[PDF] Outils Mathématiques pour linformatique





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LICENCE MENTION : Physique Chimie - 2M2E ANNEE : L1

UE. P. 1. : P. A. RCO. UR. S. FO. RMA. TION. P. RA. TIQUE. 631P : FORMATION PRATIQUE. 100. 100. 2. 1. 4. UE. P. 2. : P. A. RCO. UR. S. STA. G. E P. ROF. 641P : 



TRIGONOMÉTRIE (Partie 1)

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Algorithme transform´ee de Fourier rapide. 7. Applications (tatouage d'images compression

Outils Math. pour l'info. - Licence 3 - IEM - Ann´ee

2007/2008

Outils Math´ematiques pour l'informatique

Jean-Luc Baril

Universit

´e de Bourgogne

Labo. Le2i, UMR-CNRS 5158

http://www.u-bourgogne.fr/jl.baril

September 24, 2007

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Th´eorie de Fourier

Fonction (signal)`a une dimension

D´efinition

Une fonctiongest p´eriodique s'il existeTtel que : g(t+T) =g(t)pour toutt. La plus petite constante non nulleTv´erifiant l'´egalit´e ci-dessus s'appelle la p

´eriode de la fonction.

Exemples :sin, cos, tan, ...

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

3. Th´eorie de Fourier

Exemple :Sin et Cos ont une p´eriode de 2π

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

3. Th´eorie de Fourier

Fonction de Dirac:δ(t) =0?t?=0 andδ(0) =1

Peigne de Dirac:δT(t) =k=+∞?

k=-∞δ(t-kT)

0 T2T3T-T-2T

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

3.1 S´eries de Fourier

Soitgune fonction p´eriodique de p´eriodeTalors on d´efinit la s

´erie de Fourier:

S n(t) =a0+n? k=1(akcos(2kπt

T) +bksin(2kπtT))

avec ?a 0=1 TT 2? T

2g(t)dt

a k=2 TT 2? T

2g(t)cos(2kπt

T)dt b k=2 TT 2? T

2g(t)sin(2kπt

T)dt Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Vocabulaire

Fr´equence fondamentale :f0=1TValeur moyenne du signal :a0 k-i `eme harmonique :2kπ

T=2kπf0

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Th´eor`eme de Dirichlet

Sigest p´eriodique etC1par morceaux, AlorsSn(t)tend vers 1

2(g(t+) +g(t-))

avec? t+=limx→tg(t)avecx>t t -=limx→tg(t)avecxExpression r´eelle a0+∞? k=1(akcos(2kπtT) +bksin(2kπtT) = 1

2(g(t+) +g(t-)) =limn→∞Sn(t)

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Propri´et´es des coefficients

*gpaire :g(-t) =g(t)?t

On a :bk=0 pour toutk

*gimpaire :g(-t) =-g(t)?t

On a :ak=0?k

*g"demi-ondes" :g(t) =-g(-t+T 2)?t

On a :a2k=b2k=0?k≥0

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Exemple

g(t) =5-10 Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Expression complexe

c0++∞? k=-∞c k.exp(2ikπtT) = 1

2(g(t+) +g(t-)) =limn→∞Sn(t)

avec???c 0=a0 c k=1

2(ak-i.bk)sik>0

c k=1

2(ak+i.bk)sik<0

Propri

´et´e:c-k=¯cket donc|c-k|=|ck|.

Spectre d'amplitude:

0f0

2f03f0kf0-kf0-f0|C0|

|C1| |c2| |ck| |ck| Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Interpr´etation spectre

Exemple:Spectre d'amplitude de la fonction de 1

Exemple:Spectre d'amplitude de la fonction peigne

0 T2T3T-T-2T

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique Remarque :Le spectre mesure les variations du signal dans le temps Si le signal n'est pas´etendu (irr´egulier) dans le domaine temporel, alors le spectre du signal poss `ede des hautes fr

