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Die Hankel Transformation ist in der Funktionalanalysis einem Teilgebiet der Mathematik eine lineare Integraltransformation welche im Kern auf den Bessel Funktionen erster Gattung basiert Sie ist benannt nach dem Mathematiker Hermann Hankel Anwendungen liegen unter anderem im Bereich der Bildverarbeitung zur Korrektur von Abbildungsfehlern 1 Inhaltsverzeichnis 1 Definition 2 Inverse Hankel Transformation 3 Eigenschaften 3 1 Orthogonalitat 3 2 Algebraisierung des besselschen Differentialoperators 4 Beziehung zur Fourier Transformation 5 Hankel Transformation fur Distributionen 5 1 Distributionenraum 5 2 Hankel Transformation 6 Beispiele 6 1 Die Hyperbel 1 t 6 2 Die Gausssche Glockenkurve 6 3 Die Delta Distribution 7 Quellen 8 Einzelnachweise 9 WeblinksDefinition BearbeitenBei der Hankel Transformation gibt es unterschiedliche Konventionen sie zu definieren Sei f displaystyle f nbsp eine komplexwertige Funktion und n gt 1 2 displaystyle nu gt tfrac 1 2 nbsp Dann kann man die Hankel Transformation H n displaystyle operatorname H nu nbsp der Ordnung n displaystyle nu nbsp von f displaystyle f nbsp durch F n u H n f t 0 f t J n u t t d t displaystyle F nu u operatorname H nu f t int 0 infty f t cdot J nu ut cdot t mathrm d t nbsp definieren dabei sind die J n x r 0 1 r x 2 2 r n G n r 1 r displaystyle J nu x sum r 0 infty frac 1 r frac x 2 2r nu Gamma nu r 1 r nbsp Bessel Funktionen erster Gattung und G displaystyle Gamma cdot nbsp ist die Gammafunktion Insofern das Integral existiert nennt man H n f t displaystyle operatorname H nu f t nbsp die Hankel Transformierte von f displaystyle f nbsp Diese Konvention der Hankel Transformation wird uberwiegend in diesem Artikel verwendet In einzelnen Abschnitten wird jedoch die im Folgenden dargestellte Variante verwendet worauf in den entsprechenden Abschnitten hingewiesen wird Eine andere Moglichkeit die Hankel Transformation der Ordnung n gt 1 2 displaystyle nu gt tfrac 1 2 nbsp von f displaystyle f nbsp zu definieren ist F n u H n f t 0 f t u t J n u t d t displaystyle F nu u operatorname H nu f t int 0 infty f t cdot sqrt ut cdot J nu ut mathrm d t nbsp Hier werden mit J n displaystyle J nu nbsp ebenfalls die Bessel Funktionen erster Gattung bezeichnet und H n f t displaystyle operatorname H nu f t nbsp heisst auch hier Hankel Transformierte insofern das Integral existiert Inverse Hankel Transformation BearbeitenAhnlich wie bei der Fourier Transformation ist es auch bei der Hankel Transformation unter gewissen Umstanden moglich aus der Hankel Transformierten ihre Ausgangsfunktion zuruckzugewinnen Ein wichtiges Resultat aus der Theorie der Hankel Transformation besagt dass falls f L 1 0 displaystyle f in L 1 0 infty nbsp eine Lebesgue integrierbare Funktion mit beschrankter Variation ist die Ausgangsfunktion f displaystyle f nbsp aus der Hankel Transformierten F n displaystyle F nu nbsp mit der inversen Integraltransformation f t H n 1 F n u 0 F n u J n u t u d u displaystyle f t operatorname H nu 1 F nu u int 0 infty F nu u cdot J nu ut cdot u mathrm d u nbsp zuruckgewonnen werden kann Die Hankel Transformation und ihre inverse Transformation sind also gleich Sie kann daher als involutive Abbildung verstanden werden Fur die alternative Definition gilt diese Aussage analog Eigenschaften BearbeitenOrthogonalitat Bearbeiten Die Bessel Funktionen bilden eine Orthogonalbasis Es gilt 0 J n u t J n u t t d t d u u u displaystyle int 0 infty J nu ut cdot J nu u t