分離變數法與傅立葉級數
吉布斯現象(Gibbs phenomenon)
/ Gibbs: as written /
把一個帶突然跳躍的函數(譬如方波)的傅立葉級數加進越來越多項,你會注意到某種頑固的東西。緊鄰跳躍處,部分和總是過衝,越過真實值竄成一個小尖峰,然後以越來越小的擺動振鈴。你或許以為加項會把過衝縮減到零。並不會。隨著加項,尖峰變得更「窄」,但它的「高度」頑固地拒絕降到某個固定比例以下。這個揮之不去的過衝就是吉布斯現象。
定量地說,無論你保留多少項,過衝都安定在跳躍幅度約 9% 的水準——大約是缺口的 0.0895 倍。尖峰越擠越靠近跳躍,佔據越來越薄的一條,所以在均方(能量)意義下它確實消失:它對總平方誤差的貢獻趨於零。但在逐點最大值的意義下它永不消失。它不是數值錯誤,也不是你算錯的徵兆——它是用平滑的波逼近不連續函數的本質特徵。
直觀是:正弦與餘弦的有限和是完全平滑的,而一條平滑曲線就是無法瞬間轉過一個尖角。要模仿垂直跳躍,它必須衝過頭再盪回來,像一輛過彎太快的車。吉布斯振鈴出現在凡是跳躍遇上截斷展開之處——影像壓縮(JPEG 邊緣周圍的振鈴)、音訊、以及偏微分方程的譜數值方法,在那裡它限制了震波與不連續附近的精度。把截斷平滑化(濾波)能馴服它,代價是模糊了跳躍。
把方波傅立葉級數的前 50 項加起來作圖。緊鄰每個跳躍,你會看到一個尖峰升到平頂上方約 9%,後面跟著衰減的漣漪。推到 500 項:尖峰把自己釘得更貼近跳躍並變細,但它的峰頂仍高出約 9%——過衝的高度被鎖死,只有寬度縮小。
更多項使過衝變窄,卻永不能把它降到跳躍幅度約 9% 以下。
吉布斯過衝「不」與收斂矛盾。級數仍逐點收斂(在跳躍處收斂到中點)並均方收斂;過衝只是遷移到越來越薄的區域,所以作為最大值它永不趨零,但作為面積它確實消失。
又稱
另見