5. Approximation periodischer Funktionen: die schnelle FOURIER-Transformation ( FFT )

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1 8 5 Aroxmto erodsher Futoe: de shelle FOURIER-rsformto FF Motvto: Shelle Fourer-rsformto egl: Fst Fourer rsform fdet vele Berehe Awedug, dee erodshe Iformtoe uftrete Besel Bldverrbetug: E zwedmesoles dgtles Bld etsrht eer Dtestrutur, de us der Pxelummer, des Bldutes ud dem Gruwert f, besteht,, M,,, f, De Gruwertfuto f, ls dsrete Futo us M Zhlewerte st der etshedede Utersuhugsgegestd der Bldverrbetug De Drstellug der Futo st ufgrud der resge Dtemege omlzert Zel st de Iterolto bzw Aroxmto deser Futo Ee Bldzele ls edmesoles dgtles Bld terretert werde Zeledex fest,,,, f f, f,, f Der Vetor f f f f,,, st -erodsh, es etsteht ee dsrete erodshe Futo, des etsrht dem tehshe Vorgg der Bldwederholug Ee so etstdee dsrete erodshe Futo wrd der Bldverrbetug vershedee Oertoe uterworfe um zb Iformtoe zu verdhte oder tshe Struture zu eree De whtgste Oerto st dbe shelle FOURIER-rsformto 5 FOURIER-Etwlug Wr betrhte de F-Etwlug eer stetge erodshe Futo f t der Perode : s t os t b s t 5 mt de Foureroeffzete f tos t dt,,, 5 b f ts t dt,, Bemerug: Bestzt de Futo f t de Perode, so führe wr de Hlfsvrble x t e ud setze f t f x g x D st g x erodsh g x f x f x f t f t g x De Fourerrehe vo g x ud dmt f t erhält d de Form sg x os x b s x os t b s t s t 5 mt rmtve Kresfrequez ud de Foureroeffzete b f tos t dt f ts t dt,,,,, 54

2 8 We de Rehe s t overgert, so müsse de Summde gege ull strebe ud de edlhe Summe s t os t b s t 55 st ee äherug für f t De Futo s t 55 wrd ls trgoometrshes Polom bezehet M zege, dss s t mt de FOURIER-Koeffzete,, b,, ee Bestroxmto vo f t st m Uterrum ller trgoometrshe Polome vom Grd, dh ds Problem f t s t f t os t b s t m dt 56 bestzt ls Lösug de Foureroeffzete,, b,, Stz 5: De Futo f t erfülle de folgede DIRICHLE-Bedguge: f t st -erodshe Futo, dere Perodetervll der Läge edlh vele eltervlle zerlegt werde, dee f t stetg ud mooto st; A eder Ustetgetsstelle t vo f t exstere edlhe ls- ud rehts- setge Grezwerte f lm f t h, f lm f t h h h D overgert de Fourerrehe s t für edes t t gege f t we f t der Stelle t t stetg st ud gege f f, we f der Stelle t ee Srugstelle bestzt Mttelwertegeshft vo s t Wetere Egeshfte der F-Rehe: - Uter de Vorussetzuge vo Stz 5 glt 56 lm des wrd ls Kovergez der F-Rehe s t gege f t m qudrtshe Mttel bezehet - Aus der Kovergez m qudrtshe Mttel folgt de Bezehug f t dt b, 57 de ls PARSEVALshe Glehug bezehet wrd ud zegt, dss für ede über dem Perodetervll qudrtsh tegrerbre Futo de Rehe der Qudrte der F-Koeffzete overgere muss Aus deser Bezehug m Abshätzuge des Fehlers erhlte, we ur ee edlhe trg Summe s t sttt s t verwedet wrd Zusmmehg mt der omlexe F-Etwlug Ausggsut für de omlexe F-Etwlug st de Eulershe Idettät : Dmt erhält m: e os s

3 8 ud os t e s t e s t t t e e e t t t t t t t e e b e e b e t b Zusmmehg zwshe reelle ud omlexe F-Koeffzete: b b,, b b b bzw Re b Im 58 M erhält so de omlexe Form der F-Etwlug Mt l bzw l lt l De Futo e l t s t e folgt l t s t e l e l,, lt m uffsse ls Wert des omlexe Poloms l l l P z z z z z uf dem Ehetsres der omlexe Ebee z e t Dmt glt für s t t t s t e P e 59 Stz 5: Dem reelle trgoometrshe Polom s t st für Werte z e t uf dem Ehetsres umehrbr edeutg e omlexes Polom P z t e s t zugeordeet 5 umershe Berehug der F-Koeffzete ud trgoometrshe Iterolto Zur umershe Berehug der F-Koeffzete,, b,, de rezsummetegrto verwedet werde, se bestzt für erodshe Futoe ud eem volle Perodetervll besodere Egeshfte:

