近年来, 不确定原理引起了数学家的广泛注意, 并取得了进步.参考文献[1-4]都有关于不确定原理的研究.在时频分析里不确定原理又被称为时间带宽乘积定理, 是关于Fourier变换的一个基本叙述.最早提出解析信号不确定原理思想的是Gabor, 他给出了不确定原理的一个表达式[5]
其中$\sigma_{t}$和$\sigma_{\omega}$是信号$s(t)\in L^{2}(\mathbb{R} )$的持续时间和带宽, 定义如下
这里$\langle t\rangle$和$\langle \omega\rangle$分别是时间$ t $和Fourier频率$ \omega $的平均值, 定义为
这里$\hat{s}(\omega)$是$s(t)$的Fourier变换.
$s\in L^{1}(\mathbb{R} ^{n})$的Fourier变换是由以下公式定义的
Gabor给出的不确定原理是最简洁的形式但不是最好的. Leon Cohen在文献[6]中得到了一个更强的结果
其中
是信号$s(t)$的协方差[1], 这里的$s(t)$通常写成指数函数的形式: $s(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}$, $\rho(t)=|s(t)|$, $\varphi(t)$是实值函数, $\varphi'(t)$是$\varphi(t)$的经典导数.而参考文献[1]中得到了一个更强的结果
为了读者的方便, 在此我们给出本文所需要的一些记号.
设$f(t)\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n})$, $g=(g_{1}, g_{2}, \cdots, g_{n})\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n})$, 则有
以及
对于解析信号$s(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}\in L^{2}(\mathbb{R} )$定义了时间和频率的平均值以及它们的方差, 协方差$\langle t\rangle, \quad \langle \omega\rangle, \quad \sigma^{2}_{t}, \quad \sigma^{2}_{\omega}, \quad Cov.$现在我们将这些定义推广到$L^{2}(\mathbb{R} ^{n})$上.
定义2.1 设$f(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n})$.则有
其中$\hat{f}(\omega)$是函数$f(t)$的Fourier变换,
接下来, 我们介绍Heisenberg不确定原理, 它的物理背景是粒子的位置和动量不能同时被确定. Heisenberg不确定原理是量子力学最基本的一个结果.以下定理就是Heisenberg不确定原理的数学表达式.
定理2.1[2] 设$f\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}).$其中$x_{0}, \xi_{0}\in \mathbb{R} ^{n}$.则有
等号成立当且仅当$f(x)=c{\rm e}^{2\pi {\rm i}x\cdot\xi_{0}}{\rm e}^{-\alpha|x-x_{0}|^{2}/2}, $其中$\alpha>0$以及$c\in {\Bbb C}.$
在本文中, 我们得到了比Heisenberg不确定原理更强的结果, 要证明本文的结果我们需要以下引理.
引理2.1 设$f(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n})$, 如果$\nabla \rho(t)$几乎处处存在, 并且$\nabla \rho(t)\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}).$则有
证 由以上记号计算可得
由上式并运用分部积分可得
故有
引理2.1证毕.
引理2.2 设$f(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}), \|f\|^{2}=1.$假设$\nabla\rho(t), \nabla\varphi(t), \nabla f(t)$几乎处处存在, 并且$\frac{\partial f(t)}{\partial t_{k}}\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}), \ k=1, 2, \cdots, m$.则有
证 令
则$\langle t\rangle_{g}=0, \langle\omega\rangle_{g}=0, \|g\|^{2}=\|f\|^{2}$, 并且有
于是有
因此有
引理2.2证毕.
有了以上两个引理, 我们就可以得到下面的定理.
定理2.2 假设$f(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}), \|f\|^{2}=1, $ $\nabla\rho(t), \nabla\varphi(t)$, $\nabla f(t)$几乎处处存在, 并且$\frac{\partial f}{\partial t_{k}}, t_{k} f(t)\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}), \ k=1, 2, \cdots, n$. 则有
如果$\frac{\partial\varphi}{\partial t_{k}}, \ k=1, 2, \cdots, n.$是连续的且$\rho(t)$几乎处处不为$0$, 则等号成立当且仅当$f(t)$为下面$2^{n}$种情况的一种
其中$\lambda_{1}>0, \ \lambda_{2}>0, \ l_{k}\in{\Bbb N}_{+}$, 并且$d_{1}, \lambda_{1}$满足$d_{1}^{\frac{2}{n}}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda_{1}}}=1.$
证 我们同样令
由引理2.2可得
因此要证明此定理, 我们可以分两部分来证明
和
第一个不等式证明如下:有Cauchy-Schwarz不等式和引理2.1可得
有Hölder不等式可以得到第二个不等式
结合$I_{1}$和$I_{2}$可得
由于
所以有
