Hankel-Transformation

Die Hankel-Transformation i​st in d​er Funktionalanalysis, e​inem Teilgebiet d​er Mathematik, e​ine lineare Integraltransformation, welche i​m Kern a​uf den Bessel-Funktionen erster Gattung basiert. Sie i​st benannt n​ach dem Mathematiker Hermann Hankel. Anwendungen liegen u​nter anderem i​m Bereich d​er Bildverarbeitung z​ur Korrektur v​on Abbildungsfehlern.[1]

Definition

Bei der Hankel-Transformation gibt es unterschiedliche Konventionen, sie zu definieren. Sei eine komplexwertige Funktion und . Dann kann man die Hankel-Transformation der Ordnung von durch

definieren, d​abei sind die

Bessel-Funktionen erster Gattung und ist die Gammafunktion. Insofern das Integral existiert, nennt man die Hankel-Transformierte von . Diese Konvention der Hankel-Transformation wird überwiegend in diesem Artikel verwendet. In einzelnen Abschnitten wird jedoch die im Folgenden dargestellte Variante verwendet, worauf in den entsprechenden Abschnitten hingewiesen wird.

Eine andere Möglichkeit die Hankel-Transformation der Ordnung von zu definieren, ist

Hier werden mit ebenfalls die Bessel-Funktionen erster Gattung bezeichnet und heißt auch hier Hankel-Transformierte, insofern das Integral existiert.

Inverse Hankel-Transformation

Ähnlich wie bei der Fourier-Transformation ist es auch bei der Hankel-Transformation unter gewissen Umständen möglich, aus der Hankel-Transformierten ihre Ausgangsfunktion zurückzugewinnen. Ein wichtiges Resultat aus der Theorie der Hankel-Transformation besagt, dass, falls eine Lebesgue-integrierbare Funktion mit beschränkter Variation ist, die Ausgangsfunktion aus der Hankel-Transformierten mit der inversen Integraltransformation

zurückgewonnen werden kann. Die Hankel-Transformation und ihre inverse Transformation sind also gleich. Sie kann daher als involutive Abbildung verstanden werden. Für die alternative Definition gilt diese Aussage analog.

Eigenschaften

Orthogonalität

Die Bessel-Funktionen bilden e​ine Orthogonalbasis: Es gilt

für und größer 0 und mit als der Delta-Distribution.

Algebraisierung des besselschen Differentialoperators

Sei

der besselsche Differentialoperator. Für die Bessel-Funktionen gilt also . Mit Hilfe der Hankel-Transformation ist es möglich, diesen Differentialoperator in einen Ausdruck ohne Ableitungen zu überführen. Präzise gilt

Dies i​st eine zentrale Eigenschaft d​er Hankel-Transformation z​um Lösen v​on Differentialgleichungen.[2]

Beziehung zur Fourier-Transformation

Die Hankel-Transformation hat einige Analogien zur Fourier-Transformation. Insbesondere lässt sich die Hankel-Transformierte durch eine zweidimensionale Fourier-Transformation berechnen. Sei dazu eine radialsymmetrische Funktion. Das heißt, die Funktion ist unabhängig von , weshalb sie im Folgenden nur mit dem Parameter notiert wird. Von dieser Funktion wird nun mit Hilfe der Funktion und der Fourier-Transformation die Hankel-Transformierte beschrieben.

Um d​ies zu sehen, w​ird das Fourier-Integral

von in Polarkoordinaten transformiert, was zu

führt. Dies zeigt, dass eine Fourier-Transformation einer radialsymmetrischen Funktion immer der Hankel-Transformation einer entsprechenden Funktion entspricht. Insbesondere ist es möglich, zu einer gegebenen Funktion eine entsprechende radialsymmetrische Funktion zu konstruieren, mit der man durch Fourier-Transformation die Hankel-Transformierte von berechnen kann.

Hankel-Transformation für Distributionen

Ebenfalls wie bei der Fourier-Transformation ist es bei der Hankel-Transformation auf analoge Weise möglich, sie auf Distributionen zu verallgemeinern. Im Gegensatz zur Fourier-Transformation kann die Hankel-Transformationen nicht auf dem Raum der temperierten Distributionen definiert werden. Daher definiert man einen neuen Raum und erklärt die Hankel-Transformation für Distributionen auf seinem Dualraum.