4 84 I b F F F F F F F F F t dt h h h h F F Ft F F F F =t t t t - t - t =b Wr setze m Fll eer erodshe Futo F t, t h,,,, ud behte, dss wege der Perode glt F F, dh Dmt folgt: I F F t dt h 5 f tos t dt F t f t os t ud ls rezsumme-äherugswerte für de F-Koeffzete, b erhält m A B f t f t os t s t,,,,, 5 Bezehug: Dsrete Foureroeffzete Fourertrsformto A, B ls Ergebs der reelle dsrete rgoometrshe Iteroltosufgbe geg: t h ; f t f,,, ls Stützstelle ges: E trgoometrshes Polom s t derrst, dss glt s t f,,, Fll: = gerde I s t trete de Koeffzete,,,, b,, b uf Wege der Vorgbe vo Iteroltosbedguge öe d de

5 85 Koeffzete s t ht edeutg bestmmt werde Um zu eer lösbre Aufgbe zu omme, setze wr b ud verwede de Astz s t os t b s t os t 5 Zur Berehug vo,,,, b,, b erhält m ds lere Glehugssstem: f os t b s t os t,,,, 5 De Koeffzetemtrx C des Sstems st ee, -Mtrx mt de Slte s,, ; s os t ; s bl lt,, s,, Regulrtät der Mtrx C: Wege der Orthogoltät der Futoe, sx, osx uf dem Itervll, m de folgede dsrete Orthogoltätsbezehuge bewese l, : os t os lt s t os lt l l für l s t s lt für l Dmt sd de Slte der Mtrx rwese orthogol ud vo ull vershede, dh ds Sstem 8 st edeutg lösbr Lösug: Wr multlzere 5 de - te Glehug mt ost,,, ud summere für,,, f os t,dh f os t A stets für für Alog wrd mt s t multlzert ud ufsummert ud m erhält b B Stz 5: Im Fll st durh 5 ds terolerede Fourerolgo s t gegebe, wobe de Koeffzete A,,, b B,, mt de durh rezsummetegrto gewoee äherugswerte für de stetge Koeffzete überestmme Fll: = + ugerde Es trete mt f,, f geu Iteroltosute uf, dh ee ugerde Azhl ud m gewöhlhe Astz 55 für s t uh Koeffzete,,,, b,, b De Iteroltosufgbe st weder edeutg lösbr ud de Koeffzete stmme mt de durh rezsummetergrto gewoee äheruge A, A, B =,,, übere

6 86 Zusmmehg mt der Bldverrbetug Ee Bldzele mt dem erodshe Futosvetor f, f,, f der Gruwertfuto wrd ls dsrete erodshe Futo betrhtet D Bldute e glehbstädges Rster blde, edem f - Wert e Stützote t zugeordet werde De Vrble t wrd so ormert, dß für t, de Stützwerte f, f,, f geu eml durhlufe werde ud für t weder f uftrtt usw De Foureroeffzete gebe Ausuft über de Gruwertvertelug der Bldzele wobe ur wege Koeffzete ugleh ull uftrete, dh m erhält ee Iformtosverdhtug De durh rezsummetegrto gewoee äheruge der stetge F-Koeffzete sd uh Lösuge ees lere Qudrtmttelroblems: Leres Ausglehsroblem geg: gerde t, f t f,,, ls Stützstelle m sm t os t b s t m derrt, dss ges: s t f m,,,,,, F m b bm m Stz 54: De Koeffzete,,, m, b,, bm welhe Lösuge des lere Ausglehroblems drstelle, sd durh de Koeffzete A, A, B,, m der rezsummetegrto gegebe Bewes: Der Lösugsvetor v geügt dem ormlglehugssstem,,, m, b,, b m des Ausglehsroblems C Cv C bl mt der Mtrx C s, s, s, f f,, f m l,,,, m f Wege der Orthogoltätsbedguge glt C C Em ud C f st durh de Summe f os t, f s t sstems sd somt A, A, B gegebe De Lösuge des ormlglehugs- 5 Der Algorthmus der shelle Fourertrsformto FF De umershe Berehug der dsrete Foureroeffzete A, B st e etshededes Problem be der Alse erodsher Vorgäge Aufwd: Für erfordert de Berehug der Koeffzete

