如何通俗易懂地解釋卷積?

2022-09-14 08:42:11 字數 1602 閱讀 1375

卷積這個概念,很早以前就學過,但是一直沒有搞懂。教科書上通常會給出定義,給出很多性質,也會用例項和圖形進行解釋,但究竟為什麼要這麼設計,這麼計算,背後的意義是什麼,往往語焉不詳。乙個公式倘若倘若給不出結合實際的直觀的通俗的解釋(也就是背後的「物理」意義),就覺得少了點什麼,覺得不是真的懂了。

教科書上一般定義函式  $f, g$  的卷積  $f * g(n)$  如下:

連續形式:

$(f * g)(n)=\int_^ f(\tau) g(n-\tau) d \tau$

離散形式:

$(f * g)(n)=\sum_^ f(\tau) g(n-\tau)$

這兩個式子有乙個共同的特徵:

$n=\tau+(n-\tau)$

這個特徵有什麼意義?

我們令  $x=\tau, y=n-\tau $  ,那麼  $x+y=n $  就是下面這些直線: 

如果遍歷這些直線,就好比,把毛巾沿著角卷起來:

離散卷積的例子:丟骰子

我有兩枚骰子,把這兩枚骰子都丟擲去,求兩枚骰子點數加起來為 4 的概率是多少? 

這裡問題的關鍵是,兩個骰子加起來要等於 4,這正是卷積的應用場景。

我們把骰子各個點數出現的概率表示出來:

那麼,兩枚骰子點數加起來為4的情況有:

因此,兩枚骰子點數加起來為4的概率為:

$f(1) g(3)+f(2) g(2)+f(3) g(1)$

符合卷積的定義,把它寫成標準的形式就是:

$(f * g)(4)=\sum \limits_^ f(4-m) g(m)$

連續卷積的例子:做饅頭

樓下早點鋪子生意太好了,供不應求,就買了一台機器,不斷的生產饅頭。

假設饅頭的生產速度是  $f(t)$ ,那麼一天後生產出來的饅頭總量為:

$\int_^ f(t) d t$

饅頭生產出來之後,就會慢慢腐敗,假設腐敗函式為 g(t) ,比如,10個漫頭,24小時會腐敗:

$10 * g(t)$

想想就知道,第乙個小時生產出來的饅頭,一天後會經歷24小時的腐敗,第二個小時生產出來的饅 頭,一天後會經歷 23 小時的腐敗。

如此,我們可以知道,一天後,饅頭總共腐敗了:

$\int_^ f(t) g(24-t) d t$

這就是連續的卷積。

通俗易懂的解釋卷積

著作權歸作者所有。有那麼麻煩嗎?不推薦用 反轉 翻轉 反褶 對稱 等解釋卷積。好好的訊號翻轉了是什麼意義?導致學生難以理解卷積的物理意義。國內的大多數教材在這一點上沒有講透。直接看圖,不信看不懂。以離散訊號為例,連續訊號同理。就四個字 平移 可沒有反褶哈 疊加。從這裡,可以看到卷積的重要的物理意義是...

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