cdot t mathrm d t frac delta u u u nbsp fur u displaystyle u nbsp und u displaystyle u nbsp grosser 0 und mit d displaystyle delta nbsp als der Delta Distribution Algebraisierung des besselschen Differentialoperators Bearbeiten Sei B n f r 2 d 2 d r 2 r d d r r 2 n 2 f displaystyle B nu f left r 2 frac mathrm d 2 mathrm d r 2 r frac mathrm d mathrm d r r 2 nu 2 right f nbsp der besselsche Differentialoperator Fur die Bessel Funktionen gilt also B n J n 0 displaystyle B nu J nu 0 nbsp Mit Hilfe der Hankel Transformation ist es moglich diesen Differentialoperator in einen Ausdruck ohne Ableitungen zu uberfuhren Prazise gilt H n B n f s s 2 H n f s displaystyle operatorname H nu B nu f s s 2 operatorname H nu f s nbsp Dies ist eine zentrale Eigenschaft der Hankel Transformation zum Losen von Differentialgleichungen 2 Beziehung zur Fourier Transformation BearbeitenDie Hankel Transformation hat einige Analogien zur Fourier Transformation Insbesondere lasst sich die Hankel Transformierte durch eine zweidimensionale Fourier Transformation berechnen Sei dazu ϕ R 2 C displaystyle phi colon mathbb R 2 to mathbb C nbsp eine radialsymmetrische Funktion Das heisst die Funktion f r 8 ϕ r cos 8 r sin 8 displaystyle f r theta phi r cos theta r sin theta nbsp ist unabhangig von 8 displaystyle theta nbsp weshalb sie im Folgenden nur mit dem Parameter r displaystyle r nbsp notiert wird Von dieser Funktion f displaystyle f nbsp wird nun mit Hilfe der Funktion ϕ displaystyle phi nbsp und der Fourier Transformation die Hankel Transformierte beschrieben Um dies zu sehen wird das Fourier Integral F ϕ 3 1 3 2 1 2 p R 2 ϕ x y e i x 3 1 y 3 2 d x y displaystyle mathcal F phi xi 1 xi 2 frac 1 2 pi int mathbb R 2 phi x y e i x xi 1 y xi 2 mathrm d x y nbsp von ϕ displaystyle phi nbsp in Polarkoordinaten transformiert was zu F ϕ s cos s s sin s 1 2 p r 0 r 8 0 2 p ϕ r cos 8 r sin 8 e i s r cos 8 s d 8 d r 1 2 p r 0 r f r a 0 2 p e i s r cos a d a d r r 0 r f r J 0 s r d r displaystyle begin aligned mathcal F phi s cos sigma s sin sigma amp frac 1 2 pi int r 0 infty r int theta 0 2 pi phi r cos theta r sin theta e isr cos theta sigma mathrm d theta mathrm d r amp frac 1 2 pi int r 0 infty rf r int alpha 0 2 pi e isr cos alpha mathrm d alpha mathrm d r amp int r 0 infty rf r J 0 sr mathrm d r end aligned nbsp fuhrt Dies zeigt dass eine Fourier Transformation einer radialsymmetrischen Funktion immer der Hankel Transformation einer entsprechenden Funktion entspricht Insbesondere ist es moglich zu einer gegebenen Funktion f 0 C displaystyle f colon 0 infty to mathbb C nbsp eine entsprechende radialsymmetrische Funktion ϕ displaystyle phi nbsp zu konstruieren mit der man durch Fourier Transformation die Hankel Transformierte von f displaystyle f nbsp berechnen kann Hankel Transformation fur Distributionen BearbeitenEbenfalls wie bei der Fourier Transformation ist es bei der Hankel Transformation auf analoge Weise moglich sie auf Distributionen zu verallgemeinern Im Gegensatz zur Fourier Transformation kann die Hankel Transformationen nicht auf dem Raum der temperierten Distributionen definiert werden Daher definiert man einen neuen Raum H n 0 displaystyle H nu 0 infty nbsp und erklart die Hankel Transformation fur Distributionen auf seinem Dualraum Distributionenraum Bearbeiten Sei n R displaystyle nu in mathbb R nbsp dann ist H n 0 displaystyle H nu 0 infty nbsp definiert durch H n 0 ϕ C 0 k m N 0 sup x 0 x m 1 x d d x k x n 1 2 ϕ x lt displaystyle H nu 0 infty left phi in C infty 0 