Διακριτός Μετασχηματισμός Fourier

### 1.22.2 Διακριτός Μετασχηματισμός `Fourier```

Έστω N ένας ακέραιος. Ο Διακριτός Μετασχηματισμός `Fourier (DFT)` είναι ένας μετασχηματισμός FN που ορίζεται στο σύνολο των περιοδικών ακολουθιών περιόδου N. Εξαρτάται απ’ την επιλογή μιας αρχικής N-οστής ρίζας της μονάδας ωN. Εάν ο `DFT` ορίζεται σε ακολουθίες με μιγαδικούς συντελεστές, έχουμε:

ωN=e |
2 i π
N

Εάν x είναι μια περιοδική ακολουθία περιόδου N, που ορίζεται από το διάνυσμα x=[x0,x1,...xN−1] τότε ο FN(x)=y είναι μια περιοδική ακολουθία περιόδου N, που ορίζεται από:

(FN,ωN(x))k=yk= |
N−1
∑
j=0
| xjωN−k· j, k=0..N−1

όπου ωN είναι μια αρχική N-οστή ρίζα της μονάδας. Mε τον Γρήγορο Μετασχηματισμό `Fourier (FFT)` o διακριτός Μετασχηματισμός `Fourier` μπορεί να υπολογιστεί γρηγορότερα από τον υπολογισμό του καθενός yk ατομικά. Το `Xcas` υλοποιεί τον αλγόριθμο `FFT` για να υπολογίσει τον διακριτό μετασχηματισμό `Fourier` μόνο εάν το N είναι δύναμη του 2.

#### Ιδιότητες του διακριτού μετασχηματισμού `Fourier`

Ο Διακριτός Μετασχηματισμός `Fourier` FN είναι ένας αμφιμονοσήμαντος και επί μετασχηματισμός σε περιοδικές ακολουθίες τέτοιες ώστε :

FN,ωN−1 | = |
1
N
| FN,ωN−1
| = |
1
N
FN
| στο ℂ

δηλαδή :

(FN−1(x))k= |
1
N
N−1
∑
j=0
| xjωNk· j

Στο `Xcas` ο Διακριτός Μετασχηματισμός `Fourier` και ο αντίστροφός του δηλώνονται με `fft` και `ifft`:

`fft(x)`= FN(x), `ifft(x)`= FN−1(x)

Ορισμοί
Έστω x και y δύο περιοδικές ακολουθίες με περίοδο N.

- Το γινόμενο `Hadamard` (συμβολισμός ·) ορίζεται με:

  (x · y)k = xk yk

- το γινόμενο συνέλιξης (συμβολισμός *) ορίζεται με:

  (x * y)k= |
  N−1
  ∑
  j=0
  | xjyk−j

Ιδιότητες :

N*FN(x · y) | = | FN(x) * FN(y)
FN(x * y) | = | FN(x) · FN(y)

#### Εφαρμογές

1. Τιμή ενός πολυωνύμου
   Ορίζουμε ένα πολυώνυμο P(x)=∑j=0N−1cjxj με το διάνυσμα των συντελεστών του c:=[c0,c1,..cN−1], όπου μηδενικά μπορούν να προστεθούν έτσι ώστε το N να είναι δύναμη του 2.
   - Υπολογισμός των τιμών του P(x) στα σημεία

     x=ak=ωN−k=exp( |
     −2ikπ
     N
     | ), k=0..N−1

     Αυτός είναι απλά ο διακριτός μετασηματισμός `Fourier` του c αφού,

     P(ak)= |
     N−1
     ∑
     j=0
     | cj(ωN−k)j=FN(c)k

     Εισάγετε, για παράδειγμα :
     `P(x):=x+x```^```2; w:=i`
     Εδώ οι συντελεστές του P είναι [0,1,1,0], N=4 και ω=exp(2iπ/4)=i.
     Είσοδος :
     `fft([0,1,1,0])`
     Έξοδος :
     `[2,-1-i,0,-1+i]`
     επομένως,
     - `P(0)=2`,
     - `P(-i)=P(w```^```-1)=-1-i`,
     - `P(-1)=P(w```^```-2)=0`,
     - `P(i)=P(w```^```-3)=-1+i`.
   - Υπολογισμός των τιμών του P(x) στα

