อ่าน 10 นาที
เกือบจะเป็นฟังก์ชันคาบ
ในทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชัน เกือบเป็น คาบ ( almost periodic function)โดยคร่าว ๆ แล้วคือฟังก์ชันของ ตัวแปร จริงที่เป็นคาบภายในระดับความแม่นยำที่ต้องการ โดยกำหนด "คาบเกือบ"...
เกือบจะเป็นฟังก์ชันคาบ
ในทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชัน เกือบเป็น คาบ ( almost periodic function)โดยคร่าว ๆ แล้วคือฟังก์ชันของ ตัวแปร จริงที่เป็นคาบภายในระดับความแม่นยำที่ต้องการ โดยกำหนด "คาบเกือบ" ที่ยาวและกระจายตัวอย่างเหมาะสม แนวคิดนี้ได้รับการศึกษาครั้งแรกโดยฮาราลด์ โบห์รและต่อมาได้รับการขยายความโดยเวียเชสลาฟ สเตปานอ ฟ เฮอ ร์มันน์ เวย์ลและอับราม ซาโมอิโลวิช เบซิโควิชและคนอื่นๆ นอกจากนี้ยังมีแนวคิดเกี่ยวกับฟังก์ชันเกือบเป็นคาบในกลุ่มอาเบเลียนแบบกะทัดรัดเฉพาะที่ (locally compact abelian groups ) ซึ่งได้รับการศึกษาครั้งแรกโดยจอห์น ฟอน นอยมันน์
ความเกือบจะ เป็นคาบเวลาคือคุณสมบัติของระบบพลวัตที่ดูเหมือนจะย้อนรอยเส้นทางเดิมผ่านปริภูมิเฟสแต่ไม่ตรงเป๊ะ ตัวอย่างเช่นระบบดาวเคราะห์ที่มีดาวเคราะห์โคจรด้วยคาบเวลาที่ไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้ (กล่าวคือ เวกเตอร์คาบเวลาที่ไม่เป็นสัดส่วนกับเวกเตอร์ของจำนวนเต็ม ) ทฤษฎีบทของโครเนกเกอร์จากการประมาณไดโอแฟนไทน์สามารถใช้แสดงให้เห็นว่า การจัดเรียงตัวใดๆ ที่เกิดขึ้นครั้งหนึ่ง จะเกิดขึ้นซ้ำได้ภายในความแม่นยำที่กำหนดไว้ หากเรารอเป็นเวลานานพอ เราจะสังเกตเห็นว่าดาวเคราะห์ทั้งหมดกลับมาอยู่ในตำแหน่งเดิม ภายในระยะเวลาประมาณหนึ่ง วินาทีของส่วนโค้ง
แรงจูงใจ
มีนิยามที่ไม่เท่ากันหลายประการสำหรับฟังก์ชันเกือบเป็นคาบ นิยามแรกนั้นได้มาจากฮาราลด์ โบห์ร ความสนใจของเขาในตอนแรกนั้นอยู่ที่อนุกรมดิริชเลต์ แบบจำกัด อันที่จริงแล้ว การตัดทอนอนุกรมสำหรับฟังก์ชันซีตาของรีมันน์ζ ( s ) เพื่อให้เป็นแบบจำกัด จะได้ผลรวมจำกัดของพจน์ประเภท
โดยที่sเขียนได้เป็นσ + it – ผลรวมของส่วนจริงσและส่วนจินตนาการit เมื่อกำหนดค่า σให้คงที่โดยจำกัดความสนใจไว้ที่เส้นแนวตั้งเส้นเดียวในระนาบเชิงซ้อนเราสามารถมองเห็นสิ่งนี้ได้ดังนี้
การนำ ผลรวม จำกัดของพจน์ดังกล่าวมาใช้จะช่วยหลีกเลี่ยงความยากลำบากในการต่อยอดเชิงวิเคราะห์ไปยังบริเวณ σ < 1 ในบริเวณนี้ "ความถี่" log nจะไม่สามารถเปรียบเทียบกันได้ทั้งหมด (ความถี่เหล่านี้เป็นอิสระเชิงเส้นเหนือจำนวนตรรกยะ เช่นเดียว กับที่จำนวนเต็มnเป็นอิสระเชิงการคูณ ซึ่งขึ้นอยู่กับการแยกตัวประกอบเฉพาะของจำนวนเหล่านั้น)
ด้วยแรงจูงใจเบื้องต้นในการพิจารณาประเภทของพหุนามตรีโกณมิติที่มีความถี่อิสระ จึงได้ มี การนำการวิเคราะห์ทางคณิตศาสตร์มาใช้เพื่ออภิปรายเกี่ยวกับการปิดของเซตของฟังก์ชันพื้นฐานเหล่านี้ในบรรทัดฐานต่างๆ