infty left forall k m in mathbb N 0 sup x in 0 infty left x m left tfrac 1 x tfrac mathrm d mathrm d x right k x nu frac 1 2 phi x right lt infty right right nbsp Auf diesem Vektorraum wird zusatzlich eine Topologie in Form eines Konvergenzbegriffs definiert Eine Folge ϕ j H n 0 displaystyle phi j subset H nu 0 infty nbsp konvergiert genau dann gegen Null wenn lim j sup x 0 x m 1 x d d x k x n 1 2 ϕ j x 0 displaystyle lim j to infty sup x in 0 infty left x m left tfrac 1 x tfrac mathrm d mathrm d x right k x nu frac 1 2 phi j x right 0 nbsp fur alle k m N 0 displaystyle k m in mathbb N 0 nbsp gilt Durch Bilden des topologischen Dualraums erhalt man den Distributionenraum H n 0 displaystyle H nu 0 infty nbsp auf dem man die Hankel Transformation definieren kann Beispielsweise sind alle Distributionen mit kompaktem Trager in 0 displaystyle 0 infty nbsp wie die Delta Distribution eine ist in dem Raum H n 0 displaystyle H nu 0 infty nbsp enthalten Hankel Transformation Bearbeiten Fur T H n 0 displaystyle T in H nu 0 infty nbsp ist die Hankel Transformation fur alle ϕ H n 0 displaystyle phi in H nu 0 infty nbsp definiert durch H n T ϕ T H n ϕ displaystyle operatorname H nu T phi T operatorname H nu phi nbsp Der Ausdruck H n ϕ displaystyle operatorname H nu phi nbsp ist wieder eine Hankel Transformation einer Funktion und daher definiert Aufgrund der Konstruktion des Raums H n 0 displaystyle H nu 0 infty nbsp wird hier allerdings die Konvention H n ϕ 0 f t u t J n u t d t displaystyle textstyle operatorname H nu phi int 0 infty f t sqrt ut J nu ut mathrm d t nbsp fur die Transformation verwendet Wie bei der Fourier Transformation fur Distributionen fuhrt man auch die Hankel Transformation nicht auf der Distribution selbst aus sondern sie wird auf der Testfunktion ϕ displaystyle phi nbsp berechnet Beispiele BearbeitenSignalf t displaystyle f t nbsp Hankel TransformierteF 0 u H 0 f u displaystyle F 0 u operatorname H 0 f u nbsp 1 displaystyle 1 nbsp d u u displaystyle delta u u nbsp gultig fur u 0 displaystyle u neq 0 nbsp 1 t displaystyle 1 t nbsp 1 u displaystyle 1 u nbsp t displaystyle t nbsp 1 u 3 displaystyle 1 u 3 nbsp t 3 displaystyle t 3 nbsp 9 u 5 displaystyle 9 u 5 nbsp t m displaystyle t m nbsp 2 m 1 G m 2 1 u m 2 G m 2 displaystyle frac 2 m 1 Gamma m 2 1 u m 2 Gamma m 2 nbsp gultig fur ungerades m displaystyle m nbsp 1 t 2 z 2 displaystyle frac 1 sqrt t 2 z 2 nbsp e u z u 2 z p u K 1 2 u z displaystyle frac e u z u sqrt frac 2 z pi u K 1 2 u z nbsp 1 t 2 z 2 displaystyle frac 1 t 2 z 2 nbsp K 0 u z displaystyle K 0 uz nbsp z C displaystyle z in mathbb C nbsp e i a t t displaystyle e mathrm i at t nbsp i a 2 u 2 a gt 0 u lt a displaystyle mathrm i sqrt a 2 u 2 quad a gt 0 u lt a nbsp 1 u 2 a 2 a gt 0 u gt a displaystyle 1 sqrt u 2 a 2 quad a gt 0 u gt a nbsp e a 2 t 2 2 displaystyle e a 2 t 2 2 nbsp e u 2 2 a 2 a 2 displaystyle frac e u 2 2a 2 a 2 nbsp t 2 f t displaystyle t 2 f t nbsp d 2 F n d u 2 1 u d F n d u displaystyle frac d 2 F nu du 2 frac 1 u frac dF nu du nbsp In diesem Abschnitt wird mit K n z displaystyle K n z nbsp die Bessel Funktionen zweiter Gattung n displaystyle n nbsp ter Ordnung mit G displaystyle Gamma nbsp die Gammafunktion mit i displaystyle mathrm i nbsp die imaginare Einheit und mit d displaystyle delta nbsp wieder die Delta Distribution bezeichnet In der Tabelle auf der rechten Seite werden noch zusatzlich einige Paare von Hankel Transformationen gelistet 3 Die Hyperbel 1 t Bearbeiten Fur die Hankel Transformierte