Кіріспе
Фурье тізбектеріндегі тербеліс қатесі
Математикада Гиббс құбылысы – үздіксіздік нүктесінің маңындағы бөліктік түрде үздіксіз дифференциалданатын периодты функцияның Фурье тізбегінің тербеліс тәртібі. Функцияның n-ші жартылай Фурье тізбегі (функцияның Фурье тізбегінің ең төменгі құраушы синусоидаларын қосу арқылы құралады) функцияның мәнін асырып, төмендететін үлкен шыңдарды тудырады. Қаншама көп синусоида қолданылса, бұл жуықтау қатесі шамамен 9% секіруге жуықтайды, бірақ шексіз Фурье тізбегінің қосындысы, ақырында, үздіксіздік нүктелерін қоспағанда, дерлік барлық жерде (нүктелік конverгенция) жинақталады. Гиббс құбылысын тәжірибелі физиктер байқаған және оның өлшеу аппаратының жетілмеушілігіне байланысты деп есептеген, бірақ шындығында бұл математикалық нәтиже. Бұл сигналды өңдеудегі «қоңырау» эффектісінің бір себебі. Ол Джозия Виллард Гиббстің құрметіне аталған.
In mathematics, the Gibbs phenomenon is the oscillatory behavior of the Fourier series of a piecewise continuously differentiable periodic function around a jump discontinuity. The th partial Fourier series of the function (formed by summing the lowest constituent sinusoids of the Fourier series of the function) produces large peaks around the jump which overshoot and undershoot the function values. As more sinusoids are used, this approximation error approaches a limit of about 9% of the jump, though the infinite Fourier series sum does eventually converge almost everywhere (pointwise convergence on continuous points) except points of discontinuity. The Gibbs phenomenon was observed by experimental physicists and was believed to be due to imperfections in the measuring apparatus, but it is in fact a mathematical result. It is one cause of ringing artifacts in signal processing. It is named after Josiah Willard Gibbs.
Сипаттама
Гиббс құбылысы – секіріс үзілісі бар функцияның Фурье қатарының мінез-құлқы. Ол былай сипатталады: Фурье қатарының құраушыларының саны артқан сайын, қатар секіріс нүктесі маңындағы тербелістерде алғашқы асып кетуді көрсетеді. Бұл асып кету (толық) секірістің шамамен 9%-ына жуықтап келеді, ал тербеліс жоғалмайды, керісінше нүктеге жақындап, тербелістің интегралы нөлге жақындайды. Секіріс нүктесінде Фурье қатары функцияның сол және оң жақтанғы шектерінің орташа мәнін береді.
Тарих
Гиббс құбылысын алғаш рет Генри Уилбрахам 1848 жылғы мақаласында байқап, талдаған. Бұл мақала 1914 жылға дейін көп назар алмады, ол Клейн энциклопедиясындағы Генрих Буркхардтың математикалық талдау туралы шолуында еске алынды. 1898 жылы Альберт А. Микельсон Фурье тізбегін есептеуге және қайта құрастыруға мүмкіндік беретін құрылғыны жасады. Көп тараған аңыз бойынша, егер квадрат толқынның Фурье коэффициенттері машинаға енгізілсе, график үздіксіздіктерде тербеліске түсетін болған. Физикалық құрылғы болғандықтан және өндіріс ақауларына ұшырағандықтан, Микельсон асып кетудің себебі машинадағы қателіктер деп ойлаған. Бірақ шындығында, машина жасаған графиктер Гиббс құбылысын анық көрсетуге жеткіліксіз болды, және Микельсон оны байқамаған болуы мүмкін, өйткені ол машинасы туралы мақаласында немесе Nature журналына жазған кейінгі хаттарында осы құбылысты атап көрсеткен жоқ. Микельсон мен А. Э. Х. Лавтың Nature журналындағы квадрат толқын функциясының Фурье тізбегінің жуықтасуы туралы хат алмасуынан шабыттанған Дж. Уиллард Гиббс 1898 жылы бір жазба жариялап, Фурье тізбегінің жартылай қосындыларының графиктерінің лиміті мен осы жартылай қосындылардың лиміті графигі арасындағы маңызды айырмашылықты көрсетті. Бірінші хатында Гиббс Гиббс құбылысын байқамады және жартылай қосындылар графигі үшін сипаттаған лиміті дұрыс болмады. 1899 жылы ол түзету жариялады, онда үздіксіздік нүктесіндегі асып кетуді сипаттады (Nature, 27 сәуір, 1899, 606 бет). 1906 жылы Максим Бошер осы асып кетудің егжей-тегжейлі математикалық талдауын жасап, «Гиббс құбылысы» терминін енгізіп, оны кеңінен қолдануға бастады.