接下来我们讨论等式成立的条件, 注意到定理2.1等式成立当且仅当$I_{1}$和$I_{2}$均成为等式.而$I_{1}$等式成立当且仅当$(2.1)$和$(2.2)$式同时成为等式.而$(2.1)$等式成立当且仅当存在$\lambda_{1}\in \mathbb{R}, \lambda_{1}>0, $使得对任意的$t\in \mathbb{R} ^{n}$有
也就是
其中$ k=1, 2, \cdots, n.$
由于$t\circ\rho_{1}(t)$和$\nabla\rho_{1}(t)$都是向量, (2.2)等式成立当且仅当$t\circ\rho_{1}(t)$和$\nabla\rho_{1}(t)$的所有分量同时有相同或相反的符号.若$t\circ\rho(t)$和$\nabla\rho(t)$的所有分量同时有相同的符号, 则有
由此可得
显然, $\rho_{1}(t)=d{\rm e}^{\lambda_{1}|t|^{2}/2}$不属于$L^{2}(\mathbb{R} ^{n}).$因此, $t\circ\rho_{1}(t)$和$\nabla\rho_{1}(t)$的所有分量不可能同时是相同的符号, 只能是所有分量的符号同时相反, 因此有
由于我们假设$\|f\|^{2}=1, $所以$d_{1}, \lambda_{1}$需满足$d_{1}^{\frac{2}{n}}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda_{1}}}=1.$
$I_{2}$成为等式当且仅当$(2.3)$式成为等式.而$(2.3)$式成为等式等价于存在$\lambda_{2}>0$使得
在$\rho_{1}(t)$几乎处处不为0和$\frac{\partial\varphi_{1}}{\partial t_{k}}$连续的条件下, 我们有
解(2.4)式, 直接去绝对值可得
解常微分方程可得
(2.5)式去绝对值同样有两种情况
将$(2.4)$式得到的$\varphi_{1}(t)$分别代入这两种情况我们可以得到
同样将得到的$\varphi_{1}(t)$代入(2.5)式可得
或
依次类推当$k=n$时
其中$l_{k}\in{\Bbb N}_{+}$ $k=1, 2, \cdots n$. $\varphi_{1}(t)$有$2^{n}$中情况, 结合$\rho_{1}(t)$可得
其中$\lambda_{1}>0, \ \lambda_{2}>0, \ l_{k}\in{\Bbb N}_{+}, d^{\frac{2}{n}}_{1}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda_{1}}}=1$.
由于$f(t)=g(t-\langle t\rangle){\rm e}^{2\pi {\rm i}(t-\langle t\rangle) \langle\omega\rangle}, $所以定理2.1的等式成立当且仅当$f(t)$下面$2^{n}$种情况的一种.
其中$\lambda_{1}>0, \ \lambda_{2}>0, \ l_{k}\in{\Bbb N}_{+}, d^{\frac{2}{n}}_{1}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda_{1}}}=1$.定理2.2证毕.
有了定理$2.2$可以得到下面的推论.
推论2.1 假设$f(t)=\rho(t){\rm e}^{{\rm i}\varphi(t)}\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}), \|f\|^{2}=1, $ $\nabla\rho(t), \nabla\varphi(t)$ , $\nabla f(t)$几乎处处存在, 并且$\frac{\partial f}{\partial t_{k}}, t_{k} f(t)\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n}), \ k=1, 2, \cdots, n$.则有
如果$\frac{\partial\varphi}{\partial t_{k}}$ $k=1, 2, \cdots, n$是连续的且$\rho(t)$几乎处处不为0, 则等式成立当且仅当
其中$\lambda_{1}, \lambda_{2}\in \mathbb{R}, $ $\lambda_{1}>0, \lambda_{2}>0, $并且$d_{1}, \lambda_{1}$满足$d_{1}^{\frac{2}{n}}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda_{1}}}=1.$
证 不失一般性不妨假设$\langle t \rangle=0$, $\langle\omega\rangle=0$. 由引理2.2可得
因此我们也分两部分来证明此推论.
由定理2.2的证明过程可知, 第一个不等式成立.并且等号成立当且仅当
其中$\lambda_{1}\in \mathbb{R}, \lambda_{1}>0, $并且$d_{1}, \lambda_{1}$, 需满足$d_{1}^{\frac{2}{n}}\sqrt{\frac{\pi}{\lambda_{1}}}=1.$
由Hölder不等式可得第二个不等式
下面讨论等号成立的条件, 我们只需考虑$(2.8)$式成为等式的情况而$(2.2)$式等号成立当且仅当$t$和$\nabla\varphi$所有分量同时有相同或相反的符号.再结合定理2.2中$I_{2}$的讨论可得:若$t$和$\nabla\varphi$所有分量同时有相同的符号则有
如果$t$和$\nabla\varphi$有相反的符号则有
因此当$\varphi(t)=\frac{1}{2}\lambda_{2}|t|^{2}+c_{2}$时, 有
当$\varphi(t)=-\frac{1}{2}\lambda_{2}|t|^{2}+c_{3}$时, 有
最后, 对$f(t)\in L^{2}(\mathbb{R} ^{n})$, 令$g(t)={\rm e}^{-2\pi {\rm i}(t+\langle t\rangle)\cdot\langle\omega\rangle}f(t+\langle t\rangle), $则有
并且有$\|g\|^{2}=\|f\|^{2}, Cov_{g}=Cov_{f}$.
因此推论2.1等式成立当且仅当$f(t)$是下面两种形式中的一种,
推论2.1证毕.