“对于频带[−B,B]内的连续代表,采样能量等式把本页的积分范数进一步写成h倍样本平方和。误差反演使用本页酉性;逐点与一致结论还要用共同有限频带的积分估计。若噪声只逐项有界而不平方可和,不能从…”
一串格点值通常不能确定格点之间的曲线。采样定理增加了一份实质输入:函数没有超出指定区间的频率。这个输入限制整条函数,而不是说手头的离散频谱图看起来没有高频。
形式陈述
先为点采样选定代表
沿Fourier变换的规范,
固定B>0,记
这是本页的带限函数类。L2变换最初是等价类,但频带有限,Cauchy–Schwarz给
本页所有样本都取这个代表的值。不能另改一个格点的值,再声称L2频谱没变所以采样定理仍适用。
定义
则每个
对称部分和在L2及整个实线的一致范数中收敛。每个固定t的级数还绝对收敛。能量与尾误差满足
这里
唯一性依赖全部样本和带宽
在式(2)的带限类内,两份函数若所有f(kh)相同,就处处相同。这个结论使用双边无限样本;有限样本需要式(5)所需的尾信息或其他先验约束。定理没有从有限输入免费恢复无限精度。
直觉
图中黑点是右侧两函数共有的样本。这里只画有限区间,右图函数在全部格点不可区分的证明见本页式(9)及终点;不能从有限图形单独推断带宽。
在频域把样本认成系数
令
由Fourier级数的完备指数基组成L2(I_h)的正交规范基。本站内积对第一变量共轭线性,因此
频域展开是
这里并没有预先假定时间域的采样级数成立;是把已存在的频谱在有限区间展开。
先反演有限和,再取极限
每个有限项的逆变换为
所以频域正交投影的逆变换正是S_Nf。Plancherel酉性把L2收敛和正交尾能量原样搬回实线,得到式(4)和式(5)第一式。这里始终先积分有限和,不把任意L2级数当作绝对可积二重和。
对频域尾项
右侧不含t且趋零,给全实线一致收敛。逐点采样之所以在这里能由L2信息控制,关键正是尾项始终留在一个共同的有限频带。
绝对收敛不靠样本绝对可和
对任意实x,在L2([−1/2,1/2])中将单位范数函数
与式(4)合用Cauchy–Schwarz,
即使样本不属于ℓ1,仍能得到这里的绝对收敛。不能反过来据此声称单独的
例子与边界
一份有无限尾的简单信号
取f(t)=sinc(t)。它是矩形频谱
这个例子解释为何本页不应强加f∈L1,也不应把有限个非零样本理解成函数具有有限时间支撑。sinc在样本间仍有无限远的振荡尾。
低于采样速率要求时,真的会丢掉函数
若h>1/(2B),可取
sinc(εt)属于L2,乘有界正弦后仍属于L2。它的矩形频谱被正弦拆成中心在
在临界h=1/(2B)处,裸正弦sin(πt/h)也有零样本,但它不平方可积,不能用来反驳本页定理。频带端点上的单个点在L2频谱中为零测集;点质量频谱属于另一种函数或分布合同。
只给有限样本会遗漏什么
在临界带宽1/(2h)下,函数sinc(t/h−(N+1))在全部|k|≤N的采样点取零,却在t=(N+1)h处为1。因此这些有限零样本不能认证全函数为零。
如果已知未读样本的平方和上界,式(5)才给有限证书;否则单纯增加一个“已采N点”的标签并未补足缺失信息。
推论与应用
平方可和噪声具有精确尺度
若样本扰动序列
同一正交展开给
这里重建误差属于PW_{1/(2h)};若原信号严格过采样,任意扰动未必还具有原来更窄的带宽。能量稳定性没有悄悄替噪声加上那个约束。
每点误差小,不等于整个噪声序列能量小
固定η>0和观察位置t/h=1/2。对|k|≤N令
其余项为零。每个样本误差至多η,但这组噪声在观察点的输出为
调和和随N无界增长,所以不存在对所有N都有效的常数C,使未加窗sinc重建总满足
严格余带允许改用平方衰减的重建核,在保持准确重建的同时给出有界样本噪声及有限观察窗的显式预算。更密采样本身不改变式(11)所用核的调和尾,必须把新的核和误差合同一起写出。
与有限周期FFT的边界
谱混叠在有限周期网格上把整数模态按网格数折回;本页是在非周期整实线上,以连续频带和双边无限格点建立对应。FFT可以参与实际近似,但有限窗口、周期延拓及核截断都还需要各自的误差分析。
参考资料
- C. E. Shannon,Communication in the Presence of Noise,Proceedings of the IRE37(1),1949,pp.10–21,§II、Theorem1;链接为1998 IEEE重印稿,相关内容在印页448:用频谱的Fourier系数识别时间样本。
- Afonso S. Bandeira,A Tour Through the Mathematics of Signals, Noise, and Learning,2025,§19.2,Definition19.2、Theorem19.4及证明,印页66–67。原稿采用另一Fourier归一化并先取L1∩L2;本页从有限频带的L2展开给出连续代表与一致尾界。
- Melanie Kircheis、Daniel Potts、Manfred Tasche,On numerical realizations of Shannon’s sampling theorem,2024,§2,Theorems2.2、2.4:截断sinc重建的噪声放大。本页式(11)直接计算一组有限、确定性的同向扰动。