Hilbert Transforms

Hilbert Transforms pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

出版者:
作者:King, Frederick W.
出品人:
页数:896
译者:
出版时间:2008-11
价格:$ 195.49
装帧:
isbn号码:9780521887625
丛书系列:
图书标签:
  • 数学
  • 信号处理
  • 傅里叶分析
  • 变换
  • 泛函分析
  • 调和分析
  • 应用数学
  • 工程数学
  • 数值分析
  • 理论物理
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具体描述

The Hilbert transform has many uses, including solving problems in aerodynamics, condensed matter physics, optics, fluids, and engineering. Written in a style that will suit a wide audience (including the physical sciences), this book will become the reference of choice on the topic, whatever the subject background of the reader. It explains all the common Hilbert transforms, mathematical techniques for evaluating them, and has detailed discussions of their application. Especially useful for researchers are the tabulation of analytically evaluated Hilbert transforms, and an atlas that immediately illustrates how the Hilbert transform alters a function. A collection of exercises helps the reader to test their understanding of the material in each chapter. The bibliography is a wide-ranging collection of references both to the classical mathematical papers, and to a diverse array of applications.

希尔伯特变换:一项数学工具的探索 简介 在众多的数学工具中,希尔伯特变换(Hilbert Transform)以其在信号处理、物理学、工程学以及纯数学等领域的广泛应用而占据着独特的地位。这项在二十世纪初由德国数学家大卫·希尔伯特(David Hilbert)提出的积分变换,为我们理解和分析函数提供了全新的视角,尤其在处理信号的相位和包络信息方面,展现出了无与伦比的强大能力。 这本书并非关于一部名为《希尔伯特变换》的实体书籍,而是旨在深入探讨“希尔伯特变换”这一数学概念本身。它将带领读者踏上一段探索希尔伯特变换的数学本质、发展历程、核心性质及其多样化应用的旅程。我们将从变换的基本定义出发,逐步深入到其背后的深刻理论,并最终揭示它如何在不同的科学技术领域中发挥着至关重要的作用。 核心内容概述 第一章:希尔伯特变换的诞生与定义 本章将从历史的视角切入,简要介绍二十世纪初数学界的发展背景,以及希尔伯特变换是如何在这一时期应运而生的。随后,我们将严格且清晰地给出希尔伯特变换的数学定义。我们将探讨其在时域和频域中的表达式,并解释其作为一种线性算子的基本性质。这一章将为后续的学习奠定坚实的理论基础,确保读者对希尔伯特变换的核心概念有清晰的认识。 第二章:希尔伯特变换的基本性质 理解一个数学工具的关键在于掌握其自身的性质。本章将系统地分析希尔伯特变换的各种重要性质,包括: 线性性(Linearity):证明希尔伯特变换对函数的线性组合保持不变。 周期性(Periodicity):探讨在特定条件下,变换的周期性表现。 