(ω) + i ˆf (ω), så ˆf (ω) + ω ˆf(ω) =. Den fouriertransformerte ˆf vil også tilfredstille (4)! Dermed må ˆf(ω) = Cf(ω) = Ce ω /, der C er en konstant. Vi ønsker å bestemme C. Har 1 = f() = 1 ˆf(ω) d ω = 1 C e ω / d ω Dette siste integralet er kjent. Faktisk er e x dx =, og vi får C = 1. Altså: F [ e x / ] = e ω /. Den fouriertransformerte til en gaussfunksjon er en gaussfunksjon. Parsevals teorem Akkuratt som for fourierrekker finnes det et Parsevals teorem (også kalt Parsevals identitet eller Plancherels formel) som knytter integralet av f(x) til fouriertransformasjonen: f(x) dx = ˆf(ω) d ω. Med andre ord: energien f(x) dx til funksjonen f i tids-domenet er lik energien ˆf(ω) d ω i frekvens-domenet. Se f.eks. http://mathworld.wolfram.com/gaussianintegral.html 6

Bevis av Parsevals teorem. er ˆf(ω) : Viser først at fouriertransformasjonen til f( x) 1 f( x)e iωx dx = 1 Lar så g(x) = f( x) og får (g f)() = = = = Siden (f g)(x) = ˆf(ω)ĝ(ω)e iωx d ω vil f( x)e iωx dx = s=x 1 g( p)f(p) dp f( ( p))f(p) dp f(p)f(p) dp f(x) dx. f(s)e iωs dx = ˆf(ω). (g f)() = ĝ(ω) ˆf(ω) d ω = ˆf(ω) ˆf(ω) d ω = f(ω) d ω, som beviser Parsevals teorem. 7