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数学 > 数值分析

arXiv:2510.14731 (math)
[提交于 2025年10月16日 ]

标题: 广义傅里叶级数:一种针对非周期函数的N log2(N)扩展,可消除吉布斯振荡

标题: Generalized Fourier Series: An N log2(N) extension for aperiodic functions that eliminates Gibbs oscillations

Authors:Narsimha Reddy Rapakaa, Mohamed Kamel Riahi
摘要: 本文介绍了广义傅里叶级数(GFS),这是一种新颖的谱方法,将经典的傅里叶级数扩展到非周期函数。 GFS通过将函数分解为周期性和非周期性分量,解决了非周期情况下出现的吉布斯现象和收敛性差等关键问题。 周期部分使用标准傅里叶模态表示,并通过快速傅里叶变换(FFT)高效计算。 非周期部分采用自适应、低秩的正弦函数,具有非谐波模式,动态调整以捕捉域边界处的不连续性和导数跳跃。 与传统傅里叶扩展方法不同, GFS在不需要计算域扩展的情况下实现高精度,提供了非周期函数的紧凑且高效的表示。 自适应低秩方法在确保精度的同时最小化计算开销,通常涉及非周期部分的额外复杂数值模式。 此外,GFS表现出高分辨率能力,在周期域中的自由度与FFT相当,并保持N log2(N)的计算复杂度。 通过数值实验验证了GFS的有效性,展示了其在非周期域中准确逼近函数及其导数的能力。 凭借其稳健的框架和最小的计算成本,GFS在数值偏微分方程、信号处理、机器学习和计算物理等应用领域具有显著潜力,为高精度函数逼近提供了一个稳健且高效的工具。
摘要: This article introduces the Generalized Fourier Series (GFS), a novel spectral method that extends the clas- sical Fourier series to non-periodic functions. GFS addresses key challenges such as the Gibbs phenomenon and poor convergence in non-periodic settings by decomposing functions into periodic and aperiodic com- ponents. The periodic part is represented using standard Fourier modes and efficiently computed via the Fast Fourier Transform (FFT). The aperiodic component employs adaptive, low-rank sinusoidal functions with non-harmonic modes, dynamically tuned to capture discontinuities and derivative jumps across domain boundaries. Unlike conventional Fourier extension methods, GFS achieves high accuracy without requiring compu- tational domain extensions, offering a compact and efficient representation of non-periodic functions. The adaptive low-rank approach ensures accuracy while minimizing computational overhead, typically involving additional complex modes for the aperiodic part. Furthermore, GFS demonstrates a high-resolution power, with degrees of freedom comparable to FFT in periodic domains, and maintains N log2(N) computational complexity. The effectiveness of GFS is validated through numerical experiments, showcasing its ability to approximate functions and their derivatives in non-periodic domains accurately. With its robust framework and minimal computational cost, GFS holds significant potential for advancing applications in numerical PDEs, signal processing, machine learning, and computational physics by providing a robust and efficient tool for high-accuracy function approximations.
主题: 数值分析 (math.NA)
引用方式: arXiv:2510.14731 [math.NA]
  (或者 arXiv:2510.14731v1 [math.NA] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2510.14731
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI(待注册)

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来自: Mohamed Kamel Riahi Dr. [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 10 月 16 日 14:28:03 UTC (2,988 KB)
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