Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia 1

Σχετικά έγγραφα
PREHĽAD ZÁKLADNÝCH VZORCOV A VZŤAHOV ZO STREDOŠKOLSKEJ MATEMATIKY. Pomôcka pre prípravný kurz

Goniometrické rovnice a nerovnice. Základné goniometrické rovnice

7. FUNKCIE POJEM FUNKCIE

1. Limita, spojitost a diferenciálny počet funkcie jednej premennej

Matematika Funkcia viac premenných, Parciálne derivácie

Matematika prednáška 4 Postupnosti a rady 4.5 Funkcionálne rady - mocninové rady - Taylorov rad, MacLaurinov rad

Ján Buša Štefan Schrötter

Obvod a obsah štvoruholníka

Funkcie komplexnej premennej

Cvičenie č. 4,5 Limita funkcie

3. prednáška. Komplexné čísla

Goniometrické substitúcie

Motivácia Denícia determinantu Výpo et determinantov Determinant sú inu matíc Vyuºitie determinantov. Determinanty. 14. decembra 2010.

1. Komplexné čísla. Doteraz ste pracovali s číslami, ktoré pochádzali z nasledovných množín:

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ M A T E M A T I K A

1. písomná práca z matematiky Skupina A

6 Limita funkcie. 6.1 Myšlienka limity, interval bez bodu

Goniometrické funkcie

Súčtové vzorce. cos (α + β) = cos α.cos β sin α.sin β cos (α β) = cos α.cos β + sin α.sin β. tg (α β) = cotg (α β) =.

x x x2 n

Tomáš Madaras Prvočísla

p(α 1 ) = u 1. p(α n ) = u n. Definícia (modulárna reprezentácia polynómu). Zobrazenie

Matematika 2. časť: Analytická geometria

Integrovanie racionálnych funkcií

ARMA modely čast 2: moving average modely (MA)

Príklady na precvičovanie Fourierove rady

Funkcie - základné pojmy

4 Reálna funkcia reálnej premennej a jej vlastnosti

Reálna funkcia reálnej premennej

Start. Vstup r. O = 2*π*r S = π*r*r. Vystup O, S. Stop. Start. Vstup P, C V = P*C*1,19. Vystup V. Stop

Motivácia pojmu derivácia

Vektorový priestor V : Množina prvkov (vektory), na ktorej je definované ich sčítanie a ich

Homework#13 Trigonometry Honors Study Guide for Final Test#3

3. Striedavé prúdy. Sínusoida

Numerické metódy Zbierka úloh

Cieľom cvičenia je zvládnuť riešenie diferenciálnych rovníc pomocou Laplaceovej transformácie,

Základné vzťahy medzi hodnotami goniometrických funkcií

NUMERICKÁ MATEMATIKA. Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť/ Projekt je spolufinancovaný zo zdrojov EÚ. Fakulta elektrotechniky a informatiky

Obsah. 1.1 Základné pojmy a vzťahy Základné neurčité integrály Cvičenia Výsledky... 11

Súradnicová sústava (karteziánska)

22 Špeciálne substitúcie, postupy a vzorce používané pri výpočte

Obsah. 1.1 Reálne čísla a ich základné vlastnosti Komplexné čísla... 8

Matematika 2. časť: Funkcia viac premenných Letný semester 2013/2014

MATEMATIKA I ZBIERKA ÚLOH

Lineárna algebra I - pole skalárov, lineárny priestor, lineárna závislosť, dimenzia, podpriestor, suma podpriestorov, izomorfizmus

Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej x. Definícia parciálna derivácia funkcie podľa premennej y. Ak existuje limita.