´equences

Si le signal est´etendu (r´egulier) dans le domaine temporel, alors le spectre du signal a tr `es peu de hautes fr´equences Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique Puissance transport´e par une fonction p´eriodique Pest la puissance moyenne d´elivr´ee parg(t)`a une r´esistance de 1 Ohm P=1 TT 2? T

2g(t)2dt

Th´eor`eme de Parseval

P=1TT 2? T

2g(t)2dt

=a02+1

2∞

k=1(ak2+bk2) =+∞? -∞?ck?2 Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

POUR LES SIGNAUX NON PERIODIQUES

Transform´ee de Fourier

Directe :

g(f) =F(g(t)) =+∞? -∞g(t)exp(-2iπft)dt

Inverse :

F ?(g(f)) =g(t) =+∞? -∞ˆg(f)exp(2iπft)df

Condition suffisante d'existence

g(t)dt<+∞ Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Propri´et´es

Lin´earit´e :

F(a.g(t) +b.h(t)) =a.ˆg(f) +b.ˆh(f)

Similarit

´e :

F(g(a.t)) =1

|a|ˆg(fa) Sym

´etrie :

F(ˆg(t)) =g(-f)

D

´ecalage temporaire :

F(g(t-t0)) =exp(-2iπft0)ˆg(f)

D

´ecalage fr´equentiel :

F(g(t)exp(2iπf0t)) =ˆg(f-f0)

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Exemples

Transform´ee de l'impulsion de Dirac :

F(δ(t)) =1

Transform

´ee d'une constante :

F(Cste) =cste.δ(f)

Transform

´ee deexp(2iπf0t):

F(exp(2iπf0t)) =δ(f-f0)

Transform

´ee decos(2πf0t):

F(cos(2iπf0t)) =1

2(δ(f-f0) +δ(f+f0))

Transform

´ee desin2f t:

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Transform´ee bidimensionnelle

Directe :

F(g(x,y)) =ˆg(u,v)

-∞g(x,y)exp(-2iπ(ux+vy))dxdy

Inverse :

F?(ˆg(u,v)) =g(x,y)

-∞ˆg(u,v)exp(2iπ(ux+vy))dudv Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Transform´ee de Fourier discr`ete

On ´echantillonne la fonctiongen choisissantNpoints equir´epartisx0,x1,...,xN-1. xk=x0+kΔx Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Transform´ee Discr`ete (1D)

Directe :

ˆg(u) =F(g(x)) =N-1?

x=0g(x)exp(-2iπuxN)avecu=0..N-1

Inverse :

F?(ˆg(u)) =g(x) =N-1?

u=0ˆg(u)exp(2iπuxN)avecx=0..N-1

On peut toujours calculer la transform

´ee de Fourier discr`ete

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Transform´ee discr`ete 2D

Directe :

F(g(x,y)) =ˆg(u,v)

M-1? x=0N-1? y=0g(x,y)exp(-2iπ(ux

M+vyN))

Inverse :

F?(ˆg(u,v)) =g(x,y)

M-1? u=0N-1? v=0ˆg(u,v)exp(2iπ(ux

M+vyN))

Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Transform´ee en cosinus discr`ete 2D

Directe :

F(g(x,y)) =ˆg(u,v)

M-1? x=0N-1? y=0g(x,y)cos((2x+1)uπ

2M)cos((2y+1)vπ2N)

Inverse :

F?(ˆg(u,v)) =g(x,y)

M-1? x=0N-1? y=0ˆg(u,v)cos((2x+1)uπ

2M)cos((2y+1)vπ2N)

Application dans la compression d'image (fichier jpeg par exemple) Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Transform´ee discr`ete 2D

Exemple:

F(g(x,y)) =ˆg(u,v)

M-1? x=0N-1? y=0g(x,y)exp(-2iπ(ux

M+vyN))

avecM=N=2 etg(x,y) =?0 11 0? Jean-Luc BarilOutils Math´ematiques pour l'informatique

Spectre d'une Transform´ee discr`ete 2D

0 10 20 30
40
500
10 20 30
40
50
0 200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
Image assez r´eguli`ere donc on a des basses fr´equences et pasquotesdbs_dbs47.pdfusesText_47
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