sinc関数

sinc
同じスケールで示された正規化sinc関数と非正規化sinc関数の一部
同じスケールで示された正規化sinc関数(青)と非正規化sinc関数(赤)の一部
一般情報
一般定義
応用分野信号処理、分光法
定義域、余域、像
定義域
基本的特徴
パリティ偶数
特定の値
ゼロにおける1
+∞における値0
-∞における値0
最大値1における
最小値における
特定の特徴
根号
関連関数
逆数
微分
不定積分
級数
テイラー級数

数学物理学工学においてsinc関数/ ˈsɪŋk / SINK)はsinc(x)と表記されまたはとして定義ます

後者は正規化sinc関数と呼ばれることもあります。2つの定義の唯一の違いは、独立変数x軸)をπ倍にスケーリングすることです。どちらの場合も、ゼロにおける除去可能な特異点における関数の値は、極限値1であると理解されます。したがって、sinc関数はどこでも解析的であり、したがって整関数です

正規化sinc関数は、スケーリングのない矩形関数フーリエ変換です。これは、信号の均一間隔のサンプルから連続した帯域制限信号を再構成するという概念で使用されます。sincフィルタは信号処理で使用されます。

この関数自体は、レイリー卿によって、第一種零次球面ベッセル関数の式(レイリーの公式)において、この形で初めて数学的に導出されました。

sinc関数は基数正弦関数とも呼ばれます

定義

2000Hz(零点を中心に±1.5秒)の音声におけるsinc関数

sinc関数には、正規化と非正規化の2つの形式があります。[1]

数学では、歴史的な非正規化sinc関数は、 x ≠ 0に対して 次のように定義されます。

あるいは、非正規化sinc関数はしばしばサンプリング関数と呼ばれ、Sa( x )と表記されます。[2]

デジタル信号処理情報理論において正規化sinc関数は一般的にx ≠ 0に対して次のように定義されます。

どちらの場合も、 x = 0における値は、すべての実数a ≠ 0に対する極限値として定義されます (この極限はスクイーズ定理を用いて証明できます)。

正規により、実数に対する関数の定積分は1になります(一方、正規化されていないsinc関数の同じ積分はπになります)。さらに有用な特性として、正規化sinc関数の零点はxの非零の整数値です

語源

この関数は、基数正弦関数または正弦基数関数とも呼ばれます[3] [4]「sinc」という用語は、関数の完全なラテン語名であるsinus cardinalis [5]の短縮形であり、 1952年の論文「情報理論と電気通信における逆確率」の中で、 Philip M. WoodwardとI.L. Daviesによって導入されました。「この関数はフーリエ解析とその応用において非常に頻繁に出現するため、独自の表記法を使用する価値があるように思われる」と述べています。[6]また、Woodwardの1953年の著書「確率と情報理論、レーダーへの応用」でも使用されています。[5] [7]

特性

正規化されていない赤いsinc関数の極大値と極小値(小さな白い点)は、青いcos関数との交点に対応します

正規化されていないsinc関数のゼロ交差はπの非ゼロの整数倍で発生しますが、正規化されたsinc関数のゼロ交差は非ゼロの整数倍で発生します。

正規化されていないsinc関数の極大値と極小値は、cos関数との交点に対応します。つまり、sin( ξ )/ξ = cos( ξ )であり、 ⁠sin( x )/x is zero and thus a local extremum is reached. This follows from the derivative of the sinc function:

正のx座標を持つn番目の極値のx座標に対する無限級数の最初の数項は[要出典]あり、奇数nは極小値、偶数nは極大値となる。y軸周りの対称性のため、 x座標が−xn極値が存在します。さらに、ξ0 = (0, 1)絶対最大値があります。

正規化されたsinc関数は無限積として簡単に表現できます

複素平面に-2-2iから2+2iまでプロットされた基数正弦関数sinc(z)
複素平面に-2-2iから2+2iまでプロットされた基数正弦関数sinc(z)