Deliteľnosť a znaky deliteľnosti

IspitivaƬe funkcija: 1. Oblast definisanosti funkcije (ili domen funkcije) D f

Numerické metódy Učebný text pre bakalárske štúdium

Prechod z 2D do 3D. Martin Florek 3. marca 2009

VLASTNÉ ČÍSLA A JORDANOV KANONICKÝ TVAR. Michal Zajac. 3 T b 1 = T b 2 = = = 2b

ALGEBRA. Číselné množiny a operácie s nimi. Úprava algebrických výrazov

7 Derivácia funkcie. 7.1 Motivácia k derivácii

Jednotkový koreň (unit root), diferencovanie časového radu, unit root testy

Zadaci sa prethodnih prijemnih ispita iz matematike na Beogradskom univerzitetu

M6: Model Hydraulický systém dvoch zásobníkov kvapaliny s interakciou

1 Polynómy a racionálne funkcie Základy Polynómy Cvičenia Racionálne funkcie... 17

Numerické metódy matematiky I

Definícia funkcie sínus a kosínus

MATEMATIKA I. Základy diferenciálneho počtu. Návody k cvičeniam pre odbory VSVH a STOP. Andrea Stupňanová, Alexandra Šipošová

PRÍPRAVNÝ KURZ ZO STREDOŠKOLSKEJ MATEMATIKY

Príklady k Matematike 1

Motivácia na zlepšenie obrazu sa používajú frekvenčné metódy a priestorové metódy.

STRIEDAVÝ PRÚD - PRÍKLADY

MATEMATICKÁ OLYMPIÁDA

Goniometrické nerovnice

Derivácia funkcie. Pravidlá derivovania výrazov obsahujúcich operácie. Derivácie elementárnych funkcií

1 Úvod Sylabyaliteratúra Základnéoznačenia... 3

ELEKTROTEHNIČKI ODJEL

Technická univerzita v Košiciach. Zbierka riešených a neriešených úloh. z matematiky. pre uchádzačov o štúdium na TU v Košiciach

Kontrolné otázky na kvíz z jednotiek fyzikálnych veličín. Upozornenie: Umiestnenie správnej a nesprávnych odpovedí sa môže v teste meniť.

FUNKCIE N REÁLNYCH PREMENNÝCH

4. Výrokové funkcie (formy), ich definičný obor a obor pravdivosti

Ekvačná a kvantifikačná logika

Úvod do lineárnej algebry. Monika Molnárová Prednášky

KATEDRA DOPRAVNEJ A MANIPULAČNEJ TECHNIKY Strojnícka fakulta, Žilinská Univerzita

1 Úvod Predhovor Sylaby a literatúra Základné označenia... 3

1.4 Rovnice, nerovnice a ich sústavy

Goniometrické rovnice riešené substitúciou

Numerická lineárna algebra. Zobrazenie

TECHNICKÁ UNIVERZITA V KOŠICIACH STROJNÍCKA FAKULTA MATEMATIKA 1. Funkcia jednej premennej a jej diferenciálny počet

Π Ο Λ Ι Τ Ι Κ Α Κ Α Ι Σ Τ Ρ Α Τ Ι Ω Τ Ι Κ Α Γ Ε Γ Ο Ν Ο Τ Α

Mate Vijuga: Rijeseni zadaci iz matematike za srednju skolu

2. prednáška. Teória množín I. množina operácie nad množinami množinová algebra mohutnosť a enumerácia karteziánsky súčin

FUNKCIE. Funkcia základné pojmy. Graf funkcie

Úvod do lineárnej algebry

1 Prevod miestneho stredného slnečného času LMT 1 na iný miestny stredný slnečný čas LMT 2

MATEMATIKA I. Doc. RNDr. Michal Šabo, CSc

Polynómy. Hornerova schéma. Algebrické rovnice

1 Pojam funkcije. f(x)

Τριγωνοµετρική (ή πολική) µορφή µιγαδικού αριθµού. Έστω z = x+ yi ένας µη µηδενικός µιγαδικός αριθµός και OM

Logaritmus operácie s logaritmami, dekadický a prirodzený logaritmus

TRIGONOMETRIJSKE FUNKCIJE I I.1.

