a004_二重积分与二重求和(DFT)


  • \sum_{n=0}^{N-1}\sum_{m=0}^{N-1}x(m)W_N^{nm}W_N^{nk} = \sum_{m=0}^{N-1}x(m)\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{nm}W_N^{nk}, 为什么?

  • 这个问题涉及到离散傅里叶变换(DFT)的性质。首先,我们来解释一下公式中的符号:

    • x(m) 是一个离散信号。
    • W_N 是 DFT 的基底,定义为 W_N = e^{-j2\pi/N}。
    • W_N^{nm}W_N^{nk} 分别是 W_Nnm 次幂和 nk 次幂。

我们需要计算的是以下表达式:

\sum_{n=0}^{N-1}\sum_{m=0}^{N-1}x(m)W_N^{nm}W_N^{nk}

我们可以将这个双重求和表达式重写为:

\sum_{m=0}^{N-1}x(m)\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{nm}W_N^{nk}

这是因为 ( x(m) ) 与 ( n ) 无关,所以可以将 ( x(m) ) 提出内层求和。现在,我们关注内层求和:

\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{nm}W_N^{nk}

根据 DFT 的性质,我们知道 ( W_N{nm}W_N{nk} = W_N^{n(m+k)} )。因此,内层求和可以写为:

\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{n(m+k)}

这个求和是一个几何级数,其和为:

\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{n(m+k)} = \frac{1 - W_N^{N(m+k)}}{1 - W_N^{m+k}}
由于 W_N^N = 1,所以 W_N^{N(m+k)} = 1。因此,求和结果为:

\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{n(m+k)} = \frac{1 - 1}{1 - W_N^{m+k}} = 0 \quad \text{if} \quad m+k \neq 0 \mod N

如果 ( m+k \equiv 0 \mod N ),则 ( W_N^{m+k} = 1 ),求和结果为:

\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{n(m+k)} = \sum_{n=0}^{N-1}1 = N

因此,内层求和的结果是:

\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{nm}W_N^{nk} = N \delta_{m+k, 0 \mod N}

其中 ( \delta_{m+k, 0 \mod N} ) 是克罗内克函数,当 ( m+k \equiv 0 \mod N ) 时为 1,否则为 0。

将这个结果代入外层求和,我们得到:

\sum_{m=0}^{N-1}x(m)\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{nm}W_N^{nk} = \sum_{m=0}^{N-1}x(m) N \delta_{m+k, 0 \mod N}

这个求和只在 m+k \equiv 0 \mod N 时有贡献,即 m \equiv -k \mod N。因此,最终结果为:

\sum_{m=0}^{N-1}x(m) N \delta_{m+k, 0 \mod N} = N x(-k \mod N)

所以,原表达式的结果是:

\boxed{N x(-k \mod N)}


  • 这是因为 x ( m ) x(m) 与 n n 无关,所以可以将 x ( m ) x(m) 提出内层求和。详细解释?一开始的顺序是 \sum_{n=0}^{N-1}\sum_{m=0}^{N-1},但是现在顺序变成了先\sum_{m=0}^{N-1}\sum_{n=0}^{N-1},这是为什么?
  • 在数学中,双重求和的顺序可以互换,只要求和的范围和条件保持不变。这是因为求和操作是可交换的,即对于任意的 a_{mn},都有:

\sum_{n=0}^{N-1}\sum_{m=0}^{N-1}a_{mn} = \sum_{m=0}^{N-1}\sum_{n=0}^{N-1}a_{mn}

在我们的问题中,a_{mn} = x(m)W_N^{nm}W_N^{nk}。由于 x(m)n 无关,我们可以将 x(m) 提出内层求和,即:

\sum_{n=0}^{N-1}\sum_{m=0}^{N-1}x(m)W_N^{nm}W_N^{nk} = \sum_{m=0}^{N-1}x(m)\sum_{n=0}^{N-1}W_N^{nm}W_N^{nk}

这样的变换是合法的,因为求和的顺序可以互换,且 (x(m)) 与 (n) 无关,所以可以将其提出内层求和。这种变换在数学中是常见的,可以简化计算过程。


  • 那么二重积分的顺序可以随意互换吗
  • 在数学中,二重积分的顺序在一定条件下可以互换。这个条件是被积函数在积分区域内连续,且积分区域是矩形区域或者可以表示为两个变量的函数的交集。如果满足这些条件,那么二重积分的顺序可以互换,即:

\int_{a}^\int_{c}^2cccccccc8f(x,y) \, dy \, dx = \int_{c}^2cccccccc8\int_{a}^f(x,y) \, dx \, dy

如果积分区域不是矩形区域,或者被积函数在积分区域内不连续,那么二重积分的顺序可能不能互换,或者互换后结果不同。在这种情况下,需要使用其他方法来计算二重积分,例如使用极坐标变换或者格林公式等。

因此,二重积分的顺序在一定条件下可以互换,但需要满足一定的条件。在实际应用中,需要根据具体问题来确定是否可以互换积分顺序。


  • 也就是说,二重积分的互换与二重求和的互换不同,二重求和的互换更为随意,对吗

  • 是的,二重积分的互换与二重求和的互换确实有所不同。二重求和的互换通常更为随意,因为求和操作是离散的,且求和的顺序不会影响求和的结果。只要求和的范围和条件保持不变,求和的顺序可以互换。

而二重积分的互换则需要满足一定的条件,例如被积函数在积分区域内连续,且积分区域是矩形区域或者可以表示为两个变量的函数的交集。如果满足这些条件,那么二重积分的顺序可以互换。如果积分区域不是矩形区域,或者被积函数在积分区域内不连续,那么二重积分的顺序可能不能互换,或者互换后结果不同。

因此,二重积分的互换比二重求和的互换更为复杂,需要更多的条件和考虑。在实际应用中,需要根据具体问题来确定是否可以互换积分顺序。

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