FMU:频率—尺度—信息的“分形镜“统一理论
Fractal-Mirror Unification of Frequency–Scale–Information
作者: Auric(S-series / EBOC) 日期: 2025-10-26(阿联酋时区,UTC+04)
摘要
本文在带权 Mellin—Hilbert 空间 中,建立由母函数 经乘性尺度复制生成的分形镜(fractal mirror, FM)信号族的严格理论。围绕“频率—尺度—信息“三主线,给出等价刻画与完整证明:(A)在 Mellin–Calderón 条件下,乘性自相似 Mellin 域准周期(临界线出现等距频移阵列);(B)谱幂律 (对数刻度下)熵斜率一阶近似线性,并在自仿射模型中推出图像盒维数 的经典关系;(C)以Nyquist–Poisson–Euler–Maclaurin(三分解)实现非渐近误差闭合与可分预算。进一步,以谱密度权测度 将 FM 子空间等距嵌入 Paley–Wiener 型带限空间,从而导出Landau 型采样/插值密度阈值、Wexler–Raz 紧/对偶准则,以及临界密度下的 Balian–Low 不可能性;并证明该谱密度权与一维自伴规范系统的 Weyl–Titchmarsh 函数之 Herglotz 表示一致。以上刻度与判据与 Mellin 等距、Paley–Wiener、Poisson 求和、Euler–Maclaurin、Landau 密度、Wexler–Raz 与 Balian–Low、Herglotz 表示与 de Branges 反谱定理等公认标准兼容。
0. 记号与底座(Notation & Baseplates)
(0.1) Mellin 等距与临界线。 对 的 Mellin 变换
在临界直线 上与“对数傅里叶“单元等距:
因此 在 上酉等距。
(0.2) 对数变量与缩放。 取 ,令 。尺度 化为对数平移 。Mellin 缩放律给出
即振幅因子 与相位调制 。
(0.3) 谱密度测度与相位坐标。 记号与变换约定: 表示对 的 Mellin 变换并在 取值; 一律表示对 的 Fourier 变换(等价于沿临界线的 -域算子)。
对与 Weyl–Titchmarsh -函数关联的系统,定义谱密度权测度
当 时, 为正测度。在满足特殊归一化(如某类边界条件使 a.e.)时,可用相位表示 ;一般情形则采用谱密度权 。其与自伴系统的谱测度一致性见 §6。
约定(-域 Fourier):,。
符号约定(避免冲突):本文固定 作为对数时间变量;谱密度权坐标另记为 。-域 Fourier 仅作用于 变量;与谱密度权相关的等距映射与密度判据均在 坐标上叙述。
(0.4) 有限阶 Euler–Maclaurin(EM)。 全文仅用有限阶 EM,将“和—积分“差分解为端点伯努利层与余项:
并可用 控制。
1. 分形镜(FM)信号族:定义与基本性质
定义 1.1(FM 生成与 Mellin–Calderón 条件)
给定母函数 ,权序列 ,相位序列 有 。定义
假设 (H0) 加权 一致性。 令 ,要求 (等价地 )。
假设 (H1) Mellin–Calderón 有界性。 记 ,,要求 Calderón 和
命题 1.2( 无条件收敛与频域结构,在 (H0)–(H1) 下)
在假设 (H0)–(H1) 下,级数 在 中无条件收敛,且
并有 Bessel 界
证明。 由 (H1) 的 Calderón 上界与 Plancherel–Mellin 等距,得
从而级数 Cauchy 收敛;频域表达随缩放律直接得出。
2. 主定理 A:乘性自相似的 Mellin-准周期刻画
定理 2.1(自相似 准周期)
对定义 1.1 的 ,以下等价: (i) (乘性自相似叠加); (ii) 存在包络 ,使
证明。 “” 由命题 1.2。 “” 对准周期部分作逆 Mellin()并用“对数域平移 Mellin 频移“对偶,即得对数平移族 的叠加。
