Fenomeno di Gibbs
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Il Fenomeno di Gibbs si presenta quando viene ricostruito un segnale dalla serie di Fourier troncata. Prende il nome dal fisico statunitense Willard Gibbs.
Data una funzione periodica f, che presenta dei punti di discontinuità, la sua trasformazione con la serie di Fourier è formata da infiniti termini. Quando si ricostruisce il segnale, se questa serie viene troncata, si ottengono delle soprelevazione del valore della funzione ricostruita nell'intorno del punto di discontinuità: all'aumentare del numero delle componenti della serie il valore di picco di detta soprelevazione rimane costante, mentre le oscillazioni alle quali tali soprelevazioni si riferiscono si avvicinano al punto di discontinuità.
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[modifica] Descrizione
Le tre figure qui sopra descrivono il fenomeno per un'onda quadra, la quale espansa secondo Fourier è:
Più precisamente questa è una funzione f che assume il valore π / 4 tra 2nπ e (2n + 1)π ed il valore di − π / 4 tra 2(n + 1)π e 2(n + 2)π, per ogni n intero. Si ha quindi una discontinuità alta π / 2 ogni multiplo di π.
Come si può vedere, se si considerano più termini, l'errore di approssimazione si riduce in ampiezza ed energia, ma converge ad un altezza fissa, che si può calcolare attraverso una precisa formula. Il valore della soprelevazione, rispetto all'altezza nominale dell'onda (π / 4), risulta quindi di:
Più in generale, data una funzione periodica differenziabile che presenta un punto di discontinuità di altezza a, la serie di Fourier troncata presenta una soprelevazione di circa 0.089490a ad ogni estremità. Ovvero la funzione che deriva dalla serie di Fourier troncata presenta una discontinuità del 18% più grande della funzione originale.
La quantità
è conosciuta come la costante di Wilbraham-Gibbs.
[modifica] Formalismo matematico
Data una funzione continua a tratti, differenziabile e periodica, con periodo L>0. Dato un punto x0 con limite per x che tende ad x0 da sinistra e da destra diversi e con differenza tra i due pari ad a
Per ogni numero intero positivo , sia SNf la serie di Fourier troncata al N-esimo termine
dove i coefficienti di Fourier sono calcolati tramite le solite formule
Si ha
e
ma
In generale, se xN è una sequenza di numeri reali che converge ad x0 per , e se il salto a è positivo allora
e
Se invece il salto a è negativo dobbiamo cambiare il limite superiore con il limite inferiore e cambiare i segni di disuguaglianza ≤ con ≥ e viceversa, ovvero
e
[modifica] Esempio
Ora analizziamo il fenomeno di Gibbs nell'onda quadra descritto all'inizio. Nel nostro esempio il periodo L è pari a 2π, la discontinuità x0 è nello 0 ed il salto a è uguale a π/2. Per semplicità consideriamo solo i casi con N pari (se N è dispari la trattazione è molto simile). Abbiamo
sostituendo x0 otteniamo
come abbiamo visto sopra. Ora calcoliamo
Se definiamo la funzione sinc possiamo riscrivere la precedente equazione come
ma l'espressione all'interno delle parentesi quadre è un approssimazione dell'integrale . Dato che la funzione sinc è continua, l'approssimazione converge all'integrale con
. Quindi abbiamo
che è esattamente ciò che avevamo trovato nel paragrafo precedente. In modo analogo si trova
[modifica] Voci correlate
- Fenomeno di Runge per le approssimazioni polinomiali