تبدیل ملین (Mellin Transform) – از صفر تا صد

مجید عوض زاده
مجید عوض زاده
۱۴۰۲/۰۲/۳۰
۱۱ دقیقه
۸۷۹
آموزش متنی جامع
در مطالب گذشته وبلاگ فرادرس در مورد تبدیل لاپلاس و تبدیل فوریه بحث شد. از این رو در این مطلب قصد داریم تا در مورد نوعی از تبدیل انتگرالی صحبت کنیم که می‌توان آن را تبدیل لاپلاسی دوطرفه در نظر گرفت. این تبدیل تحت عنوان تبدیل ملین (Mellin Transform) شناخته می‌شود. در این مطلب در ابتدا شکل کلی این تبدیل را تعریف کرده، سپس کاربرد‌های آن را توضیح می‌دهیم.
تبدیل ملین (Mellin Transform) – از صفر تا صد
997696

تبدیل ملین

در ریاضیات، تبدیل ملین یک تبدیل انتگرالی است که می‌تواند به عنوان ورژن چندگانه تبدیل لاپلاس دو طرفه در نظر گرفته شود. این تبدیلِ یکپارچه به سری دیریکله نزدیک بوده و اغلب در نظریه اعداد، آمار، ریاضی و بسط مجانبی از آن استفاده می‌شود. تبدیل ملین تابعی همچون ff مطابق با رابطه زیر بدست می‌آید.

{Mf}(s)=φ(s)=∫0∞xs−1f(x) dx{ \displaystyle \left \{ { \mathcal { M } } f \right \} ( s ) = \varphi ( s ) = \int _ { 0 } ^ { \infty } x ^ { s - 1 } f ( x ) \, d x }

از این رو تبدیل معکوس تابع φ\varphi نیز برابر است با:

{M−1φ}(x)=f(x)=12πi∫c−i∞c+i∞x−sφ(s) ds‌\left \{ \mathcal { M } ^ { - 1 } \varphi \right\} ( x ) = f ( x ) = \frac { 1 } { 2 \pi i} \int _ { c - i \infty } ^ { c + i \infty } x ^ { - s } \varphi ( s ) \, d s‌

نماد‌گذاری فوق نیز نشان می‌دهد که انتگرال گرفته شده در صفحه مختلط، در راستای عمودی است (توجه داشته باشید که ii نشان‌دهنده بخش مختلط عدد است). تبدیل ملین ارتباط نزدیکی با دیگر تبدیلات ریاضی همچون تبدیل لاپلاس و تبدیل فوریه دارد. تبدیل لاپلاس دوسویه یا دوطرفه را می‌توان مطابق با رابطه زیر بر حسب تبدیل ملین بیان کرد:

{Bf}(s)={Mf(−ln⁡x)}(s)\left \{ \mathcal { B } f \right \} ( s ) = \left \{ \mathcal { M } f ( - \ln x) \right \} ( s )

همچنین با استفاده از رابطه زیر می‌توان تبدیل ملین را به لاپلاس دوطرفه تبدیل کرد.

{Mf}(s)={Bf(e−x)}(s)\left \{ \mathcal { M } f\right \} ( s ) = \left \{ \mathcal { B } f ( e ^ { - x } ) \right \} ( s )

به‌منظور درک بهتر در مورد نحوه محاسبه تبدیل ملین، تابع زیر را در نظر بگیرید.

f(x)=e−x{ \displaystyle f ( x ) = e ^ { - x } }

با توجه به رابطه ارائه شده در بالا، تبدیل ملین این تابع برابر است با:

Γ(s)=∫0∞xs−1e−xdx{ \displaystyle \Gamma ( s ) = \int _ { 0 } ^ { \infty } x ^ { s - 1 } e ^ { - x } d x }

در رابطه فوق Γ(s){\displaystyle \Gamma ( s ) }، نشان‌دهنده تابع گاما است. هم‌چنین این تابع، تابعی مرومورفیک محسوب می‌شود که قطب‌های آن برابر با z=0,−1,−2,…{\displaystyle z = 0 , - 1 , - 2 , \dots } هستند. از این رو می‌توان گفت Γ(s){\displaystyle \Gamma ( s ) } به ازای ℜ(s)>0{\displaystyle \Re (s)>0} تابعی تحلیلی محسوب می‌شود. در نتیجه با فرض c>0{\displaystyle c > 0 } و y−s{\displaystyle y ^ { - s } } روی شاخه اصلی، تبدیل معکوس را می‌توان به‌شکل زیر بیان کرد:

e−y=12πi∫c−i∞c+i∞Γ(s)y−s  ds{ \displaystyle e ^ { - y } = { \frac { 1 } { 2 \pi i } } \int _ { c - i \infty } ^ { c + i \infty } \Gamma ( s ) y ^ { - s } \; d s }

انتگرال فوق تحت عنوان انتگرال کاهن-ملین نیز شناخته می‌شود. هم‌چنین از آنجایی که ∫0∞xadx{ \displaystyle \int _ { 0 } ^ { \infty } x ^ { a } d x } به ازای تمامی مقادیر a∈R{ \displaystyle a \in \mathbb { R } } الزاما همگرا نیست، در نتیجه نمی‌توان تبدیل ملین را روی بخش مثبت محور حقیقی تعریف کرد (در این قسمت انتگرال مذکور واگرا است). با این حال با تعریف مقدار صفر به ازای مقادیر مثبت و حقیقی می‌توان انتگرال را همگرا بدست آورد. برای نمونه فرض کنید مقادیر xx در بازه زیر محدود شده باشند.

f(x)={xax<1,0x>1{ \displaystyle f ( x ) = { \begin {cases} x ^ { a } & x < 1 , \\ 0 & x > 1 \end{cases} } }

در این صورت تبدیل ملین برابر با عبارت زیر بدست می‌آید.

$$\begin {align*}  \require {color} \displaystyle { \mathcal { M } } f ( s ) & = \int _ { 0 } ^ { 1 } x ^ { s - 1 } x ^ { a } d x \\ & = \int _ { 0 } ^ { 1 } x ^ { s +‌ a - 1 } d x \\ & = { \frac { 1 } { s + a } } \end {align*} $$

مطالب مجله فرادرس را در جستجوی گوگل سریع‌تر ببینید

بر اساس رای ۴ نفر
آیا این مطلب برای شما مفید بود؟
اگر پرسشی درباره این مطلب دارید، آن را با ما مطرح کنید.
منابع:
Wikipedia
PDF
مطالب مرتبط
نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *