シンク関数

シンク
正規化されたsinc関数と正規化されていないsinc関数の一部を同じスケールで表示
正規化されたsinc関数(青)と非正規化されたsinc関数(赤)の一部が同じスケールで表示されている
一般情報
一般的な定義
応用分野信号処理、分光法
ドメイン、コドメイン、イメージ
ドメイン
画像
基本機能
パリティ
特定の値
ゼロで1
+∞での値0
−∞での値0
マキシマ1で
最小値
具体的な特徴
関連機能
相互
デリバティブ
反微分
シリーズの定義
テイラー級数

数学物理学工学においてsinc関数/ ˈ s ɪ ŋ k / SINK)はsinc( x )と表記され、 次のように定義されます。

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倍して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関数はあらゆる点で解析的であり、したがって整関数となります。

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、帯域制限された連続信号を、等間隔に配置された信号のサンプルから再構成する概念で使用されます。sincフィルタは信号処理に使用されます。

この関数自体は、レイリー卿が第一種零次球面ベッセル関数の表現(レイリーの公式)の中で初めてこの形式で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

2000 Hz(ゼロを中心に±1.5秒)のオーディオとしての同期関数

sinc関数には正規化と非正規化の2つの形式がある。[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る。

あるいは、正規化されていないsinc関数はサンプリング関数と呼ばれることが多く、Sa( x )と表記される。[2]

デジタル信号処理情報理論では正規化sinc関数はx ≠0に対して次のように定義されることが多い。

どちらの場合でも、 x = 0における値は、すべての実数a ≠ 0の限界値として定義されます(限界はスクイーズ定理を使用して証明できます)。

正規により、関数の実数に対する定積分は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、正規化されたsinc関数の零点はxの非零の整数値です

語源

この関数は、カーディナルサインまたはサインカーディナル関数とも呼ばれる[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、フィリップ・M・ウッドワードとIL・デイヴィスが1952年の論文「情報理論と通信における逆確率」の中で「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、独自の表記法を用いる価値があると思われる」と述べて導入された。[6]また、ウッドワードの1953年の著書「確率と情報理論、レーダーへの応用」でも使用されている[5] [7]

プロパティ

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cosine 関数との交点に対応します。

正規化されていない sinc のゼロ交差はπのゼロ以外の整数倍で発生しますが、正規化された sinc のゼロ交差はゼロ以外の整数で発生します。

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する。つまり、sin( ξ )/ξ = cos( ξ )である。ξ のすべての点において、の導関数はsin( x )/×はゼロとなり、極値に達します。これはsinc関数の微分から分かります。

正のx座標を持つn番目の極値のx座標に関する無限級数の最初の数項は[要出典]であり、 nが奇数の場合極小値、偶数の場合極大値となる。y軸周りの対称性により、 x座標がx n極値が存在する。さらに、ξ 0 = (0, 1)に絶対最大値が存在する。

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

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

これはオイラーの反射公式を通じてガンマ関数 Γ( x )と関係している:

オイラーは[ 8] 、 積和の恒等式[9]により、

sinc z = の領域カラーリングプロット正弦z/z

オイラー積は和として書き直すことができる

正規化されたsinc(通常の周波数)の連続フーリエ変換はrect(f)であるここ直交関数引数が− ⁠の間の場合は1である。1/21/2⁠ 、それ以外の場合はゼロです。これは、 sincフィルタが理想的な(ブリックウォール、つまり矩形の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ます

このフーリエ積分は、特別な場合も含めて 、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 関数には、サンプリングされた帯域制限関数の補間との関係で理想的な特性があります

  • これは補間関数です。つまり、sinc(0) = 1 であり、sinc( k ) = 0 は非ゼロの整数 kに対して成り立ちます
  • 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直交基底を形成し、最高角周波数ω H = π (つまり、最高サイクル周波数f H = 1/2)。

2 つの sinc 関数のその他のプロパティは次のとおりです。

  • 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 )は正弦積分であり
  • λ sinc( λx ) (正規化されていない) は、線形常微分方程式の2つの線形独立解のうちの1つです もう1つはcos( λx )/× 、これはsinc 関数とは異なり、 x = 0で制限されません
  • 正規化されたsincを使用すると、
  • 次の不定積分には、(正規化されていない)sinc 関数が含まれます。

ディラックのデルタ分布との関係

正規化された sinc 関数は新生デルタ関数として使用することができ、次の弱い極限が成り立つことを意味します。

これは通常の極限ではありません。左辺が収束しないからです。むしろ、これは

フーリエ反転定理から分かるように、すべてのシュワルツ関数に対して が成り立ちます。上記の式では、a → 0のとき、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。しかし、この式は常に± の包絡線内で振動します。1/π x 、 aの値に関係なく

これは、 x = 0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る。同様の状況はギブス現象にも見られる

標準的なディラック表現と直接結び付けるために、次のように書くこともできる

これにより、積分の無限帯域幅の限界としてデルタの回復が明らかになります。

合計

このセクションのすべての合計は、正規化されていない sinc 関数を参照します。

1からまでの整数nに対するsinc( n )の合計はπ − 1/2 :

平方和も等しいπ − 1/2 : [10] [11]

加数の符号が交互に+で始まる場合、その和は1/2 :

平方数と立方数の交互和も等しい1/2 : [12]

シリーズ拡張

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(これもx = 0で値1になります)。

この級数はすべてのxに対して収束する。正規化されたバージョンは簡単に次のように書ける。

オイラーはバーゼル問題を解決するためにこの級数を無限積形式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特性とゾノトープとの関連を用いて明示的に導くことができる[13]

例えば、六角形格子はベクトルの (整数)線形スパンによって生成できる。

と表すと、この六方格子のsinc関数は次のように導かれる[13]。

この構成は、一般的な多次元格子に対するランチョス窓の設計に使用できる。 [13]

シンハチ

一部の著者は類推により、双曲線正弦基数関数を定義している。[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). コミュニケーションシステム, 第2版(イラスト入り). Tata McGraw-Hill Education. p. 15. ISBN 978-0-07-063454-115ページの抜粋
  3. ^ Weisstein, Eric W. 「Sinc関数」. 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 ポイントン、チャールズ A. (2003).デジタルビデオとHDTV . モーガン・カウフマン出版社. 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. ^ ウッドワード, フィリップ M. (1953).確率と情報理論、レーダーへの応用. ロンドン: ペルガモン・プレス. p. 29. ISBN 978-0-89006-103-9. OCLC  488749777. {{cite book}}: ISBN / Date incompatibility (help)
  8. ^ オイラー、レオンハルト (1735). 「逆数の級数の和について」. arXiv : math/0506415 .
  9. ^ Sanjar M. Abrarov; Brendan M. Quine (2015). 「sinc関数の不完全コサイン展開によるサンプリング:Voigt/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月-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. ^ ベイリー、ロバート (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. ^ ギュンター、ピーター(2012年)『非線形光学効果と材料』シュプリンガー、p.258、ISBN 9783540497134
  16. ^ リーヴァイ・シェクター (2013).周期構造および準周期構造におけるビーム波相互作用。スプリンガー。 p. 241.ISBN 9783662033982

さらに読む

  • Stenger, Frank (1993).数値解析関数とSinc関数に基づく数値解析法. Springer計算数学シリーズ. 第20巻. Springer-Verlag New York, Inc. doi :10.1007/978-1-4612-2706-9. ISBN 9781461276371
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