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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. Fourier séries em uma descontinuidade abrupta. As somas parciais da série exibem uma ultrapassagem próxima ao salto, que não desaparece com a adição de mais termos. Essa ultrapassagem converge para um valor constante de cerca de 9% da altura do salto, independentemente do número de termos na série.

Quando uma função com uma descontinuidade abrupta, como uma onda quadrada, é aproximada por sua série de Fourier, a aproximação não é perfeita na descontinuidade. À medida que mais termos são adicionados à série (ou seja, à medida que a aproximação inclui frequências mais altas), a aproximação melhora em toda a região, exceto nas imediações da descontinuidade. Próximo à descontinuidade, a soma parcial ultrapassa o valor da função. A largura dessa região de ultrapassagem diminui à medida que mais termos são adicionados, mas a altura da ultrapassagem permanece constante.

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

  • Representação em série de Fourier de funções descontínuas
  • teorema da convergência de Dirichlet
  • conceito de somas parciais e convergência de séries
  • estudo da função Sinc [latex]frac{sin(x)}{x}[/latex]

Aplicações

  • signal processing (filter design)
  • processamento de imagens (análise de artefatos)
  • análise numérica
  • ressonância magnética (RM)

Patentes:

NA

Ideias de Inovação Potencial

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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
1922
1850
1854
1884
1896
1900
1903
1914
1924

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

Princípios relacionados à invenção, inovação e tecnologia

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