傅立葉變換與積分變換

梅林變換

/ MEL-in /

傅立葉變換是圍繞平移建立的:它回答你把一個函數沿軸滑動時會發生什麼,並把平移變成相位。但有些問題關乎的是縮放而非滑動——關乎放大和縮小,關乎在零附近與在無窮附近的行為。梅林變換之於縮放,正如傅立葉變換之於平移;它把拉伸一個函數的操作變成乘法,是冪律行為的天然語言。

f(x) 的梅林變換是 F(s) = 從 0 到無窮的 f(x) x^{s minus 1} dx,其中 s 是複數。核 x^{s minus 1} 是 x 的一個冪,而冪正是縮放的本徵函數:把 x 換成一個常數乘以 x,只會提出一個冪,所以對輸入的縮放就變成輸出上的一個簡單因子。它有一層近親關係:代換 x = e^{minus t} 把梅林變換變成雙邊拉普拉斯變換,再轉一次又把它與傅立葉變換聯繫起來——三者是同一台機器,分別從加性(傅立葉、拉普拉斯)與乘性(梅林)坐標看過去。該變換存在於複 s 平面上的一條豎直帶內,相當於收斂域,由 f 在 0 處與無窮處的行為確定。

它的長處恰好在縮放當家的地方。它是 gamma 函數背後的變換(e^{minus x} 的梅林變換正是 Gamma(s))和黎曼 zeta 函數背後的變換,是提取一個積分在參數趨於 0 或無窮時的漸近展開的標準工具(梅林-巴恩斯積分,而 F(s) 的留數讀出漸近項),也是求解具有標度不變的歐拉-柯西結構的微分方程的恰當變換。在應用中,它出現在算法分析、具有冪律或自相似行為的問題,以及通過關於 s 的解析延拓對某些看似發散的級數求和之中。

e^{minus x} 的梅林變換是 從 0 到無窮的 e^{minus x} x^{s minus 1} dx = Gamma(s)——這個積分正是 gamma 函數的定義,所以 gamma 函數實際上就是一個梅林變換。

gamma 函數就是衰減指數的梅林變換——是標度變換核 x^{s-1} 最乾淨的例證。

梅林變換只活在它積分收斂的那條豎直帶上,這條帶由函數在 0 處和無窮處的增長確定;引用一個梅林變換卻不給出那條帶,就像引用一個拉普拉斯變換卻不給出它的收斂域一樣殘缺。

又稱
scale transform标度变换標度變換multiplicative Fourier transform