时域的卷积等于频域的乘积证明

来源:互联网 发布:windows pe如何分区 编辑:程序博客网 时间:2024/05/01 16:50

证明[编辑]

这里展示的证明是基于傅立叶变换的特定形式。如果傅里叶变换的形式不同,则推导中将会增加一些常数因子。

fg属于L1(Rn)。{\displaystyle F}F{\displaystyle f}f的傅里叶变换,{\displaystyle G}G{\displaystyle g}g的傅里叶变换:

{\displaystyle F(\nu )={\mathcal {F}}\{f\}=\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\,\mathrm {d} x}F(\nu) = \mathcal{F}\{f\} = \int_{\mathbb{R}^n} f(x) e^{-2 \pi i x\cdot\nu} \, \mathrm{d}x
{\displaystyle G(\nu )={\mathcal {F}}\{g\}=\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\,\mathrm {d} x,}G(\nu) = \mathcal{F}\{g\} = \int_{\mathbb{R}^n}g(x) e^{-2 \pi i x\cdot\nu} \, \mathrm{d}x,

其中xν之间的表示Rn上的内积。

{\displaystyle h(z)=\int \limits _{\mathbb {R} }f(x)g(z-x)\,\mathrm {d} x.}h(z) = \int\limits_{\mathbb{R}} f(x) g(z-x)\, \mathrm{d} x.

现在发现,

{\displaystyle \int \!\!\int |f(z)g(x-z)|\,dx\,dz=\int |f(z)|\int |g(z-x)|\,dx\,dz=\int |f(z)|\,\|g\|_{1}\,dz=\|f\|_{1}\|g\|_{1}.} \int\!\!\int |f(z)g(x-z)|\,dx\,dz=\int |f(z)| \int |g(z-x)|\,dx\,dz = \int |f(z)|\,\|g\|_1\,dz=\|f\|_1 \|g\|_1.

因此,通过富比尼定理我们有{\displaystyle h\in L^{1}(\mathbb {R} ^{n})}h\in L^1(\mathbb{R}^n),于是它的傅里叶变换{\displaystyle H}H由积分式定义为

{\displaystyle {\begin{aligned}H(\nu )={\mathcal {F}}\{h\}&=\int _{\mathbb {R} }h(z)e^{-2\pi iz\cdot \nu }\,dz\\&=\int _{\mathbb {R} }\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)g(z-x)\,dx\,e^{-2\pi iz\cdot \nu }\,dz.\end{aligned}}}\begin{align}  H(\nu) = \mathcal{F}\{h\} &= \int_{\mathbb{R}} h(z) e^{-2 \pi i z\cdot\nu}\, dz \\                            &= \int_{\mathbb{R}} \int_{\mathbb{R}^n} f(x) g(z-x)\, dx\, e^{-2 \pi i z\cdot \nu}\, dz.\end{align}

观察到{\displaystyle |f(x)g(z-x)e^{-2\pi iz\cdot \nu }|=|f(x)g(z-x)|} |f(x)g(z-x)e^{-2\pi i z\cdot\nu}|=|f(x)g(z-x)|,因此对以上变量我们可以再次应用富比尼定理(即交换积分顺序):

{\displaystyle H(\nu )=\int _{\mathbb {R} }f(x)\left(\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(z-x)e^{-2\pi iz\cdot \nu }\,dz\right)\,dx.}H(\nu) = \int_{\mathbb{R}} f(x)\left(\int_{\mathbb{R}^n} g(z-x)e^{-2 \pi i z\cdot \nu}\,dz\right)\,dx.

代入 {\displaystyle y=z-x}y=z-x{\displaystyle dy=dz}dy = dz

{\displaystyle H(\nu )=\int _{\mathbb {R} }f(x)\left(\int _{\mathbb {R} }g(y)e^{-2\pi i(y+x)\cdot \nu }\,dy\right)\,dx}H(\nu) = \int_{\mathbb{R}} f(x) \left( \int_{\mathbb{R}} g(y) e^{-2 \pi i (y+x)\cdot\nu}\,dy \right) \,dx
{\displaystyle =\int _{\mathbb {R} }f(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\left(\int _{\mathbb {R} }g(y)e^{-2\pi iy\cdot \nu }\,dy\right)\,dx}=\int_{\mathbb{R}} f(x)e^{-2\pi i x\cdot \nu} \left( \int_{\mathbb{R}} g(y) e^{-2 \pi i y\cdot\nu}\,dy \right) \,dx
{\displaystyle =\int _{\mathbb {R} }f(x)e^{-2\pi ix\cdot \nu }\,dx\int _{\mathbb {R} }g(y)e^{-2\pi iy\cdot \nu }\,dy.}=\int_{\mathbb{R}} f(x)e^{-2\pi i x\cdot \nu}\,dx \int_{\mathbb{R}} g(y) e^{-2 \pi i y\cdot\nu}\,dy.

这两个积分就是{\displaystyle F(\nu )}F(\nu){\displaystyle G(\nu )}G(\nu)的定义,所以:

{\displaystyle H(\nu )=F(\nu )\cdot G(\nu ),}H(\nu) = F(\nu) \cdot G(\nu),
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