1.3.4 卷积的运算性质

1.3.4 卷积的运算性质

1.线性特性

设a,b为任意常数,则对于函数f(x,y),h(x,y)和g(x,y),有

图示

同样有

图示

2.复函数的卷积

设f(x,y)与h(x,y)都是复函数,它们可表示为

f(x,y)=fR(x,y)+ifI(x,y)

h(x,y)=hR(x,y)+ihI(x,y)

式中,下标R、I分别表示f(x,y)和h(x,y)的实部和虚部。这样,f(x,y)和h(x,y)的卷积g(x,y)表示为

g(x,y)=[fR(x,y)+ifI(x,y)]*[hR(x,y)+ihI(x,y)]

利用卷积的线性特性可将上式进一步写成

图示

式中,gR(x,y)和gI(x,y)分别为g(x,y)的实部和虚部,即

gR(x,y)=fR(x,y)*hR(x,y)-fI(x,y)*hI(x,y)

gI(x,y)=fR(x,y)*hI(x,y)+fI(x,y)*hR(x,y)

可见,复函数的卷积运算可以归结为实函数的卷积运算。

3.可分离变量

对于直角坐标系下的两个可分离变量的二元函数,其二维卷积也是可分离变量函数。换言之,若f(x,y)=fx(x)fy(y),h(x,y)=hx(x)hy(y),则

图示

4.卷积符合交换律(https://www.daowen.com)

图示

5.卷积符合结合律

图示

6.坐标缩放性质

设f(x,y)*h(x,y)=g(x,y),则

图示

式中,a≠0,b≠0。需要指出,尽管式中各函数的宗量具有ax、by的形式,但这里的卷积运算仍以x、y为参变量,即所有函数的图像都是对应于x、y的曲线。

7.卷积位移不变性

若f(x,y)*h(x,y)=g(x,y),则

图示

卷积位移不变性表明,当f(x,y)和h(x,y)中任一函数在x、y方向分别平移x0、y0后,其卷积所产生的函数图像的形状和大小不变,只是在x、y方向上同样分别平移了x0、y0

8.函数f(x,y)与δ函数的卷积

图示

现在仅对式(1.3.17)的一维情况证明如下。首先证明f(x)*δ(1)(x)=f(1)(x)。

仿照对式(1.2.17b)的证明,有

图示

依此类推可证

图示

重复上述过程,最后便有

f(x)*δ(n)(x)=f(n)(x)

从公式(1.3.16)还可看出,对于任一函数f(x,y)与δ(x-x0,y-y0)卷积运算的结果,在数学上就是用δ函数的宗量(x-x0,y-y0)分别代换该函数中的自变量x、y。显然,这和函数f(x,y)与δ(x-x0,y-y0)的乘积结果式(1.2.10)是不同的,这里的卷积结果是把函数f(x,y)平移到脉冲所在的空间位置。从物理实际过程来看,这一卷积结果是,当点源平移时,成像系统所得到的像斑分布不发生变化。把这个结论推广到函数f(x,y)与多个脉冲函数的卷积情况时,卷积结果可在每个脉冲所在位置处产生f(x,y)的图像。这一性质可以用来描述各种重复性的结构,例如,可以表示双缝、多缝、光栅的透过率函数。