は、オイラーの鏡映公式を通じてガンマ関数 Γ( x )と関連付けられています

オイラーは[8]、積和恒等式[9]により、そしてである ことを発見しました。

sinc z = の領域彩色プロットsin z/z

オイラーの積は和として書き直すことができる

正規化されたsinc関数(通常の周波数)の連続フーリエ変換はrect ( f )である。ここで、直交関数は、− 1/21/2⁠。これは、 sincフィルタが理想的な(ブリックウォール、つまり矩形周波数応答ローパスフィルタであるという事実に対応している

このフーリエ積分は、特殊な場合を含めて、不定積分ディリクレ積分を参照)であり、収束ルベーグ積分ではない

正規化されたsinc関数はサンプリングされた帯域制限関数補間との関係において理想的となる特性を持っている

  • これは補間関数です。つまり、sinc(0) = 1、非ゼロの整数kに対してsinc( k ) = 0です
  • 関数x k ( t ) = sinc( tk ) ( k整数)は、関数空間L 2 ( R )における帯域制限関数の正規直交基底を形成し、最高角周波数ω H = π(つまり、最高周期周波数f H = 1/2)です。

2つのsinc関数のその他の特性は次のとおりです。

  • 正規化されていないsincは、第一種0次球面ベッセル関数j 0 ( x )です。正規化されたsincはj 0x )です
  • ここで、 Si( x )は正弦積分です
  • λsinc ( λx )(正規化されていない)は、線形常微分方程式 の2つの線形独立な解のうちの1つです。もう1つは cos( λx )/x⁠ は、 sinc関数とは異なり、 x = 0で有界ではありません
  • 正規化sinc関数を使用して、
  • 次の不定積分は(正規化されていない)sinc関数を含みます。

ディラックのデルタ分布との関係

正規化sinc関数は新生デルタ関数として使用でき、次の弱極限が成り立つことを意味します。

左辺が収束しないため、これは通常の極限ではありません。むしろ、それは

フーリエ反転定理からわかるように、すべてのシュワルツ関数に対して、次のことを意味します。上記の式では、a → 0のときに、sinc関数の単位長さあたりの振動数は無限大に近づきます。それでも、式は常に± 1/π xの包絡線内で振動します。これは、 aの値に関係なく

これは、 x = 0の点を除くすべてのxに対してδ ( x )が0であるという非公式な描像を複雑にし、デルタ関数を分布ではなく関数として考えることの問題点を示しています。同様の状況はギブス現象にも見られます。

と書くことで、標準的なディラック表現と直接関連付けることもできます。

これにより、積分の無限帯域極限としてデルタが回復することが明確に

このセクションのすべての和は

1からまでの整数nに対するsinc( n )の和はπ − 1/2

平方和もπ − 1/2 [10] [11]

加数の符号が交互になり、+で始まる場合和は1/2

平方和と立方和の交互になる和も1/2[12]

シリーズ拡大

正規化されていないsinc関数のテイラー級数は、正弦関数のテイラー級数から得ることができます(正弦関数もx = 0で1になります)。

この級数はすべてのxに対して収束します。正規化されたバージョンは簡単に得られます。

オイラーはバーゼル問題を解くために、この級数を無限積形の展開と比較したことで有名です

高次元

1 次元 sinc 関数の積は、正方直交座標グリッド (格子)の多変数sinc 関数を簡単に提供します。 sinc C ( x , y ) = sinc( x ) sinc( y )、そのフーリエ変換は周波数空間内の正方形 (つまり、2 次元空間で定義されたレンガの壁) の指標関数です。非直交座標格子 (たとえば、六方格子 ) の sinc 関数フーリエ変換がその格子のブリルアンゾーンの指標関数である関数ですたとえば六方格子の sinc 関数は、フーリエ変換が周波数空間内の単位六角形の指標関数である関数です。非直交座標格子の場合、この関数は単純なテンソル積では取得できません。しかし、六方格子体心立方格子面心立方格子、その他の高次元格子のsinc関数の明示的な式は、ブリルアンゾーンの幾何学的性質とゾノトープとの関連を用いて明示的に導出することができます[13]

例えば、六方格子はベクトルの (整数)線形スパンによって生成できます

と表記すると、この六方格子のsinc関数は次のように導出できます[13]

