Кіріспе

Математикада, әсіресе гармониялық талдауда, Уолш функциялары кез келген дискретті функцияны бейнелеуге қолданылатын толық ортогональды функциялар жиынтығын құрайды – дәл сияқты тригонометриялық функциялар Фурье талдауында кез келген үздіксіз функцияны бейнелеуге қолданылады. Оларды бірлік аралықтағы үздіксіз, аналогтық жүйенің дискретті, цифрлық баламасы деп қарастыруға болады. Бірақ синус және косинус функциялары үздіксіз болса, Уолш функциялары кесімді тұрақты. Олар тек -1 және +1 мәндерін ғана диадтық бөлшектермен анықталған кіші аралықтарда қабылдайды. Уолш функцияларының жүйесі Уолш жүйесі деп аталады. Ол ортогональды функциялардың Радемахер жүйесінің кеңейтімі болып табылады. Уолш функциялары, Уолш жүйесі, Уолш қатары және жылдам Уолш-Хадамард түрлендіруі американдық математик Джозеф Л. Уолштің құрметіне аталған. Олар сандық сигналдарды талдау кезінде физика және инженерия салаларында кеңінен қолданылады. Тарихи тұрғыдан алғанда, Уолш функцияларының әртүрлі нөмірленулері қолданылған, бірақ олардың ешқайсысы ерекше артықшылыққа ие емес. Осы мақалада Уолш-Пейли нөмірленуі қолданылады.

Уолш функциялары мен тригонометриялық функцияларды салыстыру

Уолш функциялары және тригонометриялық функциялар – функциялар жиынтығын құрайтын толық, ортонормалды жүйелер, бірлік интервалдағы квадратқа интегралданатын функциялардың Хилберт кеңістігіндегі ортонормалды негіз болып табылады. Екеуі де, мысалы, Хаар немесе Франклин жүйелері сияқты емес, шектелген функциялардың жүйелері. Тригонометриялық және Уолш жүйелері бірлік интервалынан нақты түзуге дейінгі периодтық кеңейтуге ие. Сонымен қатар, бірлік интервалдағы (Фурье қатарлары) және нақты сызықтағы (Фурье түрлендіргіші) Фурье талдауының екеуі де Уолш жүйесі арқылы анықталатын цифрлық баламаларына ие, Уолш қатары Фурье қатарына, ал Хадамард түрлендіргіші Фурье түрлендіргішіне аналогты.

Уолш-Ферлегер жүйелері

Haar өлшемімен жабдықталған компакт Кантор тобы және оның таңбаларының дискретті тобы болсын. Оның элементтері Уолш функцияларымен оңай анықталады. Әрине, таңбалар берілген топта анықталса, Уолш функциялары бірлік аралықта анықталады, бірақ осы өлшем кеңістіктері арасында нөлдік модульге изоморфизм болғандықтан, олардағы өлшенетін функциялар изометрия арқылы сәйкес келеді. Содан кейін негізгі өкілдік теориясы Уолш жүйесі түсінігінің келесі жалпыламасын ұсынады. Кез келген Банах кеңістігі үшін X-те берілген топтың берік үздірісті, біркелкі шектелген адал әрекеті болсын. Кез келген үшін, оның өзіндік кеңістігін қарастырайық. Содан кейін X – өзіндік кеңістіктердің жабық сызықтық кеңеюі болады: Әр өзіндік кеңістік бір өлшемді деп есептесек және элементті таңдасақ, онда жүйе, немесе таңбалардың Уолш-Пейли нөмірлеуіндегі сол жүйе, берілген әрекетке байланысты жалпыланған Уолш жүйесі деп аталады. Классикалық Уолш жүйесі ерекше жағдай болып табылады, атап айтқанда, мұнда қосу 2 модулі бойынша жүзеге асырылады. 1990 жылдардың басында Серж Ферлегер және Федор Сукочев Банах кеңістіктерінің кең класында (UMD кеңістіктері деп аталады) жалпыланған Уолш жүйелерінің классикалық жүйеге ұқсас көптеген қасиеттері бар екенін көрсетті: олар Шаудер негізін және кеңістікте бірыңғай шекті өлшемді ыдырауды құрайды, сондай-ақ кездейсоқ шартты жинақталу қасиетіне ие. Жалпыланған Уолш жүйесінің маңызды мысалы – II типті гиперконекті фактормен байланысты коммутативті емес Lp кеңістіктеріндегі Фермион Уолш жүйесі.

Фермион Уолш жүйесі

Фермион Уолш жүйесі – классикалық Уолш жүйесінің коммутативті емес, немесе "кванттық" аналогы болып табылады. Екіншісінен айырмашылығы, ол функциялар емес, операторлардан тұрады. Дегенмен, екі жүйе де көптеген маңызды қасиеттерді бөліседі, мысалы, екеуі де сәйкес Хилберт кеңістігінде ортонормалды негізді, ал сәйкес симметриялық кеңістіктерде Шаудер негізін құрайды. Фермион Уолш жүйесінің элементтері Уолш операторлары деп аталады. Жүйенің атауындағы "Фермион" термині, оны қоршап тұрған оператор кеңістігін – II типті гиперконекті факторды, санауға болатын шексіз көптеген ерекше спиндік фермиондар жүйесінің байқалатын кеңістігі ретінде қарастыру мүмкіндігімен түсіндіріледі. Әрбір Радемашер операторы тек бір ғана фермиондық координатаға әрекет етеді, және ол сол координатада Паули матрицасы болып табылады. Оны сол фермионның спин кеңістігіндегі белгілі бір ось бойымен өлшенетін спин компонентімен сәйкестендіруге болады. Осылайша, Уолш операторы фермиондардың белгілі бір жиынтығының спинін, әрқайсысы өз осі бойынша өлшейді.

Сызықтық емес фазалық кеңейтулер

Сызықтық емес фазалық кеңейтулер дискретті Уолш-Адамар трансформациясы үшін жасалды. Зейінге алынғандай, жақсартылған өзара корреляциялық қасиеттері бар сызықтық емес фазалық негіз функциялары, кодтық бөліс арқылы көптеген қолданушыларға (CDMA) байланыс жүйелерінде дәстүрлі Уолш кодтарынан айтарлықтай жақсы нәтижелер көрсетті.

Қолданбалар

Уолш функцияларының қолданылуын цифрлық өрнеулер қолданылатын барлық салаларда кездестіруге болады, оның ішінде сөйлеуді тану, медициналық және биологиялық суреттерді өңдеу, сондай-ақ цифрлық голография. Мысалы, жылдам Уолш-Хадамард түрлендіруі (FWHT) цифрлық квази Монте-Карло әдістерін талдау үшін пайдаланылуы мүмкін. Радиоастрономияда Уолш функциялары антенна сигналдары арасындағы электрлік араласудың әсерін азайтуға көмектеседі. Олар сонымен қатар пассивті ЖК панельдерде X және Y екілік басқару толқындары ретінде қолданылады, онда X және Y арасындағы автокорреляцияны өшірілген пиксельдер үшін ең төменгі деңгейге дейін төмендетуге болады.