В математике вейвлет Хаара представляет собой последовательность перемасштабированных "квадратных" функций, которые вместе образуют семейство вейвлетов или базис. Анализ вейвлетов похож на анализ Фурье тем, что он позволяет представить целевую функцию на интервале в терминах ортонормированного базиса . Последовательность Хаара в настоящее время признана первым известным базисом вейвлетов и широко используется в качестве учебного примера.
Последовательность Хаара была предложена в 1909 году Альфредом Хааром . [1]
Хаар использовал эти функции, чтобы дать пример ортонормированной системы для пространства квадратично-интегрируемых функций на единичном интервале [0, 1]. Изучение вейвлетов и даже термин «вейвлет» появились гораздо позже. Как частный случай вейвлета Добеши , вейвлет Хаара также известен как Db1 .
Вейвлет Хаара также является простейшим возможным вейвлетом. Техническим недостатком вейвлета Хаара является то, что он не является непрерывным , и, следовательно, не дифференцируемым . Это свойство может, однако, быть преимуществом для анализа сигналов с внезапными переходами ( дискретные сигналы ), например, для мониторинга отказа инструмента в машинах. [2]
Материнскую вейвлет-функцию вейвлета Хаара можно описать как
где представляет собой дельту Кронекера . Вот причина ортогональности: когда два опорных интервала и не равны, то они либо не пересекаются, либо меньший из двух опор, скажем , содержится в нижней или в верхней половине другого интервала, на котором функция остается постоянной. Из этого следует, что в этом случае произведение этих двух функций Хаара является кратным первой функции Хаара, следовательно, произведение имеет интеграл 0.
Система Хаара на действительной прямой — это набор функций
Она полна в L 2 ( ): Система Хаара на прямой является ортонормированным базисом в L 2 ( ).
Свойства вейвлета Хаара
Вейвлет Хаара обладает несколькими примечательными свойствами:
Любая непрерывная действительная функция с компактным носителем может быть аппроксимирована равномерно линейными комбинациями и их сдвинутых функций. Это распространяется на те функциональные пространства, где любая функция в них может быть аппроксимирована непрерывными функциями.
Любая непрерывная действительная функция на [0, 1] может быть равномерно приближена на [0, 1] линейными комбинациями постоянной функции 1 и их сдвинутых функций. [3]
Функции вейвлета/масштабирования с различным масштабом n имеют функциональную связь: [4] поскольку
следует, что коэффициенты масштаба n можно вычислить по коэффициентам масштаба n+1 : Если
и
тогда
Система Хаара на единичном интервале и родственные системы
В этом разделе обсуждение ограничивается единичным интервалом [0, 1] и функциями Хаара, которые поддерживаются на [0, 1]. Система функций, рассмотренная Хааром в 1910 году [5],
называемая в этой статье системой Хаара на [0, 1] , состоит из подмножества вейвлетов Хаара, определяемых как
с добавлением постоянной функции 1 на [0, 1].
В терминах гильбертова пространства эта система Хаара на [0, 1] является полной ортонормированной системой, т.е. ортонормированным базисом , для пространства L 2 ([0, 1]) квадратично интегрируемых функций на единичном интервале.
Система Хаара на [0, 1] — с постоянной функцией 1 в качестве первого элемента, за которой следуют функции Хаара, упорядоченные в соответствии с лексикографическим порядком пар ( n , k ), — далее является монотонным базисом Шаудера для пространства L p ([0, 1]), когда 1 ≤ p < ∞ . [6]
Этот базис является безусловным , когда 1 < p < ∞ . [7]
Система Фабера–Шаудера [11] [12] [13]
— это семейство непрерывных функций на [0, 1], состоящее из постоянной функции 1 и кратных неопределенных интегралов функций в системе Хаара на [0, 1], выбранных так, чтобы иметь норму 1 в максимальной норме . Эта система начинается с s 0 = 1 , затем s 1 ( t ) = t — это неопределенный интеграл, обращающийся в нуль в 0, функции 1 , первого элемента системы Хаара на [0, 1]. Далее, для каждого целого числа n ≥ 0 функции s n , k определяются формулой
Эти функции s n , k являются непрерывными, кусочно-линейными , поддерживаемыми интервалом I n , k , который также поддерживает ψ n , k . Функция s n , k равна 1 в средней точке x n , k интервала I n , k , линейна на обеих половинах этого интервала. Она принимает значения от 0 до 1 везде.
Система Фабера–Шаудера является базисом Шаудера для пространства C ([0, 1]) непрерывных функций на [0, 1]. [6]
Для каждой f из C ([0, 1]) частичная сумма
разложения ряда функции f по системе Фабера–Шаудера — это непрерывная кусочно-линейная функция, совпадающая с f в 2 n + 1 точках k 2 − n , где 0 ≤ k ≤ 2 n . Далее формула
дает способ вычислить разложение f шаг за шагом. Поскольку f равномерно непрерывна , последовательность { f n } сходится равномерно к f . Отсюда следует, что разложение ряда Фабера–Шаудера функции f сходится в C ([0, 1]), и сумма этого ряда равна f .