ทฤษฎีนี้ได้รับการพัฒนาโดยใช้บรรทัดฐานอื่นๆ โดยBesicovitch , Stepanov , Weyl , von Neumann , Turing , Bochnerและคนอื่นๆ ในช่วงทศวรรษ 1920 และ 1930
คำจำกัดความ
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบสม่ำเสมอ หรือ โบห์ร หรือ โบชเนอร์
Bohr (1925) [ 1 ]นิยามฟังก์ชันเกือบเป็นคาบสม่ำเสมอว่าเป็นการปิดของพหุนามตรีโกณมิติโดยสัมพันธ์กับบรรทัดฐานสม่ำเสมอ
(สำหรับฟังก์ชันf ที่มีขอบเขต บนR ) กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฟังก์ชันfจะเป็นฟังก์ชันเกือบคาบสม่ำเสมอ ถ้าสำหรับทุกε > 0 จะมีการรวมเชิงเส้นจำกัดของคลื่นไซน์และโคไซน์ที่มีระยะห่างน้อยกว่าεจากfเมื่อเทียบกับบรรทัดฐานสม่ำเสมอ ความถี่ของคลื่นไซน์และโคไซน์สามารถเป็นจำนวนจริงใดๆ ก็ได้ บอร์พิสูจน์ว่านิยามนี้เทียบเท่ากับการมีอยู่ของ เซต ของ เกือบคาบεที่ค่อนข้างหนาแน่นสำหรับทุกε > 0 นั่นคือการเลื่อนT ( ε ) = Tของตัวแปรt ที่ ทำให้
นิยามทางเลือกอีกประการหนึ่งที่เสนอโดย Bochner (1926) นั้นเทียบเท่ากับนิยามของ Bohr และสามารถอธิบายได้ค่อนข้างง่าย:
ฟังก์ชันf เรียกว่าเกือบจะเป็นคาบ ถ้า ลำดับการเลื่อนของfทุกชุด { ƒ ( t + T n )} มีลำดับย่อยที่ลู่เข้าอย่างสม่ำเสมอสำหรับtในช่วง (−∞, +∞)
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของบอร์นั้นโดยพื้นฐานแล้วเหมือนกับฟังก์ชันต่อเนื่องบนการบีอัดของบอร์ของจำนวนจริง
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของสเตปานอฟ
พื้นที่S pของฟังก์ชันเกือบคาบสเตปานอฟ (สำหรับp ≥ 1) ได้รับการแนะนำโดย VV Stepanov (1925) [ 2 ]ประกอบด้วยพื้นที่ของฟังก์ชันเกือบคาบโบร์ เป็นการปิดของพหุนามตรีโกณมิติภายใต้บรรทัดฐาน
สำหรับค่า rบวกคงที่ใดๆสำหรับค่าr ที่แตกต่างกัน บรรทัดฐานเหล่านี้จะให้โทโพโลยีเดียวกัน และดังนั้นจึงให้พื้นที่ของฟังก์ชันเกือบเป็นคาบเดียวกัน (แม้ว่าบรรทัดฐานในพื้นที่นี้จะขึ้นอยู่กับการเลือกค่า r ก็ตาม )
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Weyl
พื้นที่W pของฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Weyl (สำหรับp ≥ 1) ได้รับการแนะนำโดย Weyl (1927) [ 3 ]ประกอบด้วยพื้นที่S pของฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Stepanov ซึ่งเป็นการปิดของพหุนามตรีโกณมิติภายใต้เซมินอร์ม
คำเตือน: มีฟังก์ชันƒ ที่ไม่ใช่ศูนย์ ซึ่ง || ƒ || W , p = 0 เช่น ฟังก์ชันที่มีขอบเขตใดๆ ที่มีฐานรองรับแบบกระชับ ดังนั้นเพื่อให้ได้ปริภูมิบานาค จำเป็นต้องหารด้วยฟังก์ชันเหล่านี้
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของเบซิโควิช
พื้นที่B pของฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Besicovitch ได้รับการแนะนำโดย Besicovitch (1926) [ 4 ] มันคือการปิดของพหุนามตรีโกณมิติภายใต้เซมินอร์ม