この構成は、一般的な多次元格子のランチョス窓を設計するために使用できます。 [13]

Sinhc

一部の著者は、類推により、双曲正弦基数関数を定義しています。[14] [15] [16]

参照

参考文献

  1. ^ Olver, Frank WJ ; Lozier, Daniel M.; Boisvert, Ronald F.; Clark, Charles W. 編 (2010)、「数値解析法」、NIST Handbook of Mathematical Functions、ケンブリッジ大学出版局、ISBN 978-0-521-19225-5MR  2723248..
  2. ^ Singh, RP; Sapre, SD (2008). Communication Systems, 2E (illustrated edition). Tata McGraw-Hill Education. p. 15. ISBN 978-0-07-063454-1.15ページの抜粋
  3. ^ Weisstein, Eric W. 「Sinc Function」. mathworld.wolfram.com . 2023年6月7日閲覧
  4. ^ Merca, Mircea (2016-03-01). 「基数正弦関数とチェビシェフ・スターリング数」 . Journal of Number Theory . 160 : 19–31 . doi :10.1016/j.jnt.2015.08.018. ISSN  0022-314X. S2CID  124388262.
  5. ^ ab Poynton, Charles A. (2003).デジタルビデオとHDTV . Morgan Kaufmann Publishers. p. 147. ISBN 978-1-55860-792-7.
  6. ^ Woodward, PM; Davies, IL (1952年3月). 「電気通信における情報理論と逆確率」(PDF) . Proceedings of the IEE - Part III: Radio and Communication Engineering . 99 (58): 37– 44. doi :10.1049/pi-3.1952.0011.
  7. ^ Woodward, Phillip M. (1953).確率と情報理論、レーダーへの応用. ロンドン: Pergamon Press. p. 29. ISBN 978-0-89006-103-9 OCLC  488749777 {{cite book}}: ISBN / Date incompatibility (help)
  8. ^ Euler, Leonhard (1735) . 「逆数の級数の和について」. arXiv : math/0506415
  9. ^ サンジャー・M・アブラロフ、ブレンダン・M・クワイン (2015). 「sinc関数の不完全コサイン展開によるサンプリング:フォークト/複素誤差関数への応用」. Appl. Math. Comput . 258 : 425–435 . arXiv : 1407.0533 . doi :10.1016/j.amc.2015.01.072
  10. ^ 「上級問題6241」アメリカ数学月刊誌87 (6)。ワシントンD.C.:アメリカ数学協会496-498。1980年6-7月。doi :10.1080/00029890.1980.11995075
  11. ^ Robert Baillie、David BorweinJonathan M. Borwein (2008年12月). 「驚くべきSinc和と積分」. American Mathematical Monthly . 115 (10): 888–901 . doi :10.1080/00029890.2008.11920606. hdl : 1959.13/940062 . JSTOR  27642636. S2CID  496934.
  12. ^ Baillie, Robert (2008). 「フーリエ級数を楽しむ」. arXiv : 0806.0150v2 [math.CA]
  13. ^ abc Ye, W.; Entezari, A. (2012年6月). 「多変数Sinc関数の幾何学的構築」. IEEE Transactions on Image Processing . 21 (6): 2969– 2979. Bibcode :2012ITIP...21.2969Y. doi :10.1109/TIP.2011.2162421. PMID  21775264. S2CID  15313688.
  14. ^ Ainslie, Michael (2010). ソナー性能モデリングの原理. Springer. p. 636. ISBN 9783540876625.
  15. ^ Günter, Peter (2012). 非線形光学効果と材料. Springer. p. 258. ISBN 9783540497134.
  16. ^ Schächter, Levi (2013). 周期的および準周期的構造におけるビーム波相互作用. Springer. p. 241. ISBN 9783662033982.

さらに詳しく

  • Stenger, Frank (1993).数値解析関数とSinc関数に基づく数値解析法. Springer Series on Computational Mathematics. Vol. 20. Springer-Verlag New York, Inc. doi :10.1007/978-1-4612-2706-9. ISBN 9781461276371.
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