Zadatak 2 Odrediti tačke grananja, Riemann-ovu površ, opisati sve grane funkcije f(z) = z 3 z 4 i objasniti prelazak sa jedne na drugu granu.

Metódy vol nej optimalizácie

Analytická geometria

UČEBNÉ TEXTY. Pracovný zošit č.2. Moderné vzdelávanie pre vedomostnú spoločnosť Elektrotechnické merania. Ing. Alžbeta Kršňáková

Prednáška Fourierove rady. Matematická analýza pre fyzikov IV. Jozef Kise lák

DIFERENCÁLNE ROVNICE Matematická analýza (MAN 2c)

Transcript:

Komplexné čísla, Diskrétna Fourierova transformácia Komplexné čísla C - množina všetkých komplexných čísel komplexné číslo: z = a + bi, kde a, b R, i - imaginárna jednotka i =, t.j. i =. komplexne združené číslo k číslu z: z = a bi z z = a + b ak ω =, tak ω = ω absolútna hodnota (veľkosť, modul) komlexného čísla: z = a + b operácie s komplexnými číslami: (a + bi) + (c + di) = (a + c) + i(b + d) (a + bi) (c + di) = (a c) + i(b d) (a + bi) (c + di) = (ac bd) + i(bc + ad) a+bi c+di = (a+bi)(c di) (c+di)(c di) = ( ) c +d (ac + bd) + i(bc ad) Goniometrický tvar komplexného čísla: z(= a + bi) = r(cos ϕ + i sin ϕ), kde r = z a tg ϕ = b a, a = r cos ϕ, b = r sin ϕ. Násobenie komplexných čísel v goniometrickom tvare: z = r (cos ϕ + i sin ϕ ), z = r (cos ϕ + i sin ϕ ): z z = (r r )(cos(ϕ + ϕ ) + i sin(ϕ + ϕ )) Exponenciálny tvar komplexného čísla: re iϕ = r(cos ϕ + i sin ϕ) e iϕ = (e x ) x=iϕ = ( j = 4k i j i j = 4k + = j = 4k + i j = 4k + j= xj j= j! ) x=iϕ = (iϕ) j j! = j= { j je párne, t.j. i j = j je nepárne i j ϕ j (j)! + j= = ( ) j i j+ ϕ j+ (j+)!. e iϕ = ϕj j= ( )j (j)! + i ϕj+ j= ( )j (j+)! = cos ϕ + i sin ϕ. Moivrova veta (Moivre): Nech z = r(cos ϕ + i sin ϕ). Potom z n = r n (cos nϕ + i sin nϕ), n N. Použitím exponenciálneho tvaru komplexného čísla dostávame, že predošlá veta platí aj pre reálne exponenty, t.j. n R. Súčtové vzorce: sin(x + y) = sin x cos y + sin y cos x, cos(x + y) = cos x cos y sin x sin y Niektoré vlastnosti goniometrických funkcií tg x = sin x cos x, cos x cotg x = sin x, x = π 8 cos(x) je párna funkcie, t.j. cos( x) = cos(x) sin(x) je nepárna funkcia, t.j. sin(x) = sin(x) cos( π x) = sin x, sin( π x) = cos x cos( π + x) = sin x, sin( π + x) = cos x Verzia 9-9 x rad, x rad = 8 π x.

45 6 9 5 5 8 π rad 6 sin cos tg cotg - π 4 π π π π 5π 4 6 π - - - - - 8 5 4 7 5 6-8 -5-5 - -9-6 -45-7π 5π 4π π 5π 7π π rad π 6 4 4 6 π rad π 5π 6 π 4 π π π π 4 π 6 sin - cos tg - - cotg - - - Funkcie sin, cos, tg and cotg sú periodické s periódami (po rade) π, π, π, π, t.j. pre ľubovoľné k Z platí: sin(x + kπ) = sin x, cos(x + kπ) = cos x, tg(x + kπ) = tg x, cotg(x + kπ) = cotg x. II i I π α π+α α cos α sin α α=π α III i IV Komplexné n-té odmocniny z n-tá odmocnina z - ω C: ω n = ω = e i π n - primitívna n-tá komplexná odmocnina z Ak ω je n-tá odmocnina z, tak aj ω k, k Z je n-tá odmocnina z jednotky. Diskrétna Fourierova transformácia Motivácia: k danému polynómu f(x) = a + a x +... + a n x n, treba vypočítať jeho hodnoty v hodnotách n-tých komplexných odmocnín z jednotky, t.j. v bodoch ω =, ω = e i π n, ω,..., ω n.

