Ero sivun ”Fourier-muunnos” versioiden välillä

[katsottu versio][katsottu versio]
Poistettu sisältö Lisätty sisältö
Aikavaativuudesta on omakin artikkelinsa, vaikkei kaksinen olekaan.
kh, nimi, ei en-linkkejä leipätekstiin
Rivi 1:
{{Korjattava/nimi|Fourier-muunnos}}
'''Fourier-muunnos'''n muunnos(myös ''Fourier’n muunnos'') on [[Matematiikka|matematiikassa]] käytetty jatkuva [[integraalimuunnos]]. Muunnosta käytetään erityisesti [[analyysi]]ssä [[differentiaaliyhtälö]]iden ratkaisemisessa ja [[Signaalinkäsittely|signaalinkäsittelyssäsignaalinkäsittely]]ssä erilaisiin taajuusanalyysiä vaativiin sovelluksiin. Muunnos perustuu teoreemaan, jonka mukaan mikä tahansa [[Jatkuvuus|jatkuva]] riittävän säännöllinen [[jatkuva funktio]] voidaan esittää [[siniaalto|sinimuotoisten]] funktioiden [[integraali]]na. Fourier'n -muunnoksella voidaan laskea näiden sinimuotoisten komponenttien [[amplitudi]] ja [[vaihe]].
 
== Määritelmä ==
Funktion <math>f(x)\,</math> Fourier'n -muunnos <math>\hat f(\omega)</math> määritellään
:<math> \hat f(\omega)=\int_{-\infty}^{\infty} f(x) e^{-i\omega x}\, dx </math>,
 
missä <math>\omega\,</math> on [[kulmataajuus]]. Muoto <math>e^{-i\omega x}\ </math> liittyy trigonometrisiin funktioihin siten, että kompleksieksponentin määritelmä on <math>e^{a + ib} = e^{a}(\cos b + i \sin b)\ </math>.
 
Fourier'n -muunnokselle on olemassa '''käänteismuunnos''', joka määritelmän mukaiselle funktiolle on
 
:<math> f(x)=\frac{1}{2 \pi} \int_{-\infty}^{\infty} \hat f(\omega) e^{i\omega x}\, d \omega </math>.
 
Funktion <math>f(x)\,</math> Fourier'n -muunnoksesta voidaan käyttää myös vaihtoehtoista merkintätapaa <math> \mathcal{F}\{f(x)\} = \hat f(x)</math>. Tätä merkintää käytetään esimerkiksi differentiaalianalyysissä, jolloin halutaan selventää Fourier'n -muunnoksen käyttäminen jonkin muun integraalimuunnoksen sijasta. Kirjallisuudessa esiintyy usein myös eri tavoin normalisoituja variaatioita muunnoksesta. Fourier-muunnettu funktio voidaan ajatella alkuperäisen funktion esityksenä taajuustasossa. Fourier-muunnetun funktion taajuuskomponenttia <math>\omega\,</math> vastaava '''amplitudi''' on
 
:<math> A(\omega) = | \hat f (\omega) |</math>
Rivi 21:
Amplitudispektri antaa vaihespektriä enemmän tietoa, nähdään kaikki taajuuskomponentit ja niitä vastaavat määrät.
 
== Fourier'n -muunnoksen ominaisuuksia ==
 
Olkoon <math>f(x)\,</math>, <math>g(x)\,</math> ja <math>h(x)\,</math> integroituvia funktioita ja näitä vastaavat Fourier'n -muunnokset <math>\hat{f}(\xi)</math>, <math>\hat{g}(\xi)</math> ja <math>\hat{h}(\xi)</math>. Fourier'n -muunnoksella on seuraavat ominaisuudet <ref>{{kirjaviite|Tekijä=Pinsky, Mark |Vuosi=2002 | Nimeke=Introduction to Fourier Analysis and Wavelets| Julkaisija=Brooks/Cole| Tunniste=ISBN 0-534-37660-6 | Kieli={{en}}}}</ref>.
 
*'''Lineaarisuus'''
Rivi 47:
 
*Ominaisfunktiot
:::: Fourier'n -muunnoksen ominaisfunktioita ovat [[Hermiten funktio]]t. Toisin sanoen näiden funktioiden Fourier'n -muunnos on funktio itse, [[ominaisarvo]]lla kerrottuna.
 