     x=bk=ωNk=exp( |
     2ikπ
     N
     | ), k=0..N−1

     Αυτό είναι N επί τον αντίστροφο μετασχηματισμό `Fourier` του c αφού,

     P(ak)= |
     N−1
     ∑
     j=0
     | cj(ωNk)j=NFN−1(c)k

     Εισάγετε, για παράδειγμα :
     `P(x):=x+x```^```2` και `w:=i`
     Εδώ, οι συντελεστές του P είναι [0,1,1,0], N=4 και ω=exp(2iπ/4)=i.
     Είσοδος :
     `4*ifft([0,1,1,0])`
     Έξοδος :
     `[2,-1+i,0,-1-i]`
     επομένως :
     - `P(0)=2`,
     - `P(i)=P(w```^```1)=-1+i`,
     - `P(-1)=P(w```^```2)=0`,
     - `P(-i)=P(w```^```3)=-1-i`.
     Ασφαλώς, βρίσκουμε τις ίδιες τιμές όπως και παραπάνω...
2. Τριγωνομετρική παρεμβολή
   Έστω f μια περιοδική συνάρτηση περιόδου 2π, και έστω ότι f(2kπ/N)=fk for k=0..(N−1). Βρείτε ένα τριγωνομετρικό πολυώνυμο p που παρεμβάλει την f στα xk=2kπ/N, δηλαδή βρείτε pj, j=0..N−1 τέτοια ώστε

   p(x)= |
   N−1
   ∑
   j=0
   | pj exp(ijx), p(xk)=fk

   Αντικαθιστώντας στο p(x) το xk με την τιμή του έχουμε:

   N−1
   ∑
   j=0
   | pj exp(i |
   j2kπ
   N
   | ) = fk

   Μ’ άλλα λόγια, (fk) είναι ο αντίστροφος μετασχηματισμός `Fourier DFT` του (pk), και επομένως

   (pk)= |
   1
   N
   | FN( (fk) )

   Εάν η συνάστηση f είναι πραγματική, p−k=pk, και επομένως ανάλογα αν το N είναι άρτιο ή περιττό:

   p(x) | = |
   p0+ 2 ℜ( |
   N
   2
   | −1
   ∑
   k=0
   | pkexp(ikx))+ℜ(p |
   N
   2
   | exp(i |
   Nx
   2
   | ))
   p(x) | = |
   p0+ 2 ℜ( |
   N−1
   2
   ∑
   k=0
   | pkexp(ikx))

3. Σειρές `Fourier`
   Έστω f μια περιοδική συνάρτηση περιόδου 2π, τέτοια ώστε :

   f(xk)=yk, xk= |
   2kπ
   N
   | , k=0..N−1

   Έστω επίσης ότι η σειρά `Fourier` της f συγκλίνει στην f (αυτό θα ισχύει εάν για παράδειγμα f είναι συνεχής). Εάν το N είναι μεγάλο, μια καλή προσέγγιση της f θα δίνεται από:

   ∑
   − |
   N
   2
   | ≤ n< |
   N
   2
   | cn exp(inx)

   Επομένως θέλουμε μια αριθμητική προσέγγιση των

   cn= |
   1
   2π
   |  | ∫ |
   2π
   0
   | f(t)exp(−int)dt

   Η αριθμητική τιμή του ολοκληρώματος ∫02πf(t)exp(−int)dt μπορεί να υπολογιστεί από τον τραπεζοειδή κανόνα (σημειώνουμε ότι ο αλγόριθμος `Romberg` δεν θα δούλευε εδώ, επειδή το ανάπτυγμα `Euler Mac Laurin` έχει μηδενικούς συντελεστές, αφού η ολοκληρωτέα συνάρτηση είναι περιοδική, και επομένως όλες της οι παράγωγοι έχουν την ίδια τιμή στο 0 και στο 2π). Εάν c_n είναι η αριθμητική τιμή της cn που παίρνουμε από τον τραπεζοειδή κανόνα, τότε

   c_n= |
   1
   2π
   2π
   N
   N−1
   ∑
   k=0
   | ykexp(−2i |
   nkπ
   N
   | ), − |
   N
   2
   | ≤ n< |
   N
   2

   Πράγματι, αφού xk=2kπ/N και f(xk)=yk:

   f(xk)exp(−inxk) | = |
   ykexp(−2i |
   nkπ
   N
   | ),
   f(0)exp(0)=f(2π)exp(−2i |
   nNπ
   N
   | )
   | = | y0=yN

   Επομένως :

   [c0,..c |
   N
   2
   | −1
   | ,c |
   −N
   2
   | ,..c−1]= |
   1
   N
   | FN([y0,y1...y(N−1)])

   <αφού
   - εάν n≥0, cn=yn
   - εάν n<0 cn=yn+N
   - ωN=exp(2iπ/N), τότε ωNn=ωNn+N

   Ιδιότητες

   - Οι συντελεστές του τριγωνομετρικού πολυωνύμου που παρεμβάλει την f στα x=2kπ/N είναι

     pn=cn, − |
     N
     2
     | ≤ n< |
     N
     2

   - Εάν η f είναι ένα τριγωνομετρικό πολυώνυμο P βαθμού m≤ N/2, τότε

     f(t)=P(t)= |
     m−1
     ∑
     k=−m
     | ckexp(2ikπ t)