Система Франклина
Система Франклина получается из системы Фабера–Шаудера процедурой ортонормализации Грама–Шмидта . [14] [15]
Поскольку система Франклина имеет ту же линейную оболочку , что и система Фабера–Шаудера, эта оболочка плотна в C ([0, 1]), а значит, и в L 2 ([0, 1]). Таким образом, система Франклина является ортонормированным базисом для L 2 ([0, 1]), состоящим из непрерывных кусочно-линейных функций. В 1928 году П. Франклин доказал, что эта система является базисом Шаудера для C ([0, 1]). [16]
Система Франклина также является безусловным базисом Шаудера для пространства L p ([0, 1]) при 1 < p < ∞ . [17]
Система Франклина обеспечивает базис Шаудера в дисковой алгебре A ( D ). [17]
Это было доказано в 1974 году Бочкаревым, после того как существование базиса для дисковой алгебры оставалось открытым более сорока лет. [18]
Конструкция Бочкарева базиса Шаудера в A ( D ) выглядит следующим образом: пусть f — комплекснозначная липшицева функция на [0, π]; тогда f — сумма косинусного ряда с абсолютно суммируемыми коэффициентами. Пусть T ( f ) — элемент A ( D ), определяемый комплексным степенным рядом с теми же коэффициентами,
Базис Бочкарева для A ( D ) образован образами под T функций в системе Франклина на [0, π]. Эквивалентное описание Бочкарева для отображения T начинается с расширения f до четной липшицевой функции g 1 на [−π, π], отождествляемой с липшицевой функцией на единичной окружности T . Далее, пусть g 2 будет сопряженной функцией g 1 , и определим T ( f ) как функцию в A ( D ), значение которой на границе T области D равно g 1 + i g 2 .
При работе с 1-периодическими непрерывными функциями или, скорее, с непрерывными функциями f на [0, 1] такими, что f (0) = f (1) , удаляют функцию s 1 ( t ) = t из системы Фабера–Шаудера, чтобы получить периодическую систему Фабера–Шаудера . Периодическая система Франклина получается ортонормализацией из периодической системы Фабера–Шаудера. [19]
Можно доказать результат Бочкарева об A ( D ), доказав, что периодическая система Франклина на [0, 2π] является базисом для банахова пространства Ar , изоморфного A ( D ). [19]
Пространство Ar состоит из комплексных непрерывных функций на единичной окружности T , сопряженная функция которых также непрерывна.
матрица Хаара
Матрица Хаара 2×2, связанная с вейвлетом Хаара, имеет вид
Используя дискретное вейвлет-преобразование , можно преобразовать любую последовательность четной длины в последовательность двухкомпонентных векторов . Если умножить каждый вектор справа на матрицу , то получится результат одного этапа быстрого вейвлет-преобразования Хаара. Обычно последовательности s и d разделяют и продолжают преобразовывать последовательность s . Последовательность s часто называют усредненной частью , тогда как d известна как детальная часть. [20]
Если у нас есть последовательность, длина которой кратна четырем, то можно построить блоки из 4 элементов и преобразовать их аналогичным образом с помощью матрицы Хаара 4×4.
который объединяет два этапа быстрого вейвлет-преобразования Хаара.
Сравните с матрицей Уолша , которая является нелокализованной матрицей 1/–1.
В общем случае матрицу Хаара размером 2N×2N можно вывести с помощью следующего уравнения.
Ниже показана ненормализованная 8-точечная матрица Хаара.
Обратите внимание, что указанная выше матрица является ненормализованной матрицей Хаара. Матрица Хаара, требуемая преобразованием Хаара, должна быть нормализована.
Из определения матрицы Хаара можно заметить, что, в отличие от преобразования Фурье , имеет только действительные элементы (т.е. 1, -1 или 0) и является несимметричной.
Возьмем в качестве примера 8-точечную матрицу Хаара . Первая строка измеряет среднее значение, а вторая строка измеряет низкочастотную составляющую входного вектора. Следующие две строки чувствительны к первой и второй половине входного вектора соответственно, что соответствует умеренным частотным составляющим. Оставшиеся четыре строки чувствительны к четвертой секции входного вектора, что соответствует высокочастотным составляющим. [21]
преобразование Хаара
Преобразование Хаара является простейшим из вейвлет-преобразований . Это преобразование перекрестно умножает функцию на вейвлет Хаара с различными сдвигами и растяжениями, подобно тому, как преобразование Фурье перекрестно умножает функцию на синусоиду с двумя фазами и многими растяжениями. [22] [ необходимо разъяснение ]
Введение
Преобразование Хаара — одна из старейших функций преобразования, предложенная в 1910 году венгерским математиком Альфредом Хааром . Оно оказалось эффективным в таких приложениях, как сжатие сигналов и изображений в электротехнике и вычислительной технике, поскольку обеспечивает простой и вычислительно эффективный подход к анализу локальных аспектов сигнала.