Diskrétna Fourierova transformácia vektora (a, a,..., a n ) je vektor (f(ω ), f(ω ),..., f(ω n )). a + a +... + a n a + a ω +... + a n ω n a + a ω +... + a n ω (n )... = a + a ω n +... + a n ω (n )(n ) a a a... =... ω ω... ω n ω ω4... ω (n )............... ω n ω (n )... ω (n )(n ) ( ω (i )(j )) ij a n a a a... a n = H a. Preto diskrétna Fourierova transformácia n-rozmerného vektora a je H a, kde H je matica typu n n, s prvkami H ij = ω (i )(j ) a ω = e π n i je primitívna n-tá komplexná odmocnina z. Inverzná diskrétna Fourierova transformácia Spätná transformácia z vektora (f(ω ),..., f(ω n )) na pôvodný vektor (a,..., a n ). H a H (H a) = a H = n (ω (i )(j ) ) ij = n (( ω ) (i )(j ))ij = n ( ω(i )(j ) ) ij = n H Teda k n-rozmernému vektoru x je inverzná DFT H x = n H x. Zložitosť FFT pre ľubovoľné n Veta..5 (Wilf) - Nech n = p α pα pα k k je kanonický rozklad čísla n na prvočísla. Potom zložitosť FFT pre rozmer vektora n, t.j. počet komplexných násobení potrebný na výpočet, je Príklady n (α (p ) + α (p ) +... + α k (p k )).. Vypočítajte nasledovné súčiny: (a) ( 9i)(+5i), (b) (4+i)(+i), (c) (cos π 4 +i sin π 4 ) 5(cos π +i sin π )

. Vyjadrite v goniometrickom (exponenciálnom) tvare nasledujúce komplexné čísla: (a) + i, (b) i, (c) + i, (d) i (e) + i, (f) i, (g) i. Vypočítajte: (a) ( + i), (b) ( i), (c) (5 + 5 ), (d) ( i) 4. Zvoľte si ľubovoľný vektor s a), b), c), d) 4, e) 6 f) 8 g) (aj komplexnými) súradnicami a zistite jeho DFT. Následne skúste vypočítaním inverznej DFT overiť správnosť výpočtu. 5. Napíšte všeobecný vzorec pre a) DFT, b) inverznú DFT. 6. Zistite zložitosť FFT pre vektor s a) 5, b) 854, c) 6, d) 7, e) 4 súradnicami. Riešené príklady Určte goniometrický a exponenciálny tvar komplexného čísla i. z = i, x = ( z = ). i + ( ) = 4 =. Hľadáme riešenie sústavy: cos ϕ = a sin ϕ =. Vidíme, že príslušný uhol (ak uvažujeme riešenia [, π)) treba hľadať v 4. kvadrante, t.j. v intervale [ π, π), alebo [ π, ]. sin( x) = sin x cos( x) = cos x Preto, pri substitúcii ψ = ϕ sa naša sústava zmení na cos ψ =, sin ψ =, pričom riešenie hľadáme v. kvadrante. Použitím známych hodnôt pre sin a cos dostávame, že ψ = π = 6. Preto ϕ = π = π π = 5 π.o Trochu iné riešenie určenia výsledného uhla: nech cos ϕ = a, sin ϕ = b, kde a, b sú známe tabulkové hodnoty pre. kvadrant, t.j. (, ), (, ), (, ), (, ), (, ). Nech toto zodpovedá uhlu ϕ. Potom, ak výsledok má byť v I. kvadrante, tak je to samotné ϕ, v II. kvadrante je to π ϕ, v III. kvadrante je to π + ϕ a IV. kvadrante to je π ϕ. Výsledok: z = (cos 5 π + i sin 5 π) = ei 5 π. 4

