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Phénomène de Gibbs

1899
  • Henry Wilbraham
  • J. Willard Gibbs
Laboratoire de traitement du signal analysant le comportement des séries de Fourier aux discontinuités.

(Image générée à titre d'illustration uniquement)

The Gibbs phenomenon describes the behavior of a Séries de Fourier at a jump discontinuity. The partial sums of the series exhibit an overshoot near the jump, which does not disappear as more terms are added. This overshoot converges to a constant value of about 9% of the jump height, regardless of the number of terms in the series.

When a function with a jump discontinuity, like a square wave, is approximated by its Séries de Fourier, the approximation is not perfect at the discontinuity. As more terms are added to the series (i.e., as the approximation includes higher frequencies), the approximation gets better everywhere except in the immediate vicinity of the jump. Near the jump, the partial sum overshoots the function’s value. The width of this overshoot region shrinks as more terms are added, but the height of the overshoot remains constant.

This overshoot is not a sign of non-convergence. The series does converge pointwise, and at the discontinuity itself, it converges to the midpoint of the jump as predicted by Dirichlet’s theorem. However, the convergence is not uniform. The maximum overshoot, related to the Wilbraham-Gibbs constant, is approximately [latex]frac{1}{pi} int_0^pi frac{sin t}{t} dt – frac{1}{2} approx 0.08949…[/latex] times the jump size. This phenomenon is a fundamental property of series approximations of discontinuous functions and is important in signal and image processing, where it can manifest as ‘ringing’ artifacts near sharp edges.

UNESCO Nomenclature: 1201
- Algèbre

Taper

Système abstrait

Perturbation

Substantiel

Usage

Utilisation généralisée

Précurseurs

  • Fourier series representation of discontinuous functions
  • Dirichlet’s convergence theorem
  • concept de sommes partielles et convergence des séries
  • study of the Sinc function [latex]\frac{\sin(x)}{x}[/latex]

Applications

Brevets:

NA

Idées d'innovations potentielles

  • Développement de fonctions de fenêtrage (par exemple, Hamming, Hanning) pour réduire les oscillations dans les filtres numériques
  • Algorithmes de traitement d'images pour l'amélioration des contours et la suppression des artefacts
  • Techniques d'approximation sigma pour lisser le dépassement de Gibbs
  • Algorithmes avancés de reconstruction IRM pour minimiser les artefacts de troncature
  • Conception de filtres passe-bas avec une meilleure réponse transitoire
  • méthodes de compression basées sur les ondelettes qui gèrent mieux les discontinuités que les méthodes basées sur Fourier
  • schémas numériques pour la résolution d'EDP hyperboliques qui gèrent les chocs sans oscillations parasites
  • débruitage par variation totale en traitement d'images
  • Méthodes spectrales pour la résolution d'équations différentielles avec gestion des discontinuités
  • techniques de traitement audio pour prévenir les artefacts de pré-écho dans l'audio compressé
Related to: Gibbs phenomenon, Fourier series, jump discontinuity, overshoot, ringing artifact, signal processing, convergence, partial sums, Wilbraham-Gibbs constant, uniform convergence.

Contexte historique

Phénomène de Gibbs

1854
1854
1895
1899
1900
1911
1920
1850
1854
1884
1896
1900
1903
1914
1922

(si la date est inconnue ou non pertinente, par exemple « mécanique des fluides », une estimation arrondie de son émergence notable est fournie)

10e année anniversaire

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