МАТЕМАТИКА

УДК 519.65, 517.57

Академик А. Б. Нерсесян

Квазиэкспонента и квазипреобразования Фурье

(Представлено 30/XI 2000)

   1.Пусть z О Cm, m і 1. Через {zk}(k = 1,2,ј, m) обозначим компоненты z, через zw(z/w) обозначим вектор с компонентами {zkwk}({zk/wk}), а через < z,w > - скалярное произведение еzk(|z|2 = < z,z >). Будем также считать, что z 0, z > 0, z О Rm, z = Ґ, z - целое, четное и т. п., если таковы все компоненты z. Если в сумме u и v целые и u Ј v, то предполагается суммирование по всем целым компонентам s, таким, что u Ј s Ј v.
   Зафиксировав теперь неотрицательное A и положительное N, рассмотрим функцию q, именуемую в дальнейшем базовой (s - целое) 1

q = q(l,s) = q(l, s, N),    l О Cm, s О Rmq О C
(1)
   Будем предполагать, что q удовлетворяет одному из следующих условий:
d1(l) = Ґ
е
s=-Ґ 
|q(l,s)| ep < Ns,A > < Ґ,
(2)
d2(l) = Ґ
е
s=-Ґ 
|q(l,s)|2 e2p < Ns,A > < Ґ.
(3)

   Основным объектом дальнейшего изучения является функция e(l, x), - назовем ее квазиэкспонентой, - формально определяемая рядом

e(l,x) = e(l,x,N,q) = Ґ
е
s=-Ґ 
q(l, s) eip < l+Ns,x >
(4)
   Очевидно, что при выполнении условия (2) e(l, x) локально непрерывна по x О Cm, |Im x| Ј A.
   Лемма 1. Если k О Rm - целое и выполнено условие (2), то
e(l,x + 2k/N) = e2ip < l,k/N > e(l,x).
(5)
Для данного T О Rm, T > 0, обозначим
DT = {x О Rm,|xk| Ј Tk,    k = 1,2,јm}.
(6)
   Лемма 2. Если функции q1 = q1(l, s),  q2 = q2(l, s) удовлетворяют условиям (3) и параметры T,p,q О Rm - целые, то
у
х


DT 
e(p,x,q1)
e(q,x,q2)
 
dx = 2m ж
и
m
Х
k=1 
Tk ц
ш
ж
и
Ґ
е
s=-Ґ 
  q1(p,s)
q2(q,s)
 
ц
ш
dp,q,
(7)
где dp,q - символ Кронекера.
   2. Обозначим теперь
r(x) = r(x,N) = у
х


DN/2 
e(l,x)dl,    x О Cm,  |Imx| Ј A
(8)
и назовем эту функцию опорной. Функция r(x) существует, - и даже непрерывна, - если выполнено условие (2).
   Введем в рассмотрение также функцию m, фактически отличающуюся от функции q только другой формой записи
m(l) = m(l,N) = q(u,n,N),
Reu = Rel(Mod N),  u О DN, n = (l - u)/N,l О Cm.
(9)
Нетрудно видеть, что, при -N/2 Ј Rel Ј N/2,  q(l,s) = m(l + Ns).
   Лемма 3. Если m = m(l) = m(l, N) О L2(Rm) и выполнено условие (2), то
r(x) = r(x,N) = 2m/2 = у
х


DRm 
eip < l,x > m(l,N)dll О Rm,
(10)

где использован символ преобразования Фурье от m 2.
   Наряду с леммами 1 и 2 отметим также следующий аналог известного свойства экспоненты.
   Лемма 4. Если q определяется формулой (11), где m не зависит от N, то для 0 < k О Rm

e(l/k,kx,N) = e(l,x,kN).
(11)

   Переобозначим базовую функцию q как зависящую от двух дополнительных параметров a и b следующим образом:

q(l,s) = q(l,s,N,a,b) = m(a(l/N + s),N)eip < b,s > ,
(12)
где N,a,b О Rm,  a > 0,  bk О [0,2p),  (k = 1,2,, m).
   Предположим теперь, что 0 Ј L О R,  r(x) кусочно-непрерывна и ряд
Ґ
е
s=-Ґ 
epLsr(x - 2s - b,N),    |Im x| Ј A