Vypočítajte ( i ) 5. Najprv si určíme goniometrický (či exponenciálny) tvar komplexného čísla i. Podľa predošlého príkladu je to (cos 5 π + i sin 5 π). Potom, podľa Moivrovej [Moavrovej] vety platí: ( i ) 5 = ((cos 5 π + i sin 5 π))5 = 5 (cos(5 5 5 π) + i sin(5 π)). Potrebujeme zistiť, ktorý uhol z intervalu [, π) dáva tie isté hodnoty sin a cos ako uhol 5 5 π. Teda potrebujem nájsť vhodný násobok periódy týchto funkcií (π): 5 5 π = 75 π = 58π + π = 9 π + π. Výsledok: 5 (cos π + i sin π ) = 5 ( + i ) = 4 ( + i ). Spočítajte DFT pre vektor (7, 6, ) a overte správnosť výpočtu pomocou inverznej DFT. ω k = ω =, k Z ω = e i π = cos π+i sin π = cos( π + π 6 )+i sin( π + π 6 ) = sin π 6 +i cos π 6 = +i. (Použili sme súčtové vzorce: sin( π +x) = cos x, cos( π +x) = sin x.) ω = e i 4 π = cos 4 π+i sin 4 π = cos(π+ π )+i sin(π+ π ) = cos π i sin π = i. (Použili sme vzorce pre sin(π + x) = sin x a cos(π + x) = cos x.) Preto matica v DFT je rovná: w w w w w w = w w = w w w 4 w + i i w i + i Pre DFT máme: + i i 7 7 + 6 + i + i 6 = 7 + 6( + i ) + ( i ) 7 + 6( i ) + ( + i = 4 4 7 + i ( ) 7 = 7 + i ( + ) + i 5 7 i 5 Výsledok: DFT vektora (7, 6, ) je vektor (4, 7 + i 5, 7 i 5 ). 5

Skúška správnosti: Matica pre inverznú DFT je rovná H, preto na overenie treba vypočítať 4 + i i 7 i + i + i 5 = 7 i 5 4 i + i 7 + i i + i 5 = 7 i 5 4 + 7 + i 5 + 7 i 5 4 + ( i )( 7 + i 5 ) + ( + i )( 7 i 5 ) = 4 + ( + i )( 7 + i 5 ) + ( i )( 7 i 5 ) 4 7 4 + 5 4 7 4 + 5 4 + i ( 5 4 7 4 + 5 4 + 7 4 ) = 8 = 7 6 4 7 4 5 4 7 4 5 4 + i ( 5 4 + 7 4 + 5 4 7 4 ) Vypočítajte inverznú DFT k vektoru (,,, ) a urobte skúšku priamou DFT. 4 ω = e i π 4 = e i π = cos π + i sin π = i. ω ω ω ω ( ω (i )(j )) 4 ij = ω ω ω ω 4ω ω ω 4 ω 6 = ω ω ω 6 ω 9 ω ω ω ω ω ω ω ω 4ω ω ω ω = i i 4 = ω ω ω ω i i + + 4 i i = i + + i 4 = 4 4 = i i + i + i Výsledok: (,,, ). Skúška správnosti: + i i = + + i + i =. i i i + + i 6

Určte zložitosť FFT pre vektor so 8-timi súradnicami. 8 = 9 = 4 45 = 5. Preto zložitosť FFT (počet komplexných násobení) je 8(( ) + ( ) + (5 )) = 8( + 4 + 4) = 8. 7