diff --git a/semester3/numcs/assets/01_interpolation/01_trigonometric/overarcing.png b/semester3/numcs/assets/01_interpolation/01_trigonometric/overarcing.png new file mode 100644 index 0000000..2fa45d2 Binary files /dev/null and b/semester3/numcs/assets/01_interpolation/01_trigonometric/overarcing.png differ diff --git a/semester3/numcs/numcs-summary.pdf b/semester3/numcs/numcs-summary.pdf index 50e6a97..7db46c6 100644 Binary files a/semester3/numcs/numcs-summary.pdf and b/semester3/numcs/numcs-summary.pdf differ diff --git a/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/00_fourier.tex b/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/00_fourier.tex index f5fc3e4..ff397d5 100644 --- a/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/00_fourier.tex +++ b/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/00_fourier.tex @@ -11,7 +11,7 @@ Eine Anwendung der Schnellen Fourier-Transformation (FFT) ist die Komprimierung \fancydef{Trigonometrisches Polynom von Grad $\leq m$} Die Funktion: \rmvspace \begin{align*} - p_m(t) := t \mapsto \sum_{j = -m}^{m} \gamma_j e^{2 \pi ijt} \text{ wobei } \gamma_j \in \C \text{ und } t \in \R + p_m(t) := t \mapsto \sum_{j = -m}^{m} \gamma_j e^{2 \pi ijt} \text{ wobei } \gamma_j \in \C \text{ und } t \in \R \end{align*} % % @@ -22,28 +22,28 @@ Falls $\gamma_{-j} = \overline{\gamma_j}$ für alle $j$, dann ist $p_m$ reellwer $p_m$ kann folgendermassen dargestellt werden ($a_0 = 2\gamma_0, a_j = 2\Re(\gamma_j)$ und $b_j = -2\Im(\gamma_j)$): \rmvspace \begin{align*} - p_m(t) = \frac{a_0}{2} + \sum_{j = 1}^{m} (a_j \cos(2\pi jt) + b_j \sin(2\pi jt)) + p_m(t) = \frac{a_0}{2} + \sum_{j = 1}^{m} (a_j \cos(2\pi jt) + b_j \sin(2\pi jt)) \end{align*} \begin{definition}[]{$L^2$-Funktionen} - Wir definieren die $L^2$-Funktionen auf dem Intervall $(0, 1)$ als - \rmvspace - \begin{align*} - L^2(0, 1) := \{ f: (0, 1) \rightarrow \C \divides ||f||_{L^2(0, 1)} < \infty \} - \end{align*} - während die $L^2$-Norm auf $(0, 1)$ durch das Skalarprodukt - \rmvspace - \begin{align*} - \langle g, f \rangle_{L^2(0, 1)} := \int_{0}^{1} \overline{g(x)} f(x) \dx x - \end{align*} - über $||f||_{L^2(0, 1)} = \sqrt{\langle f, f \rangle_{L^2(0, 1)}}$ induziert wird + Wir definieren die $L^2$-Funktionen auf dem Intervall $(0, 1)$ als + \rmvspace + \begin{align*} + L^2(0, 1) := \{ f: (0, 1) \rightarrow \C \divides ||f||_{L^2(0, 1)} < \infty \} + \end{align*} + während die $L^2$-Norm auf $(0, 1)$ durch das Skalarprodukt + \rmvspace + \begin{align*} + \langle g, f \rangle_{L^2(0, 1)} := \int_{0}^{1} \overline{g(x)} f(x) \dx x + \end{align*} + über $||f||_{L^2(0, 1)} = \sqrt{\langle f, f \rangle_{L^2(0, 1)}}$ induziert wird \end{definition} \inlineremark $L^2(a, b)$ lässt sich analog definieren mit \rmvspace \begin{align*} - \langle g, f \rangle_{L^2(a, b)} & := \int_{a}^{b} \overline{g(x)} f(x) \dx x \\ - & = (b - a) \int_{0}^{1} \overline{g(a + (b - a)t)} f(a + (b - a)t) \dx t + \langle g, f \rangle_{L^2(a, b)} & := \int_{a}^{b} \overline{g(x)} f(x) \dx x \\ + & = (b - a) \int_{0}^{1} \overline{g(a + (b - a)t)} f(a + (b - a)t) \dx t \end{align*} In Anwendungen findet sich oft das Intervall $\left[ -\frac{T}{2}, \frac{T}{2} \right]$. Dann verwandeln sich die Integrale in die Form $\frac{1}{T} \int_{\frac{T}{2}}^{-\frac{T}{2}} (\ldots) \dx t$ und $\exp(2\pi ijt)$ durch $\exp(i \frac{2\pi j}{T} t)$ ersetzt wird. @@ -61,7 +61,7 @@ Dann verwandeln