абсолютно и равномерно сходится по x на каждом компакте в Rm. Отметим, что в одномерном случае (m = 1) и при A = 0, согласно известной лемме Харди (см.[1]), достаточно потребовать, чтобы r(x) О L1(R) имела ограниченную вариацию и была нормирована как r(x) = (r(x + 0) + r(x - 0)) / 2.
   Центральным результатом данной работы является
   Теорема 1. При |Im  x| Ј A и |Im l| Ј L квазиэкспонента представима в виде

e(l,x) = a-1e-ip < l/N,b > Ґ
е
s=-Ґ 
r(a-1(Nx - 2s - b))e2ip < l,s/N > .
(13)
   3. Если выполнено условие (2), обозначим
ag(l)= Ґ
е
s=-Ґ 
eip < s,g > q(l,s), -1 Ј g Ј 1.
(14)

Нетрудно видеть, что при ag(l) 0 функция ag(l)-1e(l,x) является интерполяцией экспоненты eip < l,x > на сетке {(2k + g) / N}, где k - произвольное целое. Пусть теперь задана некоторая ограниченная комплекснозначная функция w = w(l) = w(l, N), l О Cm, w О C.
   Теорема 2. Пусть выполнено условие (2). Тогда при любом x О Cm

|eip < l,x > - w(l)e(l,x)| Ј exp(p(Re(l)Im(x) - Re(x)Im(l)))
ж
и
|1 - w(l)q(l,0)| + |w(l)|    Ґ  ~
е
s=-Ґ 
|q(l,s)|ep < Ns,Imx > ц
ш
,    |Im x| Ј A,
(15)
где символ означает, что s 0.
   Теорема 3. Пусть выполнено условие (3) и 0 < T О Rm. Тогда

у
х


DT 
|eip < l,x > - w(l)e(l,x)|2dx Ј 2m ж
и
m
Х
k=1 
([Tk] + 1)e2pTk|Im lk| ц
ш
,
ж
и
|1 - w(l)q(l,0)|2 + |w(l)|2    Ґ  ~
е
s=-Ґ 
|q(l,s)|2 ц
ш
,
(16)

где [Tk] - целая часть Tk и символ означает, что s 0.
   В частности, при w = (ag)-1 теоремы 1 и 2 характеризуют близость интерполирующей функции w(l)e(l,x) к экспоненте.
   4. В дальнейшем, - ради простоты формул, - будем считать, что l, x О Rm,  d2(l) 0 и выполнены условие (3) и представления (12), (13) при A = 0,a = 1,b = 0.
   Теорема 4. Правая часть оценки (16) принимает минимальное значение при

w(l) = d2(l)-1/2q(l,0).
(17)
   Введем в рассмотрение функцию
e0(l,x) = 2-m/2d2(l)-1/2e(l,x).
(18)
Квазипреобразованиями Фурье (соответственно прямым и обратным) назовем операторы
(Ff)(x) = у
х


DN/2 
e0(l,x)f(l)dl, f О  L2(DN/2),
(19)

(Yg)(l) = у
х


Rm 

e0(l,x)
 
g(x)dx, g О  L2(Rm).
(20)
Для функции f(l) О L2(DN/2) через fN(l) О L2  loc обозначим ее N-периодическое продолжение на Rm (т. е. Nk - периодическое продолжение по каждой компоненте lk).
   Лемма 5. При q(l) О Cloc
Ff = (d2(l)-1/2m(l/N)fN(l))Щ О L2(Rm), f(l) О L2(DN/2).
(21)
   Лемма 6. При m(l) О Cloc для любых f О L2(DN/2) и g О L2(Rm) справедливы соотношения
||Ff||1 = ||f||2||Yg||2 Ј ||g||1,
(22)

где ||.||1 и ||.||2 - нормы в L2(Rm) и L2(DN/2) соответственно.
   Таким образом, F : L2(Rm) ® L2(DN/2) и Y : L2(DN/2) ® L2(Rm), причем отображение F изометрично, а Y не увеличивает норму. На самом деле отображение Y есть обратное к F, что является следствием следующего, более общего, результата.
   Теорема 5. Пусть отображение F1 соответствует базовой функции q1, определяемой m1 согласно (9), а отображение Y2 - базовой функции q2, определяемой m2. Предположим, что q1 удовлетворяет условиям леммы 4, q2 - условию (3). Тогда

Y2(F1f)(l) = s12(l)f(l),
(23)
где
s12(l) = (d2(l,m1)d2(l,m2))-1/2 Ґ
е
s=-Ґ 
m1(s + l/N)m2(s + l/N),

причем |s12(l)| Ј 1 и только при m1 є m2 имеем s12(l) є 1.
   Оказывается, что отображения F и Y являются аппроксимациями классического преобразования Фурье (соответственно прямого и обратного).
   Теорема 6. Пусть m(l) О L2(Rm) и выполнено условие (3). Тогда для любого f О L2(Rm)