Преобразование Хаара выводится из матрицы Хаара. Пример матрицы преобразования Хаара 4×4 показан ниже.
Преобразование Хаара можно рассматривать как процесс выборки, в котором строки матрицы преобразования выступают в качестве образцов все более и более высокого разрешения.
Нет необходимости в умножениях. Требуются только сложения, и в матрице Хаара много элементов с нулевым значением, поэтому время вычисления короткое. Это быстрее, чем преобразование Уолша , матрица которого состоит из +1 и −1.
Длина входного и выходного данных одинакова. Однако длина должна быть степенью числа 2, т.е. .
Его можно использовать для анализа локализованных особенностей сигналов. Благодаря ортогональности функции Хаара можно анализировать частотные компоненты входного сигнала.
Преобразование Хаара и обратное преобразование Хаара
Преобразование Хаара y n n -входной функции x n равно
Матрица преобразования Хаара является действительной и ортогональной. Таким образом, обратное преобразование Хаара может быть получено с помощью следующих уравнений.
где — единичная матрица. Например, при n = 4
Таким образом, обратное преобразование Хаара имеет вид
Пример
Коэффициенты преобразования Хаара для 4-точечного сигнала можно найти как
Входной сигнал затем может быть идеально восстановлен с помощью обратного преобразования Хаара.
^ Ли, Б.; Тарнг, YS (1999). «Применение дискретного вейвлет-преобразования для мониторинга отказа инструмента при торцевом фрезеровании с использованием тока двигателя шпинделя». Международный журнал передовых производственных технологий . 15 (4): 238–243. doi :10.1007/s001700050062. S2CID 109908427.
^ В отличие от предыдущего утверждения, этот факт не очевиден: см. стр. 363 в Haar (1910).
^ Видакович, Брани (2010). Статистическое моделирование с помощью вейвлетов . Wiley Series in Probability and Statistics (2-е изд.). С. 60, 63. doi :10.1002/9780470317020. ISBN9780470317020.
↑ стр. 361 в Хааре (1910)
^ ab см. стр. 3 в Дж. Линденштраусе , Л. Цафрири, (1977), «Классические банаховые пространства I, пространства последовательностей», Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 92 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08072-4 .
^ Результат принадлежит Р. Э. Пейли , Замечательный ряд ортогональных функций (I) , Proc. Лондонская математика. Соц. 34 (1931), стр. 241–264. См. также стр. 155 в Дж. Линденштраусе, Л. Цафрири, (1979), «Классические банаховы пространства II, Функциональные пространства». Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 97 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08888-1 .
^ Уолтер, Гилберт Г.; Шен, Сяопин (2001). Вейвлеты и другие ортогональные системы . Бока-Ратон: Chapman. ISBN1-58488-227-1.
^ см., например, стр. 66 в Дж. Линденштраусе , Л. Цафрири, (1977), «Классические банаховы пространства I, пространства последовательностей», Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete 92 , Берлин: Springer-Verlag, ISBN 3-540-08072-4 .
^ Фабер, Георг (1910), «Über die Orthogonalfunktionen des Herrn Haar», Deutsche Math.-Ver (на немецком языке) 19 : 104–112. ISSN 0012-0456; http://www-gdz.sub.uni-goettingen.de/cgi-bin/digbib.cgi?PPN37721857X; http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?GDZPPN002122553
^ см. З. Чесельский, Свойства ортонормированной системы Франклина . Студия Матем. 23 1963 г. 141–157.
^ Система Франклина. Б.И. Голубов (составитель), Энциклопедия математики. URL: http://www.encyclopediaofmath.org/index.php?title=Система_Франклина&oldid=16655
^ Филип Франклин, Набор непрерывных ортогональных функций , Math. Ann. 100 (1928), 522-529. doi :10.1007/BF01448860
^ ab С. В. Бочкарев, Существование базиса в пространстве аналитических в круге функций и некоторые свойства системы Франклина , Матем. сб. 95 (1974), 3–18. Перевод на матем. сб. СССР 24 (1974), 1–16.
^ Появляется вопрос с. 238, §3 в книге Банаха Banach, Stefan (1932), Théorie des opérations linéaires, Monografie Matematyczne, vol. 1, Варшава: Subwencji Funduszu Kultury Narodowej, Zbl 0005.20901. Дисковая алгебра A ( D ) представлена в примере 10 на стр. 12 книги Банаха.
^ ab См. стр. 161, III.D.20 и стр. 192, III.E.17 в Wojtaszczyk, Przemysław (1991), Банаховы пространства для аналитиков , Cambridge Studies in Advanced Mathematics, т. 25, Cambridge: Cambridge University Press, стр. xiv+382, ISBN 0-521-35618-0
^ Рач, Дэвид К.; Ван Флит, Патрик Дж. (2009). Теория вейвлетов: элементарный подход с приложениями . John Wiley & Sons. ISBN978-0-470-38840-2.
^ "haar". Fourier.eng.hmc.edu. 30 октября 2013 г. Архивировано из оригинала 21 августа 2012 г. Получено 23 ноября 2013 г.