sich die Integrale in die Form $\frac{1}{T} \int_{\frac{T}{2}}^{ \begin{align*} f(t) = \sum_{k = -\infty}^{\infty} \hat{f}(k) e^{2\pi ikt} \end{align*} - wobei die Fourier-Koeffizienten + wobei die Fourier-Koeffizienten \rmvspace \begin{align*} \hat{f}(k) = \int_{0}^{1} f(t)e^{-2\pi ikt} \dx t \smallhspace k \in \Z @@ -79,7 +79,7 @@ Dann verwandeln sich die Integrale in die Form $\frac{1}{T} \int_{\frac{T}{2}}^{ \setcounter{all}{14} \inlineremark Die Parseval'sche Gleichung beschreibt einfach gesagt einen ``schnellen'' Abfall der $\hat{f}(k)$. Genauer gesagt, klingen die Koeffizienten schneller als $\frac{1}{\sqrt{k}}$ ab. -Sie sagt zudem aus, dass die $L^2$-Norm der Funktion aus einer Summe berechnet werden kann (nicht nur als Integral). +Sie sagt zudem aus, dass die $L^2$-Norm der Funktion aus einer Summe berechnet werden kann (nicht nur als Integral). Wenn wir die Fourier-Reihe nach $t$ ableiten, erhalten wir \rmvspace \begin{align*} @@ -98,3 +98,31 @@ Wenn wir die Fourier-Reihe nach $t$ ableiten, erhalten wir \inlinetheorem Wenn $\displaystyle \int_{0}^{1} |f^{(n)}(t)|\dx t < \infty$, dann ist $\hat{f}(k) = \tco{k^{-n}}$ + +Falls die Funktion jedoch nicht glatt ist, dann entstehen \textit{Überschwingungen} an den Sprungstellen, die näher und näher an die Sprünge herankommen, aber nicht kleiner werden, wenn wir mehr Terme der Fourier-Reihe aufsummieren. +Das Phänomen wird das \bi{Gibbs-Phänomen} gennant und wir haben $L^2$-Konvergenz, aber keine punktweise Konvergenz an der Sprungstelle. + +\inlineremark +Diese Überschwingungen entstehen durch die Definition der Fourier-Reihe und sind in der untenstehenden Abbildung \ref{fig:trigo-interp-overarcing} aus dem Skript sehr gut ersichtlich. +Die dargestellte Funktion ist die Fourier-Reihe der charakteristischen Funktion des Intervalls $[a, b] \subseteq ]0, 1[$, welche sich folgendermassen analytisch berechnen lässt: +\begin{align*} + b - a + \frac{1}{\pi} \sum_{k \neq 0} e^{-ikc}\frac{\sin(kd)}{k} e^{i2\pi kt}, \mediumhspace t \in [0, 1] +\end{align*} + +% TODO: Replace with rendered image from matplotlib (will be higher quality than screenshot from script and can tweak it to our liking) +% we will have it anyway after solving the exercises, so might as well +\begin{figure}[h!] + \begin{center} + \includegraphics[width=0.95\textwidth]{assets/01_interpolation/01_trigonometric/overarcing.png} + \end{center} + \caption{Überschwingungen der Fourier-Reihe der charakteristischen Funktion des Intervalls $[a, b] \subseteq ]0, 1[$} + \label{fig:trigo-interp-overarcing} +\end{figure} + +\stepcounter{all} +\inlineremark Meist ist es nicht möglich (oder nicht sinnvoll) die Fourier-Koeffizienten analytisch zu berechnen, +weshalb man wieder zur Numerik und der Trapezformel greift, die folgendermassen definiert ist für $t_l = \frac{l}{N}$, +wobei $l = 0, 1 \ldots, N - 1$ und $N$ die Anzahl der Intervalle ist: +\begin{align*} + \hat{f}_N(k) := \frac{1}{N} \sum_{l = 0}^{N - 1} f(t_l) e^{-2\pi ikt_l} \approx \hat{f}(k) +\end{align*} diff --git a/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/02_fft.tex b/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/02_fft.tex index e69de29..983d471 100644 --- a/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/02_fft.tex +++ b/semester3/numcs/parts/01_interpolation/01_trigonometric/02_fft.tex @@ -0,0 +1,2 @@ +\newsection +\subsection{Schnelle Fourier Transformation}