3. 主定理 B:谱幂律—熵斜率与自仿射维数
3.1 幂律谱与对数分箱熵的线性耦合(近似关系)
命题 3.1(熵—斜率近似线性,一阶区间). 设功率谱在宽频比 上满足 ,对数均匀分箱 , 固定,分箱数 ,概率 归一化。则在一阶近似下
其中 仅由分箱步长 与窗重叠常数决定,显式可求;当 、 时主项线性成立。
证明要点。 令 ,有 ,从而 。均匀 -分箱使 近似指数分布;代回熵并以 Riemann 和近似, 的离散化误差给出 项,端点/重叠给出 项;二者在 时可忽略。
3.2 自仿射样条与图像维数(典型模型)
定理 3.2(). 若样条满足 (如 fBm),则
证明. fBm 等自仿射过程满足 ;其样条图像的 Hausdorff/盒维数 为经典结论,联立消去 得上式。 相关结论可见 Flandrin 对 fBm 频谱的分析与 Xiao 对图像维数的严格测度结果。
4. 主定理 C:Nyquist–Poisson–EM 的非渐近误差闭合
设目标频域量记为
其中 、 为按 §0.3 约定的 -域 Fourier 变换后的分析窗频响与插值核频响, 为沿临界线的 Mellin 影像(由 §0.1 的酉等距归一化)。
定理 4.1(Nyquist 条件与三分解误差). 设存在 使 ,其中 (若 非带限,则以 的交为有效带宽)。若采样步长
则别名能量为零。一般情形下,别名项可记为
对带限线性重构算子 ,总误差分解为
且 。
证明。 以 Poisson 求和将离散化转为频谱周期化;Nyquist 阈值消除带间重叠。和—积分差以有限阶 EM 分解为端点伯努利层与余项,余项界见 §0.4。
5. 采样—插值—稳定性:谱密度坐标下的 Landau—Wexler–Raz—Balian–Low
5.1 谱密度权坐标的等距嵌入
在 区域,定义谱密度权坐标
则
从而把谱密度权加权的 FM-子空间等距嵌入单位带宽 Paley–Wiener 型空间。特殊归一化时,可简化为相位坐标 。Mellin 语境下的 Paley–Wiener 与 Hardy/Mellin-Hardy 结构详见文献。
5.2 Landau 型必要条件(FM 版)
定理 5.1(必要密度阈值,-域). 设 为采样序列(分别:插值序列)。在 坐标下(由 §5.1 定义),其 Beurling 下(分别上)密度满足
备注:上述为必要条件。充分性一般需附加分离性/稳定性等结构条件;实践中可通过 §5.3 的 WR/Parseval 条件设计达到稳定采样/重构。
证明要点。 由 5.1 的等距,问题化为单位带宽 Paley–Wiener 空间的非均匀采样,直接调用 Landau 必要密度定理。
5.3 Wexler–Raz 与 Parseval 紧帧(临界 Nyquist)
定理 5.2(WR/Parseval 条件). 在 Nyquist(无别名)条件下,多窗 生成的系统为 Parseval 紧帧当且仅当
存在别名时,Parseval 条件变为
与对偶窗 的重构满足相应的双正交式。
证明要点。 WR 恒等式给出频域点态正交的充要条件;经 与相位坐标变换可无损移植到 Mellin/对数模型。
5.4 Balian–Low 型不可能性(临界密度)
定理 5.3(BLT—Mellin 版). 在临界密度 时,若单窗 在对数时间 与频率 两侧均“良好局域“(例如二阶矩有限),则由 与在 坐标下临界格生成的系统不能为 Riesz 基;要得到基,必须放宽至少一侧的局域或采用超采样。
证明要点。 经 与 §5.1 的等距嵌入,把问题等价为标准 Gabor 格的 BLT;由 BLT 的 Riesz/ONB 版立即推出。
6. 与 de Branges—Kreĭn / Weyl–Titchmarsh -函数的一致性
命题 6.1(谱密度权与 Herglotz 表示). 在一维自伴规范系统/Schrödinger 型算子情形,Weyl–Titchmarsh 为 Herglotz–Nevanlinna 函数,存在谱测度 使