nullter Ordnung von 1 t displaystyle tfrac 1 t nbsp gilt H 0 1 t s 0 t 1 t J 0 s t d t 0 J 0 s t d t 1 s displaystyle begin aligned operatorname H 0 left frac 1 t right s amp int 0 infty t cdot frac 1 t cdot J 0 st mathrm d t amp int 0 infty J 0 st mathrm d t amp frac 1 s end aligned nbsp Die Funktion 1 t displaystyle tfrac 1 t nbsp ist also ein Fixpunkt der Hankel Transformation Die Gausssche Glockenkurve Bearbeiten In diesem Abschnitt wird die Berechnung der Hankel Transformation von der gaussschen Glockenkurve e x 2 2 displaystyle e frac x 2 2 nbsp mit Hilfe der Fourier Transformation skizziert Da die Funktion analytisch ist kann sie auf C R 2 displaystyle mathbb C cong mathbb R 2 nbsp fortgesetzt werden und ist dort sogar radialsymmetrisch Daher kann die Hankel Transformierte mit der Fourier Transformation uber R 2 displaystyle mathbb R 2 nbsp berechnet werden Fur die Fourier Transformation ist e x 2 2 displaystyle e frac x 2 2 nbsp ein Fixpunkt woraus folgt dass die Hankel Transformierte von e x 2 2 displaystyle e frac x 2 2 nbsp ebenfalls wieder e x 2 2 displaystyle e frac x 2 2 nbsp ist Also ist die gausssche Glockenkurve ebenfalls ein Fixpunkt der Hankel Transformation 2 Die Delta Distribution Bearbeiten In diesem Beispiel wird die Hankel Transformation nullter Ordnung der Delta Distribution d displaystyle delta nbsp berechnet Es gilt H 0 1 u d 0 ϕ H 0 d 0 1 u ϕ d 0 H 0 1 u ϕ H 0 1 u ϕ 0 0 u u J 0 0 ϕ u d u 0 ϕ u d u displaystyle begin aligned operatorname H 0 tfrac 1 u delta 0 phi amp operatorname H 0 delta 0 tfrac 1 u phi delta 0 operatorname H 0 tfrac 1 u phi operatorname H 0 tfrac 1 u phi 0 amp int 0 infty tfrac u u J 0 0 phi u mathrm d u amp int 0 infty phi u mathrm d u end aligned nbsp Der Ausdruck 0 ϕ u d u displaystyle textstyle int 0 infty phi u mathrm d u nbsp ist als Distribution die von der konstanten Einsfunktion erzeugt wird zu verstehen Im Bereich der Physik notiert man die Delta Distribution oftmals unprazise als reellwertige Funktion und nicht als Funktional In diesem Fall kurzt sich die Berechnung der Hankel Transformation auf H 0 1 u d 0 t 0 d u 1 u u J 0 t u d u J 0 0 1 displaystyle operatorname H 0 tfrac 1 u delta 0 t int 0 infty delta u cdot frac 1 u cdot u cdot J 0 tu mathrm d u J 0 0 1 nbsp Mochte man umgekehrt die Hankel Transformierte der konstanten Einsfunktion berechnen stosst man beim Einsetzen in die Integraldarstellung auf ein divergentes Integral Aufgrund von Dichtheitsargumenten ist es trotzdem moglich die Delta Distribution als Hankel Transformierte der konstanten Einsfunktion aufzufassen Quellen BearbeitenLarry C Andrews Bhimsen K Shivamoggi Integral Transforms for Engineers SPIE Press University of Central Florida 1999 ISBN 978 0 8194 3232 2 Kapitel 7 Alexander D Poularikas The Transforms and Applications Handbook 2 Auflage CRC Press 2000 ISBN 978 0 8493 8595 7 Kapitel 9 L S Dube J N Pandey On the Hankel transform of distributions Tohoku Math J 2 Volume 27 Number 3 1975 337 354 Einzelnachweise Bearbeiten Bernd Jahne Digitale Bildverarbeitung 6 Auflage Springer ISBN 978 3 540 24999 3 S 219 bis 223 a b Alexander D Poularikas The Transforms and Applications Handbook 2 Auflage CRC Press 2000 ISBN 978 0 8493 8595 7 Kapitel 9 4 Alexander D Poularikas The Transforms and Applications Handbook 2 Auflage CRC Press 2000 ISBN 978 0 8493 8595 7 Kapitel 9 11 Weblinks BearbeitenEric W Weisstein Hankel Transform In MathWorld englisch Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Hankel Transformation amp oldid 215637627