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Fenomeno di Gibbs

1899
  • Henry Wilbraham
  • J. Willard Gibbs
Laboratorio di elaborazione del segnale che analizza il comportamento delle serie di Fourier in presenza di discontinuità.

(Immagine generata a solo scopo illustrativo)

The Gibbs phenomenon describes the behavior of a Serie di 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 Serie di 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
- Algebra

Tipo

Sistema astratto

Interruzione

Sostanziale

Utilizzo

Uso diffuso

Precursori

  • Fourier series representation of discontinuous functions
  • Dirichlet’s convergence theorem
  • concetto di somme parziali e convergenza delle serie
  • study of the Sinc function [latex]\frac{\sin(x)}{x}[/latex]

Applicazioni

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

  • sviluppo di funzioni di windowing (ad esempio, hamming, hanning) per ridurre il ringing nei filtri digitali
  • algoritmi di elaborazione delle immagini per il miglioramento dei bordi e la rimozione degli artefatti
  • tecniche di approssimazione sigma per attenuare l'overshoot di Gibbs
  • algoritmi avanzati di ricostruzione della risonanza magnetica per ridurre al minimo gli artefatti di troncamento
  • progettazione di filtri passa-basso con migliore risposta ai transienti
  • metodi di compressione basati su wavelet che gestiscono le discontinuità meglio dei metodi basati su Fourier
  • schemi numerici per risolvere equazioni differenziali parziali iperboliche che gestiscono gli shock senza oscillazioni spurie
  • denoising della variazione totale nell'elaborazione delle immagini
  • metodi spettrali per la risoluzione di equazioni differenziali con gestione della discontinuità
  • tecniche di elaborazione audio per prevenire artefatti pre-eco nell'audio compresso
Related to: Gibbs phenomenon, Fourier series, jump discontinuity, overshoot, ringing artifact, signal processing, convergence, partial sums, Wilbraham-Gibbs constant, uniform convergence.

Contesto storico

Fenomeno di Gibbs

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

(se la data è sconosciuta o non rilevante, ad esempio "meccanica dei fluidi", viene fornita una stima approssimativa della sua notevole comparsa)

decimo anno anniversario

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