Түсіндірме
Бейресми түрде, Гиббс құбылысы үздіксіз функцияны шекті сандағы үздіксіз синусоидты толқындардың қатары арқылы жуықтаудың тудыратын қиындықтарды көрсетеді. «Шекті» деген сөзді ерекше атап өткен жөн, себебі Фурье қатарының кез келген ішінара қосындысы жуықтап алғандағы әрбір үздіксіздік нүктесінде артық өседі, бірақ шексіз көп синусоидты толқындардың қосындысының лимиті артық өспейді. Артық өсудің ең жоғары нүктелері қатарға қосылған терминдердің саны артқан сайын үздіксіздікке жақындап келеді, сондықтан конвергенция мүмкін. Артық өсу қатесі нөлдік емес биіктікке қарай жиналатын болса да, шексіз қосындыда артық өсу болмайтындықтан, қарама-қайшылық жоқ, себебі артық өсудің ең жоғары нүктелері үздіксіздікке қарай жылжиды. Осылайша, Гиббс құбылысы нүктелік конвергенцияны, бірақ біркелкі конвергенцияны көрсетпейді. Бөлшектік үнемі дифференциалданатын (C1 класы) функция үшін Фурье қатары секіру үзілістерінен басқа барлық нүктелерде функцияға жиналады. Секіру үзілістерінде шексіз қосынды Дирихле теоремасының салдарынан секіру үзілісінің ортасына (яғни секірудің екі жағындағы функцияның мәндерінің орташасы) жиналады. Гиббс құбылысы функцияның тегістігі оның Фурье коэффициенттерінің азаю жылдамдығын анықтайтын қағидатпен тығыз байланысты. Тегіс функциялардың Фурье коэффициенттері жылдамырақ азаяды (осының нәтижесінде конвергенция жылдамырақ болады), ал үздіксіз функциялардың Фурье коэффициенттері баяу азаяды (осының нәтижесінде конвергенция баяулайды). Мысалы, үздіксіз тіктөртбұрышты толқынның Фурье коэффициенттері тек , ал үздіксіз үшбұрышты толқынның Фурье коэффициенттері әлдеқайда жылдамырақ азаяды. Бұл Гиббс құбылысының толық емес түсіндірмесі болып табылады, себебі абсолютті конвергентті Фурье коэффициенттері бар Фурье қатары Вейерштрасс М тесті бойынша біркелкі конвергентті болады және осылайша жоғарыда сипатталған тербелістік мінез-құлықты көрсетуге қабілетсіз. Сол сияқты, үздіксіз функциялардың абсолютті конвергентті Фурье коэффициенттері болуы мүмкін емес, себебі мұндай функция үздіксіз функциялардың біркелкі лимиті болып табылады, демек үздіксіз болады, бұл қарама-қайшылық. Толығырақ ақпаратты қараңыз.
This only provides a partial explanation of the Gibbs phenomenon, since Fourier series with absolutely convergent Fourier coefficients would be uniformly convergent by the Weierstrass M test and would thus be unable to exhibit the above oscillatory behavior. By the same token, it is impossible for a discontinuous function to have absolutely convergent Fourier coefficients, since the function would thus be the uniform limit of continuous functions and therefore be continuous, a contradiction. See .
Шешімдер
Гиббс құбылысы төменнен басудан туындайтындықтан, оны ешқашан теріс емес ядроларды пайдалану арқылы жоюға болады, мысалы, Фейер ядросын. Іс жүзінде, Гиббс құбылысымен байланысты қиындықтарды Фурье қатарларын қосудың тегіс әдістерін қолдану арқылы азайтуға болады, мысалы, Фейер қосындысы немесе Риес қосындысы, немесе сигма жуықтауын пайдалану. Үзіліссіз толқындық трансформацияны қолданғанда, толқындық Гиббс құбылысы Фурье Гиббс құбылысынан аспайды. Сонымен қатар, Haar негіз функцияларымен дискретті толқындық трансформацияны қолдану Гиббс құбылысын секірулердегі үздіксіз деректер үшін мүлдем болдырмайды, ал үлкен өзгеріс нүктелерінде дискретті жағдайда минималды болады. Толқындық талдауда бұл әдетте Лонго құбылысы деп аталады. Полиномдық интерполяцияда Гиббс құбылысын S Гиббс алгоритмін қолдану арқылы жеңілдетуге болады.
Салдарлар
Гиббс құбылысы қолайсыз, себебі ол артефактілерге, атап айтқанда, overshoot және undershoot-тан туындайтын қиылыстарға, сондай-ақ тербелістерден пайда болатын артефактілерге себеп болады. Төмен өткізгіш сүзгілерді қолданғанда, оларды әртүрлі төмен өткізгіш сүзгілерді пайдалану арқылы азайтуға немесе жоюға болады. МРТ-де Гиббс құбылысы сигнал интенсивтілігі күрт өзгешетін аймақтардың жанында артефактілерді тудырады. Бұл көбінесе жұлын МРТ-сінде кездеседі, онда Гиббс құбылысы сирингомиелияның көрінісін имитациялауы мүмкін. Гиббс құбылысы кескіннің дискретті Фурье түрлендіруіндегі қиылысқан нүспенің артефактісі ретінде көрінеді, мұнда көптеген кескіндерде (мысалы, микрографтар немесе фотосуреттерде) кескіннің жоғарғы/төменгі және сол/оң жиектері арасында өткір үзіліс болады. Фурье түрлендірмесінде периодтық шекаралық шарттар қолданылғанда, бұл секіру үзілісі өзара кеңістіктегі осьтер бойымен жиіліктердің үздіксіздігі ретінде бейнеленеді (яғни Фурье түрлендірмесіндегі қарқындылықтың қиылысқан нүспенің артефактісі). Бұл мақала негізінен уақыт доменінде жартылай Фурье қатарларын ғана қолдана отырып, артефактілерсіз үзілістерді құруға тырысудың қиындықтарына назар аударса да, кері Фурье түрлендірмесінің Фурье түрлендірмесіне өте ұқсас екенін ескеру маңызды, сондықтан жартылай Фурье қатарларын ғана қолдана отырып, жиілік доменіндегі үзілістерді құруға тырысу да қиындықтар тудырады. Мысалы, идеалды кірпіш қабырға және тікбұрышты сүзгілер жиілік доменінде үзіліске ие, олардың уақыт доменіндегі дәл бейнеленуі шексіз ұзын синк сүзгінің импульстік жауабын қажет етеді, себебі шекті импульстік жауап Гиббс тербелісін өткізу жиіліктеріне жақын жиілік жауабында тудырады, бірақ бұл тербелісті шекті импульстік жауапты сүзгілерді терезелеу арқылы азайтуға болады (өткізу жолағының кеңеюі есебінен).