Teorema de convolución

En matemática, el teorema de convolución establece que, bajo determinadas circunstancias, la transformada de Fourier de una convolución es el producto punto a punto (o producto Hadamard) de las transformadas. En otras palabras, la convolución en un dominio (por ejemplo el dominio temporal) es equivalente al producto punto a punto en el otro dominio (es decir dominio espectral).

Sean f {\displaystyle f} y g {\displaystyle g} dos funciones cuya convolución se expresa con f g {\displaystyle f\ast g} . (notar que el asterisco denota convolución en este contexto, y no multiplicación; a veces es utilizado también el símbolo {\displaystyle \otimes } ). Sea F {\displaystyle {\mathcal {F}}} el operador de la transformada de Fourier, con lo que F [ f ] {\displaystyle {\mathcal {F}}[f]} y F [ g ] {\displaystyle {\mathcal {F}}[g]} son las transformadas de Fourier de f y g, respectivamente.

Entonces

F [ f g ] = 2 π ( F [ f ] ) ( F [ g ] ) {\displaystyle {\mathcal {F}}[f*g]={\sqrt {2\pi }}({\mathcal {F}}[f])\cdot ({\mathcal {F}}[g])}

donde · indica producto punto a punto. También puede afirmarse que:

F [ f g ] = F [ f ] F [ g ] 2 π {\displaystyle {\mathcal {F}}[f\cdot g]={\frac {{\mathcal {F}}[f]*{\mathcal {F}}[g]}{\sqrt {2\pi }}}}

Aplicando la transformada inversa de Fourier F 1 {\displaystyle {\mathcal {F}}^{-1}} , podemos escribir:

f g = 2 π F 1 [ F [ f ] F [ g ] ] {\displaystyle f*g={\sqrt {2\pi }}{\mathcal {F}}^{-1}[{\mathcal {F}}[f]\cdot {\mathcal {F}}[g]]}

Demostración

La demostración funciona para normalizaciones unitarias y no unitarias de la transformada de Fourier, pero en la versión unitaria tiene factores extras de 2 π {\displaystyle {\sqrt {2\pi }}} que son inconvenientes aquí. Sean f , g L 1 ( R n ) {\displaystyle f,g\in L^{1}(\mathbb {R} ^{n})}

Sean F {\displaystyle F} la transformada de Fourier de f {\displaystyle f} y G {\displaystyle G} la transformada de Fourier de g {\displaystyle g} :

F ( ω ) = R n f ( x ) e 2 π i x ω d x {\displaystyle F(\omega )=\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)e^{-2\pi ix\cdot \omega }\,dx}
G ( ω ) = R n g ( x ) e 2 π i x ω d x {\displaystyle G(\omega )=\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(x)e^{-2\pi ix\cdot \omega }\,dx} .

Sea h {\displaystyle h} la convolución de f {\displaystyle f} y g {\displaystyle g}

h ( z ) = R n f ( x ) g ( z x ) d x . {\displaystyle h(z)=\int \limits _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)g(z-x)\,\mathrm {d} x.}

Nótese que

| f ( z ) g ( x z ) | d x d z = | f ( z ) | | g ( z x ) | d x d z = | f ( z ) | g 1 d z = f 1 g 1 . {\displaystyle \int \int |f(z)g(x-z)|\,dx\,dz=\int |f(z)|\int |g(z-x)|\,dx\,dz=\int |f(z)|\,\|g\|_{1}\,dz=\|f\|_{1}\|g\|_{1}.}

Del teorema de Fubini tenemos que h L 1 ( R n ) {\displaystyle h\in L^{1}(\mathbb {R} ^{n})} , así que su transformada de Fourier está definida. Sea H {\displaystyle H} la transformada de Fourier de h {\displaystyle h} :

H ( ω ) = R n h ( z ) e 2 π i z ω d z = R n R n f ( x ) g ( z x ) d x e 2 π i z ω d z . {\displaystyle H(\omega )=\int _{\mathbb {R} ^{n}}h(z)e^{-2\pi iz\cdot \omega }\,dz=\int _{\mathbb {R} ^{n}}\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)g(z-x)\,dx\,e^{-2\pi iz\cdot \omega }\,dz.}

Obsérvese que | f ( x ) g ( z x ) e 2 π i z ω | = | f ( x ) g ( z x ) | {\displaystyle |f(x)g(z-x)e^{-2\pi iz\cdot \omega }|=|f(x)g(z-x)|} y gracias al argumento de arriba podemos aplicar nuevamente el teorema de Fubini:

H ( ω ) = R n f ( x ) ( R n g ( z x ) e 2 π i z ω d z ) d x . {\displaystyle H(\omega )=\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)\left(\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(z-x)e^{-2\pi iz\cdot \omega }\,dz\right)\,dx.}

Sustituyendo y = z x {\displaystyle y=z-x} ; tenemos d y = d z {\displaystyle dy=dz} , y por lo tanto:

H ( ω ) = R n f ( x ) ( R n g ( y ) e 2 π i ( y + x ) ω d y ) d x {\displaystyle H(\omega )=\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)\left(\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(y)e^{-2\pi i(y+x)\cdot \omega }\,dy\right)\,dx}
= R n f ( x ) e 2 π i x ω ( R n g ( y ) e 2 π i y ω d y ) d x {\displaystyle =\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)e^{-2\pi ix\cdot \omega }\left(\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(y)e^{-2\pi iy\cdot \omega }\,dy\right)\,dx}
= R n f ( x ) e 2 π i x ω d x R n g ( y ) e 2 π i y ω d y . {\displaystyle =\int _{\mathbb {R} ^{n}}f(x)e^{-2\pi ix\cdot \omega }\,dx\int _{\mathbb {R} ^{n}}g(y)e^{-2\pi iy\cdot \omega }\,dy.}

Estas dos integrales son las definiciones de F ( ω ) {\displaystyle F(\omega )} y G ( ω ) {\displaystyle G(\omega )} , así que:

H ( ω ) = F ( ω ) G ( ω ) . {\displaystyle H(\omega )=F(\omega )\cdot G(\omega ).}

Que es lo que queríamos demostrar.

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