傅里叶变换的联系(Relation to Fourier Transform):揭示希尔伯特变换与傅里叶变换之间的深刻联系,这是理解其频域特性的关键。我们将详细阐述希尔伯特变换如何改变信号的相位,而对其幅度谱影响甚微。 迭代性质(Iterated Properties):分析连续应用希尔伯特变换两次或多次所产生的结果。 积分表示(Integral Representations):探讨希尔伯特变换的其他等价积分表示形式,这有助于从不同角度理解其数学结构。 通过对这些性质的深入剖析,读者将能够更深刻地理解希尔伯特变换的内在机制,以及它为何能成为一个强大的分析工具。 第三章:希尔伯特变换的数学理论 本章将进一步挖掘希尔伯特变换背后的数学理论,超越表面定义,深入其积分方程和复分析的联系。我们将探讨: 积分方程理论(Theory of Integral Equations):希尔伯特变换本身可以被视为一种特殊的积分方程求解方法。本章将探讨其与积分方程理论的关联,以及在求解某些特定积分方程中的应用。 复分析中的应用(Applications in Complex Analysis):希尔伯特变换与复变函数理论有着紧密的联系,尤其是在柯西积分公式和保角映射等概念上。我们将探索这种联系,以及它为理解函数解析性提供的洞见。 分布理论(Distribution Theory):在处理不适定积分和奇异核时,分布理论是不可或缺的数学框架。本章将介绍如何在分布理论的框架下理解和计算希尔伯特变换,以及它如何拓展了变换的应用范围。 第四章:希尔伯特变换在信号处理中的应用 信号处理是希尔伯特变换最活跃的应用领域之一。本章将详细阐述其在信号处理中的核心应用,包括: 解析信号的构建(Construction of Analytical Signals):希尔伯特变换是构建解析信号(Analytic Signal)的核心工具。解析信号在提取信号的瞬时幅度和瞬时相位方面起着关键作用,这在调幅(AM)信号的解调、相位测量等方面至关重要。 包络提取(Envelope Extraction):通过解析信号,我们可以方便地提取信号的包络,这对于分析信号的幅度变化规律至关重要,例如在音频信号和无线通信中。 瞬时频率测量(Instantaneous Frequency Measurement):解析信号的相位导数可以给出信号的瞬时频率,这在非平稳信号分析中具有重要意义。 单边谱(Single-Sided Spectrum):希尔伯特变换可以帮助我们从实信号中构建出具有单边谱的解析信号,这在频谱分析中提供了便利。 滤波器设计(Filter Design):某些特定的滤波器,例如全相位滤波器,与希尔伯特变换有着密切的联系。 第五章:希尔伯特变换在物理学与工程学中的应用 除了信号处理,希尔伯特变换在物理学和工程学的许多分支中也展现出了其强大的实用性。本章将探讨: 波动现象分析(Analysis of Wave Phenomena):在光学、声学和电磁学等领域,希尔伯特变换被用于分析和描述波的传播特性,例如相位信息和波前。 量子力学(Quantum Mechanics):在量子力学中,希尔伯特变换与量子态的表示以及某些算符的性质有关。 地球物理学(Geophysics):在地震学和大地测量学中,希尔伯特变换被用于处理和解释地震波数据,提取地下结构信息。 医学成像(Medical Imaging):在核磁共振成像(MRI)等技术中,希尔伯特变换被用于图像重建和信号分析。 流体力学(Fluid Dynamics):在某些流体模拟和分析中,希尔伯特变换也扮演着一定的角色。 第六章:希尔伯特变换的数值计算与实现 在实际应用中,往往需要对希尔伯特变换进行数值计算。本章将介绍: 离散希尔伯特变换(Discrete Hilbert Transform):介绍如何将希尔伯特变换推广到离散信号,以及常见的离散算法。 快速算法(Fast Algorithms):讨论用于高效计算离散希尔伯特变换的快速傅里叶变换(FFT)等算法。 软件实现(Software Implementation):简要介绍在常用的科学计算软件(如MATLAB, Python SciPy等)中如何实现希尔伯特变换。 结论 希尔伯特变换不仅仅是一个数学公式,更是一种深刻理解函数和信号内在联系的强大工具。通过对本探索引导的深入学习,读者将不仅掌握希尔伯特变换的数学原理,更能体会到它在解决现实世界问题中的广泛应用价值。这本书籍的目的是激发读者对这一重要数学概念的兴趣,并为进一步的学习和研究提供坚实的基础。