คำเตือน: มีฟังก์ชันƒ ที่ไม่ใช่ศูนย์ ซึ่ง || ƒ || B, p = 0 เช่น ฟังก์ชันที่มีขอบเขตใดๆ ที่มีฐานรองรับแบบกระชับ ดังนั้นเพื่อให้ได้ปริภูมิบานาค จำเป็นต้องหารด้วยฟังก์ชันเหล่านี้
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Besicovitch ในB 2มีการขยาย (ไม่จำเป็นต้องลู่เข้า) ดังนี้
ด้วย Σ a2 น.มีค่าจำกัดและλ nเป็นจำนวนจริง ในทางกลับกัน อนุกรมดังกล่าวทุกชุดเป็นการขยายของฟังก์ชันคาบเบซิโควิชบางฟังก์ชัน (ซึ่งไม่ซ้ำกัน)
ปริภูมิB pของฟังก์ชันเกือบคาบของเบซิโควิช (สำหรับp ≥ 1) ประกอบด้วยปริภูมิW pของฟังก์ชันเกือบคาบของไวล์ หากเราแยกส่วนย่อยของฟังก์ชัน "ศูนย์" ออกมา ปริภูมิย่อยนั้นสามารถระบุได้ว่าเป็นปริภูมิของ ฟังก์ชัน L pบนการทำให้เป็นคอมแพ็กต์ของบอร์ของจำนวนจริง
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบในกลุ่มกระชับเฉพาะที่
ด้วยพัฒนาการทางทฤษฎีเหล่านี้และการเกิดขึ้นของวิธีการเชิงนามธรรม ( ทฤษฎีบทปีเตอร์-ไวล์ , ทฤษฎีบทคู่ของพอนทรียาจินและพีชคณิตบานาค ) ทำให้ทฤษฎีทั่วไปเป็นไปได้ แนวคิดทั่วไปของความเป็นคาบเกือบสมบูรณ์ในความสัมพันธ์กับกลุ่มอาเบเลียนG ที่ มีความกะทัดรัดเฉพาะ ที่ กลาย เป็นแนวคิดของฟังก์ชันFในL ∞ ( G ) ซึ่งการแปลของฟังก์ชันนี้โดยGก่อให้เกิดเซตที่มีความกะทัดรัดสัมพัทธ์ หรือกล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ปริภูมิของฟังก์ชันคาบเกือบสมบูรณ์คือการปิดบรรทัดฐานของการรวมเชิงเส้นจำกัดของอักขระของ Gถ้าGมีความกะทัดรัด ฟังก์ชันคาบเกือบสมบูรณ์จะเหมือนกับฟังก์ชันต่อเนื่อง
กลุ่มคอมแพ็กต์ของบอร์ของGคือกลุ่มอาเบเลียนคอมแพ็กต์ของอักขระที่ไม่ต่อเนื่องทั้งหมดที่เป็นไปได้ของกลุ่มคู่ของGและเป็นกลุ่มคอมแพ็กต์ที่มีGเป็นกลุ่มย่อยหนาแน่น ปริภูมิของฟังก์ชันเกือบคาบสม่ำเสมอบนGสามารถระบุได้ว่าเป็นปริภูมิของฟังก์ชันต่อเนื่องทั้งหมดบนกลุ่มคอมแพ็กต์ของบอร์ของ Gโดยทั่วไปแล้ว กลุ่มคอมแพ็กต์ของบอร์สามารถกำหนดได้สำหรับกลุ่มโทโพโลยี G ใดๆ และปริภูมิของฟังก์ชันต่อเนื่องหรือL pบนกลุ่มคอมแพ็กต์ของบอร์สามารถพิจารณาได้ว่าเป็นฟังก์ชันเกือบคาบบน Gสำหรับกลุ่มเชื่อมต่อคอมแพ็กต์เฉพาะ ที่ Gแผนที่จากGไปยังกลุ่มคอมแพ็กต์ของบอร์จะเป็นฟังก์ชันหนึ่งต่อหนึ่งก็ต่อเมื่อGเป็นส่วนขยายศูนย์กลางของกลุ่มคอมแพ็กต์ หรือเทียบเท่ากับผลคูณของกลุ่มคอมแพ็กต์และปริภูมิเวกเตอร์มิติจำกัด
ฟังก์ชันบนกลุ่มที่กระชับเฉพาะที่ เรียกว่าฟังก์ชันเกือบเป็นคาบอย่างอ่อนหากวงโคจรของฟังก์ชันนั้น กระชับสัมพัทธ์อย่างอ่อนในกลุ่มนั้น
กำหนดให้ระบบพลวัตเชิงทอพอโลยีประกอบด้วยปริภูมิเชิงทอพอโลยีแบบกระชับXที่มีการกระทำของกลุ่มกระชับเฉพาะที่Gฟังก์ชันต่อเนื่องบนXจะเป็นฟังก์ชันเกือบคาบ (อย่างอ่อน) ถ้าวงโคจรของฟังก์ชันนั้นเป็นฟังก์ชันพรีคอมแพ็กต์ (อย่างอ่อน) ในปริภูมิบานาค
สัญญาณกึ่งคาบในงานสังเคราะห์เสียงและดนตรี
