Das Gibbs-Phänomen
Zusammenfassung. Approximiert man eine Funktion mit Sprungstelle durch die Partialsummen ihrer Fourier-Reihe, so schwingen diese neben dem Sprung über. Das Überschwingen wird mit wachsender Termzahl schmaler, aber nicht kleiner: Es strebt gegen etwa 8,95 % der Sprunghöhe. Wir leiten diese Konstante für die Rechteckschwingung exakt her, bestätigen sie numerisch und zeigen, dass Fejér-Mittel das Phänomen vollständig beseitigen.
1. Die Fourier-Reihe der Rechteckschwingung
Sei die -periodische Funktion mit für und für . Da ungerade ist, enthält ihre Fourier-Reihe nur Sinusterme, und eine kurze Rechnung ergibt
Wir bezeichnen mit
die Partialsumme aus den ersten nichtverschwindenden Termen. Nach dem Satz von Dirichlet konvergiert an jeder Stetigkeitsstelle gegen und an den Sprungstellen gegen den Mittelwert 0 der einseitigen Grenzwerte. Abbildung 1 zeigt jedoch, dass die Konvergenz in der Nähe der Sprünge alles andere als gleichmäßig ist.
2. Das Überschwingen
Satz 1. Das Maximum von auf wird an der Stelle angenommen, und es gilt
Beweis. Mit der Summenformel für Kosinusterme ist
Die kritischen Punkte in sind daher mit . Bei wechselt das Vorzeichen von nach , dort liegt also ein lokales Maximum; dass es das größte ist, folgt daraus, dass die Höhen der aufeinanderfolgenden Maxima zur Mitte des Intervalls hin abnehmen. Setzt man , so wird
Das ist eine Mittelpunktsumme für das Integral von über mit Schrittweite ; sie konvergiert gegen . ∎
Der Sprung von auf hat die Höhe 2, das Überschwingen beträgt . Das sind der Sprunghöhe. Dieselbe Konstante tritt bei jeder stückweise glatten Funktion an jeder Sprungstelle auf: Das Überschwingen beträgt dort asymptotisch
Die Zahlen bestätigen das: Das Maximum von beträgt 1,179 81 für , 1,179 07 für , 1,178 99 für und 1,178 98 für . Abbildung 2 zeigt, wie das Überschwingen mit wachsendem näher an den Sprung rückt, ohne niedriger zu werden.
Das Phänomen ist kein Widerspruch zur Konvergenz: gilt für jedes feste , und auch im quadratischen Mittel. Gleichmäßige Konvergenz ist dagegen ausgeschlossen, denn ein gleichmäßiger Grenzwert stetiger Funktionen wäre stetig, ist es aber nicht. Das Gibbs-Phänomen ist die konkrete Gestalt dieses Scheiterns.
3. Geschichte
Das Überschwingen wurde 1848 von Henry Wilbraham entdeckt und korrekt berechnet [1], blieb aber unbeachtet. Fünfzig Jahre später baute Albert Michelson einen mechanischen harmonischen Analysator, der bis zu 80 Fourier-Koeffizienten aufsummieren konnte. Er bemerkte das Überschwingen an Sprungstellen und hielt es zunächst für einen Fehler des Geräts. Josiah Willard Gibbs klärte die Frage 1898/99 in zwei Briefen an Nature [2]. Den Namen „Gibbs-Phänomen“ prägte Maxime Bôcher 1906 [3]. Die Geschichte der Entdeckung haben Hewitt und Hewitt aufgearbeitet [5].
4. Der Ausweg: Fejér-Mittel
Statt der Partialsummen selbst kann man ihre arithmetischen Mittel betrachten. Für eine -periodische Funktion mit Fourier-Partialsummen vom Grad ist das Fejér-Mittel
Es lässt sich als Faltung mit dem Fejér-Kern
schreiben, normiert auf .
Satz 2 (Fejér [4]). Ist stetig und -periodisch, so konvergiert gleichmäßig gegen . Ist beschränkt mit , so gilt auch für alle .
Der zweite Teil folgt unmittelbar daraus, dass ist: ist ein gewichteter Mittelwert von Werten der Funktion und kann deren Wertebereich nicht verlassen. Für die Rechteckschwingung gilt daher ; ein Überschwingen ist ausgeschlossen. Der Preis ist ein flacherer Anstieg am Sprung (Abbildung 3).
5. Bedeutung
Das Gibbs-Phänomen ist kein mathematisches Kuriosum. In der Signalverarbeitung erscheint es als Ringing: Wird ein Signal mit scharfen Kanten bandbegrenzt, also oberhalb einer Grenzfrequenz abgeschnitten, entstehen Überschwinger neben den Kanten. Dasselbe zeigt sich als Wellenartefakt an kontrastreichen Kanten in stark komprimierten Bildern und als Abbruchartefakt in der Magnetresonanztomographie. Gegenmittel sind, wie bei Fejér, Gewichtungen der hohen Frequenzen, die abrupte Abbrüche im Spektrum vermeiden.
Literatur
- H. Wilbraham: On a Certain Periodic Function. Cambridge and Dublin Mathematical Journal 3 (1848), 198–201.
- J. W. Gibbs: Fourier’s Series. Nature 59 (1898), 200, und Nature 59 (1899), 606.
- M. Bôcher: Introduction to the Theory of Fourier’s Series. Annals of Mathematics 7 (1906), 81–152.
- L. Fejér: Untersuchungen über Fouriersche Reihen. Mathematische Annalen 58 (1904), 51–69.
- E. Hewitt, R. E. Hewitt: The Gibbs–Wilbraham Phenomenon: An Episode in Fourier Analysis. Archive for History of Exact Sciences 21 (1979), 129–160.