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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 Fourier series 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 Fourier series, 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

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

Applicazioni

  • elaborazione del segnale (progettazione del filtro)
  • elaborazione delle immagini (analisi degli artefatti)
  • analisi numerica
  • risonanza magnetica per immagini

Brevetti:

NA

Idee e potenziali innovazioni

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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
1922
1850
1854
1884
1896
1900
1903
1914
1924

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

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