边界值满足 (a.e.),其中 为谱密度。由此可定义谱密度权测度
与绝对连续谱测度一致。在满足特殊归一化(如某类边界条件使 a.e.)时,可简化为相位表示 ;一般情形则须采用上述谱密度权。
说明:该一致性保证了本文以 定义的谱密度刻度,能与 de Branges 空间/规范系统的谱理论无缝衔接,成为 §5 中密度与帧判据的自然坐标;相位导数 一般还依赖 与 ,仅在特例下化为 。
7. 可复现实验范式(验证与工程)
P1|幂律/熵耦合。 在足够宽的对数带宽上拟合 ,并以对数分箱熵 验证回归斜率在误差带内线性(§3.1 的一阶近似)。
P2|Mellin 峰列。 计算 ,检验等距峰列与相对相位稳定(§2)。
P3|采样/窗设计。 按 §5.2 的密度阈值选格;以 §5.3 的 WR 条件调窗以获 Parseval;按 §4 的三分解做误差可分预算(Nyquist 余量、EM 阶、带缘尾项)。
8. 信息三元 与模型选择
- :跨尺度外溢收益( 趋红 低频集中 压缩/预测收益)。
- :层内重排(相位—相干性“中性“重分配)。
- :稀疏与复杂度惩罚(避免过拟合/过稠格)。
命题 8.1(近似线性区的策略). 在 §3.1 的一阶近似区,,有效层数 。据此联合选择“窗/格密度—模型复杂度“,使 极大并满足 §4 的三分解预算。
9. 与 S-series / WSIG-QM / UMS 的接口
9.1 与 S24–S26 的接口。
- S24 的纤维 Gram 表征与 Wexler–Raz 双正交为本文 §5.3 的 WR 条件提供具体实现框架。
- S25 的非平稳 Weyl–Mellin 框架与本文的 Mellin 等距(§0.1)、对数平移—频移对偶(§0.2)共享数学结构。
- S26 的谱密度刻度与本文 §0.3 及 §6 的谱密度权测度 在 Herglotz 表示层面一致;S26 的 Landau 必要密度、Balian–Low 不可能性直接对应本文定理 5.1、5.3。
9.2 与 WSIG-QM 的接口。
- WSIG-QM 的公理 A2(有限窗口读数)与本文 §4 的窗化重构共享 Nyquist–Poisson–EM 三分解框架。
- WSIG-QM 的公理 A5(相位—密度—延迟刻度)与本文 §0.3、§6 的谱密度权测度在谱理论层面一致。
- WSIG-QM 的定理 T6(窗/核优化)与本文 §5.2–5.3 的 Landau 密度阈值、WR 条件共享帧理论判据。
9.3 与 UMS 的接口。
- UMS 的核心统一式 在 Mellin 语境下对应本文 §0.3、§6 的谱密度权测度;在特殊归一化下可简化为相位表示。
- UMS 的公理 A2(有限窗口读数)与本文定理 4.1 的三分解误差闭合在数值实现层面共享框架。
- UMS 的公理 A6(采样—帧门槛)与本文 §5 的 Landau–Wexler–Raz–Balian–Low 判据完全对齐。
9.4 与窗口化路径积分理论的接口。
- 路径积分理论的窗—核对偶(定理 2.1)可在 Mellin 域改写为本文定理 2.1 的准周期表述。
- 路径积分理论的 Nyquist–Poisson–EM 误差闭合与本文定理 4.1 的三分解在离散化框架上一致。
9.5 与量子引力场理论的接口。
- 量子引力场理论的谱密度刻度与本文 §0.3、§6 的谱密度权测度 在谱移语境下一致。
- 量子引力场理论的窗化采样(§6.1)与本文 §5 的 Landau–Wexler–Raz 判据共享帧理论基础。
9.6 保持“极点 = 主尺度“的有限阶 EM 纪律。
- 本文在所有离散—连续换序中均采用有限阶 EM(§0.4、定理 4.1),确保不引入新奇点。
- 与 S15–S26、WSIG-QM、UMS、路径积分理论、量子引力场理论保持一致:EM 余项仅作有界扰动。
附录 A:证明细节与工具