ในการประมวลผลเสียงพูดการประมวลผลสัญญาณเสียงและการสังเคราะห์ดนตรีสัญญาณกึ่งคาบ (quasiperiodic signal) หรือบางครั้งเรียกว่า สัญญาณ กึ่งฮาร์มอนิก (quasiharmonic signal) คือรูปคลื่นที่แทบจะเป็นคาบในระดับจุลภาคแต่ไม่จำเป็นต้องเป็นคาบในระดับมหภาค นี่ไม่ได้ให้ฟังก์ชันกึ่งคาบแต่เป็นสิ่งที่คล้ายกับฟังก์ชันเกือบเป็นคาบ (almost periodic function) มากกว่า กล่าวคือ เป็นฟังก์ชันเกือบเป็นคาบที่แต่ละคาบแทบจะเหมือนกับคาบที่อยู่ติดกัน แต่ไม่จำเป็นต้องคล้ายกับคาบที่อยู่ห่างออกไปมากในเวลา นี่คือกรณีของเสียงดนตรี (หลังจากช่วงเริ่มต้นของเสียง) ที่เสียงย่อยหรือเสียงโอเวอร์โทน ทั้งหมด เป็นฮาร์มอนิก (นั่นคือ เสียงโอเวอร์โทนทั้งหมดมีความถี่ที่เป็นจำนวนเต็มเท่าของความถี่พื้นฐานของเสียงนั้น)
เมื่อสัญญาณเป็นคาบสมบูรณ์ที่มีคาบ n สัญญาณนั้นจะสอดคล้องกับเงื่อนไข n อย่างแม่นยำ
หรือ
การแสดงผลในรูป แบบอนุกรมฟูริเยร์จะเป็นดังนี้
หรือ
ความถี่พื้นฐานและสัมประสิทธิ์ฟูริเยร์อยู่ ที่ไหน
- ซึ่ง สามารถเป็นเวลาใดก็ได้: .
ความถี่พื้นฐาน และสัมประสิทธิ์ ฟูริเยร์ , , , หรือเป็นค่าคงที่ กล่าวคือ ไม่ใช่ฟังก์ชันของเวลา ความถี่ฮาร์มอนิกเป็นผลคูณจำนวนเต็มที่แน่นอนของความถี่พื้นฐาน
แล้ว เมื่อไหร่จึงจะเรียกว่าเป็นกึ่งคาบ
หรือ
ที่ไหน
ตอนนี้ การแสดงผลแบบอนุกรมฟูริเยร์จะเป็นดังนี้
หรือ
หรือ
โดย ที่ความถี่พื้นฐาน ที่อาจเปลี่ยนแปลงตามเวลา และ สัมประสิทธิ์ฟูริเยร์ ที่เปลี่ยนแปลงตามเวลา นั้นอยู่ที่ใด
และความถี่ทันทีสำหรับแต่ละส่วนย่อยคือ
ในกรณีแบบกึ่งคาบนี้ ความถี่พื้นฐานความถี่ฮาร์มอนิกและสัมประสิทธิ์ฟูริเยร์, , , หรือไม่จำเป็นต้องคงที่ และเป็นฟังก์ชันของเวลา แม้ว่าจะ เป็นฟังก์ชันของเวลา ที่เปลี่ยนแปลงอย่างช้าๆ ก็ตาม กล่าวอีกนัยหนึ่ง ฟังก์ชันของเวลาเหล่านี้มีแบนด์วิดท์จำกัดที่ต่ำกว่าความถี่พื้นฐานมาก จึงจะถือว่าเป็นแบบกึ่งคาบ
ความถี่ย่อยนั้นเกือบจะเป็นฮาร์มอนิก แต่ไม่จำเป็นต้องเป็นฮาร์มอนิกอย่างแท้จริง อนุพันธ์เทียบกับเวลาของนั่นคือมีผลทำให้ความถี่ย่อยเบี่ยงเบนไปจากค่าฮาร์มอนิกจำนวนเต็มที่แน่นอนการเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วหมายความว่าความถี่ทันทีสำหรับความถี่ย่อยนั้นเบี่ยงเบนไปจากค่าฮาร์มอนิกจำนวนเต็มอย่างมาก ซึ่งหมายความว่าไม่ใช่ความถี่กึ่งคาบ
ดูเพิ่มเติม
- การสังเคราะห์แบบเติม
- ฟังก์ชันไม่เป็นคาบ
- ดนตรีคอมพิวเตอร์
- อนุกรมฟูริเยร์
- อนุกรมฮาร์มอนิก (ดนตรี)
- ฟังก์ชันกึ่งคาบ
- การปูพื้นแบบกึ่งคาบ
บรรณานุกรม
- Amerio, Luigi ; Prouse, Giovanni (1971), ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบและสมการเชิงฟังก์ชัน , ชุดหนังสือคณิตศาสตร์ชั้นสูงของมหาวิทยาลัย , นิวยอร์ก–ซินซินเนติ–โทรอนโต–ลอนดอน–เมลเบิร์น: Van Nostrand Reinhold , หน้า viii+184, ISBN 0-442-20295-4, MR 0275061 , Zbl 0215.15701.