(24)
где в Ff использовано сужение f(l) на DN/2, а ||.||1 и fN(l) определены, как в леммах 4 и 5.
   Теорема 7. Пусть g О L2(Rm) и выполнено условие (3). Тогда
||ğ - Yg||2 Ј ||ğ(l)(1 -
d2(l)-1/2
 
 
m(l/N)
 
)||2 +

||d2(l)-1/2    Ґ  ~
е
s=-Ґ 
ğ(l + Ns)
m(l/N + s)
 
||2 Ј

ж
и
у
х


DN/2 
|1 - d2(l)-1/2m(l/N)|2dl ц
ш
||g||1 + у
х


Rm\DN/2 
|g(x)|2dx,
(25)
где ,  ||.||1 и ||.||2 определены, как в теореме 1 и лемме 4 соответственно.
   Следующие двойственные представления операторов F и Y вытекают из формулы (13).
   Теорема 8. В условиях леммы 3 для любых f О L2(DN/2) и g О L2(Rm)
(Ff)x = Ґ
е
s=-Ґ 
r(Nx - 2s) у
х


DN/2 
eip < l,2s/N > d2(l)-1/2f(l)dl,
(26)
(Yg)(l) = d2(l)-1/2 Ґ
е
s=-Ґ 
eip < l,2s/N > у
х


Rm 
r(Nx - 2s)g(x)dx.
(27)

   5. Общеизвестна фундаментальная роль экспоненты Фурье eixl как в теоретических, так и прикладных дисциплинах. Достаточно упомянуть аппарат рядов и преобразований Фурье, чтобы подчеркнуть важность оптимизации вычислительных процессов, связанных с экспонентой. Такой современный метод разработки быстрых алгоритмов, как теория вейвлетов, по сути, связан с анализом Фурье, т. е., в конечном счете, с той же экспонентой (см., например, [4-6]).
   Приведенный подход основан на общем методе работы [6]. Исходное представление квазиэкспоненты (4) удобно для оценки ошибки от замены экспоненты квазиэкспонентой, в то время как формула (13) гораздо эффективнее для вычисления значений квазиэкспоненты и может служить основой быстрых алгоритмов, поскольку, с одной стороны, она содержит оператор дискретного преобразования Фурье, а с другой - сжатия и сдвиги определенной функции r. Понятно, что случай, когда r(x) имеет финитный ("почти финитный" - относительно заданной точности) носитель, наиболее интересен. Отметим, что при целом l приведенные результаты содержат схему построения периодических вейвлетов на отрезке [-1,1] (см. [2], a также [3-5]).
   Возможности приложения свойств квазиэкспоненты довольно многообразны. Здесь мы не будем их перечислять, а укажем только алгоритмы быстрого вычисления рядов и классических преобразований Фурье (см. теоремы 5-8), а также дискретных преобразований Фурье на неравномерных сетках (НДПФ)(см. теорему 1).
   В последнем случае предлагаемая схема, в отличие от известных (см. [7,8]), позволяет практически точно оценить ошибку от замены экспоненты квазиэкспонентой. Реализованы соответствующие быстрые НДПФ-алгоритмы, ориентированные на заданную точность.
   Численные эксперименты подтверждают перспективность эффективного применения квазиэкспоненты в ряде других задач.

   Институт математики НАН РА

Литература

   1. Тиман А.Ф.  Теория приближения функций действительного переменного. М.: Физматгиз, 1960. 624 с.
   2. Daubechies I.  Ten lectures of wavelets. CBMS-NSF Series of Appl. Math., SIAM Publications, Philadelfia. 1992.
   3. Edelman A., McCourcodale P., Toledo S. - SIAM J. Sci. Comput. 1999. V. 20. № 3. P. 1094-1114.
   4. Locher F. - Math. Comput., 1995. V. 64. № 210. P. 671-690.
   5. Нерсесян А.Б. - ДНАН Армении. 1998. Т. 98. № 1. С. 23-30.
   6. Nersessian A. - Numer. Funct.Anal. and Optimization. 2000. V. 21(1&2). P. 227-240.
   7. Dutt A., Rokhlin V. - SIAM J. Sci. Statist. Comput. 1993. V. 14. № 6. P. 1368-1393.
   8. Ware A.F. - SIAM Review. 1998. V. 40. № 4. P. 838-856.


Footnotes:

1Здесь и далее в определениях функций будем указывать все ее аргументы, опуская некоторые из них впоследствии.
2Будем пользоваться также общеизвестным символом обратного преобразования Фурье (m = 2-m/2).