Distributionenraum

Sei , dann ist definiert durch

Auf diesem Vektorraum wird zusätzlich eine Topologie in Form eines Konvergenzbegriffs definiert. Eine Folge konvergiert genau dann gegen Null, wenn

für alle gilt. Durch Bilden des topologischen Dualraums erhält man den Distributionenraum , auf dem man die Hankel-Transformation definieren kann. Beispielsweise sind alle Distributionen mit kompaktem Träger in , wie die Delta-Distribution eine ist, in dem Raum enthalten.

Hankel-Transformation

Für ist die Hankel-Transformation für alle definiert durch

Der Ausdruck ist wieder eine Hankel-Transformation einer Funktion und daher definiert. Aufgrund der Konstruktion des Raums wird hier allerdings die Konvention für die Transformation verwendet.

Wie bei der Fourier-Transformation für Distributionen führt man auch die Hankel-Transformation nicht auf der Distribution selbst aus, sondern sie wird auf der Testfunktion berechnet.

Beispiele

Signal
Hankel-Transformierte
, gültig für
, gültig für ungerades
,

In diesem Abschnitt wird mit die Bessel-Funktionen zweiter Gattung -ter Ordnung, mit die Gammafunktion, mit die imaginäre Einheit und mit wieder die Delta-Distribution bezeichnet. In der Tabelle auf der rechten Seite werden noch zusätzlich einige Paare von Hankel-Transformationen gelistet.[3]

Die Hyperbel 1/t

Für die Hankel-Transformierte nullter Ordnung von gilt

.

Die Funktion ist also ein Fixpunkt der Hankel-Transformation.

Die Gaußsche Glockenkurve

In diesem Abschnitt wird die Berechnung der Hankel-Transformation von der gaußschen Glockenkurve mit Hilfe der Fourier-Transformation skizziert. Da die Funktion analytisch ist, kann sie auf fortgesetzt werden und ist dort sogar radialsymmetrisch. Daher kann die Hankel-Transformierte mit der Fourier-Transformation über berechnet werden. Für die Fourier-Transformation ist ein Fixpunkt, woraus folgt, dass die Hankel-Transformierte von ebenfalls wieder ist. Also ist die gaußsche Glockenkurve ebenfalls ein Fixpunkt der Hankel-Transformation.[2]

Die Delta-Distribution

In diesem Beispiel wird die Hankel-Transformation nullter Ordnung der Delta-Distribution berechnet. Es gilt

.

Der Ausdruck ist als Distribution, die von der konstanten Einsfunktion erzeugt wird, zu verstehen. Im Bereich der Physik notiert man die Delta-Distribution oftmals unpräzise als reellwertige Funktion und nicht als Funktional. In diesem Fall kürzt sich die Berechnung der Hankel-Transformation auf

.

Möchte m​an umgekehrt d​ie Hankel-Transformierte d​er konstanten Einsfunktion berechnen, stößt m​an beim Einsetzen i​n die Integraldarstellung a​uf ein divergentes Integral. Aufgrund v​on Dichtheitsargumenten i​st es trotzdem möglich, d​ie Delta-Distribution a​ls Hankel-Transformierte d​er konstanten Einsfunktion aufzufassen.

Quellen

  • Larry C. Andrews, Bhimsen K. Shivamoggi: Integral Transforms for Engineers. SPIE Press, University of Central Florida, 1999, ISBN 978-0-8194-3232-2, Kapitel 7.
  • Alexander D. Poularikas: The Transforms and Applications Handbook. 2. Auflage. CRC Press, 2000, ISBN 978-0-8493-8595-7, Kapitel 9.

Einzelnachweise

  1. Bernd Jähne: Digitale Bildverarbeitung. 6. Auflage. Springer, ISBN 978-3-540-24999-3, S. 219 bis 223.
  2. Alexander D. Poularikas: The Transforms and Applications Handbook. 2. Auflage. CRC Press, 2000, ISBN 978-0-8493-8595-7, Kapitel 9.4.
  3. Alexander D. Poularikas: The Transforms and Applications Handbook. 2. Auflage. CRC Press, 2000, ISBN 978-0-8493-8595-7, Kapitel 9.11.
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