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一些个人的想法

小波等其实本质上是相关运算

首先自相关是最大值

互相关又是0,也就是正交

傅里叶变换拆分成每一小段也是小波基,本质上是一样的。

与傅里叶变换的关系:傅里叶变换的基是δ函数,小波是其线性组合,一个例子是频域的窗是小波基。

信号拟合的特性

某一个信号是否能被还原

  1. 频率越稀疏则时长需要很长。Δf=1T
  2. 无限长的信号没有混叠,有限的有混叠。这个混叠也可以理解为的影响

等间距采样(全采样)

一般来说离散信号的拆分只要满足 Nyquist 采样定律,也就是满足大于最高频信号的二倍频即可还原。图像压缩就是全采样后舍弃了小系数的内容。

不等间距采样(亚采样)

压缩感知直接进行了亚采样,然后再用算法消除亚采样导致的伪影。可以说,压缩感知直接在采样时就完成了压缩。 陶哲轩等人证明:独立同分布的高斯随机测量矩阵可以成为普适的压缩感知测量矩阵。

消除随机噪声

自相关,因为随机信号的正交特性。

卷积

图像的卷积


卷积示意图

卷积的过程就是滤镜/滤波的过程,比如一个 3×3 的卷积核,

[1/91/91/91/91/91/91/91/91/9],

是模糊效果/低通滤波的效果。为了保证其能量不变,总和需要为1。 边缘检测/高通的卷积核为,

[111181111],

这些卷积核也是一种小波

信号的卷积

信号的卷积类似于X+Y的概率,按照两个信号的共同作用时间 t+(τt) 来区分信号。

Z=X+Y这样的概率是概率函数的卷积,记为fz=fxfy。中心极限定理是同概率波形很多次卷积的结果。

内积-卷积-相关

若A为基,则内积是将能量分配到A上

B=ni=1(B,Ai)Ai

对时域加窗(内积)就是对频域卷积,反之对频域加窗(滤波)就是对时域卷积。

f,g=Rfg¯dxfg=f(y),g(xy)=Rf(y)g(xy)dy

相关运算的公式如下

R(τ)=x(t),y(tτ)C(τ)=x(t),y(τt)

与内积对应的还有叉积:一种构造正交的方法,模为体积(或面积)
a×b=|ijkx1y1z1x2y2z2|
当然也有一种经典的构造方法。ξ是辅助向量,我们将ξφk分量都删干净,依次构造:

首先确定φ0
接下来φn=ξk=0n1(ξ,φk)φkφk
一个例子是φxn,这样多项式空间就可以随便构造了
对应于数值分析原理Page151,书上还给出了一个递推公式用于构造多项式空间的正交多项式序列

带权内积

(f,g)=ρfgdx

带权函数ρ(x)={1 if 1<x<1,0 else 的正交多项式称为Legendre多项式 : P0(x)=1,P1(x)=x,P2(x)=(3x21)/2,...
还有Laguerre、Hermite、Chebyshev等等
带权内积可用于多项式逼近,评价方式:函数的最佳平方逼近fφ222可以称为函数范数,这不就是二范数吗
离散的最佳平方逼近为最小二乘问题,实际上就是将y向量投影到基上来计算系数,反之不也是用正交的基去逼近y向量吗。

TIP

拟合好的多项式函数还能拿来计算数值积分。

变换

各种变换都需要考虑收敛域,也各有不用的收敛条件,避免发散。

  • 傅里叶变换
F(ω)=f(t),ejωt
  • 拉普拉斯变换(s=σ+jω),这里引入σ控制收敛情况,使其可以处理发散的一些函数,比如tn,这样一般的常微分方程都可以用Laplace求解。
F(s)=x(t),est
  • Z变换(z=est=e(σ+jω)t),为离散信号数列服务的通项公式。其中的留数等都是复变函数的知识。
X(z)=n=0x(n)zn

概率论

  • 期望:μx=EX=xk,pxk
    举例: 若X服从[a,b]的均匀分布,则期望EX=a+b2

  • 极大似然估计:
    L(θ1,...,θm)=defi=1nf(xi;θ1,...,θm),θμ,σ2,λ,使lnL(θ^1,...θ^m)lnLθj=0求得驻点。

  • 大数定理:频率概率

  • 中心极限定理:独立同分布,有限方差和数学期望,则i=1nXi近似服从,N(nμ,nσ2)

  • 贝叶斯公式:可以拿来训练神经网络,因为它可以从反向推正向概率。AiA1+...+AnB,P(Ai|B)=P(Ai)P(B|Ai)P(B)

  • 瑞利分布:X,YN(0,σ2),Z=X2+Y2的分布为瑞利分布

随机信号

  • 平稳随机信号X(n)的概率密度函数对宽为N的信号都一致,称为N阶平稳
  • 宽平稳随机信号满足均值常数、方差有限,且rx(n1.n2)=E[X(n)X(n+m)]=rx(m),m=n1n2表示自相关函数仅与差值m有关
  • 白噪声的自相关函数r(m)=σ2δ(m)
  • 自相关和卷积:
Y(n)=X(n)h(n)rY(m)=rX(m)h(m)h(m)F[rY(m)]=PY=PX|H|2
  • 各态遍历信号,指样本可以遍历所有取值。这样就符合经典概率模型。也符合大数定理。此时的rx(m)=x(n),x(n+m)

附录

(a,b)表示向量内积,a,b表示信号内积。 对于向量而言,(x,x)=x22表示2范数,范数满足三角不等式,就同绝对值的三角不等式一样。

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