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Fenômeno de Gibbs

1899
  • Henry Wilbraham
  • J. Willard Gibbs
Laboratório de processamento de sinais que analisa o comportamento da série de Fourier em descontinuidades.

(Imagem gerada apenas para fins ilustrativos)

O fenômeno de Gibbs descreve o comportamento de um corpo celeste. Série 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 Série 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.

Essa ultrapassagem não é um sinal de não convergência. A série converge pontualmente e, na própria descontinuidade, converge para o ponto médio do salto, conforme previsto pelo teorema de Dirichlet. No entanto, a convergência não é uniforme. A ultrapassagem máxima, relacionada à constante de Wilbraham-Gibbs, é aproximadamente [latex]frac{1}{pi} int_0^pi frac{sin t}{t} dt – frac{1}{2} approx 0.08949…[/latex] vezes o tamanho do salto. Esse fenômeno é uma propriedade fundamental das aproximações em série de funções descontínuas e é importante no processamento de sinais e imagens, onde pode se manifestar como artefatos de "ringing" próximos a bordas nítidas.

UNESCO Nomenclature: 1201
· Álgebra

Tipo

Sistema abstrato

Interrupção

Substancial

Uso

Uso generalizado

Precursores

  • Fourier series representation of discontinuous functions
  • teorema da convergência de Dirichlet
  • conceito de somas parciais e convergência de séries
  • estudo da função Sinc [latex]frac{sin(x)}{x}[/latex]

Aplicações

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

  • development of windowing functions (e.g., hamming, hanning) to reduce ringing in digital filters
  • image processing algorithms for edge enhancement and artifact removal
  • sigma-approximation techniques to smooth the gibbs overshoot
  • advanced mri reconstruction algorithms to minimize truncation artifacts
  • design of low-pass filters with better transient response
  • wavelet-based compression methods that handle discontinuities better than fourier-based methods
  • numerical schemes for solving hyperbolic pdes that manage shocks without spurious oscillations
  • total variation denoising in image processing
  • spectral methods for solving differential equations with discontinuity handling
  • audio processing techniques to prevent pre-echo artifacts in compressed audio
Relacionado a: fenômeno de Gibbs, série de Fourier, descontinuidade de salto, sobreimpulso, artefato de oscilação, processamento de sinais, convergência, somas parciais, constante de Wilbraham-Gibbs, convergência uniforme.

Contexto histórico

Fenômeno de Gibbs

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

(Caso a data seja desconhecida ou irrelevante, por exemplo, "mecânica dos fluidos", é fornecida uma estimativa aproximada de seu surgimento notável)

10º ano aniversário

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