     το τριγωνομετρικό πολυώνυμο που παρεμβάλει την f=P είναι το P, η αριθμητική προσέγγιση των συντελεστών είναι στην πραγματικότητα ακριβής (cn=cn).
   - Πιο γενικά, μπορούμε να υπολογίσουμε το cn−cn.
     Υποθέτοντας ότι η f ισούται με την σειρά Fourier της, δηλαδή ότι :

     f(t)= |
     +∞
     ∑
     m=−∞
     | cmexp(2iπ mt), |
     +∞
     ∑
     m=−∞
     | |cm|<∞

     Τότε :

     f(xk)=f( |
     2kπ
     N
     | )=yk= |
     +∞
     ∑
     m=−∞
     | cmωNkm, c_n= |
     1
     N
     N−1
     ∑
     k=0
     | ykωN−kn

     Αντικαταστείστε το yk με την τιμή του στο c_n:

     c_n= |
     1
     N
     N−1
     ∑
     k=0
     +∞
     ∑
     m=−∞
     | cmωNkmωN−kn

     Εάν m≠ n (mod N ), ωNm−n είναι μια N-στη ρίζα της μονάδος διάφορη του 1, και επομένως:

     ωN(m−n)N=1, |
     N−1
     ∑
     k=0
     | ωN(m−n)k=0

     Άρα, εάν m−n είναι ένα πολλαπλάσιο του N (m=n+l· N) τότε ∑k=0N−1ωNk(m−n)=N, διαφορετικά ∑k=0N−1ωNk(m−n)=0. Αντιστρέφοντας τα δυο αθροίσματα, έχουμε

     c_n | = |
     1
     N
     +∞
     ∑
     m=−∞
     | cm |
     N−1
     ∑
     k=0
     | ωNk(m−n)
     | = |
     +∞
     ∑
     l=−∞
     | c(n+l· N)
     | = | ...cn−2· N+cn−N+cn+cn+N+cn+2· N+.....

     Συμπέρασμα: εάν |n|<N/2, η διαφορά c_n−cn είναι ένα άθροισμα του cj μεγάλων δεικτών (τουλάχιστον N/2 σε απόλυτη τιμή), και θα είναι μικρή (εξαρτάται από την τάξη σύγκλισης των σειρών Fourier).

   Παράδειγμα, εισάγετε

   `f(t):=cos(t)+cos(2*t)`
   `x:=f(2*k*pi/8)$(k=0..7)`

   Έξοδος :

   `x={2,(√``2``)/2,-1,-((√``2``)/2),0,-((√``2``)/2),-1,(√``2``)/2}`
   `fft(x)=[0.0,4.0,4.0,0.0,0.0,0.0,4.0,4.0]`

   Μετά από διαίρεση με N=8, έχουμε :

   c0=0,c1=4.0/8,c2=4.0/2,c3=0.0,
   c−4=0,c−3=0,c−2=4.0/8,=c−1=4.0/8

   Επομένως, bk=0 και ak=c−k+ck ισούται με 1 εάν k=1, 2 και 0 σε κάθε άλλη περίπτωση.

4. Γινόμενο Συνέλιξης
   Εάν P(x)=∑j=0n−1ajxj και Q(x)=∑j=0m−1bjxj δίνονται από τα διανύσματα των συντελεστών τους a=[a0,a1,..an−1] and b=[b0,b1,..bm−1], υπολογίζουμε το γινόμενο αυτών των δύο πολυωνύμων χρησιμοποιώντας τον `DFT`. Το γινόμενο των δύο πολυωνύμων είναι το γινόμενο συνέλιξης της περιοδικής σειράς των συντελεστών τους εάν η περίοδος είναι μεγαλύτερη ή ίση από (n+m). Επομένως συμπληρώνουμε το a (αντίστοιχα το b) με m+p (αντίστοιχα n+p) μηδενικά, όπου p επιλέγεται τέτοιο ώστε το N=n+m+p να είναι δύναμη του 2. Εάν a=[a0,a1,..an−1,0..0] και b=[b0,b1,..bm−1,0..0], τότε:

   P(x)Q(x)= |
   n+m−1
   ∑
   j=0
   | (a*b)jxj

   Υπολογίζουμε τα FN(a), FN(b), και μετά ab=FN−1(FN(a)· FN(b)) χρησιμοποιώντας τις ιδιότητες

   NFN(x · y)=FN(x) * FN(y), FN(x * y)=FN(x) · FN(y)