- AS Besicovitch, "Almost periodic functions", Cambridge Univ. Press (1932)
- Bochner, S. (1926), "Beitrage zur Theorie der fast periodischen Funktionen", คณิตศาสตร์ อันนาเลน , 96 : 119– 147, ดอย : 10.1007/BF01209156 , S2CID 118124462
- S. Bochner และ J. von Neumann, "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบในกลุ่ม II", Trans. Amer. Math. Soc., 37 ฉบับที่ 1 (1935) หน้า 21–50
- H. Bohr, "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบ", Chelsea, พิมพ์ซ้ำ (1947)
- Bredikhina, EA (2001) [1994], "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบ" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press
- Bredikhina, EA (2001) [1994], "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Besicovitch" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press
- Bredikhina, EA (2001) [1994], "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของโบร์" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press
- Bredikhina, EA (2001) [1994], "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของสเตปานอฟ" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press
- Bredikhina, EA (2001) [1994], "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของ Weyl" , สารานุกรมคณิตศาสตร์ , EMS Press
- J. von Neumann, "ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบในกลุ่ม I", Trans. Amer. Math. Soc., 36 ฉบับที่ 3 (1934) หน้า 445–492
ลิงก์ภายนอก
- "ฟังก์ชัน เกือบ เป็นคาบ (นิยาม ที่เทียบเท่า)" PlanetMath
สรุปเนื้อหา
ข้อมูลสำคัญจากบทความ
ข้อมูลสำคัญเกี่ยวกับ เกือบจะเป็นฟังก์ชันคาบ
ในทางคณิตศาสตร์ ฟังก์ชัน เกือบเป็น คาบ ( almost periodic function)โดยคร่าว ๆ แล้วคือฟังก์ชันของ ตัวแปร จริงที่เป็นคาบภายในระดับความแม่นยำที่ต้องการ โดยกำหนด "คาบเกือบ"...
แรงจูงใจ
มีนิยามที่ไม่เท่ากันหลายประการสำหรับฟังก์ชันเกือบเป็นคาบ นิยามแรกนั้นได้มาจากฮาราลด์ โบห์ร ความสนใจของเขาในตอนแรกนั้นอยู่ที่ อนุกรมดิริชเลต์ แบบจำกัด อันที่จริงแล้ว การตัดทอนอนุกรมสำหรับ ฟังก์ชันซีตาของรีมันน์ ζ ( s ) เพื่อให้เป็นแบบจำกัด...
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบสม่ำเสมอ หรือ โบห์ร หรือ โบชเนอร์
Bohr (1925) [ 1 ] นิยาม ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบสม่ำเสมอ ว่าเป็นการปิดของพหุนามตรีโกณมิติโดยสัมพันธ์กับ บรรทัดฐานสม่ำเสมอ
ฟังก์ชันเกือบเป็นคาบของสเตปานอฟ
พื้นที่ S p ของฟังก์ชันเกือบคาบสเตปานอฟ (สำหรับ p ≥ 1) ได้รับการแนะนำโดย VV Stepanov (1925) [ 2 ] ประกอบด้วยพื้นที่ของฟังก์ชันเกือบคาบโบร์ เป็นการปิดของพหุนามตรีโกณมิติภายใต้บรรทัดฐาน