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读后感

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用户评价

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这本书的叙事节奏感极强,有一种强烈的推进力,让人忍不住想一口气读完。它似乎非常了解读者的认知曲线,总是在你感觉快要迷失在抽象概念的海洋时,突然抛出一个精心设计的、来自实际物理世界的应用案例来拉你一把。比如,书中对拉普拉斯变换的介绍,不仅仅是复平面上的积分,它还用示波器上的波形衰减曲线来具体说明负实部和正实部的物理含义,那种“一图胜千言”的效果做得非常到位。关于频谱分析的部分,作者对分辨率和泄露问题的探讨,可以说是教科书级别的范例。他没有简单地给出窗函数的表格,而是通过动画般的文字描述,让你“看到”了不同窗函数在时域截断时对频域造成的影响。我发现,它在处理奇异性问题时非常谨慎,每当引入一个可能导致数学上不适用的点时,都会立即跟进相应的处理方法,显示出作者在教学经验上的丰富。总的来说,它成功地将看似枯燥的数学转换理论,塑造成了一场关于信息传递与重构的精彩侦探故事。

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这本书,我刚翻了开篇,就感觉抓住了某种核心的脉络,它不是那种故作高深的教科书,而是像一位经验丰富的老教授,耐心地为你梳理一个复杂领域的全貌。作者在引言部分花了大量篇幅来阐述傅里叶分析与信号处理之间的深刻联系,并且特别强调了时域和频域相互转化的重要性。我特别欣赏它处理“物理意义”的方式,比如,当它引入卷积的概念时,不仅仅是给出数学公式,而是通过实际的声学现象和光学成像的例子来佐证,让人立刻明白这个工具在现实世界中到底能解决什么问题。书中对于核函数的选择和性质的探讨也相当细致,尤其是在处理非平稳信号时,那种权衡取舍的艺术,讲得深入浅出。我注意到,作者似乎非常注重理论的严谨性,每一推导都力求清晰,不会让人在中间步骤感到突兀的跳跃。如果说有什么遗憾,可能是在某些高级应用(比如特定类型的稀疏表示)的章节,篇幅略显不足,但整体来说,对于打下一个坚实的基础,这本教材的质量是毋庸置疑的,它确实能让你对基础理论建立起一种内在的理解,而非仅仅停留在公式的记忆层面。

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我得说,这本书的深度和广度都超出了我的预期。它不仅仅停留在经典的时频分析层面,而是毫不避讳地进入了一些更现代、更具挑战性的领域。对于最优滤波器的设计,它没有仅仅停留在维纳滤波的经典框架内,而是引入了卡尔曼滤波的初步思想,并清晰地指出了两者在模型假设上的根本区别。这种“承上启下”的布局,使得读者在学习新知识的同时,也能回顾和巩固已有的知识体系。在描述随机过程时,作者的笔触显得尤为老辣和沉稳。他没有把随机性当作一个需要快速跳过的障碍,而是花了大量篇幅来解释平稳性和遍历性的实际意义,以及它们在实际数据采集中的局限性。书中对某些复杂积分的解析技巧,比如分部积分和留数定理的应用,展示得极为细致,每一步都有明确的动机说明。这本书的价值,就在于它敢于挑战读者的思维极限,同时又提供了足够的脚手架,确保读者不会在攀登高峰的过程中跌落。

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这本书的结构安排有一种古典的对称美,像是精心雕琢的巴洛克式建筑,层层递进,结构宏大。它对傅里叶级数和变换的阐述,采取了一种迭代深化、螺旋上升的方式,一开始给出直观理解,然后逐步引入复指数形式,最后才进行严格的狄利克雷条件讨论。这种步步为营的方法,极大地增强了知识的内化。我特别欣赏它在工具选择上的哲学思考:为什么我们需要另一种变换?每种变换的“盲点”在哪里?这种对比和反思贯穿了全书,让读者学会用批判性的眼光去看待数学工具。在关于周期延拓和信号截断的部分,作者深入探讨了信息损失的量化问题,这对于任何需要进行有限数据处理的人来说,都是极其实用的洞察。书中的插图(虽然我是在电子版阅读,但可以想象纸质版的质量)对理解多维信号的表示非常关键,尤其是那些高维空间的截面图,解释得简洁而有力。总而言之,这本书提供的不仅是知识,更是一种看待和处理信息问题的全新思维框架,是值得反复研读的经典之作。

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读完前三分之一,我的感受是,这位作者简直是位“化繁为简”的大师。它对数学工具的介绍,总能找到一个最直观的切入点。举个例子,介绍线性系统理论时,它并没有直接抛出微分方程组,而是先用一个水流通过管道的比喻,解释了系统的“记忆”和“响应”是如何相互作用的。这种教学方法极大地降低了初学者的入门门槛。我特别喜欢书中穿插的那些历史小插曲,比如某个关键定理是如何在某个世纪的学术争论中诞生的,这让冰冷的数学概念突然有了人情味和时代感。关于工具箱的构建,这本书做得尤为出色,它不仅告诉你“是什么”,更侧重于“为什么是这个工具”。例如,当涉及到稳定性分析时,作者会非常细致地剖析不同稳定判据背后的假设条件和适用范围,这对于工程实践者来说是至关重要的,避免了盲目套用公式的陷阱。唯一需要读者投入大量精力的,可能是对那些证明部分的细读,因为虽然逻辑清晰,但其深度要求读者必须保持高度的专注。

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