7 87 Vergleh: A f os t,,, t B f s t,, uter Behtug des Zusmmehgs zwshe s - ud os - Futo Futoswertberehuge ud Multltoe Für große Dtemege wrd der Aufwd eorm Be der shelle F-rsformto wähst der Aufwd dgege etws mehr ls ler, ämlh we lb lb q lb Der Effet der Aufwdsreduto beruht wesetlh uf de Egeshfte der omlexe Ehetswurzel, de uf dem omlexe Ehetsres lege Um für gerdes zu eer gegebee reelle Folge f,, f de Größe A, A,, A, B,, B effetv berehe zu öe, gehe wr zuähst zur omlexe F- rsformto der hlbe Ordug über : Def 55: Se,, Folge e -erodshe Folge omlexer Zhle D heßt de,, mt t e dsrete omlexe Fourertrsformerte der Ordug Dbe st t ud e os s wrd ls rmtve -te Ehetswurzel bezehet,,,, = =,= De Folge,, st selbst e -erodshe omlexe Folge

8 88 Zusmmehg mt de dsrete reelle F-Koeffzete B A, : Aus der reelle -erodshe Folge,, f f wrd mttels,,, : f f ee omlexe -erodshe Folge,, gebldet De dsrete F-rsformerte der omlexe Folge,, st de Folge,, der dsrete F-Koeffzete Dzu werde m Fll geu Redutosstufe der FF durhlufe Mt de us der Folge,, berehete Hlfsgröße,,, mt e d erhält m mt d d ls reelle dsrete F-Koeffzete der Ausggsfolge,, f f de Größe,, Im,,, Re d B d A Effetve Durhführug der dsrete omlexe F-rsformto m Shrtt Problem: geg: omlexe Werte,, ges: omlexe Werte,, der dsrete F-rsfomto Grudlge: De Poteze lege uf dem Ehetsres der omlexe Ebee ud lsse sh wege mod reduzere Besel = 4 : Setze 4 4 e e Es st für,,, zu berehe D glt: Vertushug: lefert Z ~ ~ ~ ~

9 89 Zerlegug der rsformto elshrtte: ud behte: z : z : z : z : Multlto vo z mt Ftormtrx : z z : z z : z z : z z b Wege 4 stelle ud b ewels ee omlexe F-rsformto der Ordug dr Dmt: De F-rsformto der Ordug 4 wurde uf zwe rsformtoe der Ordug reduzertde dsrete F-Koeffzete,, ergebe sh us,, durh Vertushug ud Dvso durh Wr lsse m folgede de Ftor weg ud zege, dß für m stets ee Reduto uf zwe F-rsformtoe der Ordug m möglh st Fll = m: m m l l = l gerde:, we m l m l m m l l l m behtet Mt ud z m m : m,,, st l de F-rsformerte der Ordug m der Hlfswerte z = l+ ugerde: Alog zegt m, dß glt m l z mt z :,,, m l m m m m Aufwd für Ordugsreduto: Es sd de Hlfsgröße z : m,,, m z : m m berehe, dh m omlexe Multltoe Reursve Form der omlexe Fourer-rsformto: Ist de Ordug der omlexe F-rsformto, dh es wre reelle Werte gegebe, so öe Redutosshrtte verwedet werde um de gesuhte F-Koeffzete zu erhlte Azhl der reelle Multltoe: log

10 9 Algorthmshe Relserug der FF geg: reelle Werte f,,,, drus bldet m omlexe Werte Redutosshrtte werde durhlufe: Summe ud Dffereze der -Werte blde; Dffereze mt Poteze vo multlzere Shem hlbere ud edem Hlbshem Summe ud Dffereze -Werte blde; Dffereze mt Poteze vo multlzere bs elshemt weter hlbere; Oertoe wederhole Zuordug: De resulterede -Werte sd bs uf de Ftor mt de Koeffzete detsh, wobe de Zuordug der Idzes ufgrud der Vertushuge zu erläre st D stets Poteze vo uftrete für de Dmeso ees Utershems ud de elshemt durh hlbere vo elshemt etstehe, lefert de Bärdrstellug der Idzes de Shlüssel für de Zuordug Bärer Idex des -Wertes = verser bärer Ides des -Wertes Bemerug: De dsrete omlexe Fourertrsformto uh be llgemeer Ordug effzet durhgeführt werde Dbe wrd m zerlegt, wobe ee Prmzhl st ud es werde de Fourertrsformerte zusmmegefßt, für de lmod st l,,, usw q q q Im Fll s s Prmzhle m q q qs Shrtte ee Reduto uf F-rsformtoe der Ordug errehe Iverse FF: Es se,, ee omlexe -erodshe Folge vo dsrete F-Koeffzete, de durh de -erodshe Folge,, erzeugt wurde vermttels t e,,, D glt W mt der,-mtrx W,,,,

11 9 De Mtrx W st verterbr ud es glt,,,, W W dh m erhält: W bzw,,, Des wrd ls verse FF bezehet Iverse FF: Abgesehe vo Ftor, der weggelsse wrd, beruht de verse FF uf dem glehe lgorthmshe Shem we de FF, ur e wrd durh e ersetzt

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