== Diskreetti Fourier'n -muunnos ==
 
[[Diskreetti]] Fourier'n -muunnos eli '''DFT''' on Fourier'n muutoksen-muunnoksen diskreettiaikainen yleistys.<ref>{{Verkkoviite | Osoite = http://www.courses.physics.helsinki.fi/astro/havaitsevaII/Radiomoniste/liite_b.pdf | Nimeke = Fourier–menetelmät| Tekijä = | Tiedostomuoto = .pdf| Selite = B2. Diskreetti Fourier–muunnos| Julkaisu = | Ajankohta = | Julkaisupaikka = | Julkaisija = Helsingin yliopisto| Viitattu =12.1.2011 | Kieli = }}</ref> Siinä signaali ajatellaan jaksolliseksi, jolloin se voidaan esittää äärellisenä [[Fourier'n sarja]]na ja integraali korvautuu [[summa]]lausekkeella:
 
:<math> F_n =\sum_{k=0}^{N-1} f_k e^{-i(2\pi k/N)n} \quad , n = 0, ... ,N-1</math>
Rivi 62:
 
== FFT ==
'''FFT''' ({{k-en|[[:En:Fast_Fourier_Transform|Fast Fourier Transform]]}}) eli nopea Fourier'n -muunnos tarkoittaa tehokasta [[algoritmi]]a diskreetin Fourier'n -muunnoksen ja sen käänteismuunnoksen laskemiseksi. Yleisin FFT on [[Cooleyn&ndash;Tukeyn algoritmi]], jonka tunsi jo [[Carl Friedrich Gauss|C.F Gauss]] vuonna 1805 ja käytti sitä [[2 Pallas|Pallas]]- ja [[3 Juno|Juno]] -asteroidien ratojen laskentaan.{{Lähde}} Työ ei ollut kovin tunnettu. Erilaisia rajoitettuja versioita kehitettiin 1800-luvulla ja 1900-luvun alkupuolella. Nykyisen maineensa FFT saavutti vuonna 1965, jolloin [[James Cooley|Cooley]] [[IBM|IBM:stä]] ja [[John Tukey|Tukey]] [[Princetonin yliopisto|Princetonista]] osoittivat työssään algoritmin soveltuvuuden tietokoneohjelmointiin.
 
Jos diskreetti Fourier'n -muunnos lasketaan suoraan DFT:n määritelmästä, tarvittavien laskentaoperaatioiden määrä on verrannollinen näytepisteiden määrän [[neliö_neliö (algebra)|neliöön]] <math>N^2\,</math>. Sen sijaan FFT-algoritmien [[aikavaativuusluokka]] on <math>O(N \, \operatorname{log} \, N\,)</math>. FFT:n nopeusero verrattuna suoraan diskreetin muunnoksen määritelmästä laskemiseen muuttuu hyvin merkittäväksi, kun näytepisteiden määrä on suuri. Käytännön sovelluksissa Diskreettidiskreetti Fourier'n -muunnos lasketaankin lähes aina [[numeerinen laskenta|numeerisesti]] FFT:n avulla.
 
== Käytännön sovelluksia ==
Rivi 74:
Terästeollisuudessa voidaan, tutkimalla valssatun nauhan paksuusprofiilia FFT:llä, löytää epäkeskeisesti hiotut valssit tai kuluneet laakerit. Laakereiden kunnon seurantajärjestelmät perustuvat usein FFT:hen.
 
Fourier'n -muunnoksen ominaisuutta '''modulaatio aikatasossa''' käytetään siirtämään signaalia taajuustasossa. Radiotekniikassa lähetettävä tai vastaanotettu signaali siirretään halutulle taajuusalueelle [[modulaatio_(elektroniikka)|moduloimalla]] signaalia sekoitusasteessa [[oskillaattori|paikallisoskillaattorin]] signaalilla. Myös moduloimalla esimerkiksi yksittäistä [[siniaalto|sinimuotoista signaalia]] aikatasossa, sen värähtelytaajuutta voidaan kasvattaa tai pienentää. Tätä ominaisuutta käytetään hyväksi äänenkäsittelyssä yksittäisen äänen sävelkorkeuden korjaamiseksi{{lähde}}. Modulointitekniikalla tuotettu sävelkorkeuden korjaus ei nopeuta tai hidasta ääniraitaa kuten alkuperäisen ääniraidan suora skaalaaminen. Toisaalta, jos se kohdistetaan samalla kertaa useampaan eritaajuiseen signaaliin, niiden taajuussuhteet muuttuvat.
 
== Lähteet ==