A.1 Mellin–Hardy 与等距。 在 上酉等距;Mellin–Paley–Wiener 与 Mellin–Hardy 空间的构造可见 Bardaro–Butzer–Mantellini–Schmeisser。
A.2 Poisson 与别名。 采样步长 的 Dirac 梳在频域周期为 的 Dirac 梳;别名能量等于周期化副谱在主带的叠加能量。
A.3 Euler–Maclaurin 余项。 采用 DLMF 版 EM 公式与余项界,确保在有限阶近似下不引入额外奇点;误差由 Bernoulli 数与步长给出。
A.4 Landau 密度。 Paley–Wiener 空间 的采样(插值)序列须满足 ();本文在 坐标单位带宽下等距为阈值 1。
A.5 Wexler–Raz 与 BLT。 WR 恒等式给出紧/对偶帧的频域点态充要条件;BLT 表明临界密度下“良好双侧局域+非冗余“不相容。
A.6 Herglotz 表示与谱密度。 为 Herglotz 函数 存在谱测度表示;边界虚部为 (a.e.)。由此定义谱密度权测度 ;相位导数 一般还依赖 与 ,仅在特殊归一化下化为 。
结论
- 乘性自相似经 Mellin 变换等价为准周期频移阵列,并以包络 控制(定理 2.1);在加权 一致性 (H0) 与 Mellin–Calderón 条件 (H1) 下级数无条件收敛(命题 1.2)。
- 幂律谱与对数分箱熵在一阶近似下线性耦合;在自仿射极限下 成立(命题 3.1、定理 3.2)。
- 采用 Nyquist–Poisson–EM 三分解,可将总误差稳定地拆分为“别名/伯努利层/尾项“三项预算(定理 4.1)。
- 谱密度权坐标 使 FM 子空间与 Paley–Wiener 空间等距,从而继承 Landau 密度阈值、Wexler–Raz 紧/对偶准则与 Balian–Low 不可能性;其谱密度权测度与 -函数的 Herglotz 表示一致(§5–§6)。
参考文献(选)
- Mellin–Paley–Wiener / Mellin–Hardy:Bardaro, Butzer, Mantellini, Schmeisser, On the Paley–Wiener theorem in the Mellin transform setting(2015)与续篇(2017)。
- Mellin 等距/缩放:Butzer & Jansche, A Direct Approach to the Mellin Transform(1997)。
- Poisson 求和:NIST DLMF §1.8(iv);Candès 讲义(2021)。
- Euler–Maclaurin:NIST DLMF §2.10(i), §24.17。
- Landau 必要密度:Landau, Acta Math. 117 (1967)。
- Wexler–Raz:Daubechies & Landau, J. Fourier Anal. Appl. (1994/95)。
- Balian–Low:Heil & Powell, J. Math. Phys. (2006)。
- fBm 频谱与维数:Flandrin (1989);Xiao (1997)。
- Herglotz–Weyl–Titchmarsh / de Branges:Kostenko–Teschl 等综述与 Oberwolfach 报告。
读者指引
将本文嵌入 S25(非平稳 Weyl–Mellin)与 S26(谱密度—de Branges)时,可直接复用 §5 的谱密度权坐标 准则与 §4 的三分解误差账本;窗/核设计以 WR 充要式落地,临界密度遇 BLT 障碍则通过超采样或放宽局域规避。实施时注意加权 一致性 (H0) 与 Mellin–Calderón 条件 (H1) 的验证(如 Log-Gaussian 母函数)与熵—斜率关系的误差带控制(§3.1 的一阶近似范围)。符号约定:对数时间 与谱密度权坐标 严格区分(§0.2–§0.3)。