卷积定理的证明
卷积定理
若
g
∗
h
=
∬
−
∞
∞
g
(
α
,
β
)
h
(
x
−
α
,
y
−
β
)
d
α
d
β
F
[
g
(
x
,
y
)
]
=
∬
−
∞
∞
g
(
x
,
y
)
e
x
p
[
−
i
2
π
(
f
x
x
+
f
y
y
)
]
d
x
d
y
=
G
(
f
x
,
f
y
)
F
[
h
(
x
,
y
)
]
=
∬
−
∞
∞
h
(
x
,
y
)
e
x
p
[
−
i
2
π
(
f
x
x
+
f
y
y
)
]
d
x
d
y
=
H
(
f
x
,
f
y
)
g*h=\iint_{- \infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)}d\alpha d\beta \newline F[g(x,y)]=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(x,y)exp[-i2\pi (f_x x+f_y y)]}dxdy=G(f_x,f_y) \newline F[h(x,y)]=\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x,y)exp[-i2\pi (f_x x+f_y y)]}dxdy=H(f_x,f_y)
g∗h=∬−∞∞g(α,β)h(x−α,y−β)dαdβF[g(x,y)]=∬−∞∞g(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=G(fx,fy)F[h(x,y)]=∬−∞∞h(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=H(fx,fy)
则可得到
F
[
g
∗
h
]
=
G
⋅
H
F
[
g
⋅
h
]
=
G
∗
H
F[g*h]=G\cdot H \newline F[g\cdot h]=G*H
F[g∗h]=G⋅HF[g⋅h]=G∗H
一、 F [ g ∗ h ] = G ⋅ H F[g*h]=G\cdot H F[g∗h]=G⋅H 的证明
F [ g ∗ h ] = ∬ − ∞ ∞ g ( x , y ) ∗ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) h ( x − α , y − β ) d α d β ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) h ( x − α , y − β ) d α d β ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x ( x − α ) + f y ( y − β ) ) ] ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x α + f y β ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) ∬ − ∞ ∞ h ( x − α , y − β ) e x p [ − i 2 π ( f x ( x − α ) + f y ( y − β ) ) ] d x d y ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x α + f y β ) ] d α d β = ∬ − ∞ ∞ g ( α , β ) H ( f x , f y ) ⋅ e x p [ − i 2 π ( f x α + f y β ) ] d α d β = G ( f x , f y ) ⋅ H ( f x , f y ) \begin{equation*} \begin{aligned} F[g*h] &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(x,y)*h(x,y)}exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)}d\alpha d\beta \cdot exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)h(x-\alpha,y-\beta)}d\alpha d\beta \cdot exp[-i2\pi (f_x(x-\alpha)+f_y(y-\beta))]\cdot exp[-i2\pi (f_x \alpha+f_y \beta)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x-\alpha,y-\beta) exp[-i2\pi (f_x(x-\alpha)+f_y(y-\beta))]}dxdy}\cdot exp[-i2\pi (f_x \alpha+f_y \beta)]d\alpha d\beta \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(\alpha,\beta)H(f_x,f_y)\cdot exp[-i2\pi (f_x \alpha+f_y \beta)]}d\alpha d\beta \\ &=G(f_x,f_y)\cdot H(f_x,f_y) \end{aligned} \end{equation*} F[g∗h]=∬−∞∞g(x,y)∗h(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=∬−∞∞∬−∞∞g(α,β)h(x−α,y−β)dαdβ⋅exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=∬−∞∞∬−∞∞g(α,β)h(x−α,y−β)dαdβ⋅exp[−i2π(fx(x−α)+fy(y−β))]⋅exp[−i2π(fxα+fyβ)]dxdy=∬−∞∞g(α,β)∬−∞∞h(x−α,y−β)exp[−i2π(fx(x−α)+fy(y−β))]dxdy⋅exp[−i2π(fxα+fyβ)]dαdβ=∬−∞∞g(α,β)H(fx,fy)⋅exp[−i2π(fxα+fyβ)]dαdβ=G(fx,fy)⋅H(fx,fy)
二、 F [ g ⋅ h ] = G ∗ H F[g\cdot h]=G*H F[g⋅h]=G∗H 的证明
F [ g ⋅ h ] = ∬ − ∞ ∞ g ( x , y ) ⋅ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ G ( f x , f y ) e x p [ i 2 π ( f x x + f y y ) ] d f x d f y ⋅ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) e x p [ i 2 π ( α x + β y ) ] d α d β ⋅ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] d x d y = ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) ∬ − ∞ ∞ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( f x x + f y y ) ] e x p [ i 2 π ( α x + β y ) ] d x d y d α d β = ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) ∬ − ∞ ∞ h ( x , y ) e x p [ − i 2 π ( ( f x − α ) x + ( f y − β ) y ) ] d x d y d α d β = ∬ − ∞ ∞ G ( α , β ) H ( f x − α , f y − β ) d α d β = G ( f x , f y ) ∗ H ( f x , f y ) \begin{equation*} \begin{aligned} F[g\cdot h] &=\iint_{-\infty}^{\infty}{g(x,y)\cdot h(x,y)}exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{G(f_x,f_y)exp[i2\pi(f_xx+f_yy)]}df_x df_y \cdot h(x,y) exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)exp[i2\pi(\alpha x+\beta y)]}d\alpha d\beta \cdot h(x,y) exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]}dxdy \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x,y) exp[-i2\pi (f_xx+f_yy)]exp[i2\pi(\alpha x+\beta y)]}dxdy }d\alpha d\beta \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)\iint_{-\infty}^{\infty}{h(x,y) exp[-i2\pi ((f_x-\alpha )x+(f_y-\beta)y)]}dxdy }d\alpha d\beta \\ &=\iint_{-\infty}^{\infty}{G(\alpha,\beta)H(f_x-\alpha,f_y-\beta)}d\alpha d\beta \\ &=G(f_x,f_y)*H(f_x,f_y) \end{aligned} \end{equation*} F[g⋅h]=∬−∞∞g(x,y)⋅h(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=∬−∞∞∬−∞∞G(fx,fy)exp[i2π(fxx+fyy)]dfxdfy⋅h(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=∬−∞∞∬−∞∞G(α,β)exp[i2π(αx+βy)]dαdβ⋅h(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]dxdy=∬−∞∞G(α,β)∬−∞∞h(x,y)exp[−i2π(fxx+fyy)]exp[i2π(αx+βy)]dxdydαdβ=∬−∞∞G(α,β)∬−∞∞h(x,y)exp[−i2π((fx−α)x+(fy−β)y)]dxdydαdβ=∬−∞∞G(α,β)H(fx−α,fy−β)dαdβ=G(fx,fy)∗H(fx,fy)
总结
第一个公式的证明利用了自变量 x , y x,y x,y的变换,第二个公式的证明利用了逆傅里叶变换和相移定理。