UMMIC:母映射—Mellin—de Branges 的“信息守恒—相位密度—采样稳定“整体理论(含完整证明)
作者:Auric(S-series / EBOC) 版本:v2.6(2025-10-28,阿联酋时区)
摘要(定性)
以满足适度公设的母映射核为起点,本文在 的 Mellin 等距与 de Branges–Kreĭn 规范系统的谱词典下,给出三条并联且闭合的主线:(I)以 的对数势为势函数的 Noether-型通量连续方程(信息守恒);(II)在自伴散射设置下的 “相位密度 = 谱移导数 = 相对谱密度” 一致性(CCS);(III)面向工程的 Nyquist–Poisson–Euler–Maclaurin(EM) 三分解 非渐近 误差闭合。配套地,在正权的谱密度刻度 与相位坐标 的并行框架下,引入相对谱密度 及其积分坐标 ,以统一工程与谱论尺度,并在其上统一证明 Landau 采样/插值必要密度阈值、Wexler–Raz 紧/对偶充要条件与 Balian–Low 不可能性(Mellin/Weyl 版),由此把“母映射—散射—帧/采样—误差学“焊接为一个非渐近硬核体系。
0. 公设、对象与号记
A0(母映射与 Mellin 嵌入) 取母核 ,其 Mellin 变换
沿临界线 有等距
并且缩放 对应于频移与幅度因子 。上述等距是 Mellin–Plancherel 定理在 上的标准陈述。
A1(完成函数与镜像) 存在规范化因子 使 在临界线具有良好的相位 与模 。下文仅用其边界相位。
A2(谱密度与 Weyl–Titchmarsh 词典) 在自伴规范系统/一维 Schrödinger 型背景下,Weyl–Titchmarsh 为 Herglotz 函数,边界虚部给出绝对连续谱密度
据此定义谱密度权测度 。
A3(密度坐标、相位坐标与等距) 记 。记 ;当 时 为绝对谱密度(正)。定义相位坐标 。相对谱密度定义为 。
在 坐标上有等距
其中 始终取正权,不再与 同一。
在绝对连续谱的每个连通分量上, 为非减函数,存在可测右逆用于换元;据此 成立(a.e.)。
能量表述取 ;对数频表述取 。下文默认采用 -变量,必要时引入相对密度坐标 。
相位归一化(锚点):选定参考点 令 (等价地 );多通道时以 取迹。此归一化不影响 等平移不变量,但保证 的唯一性与换元稳定性。
符号对齐:记 ,散射相位 。当通过 de Branges–Kreĭn 接口把母映射嵌入散射模型时,令 。绝对谱密度 给出正的 ;相对谱密度 可正可负,由谱移与参考态密度之差给出。
A4(有限阶 EM 纪律) 全篇仅用有限阶 Euler–Maclaurin(端点伯努利层 + 显式余项上界)并与 Poisson 求和并行用作误差记账,不引入新奇点。
A5(de Branges–Kreĭn 接口) 需要时调用 de Branges 空间与规范系统的标准结构(核、次序定理、谱测度与 Hamiltonian 的对偶)。
A6(记号约定) 写作 表示存在常数 (与主要变量、窗尺度 、采样步长 无关)使 ;写作 表示同时有 与 。
1. 主定理 I —— Noether 型信息守恒(二维通量连续方程)
定理 1.1(通量守恒与点源计数) 设 在域 亚纯,,,。记零、极点集合为 、。
(i) 在 上有 。
(ii) 在分布意义下
其中 为零、极点的重数。
(iii) 取以临界线为一侧的矩形 ,则
因而沿 的区间积分等于“边界法向通量 + 端点 EM 校正 + 点源计数“之和。
证明 (i)复调和性:在无源域, 全纯, 调和。 (ii)分布源项:对数奇性的拉普拉斯给出点质量。 (iii)Green 恒等式:把内源转为边界积分;线积分经有限阶 EM 给出端点校正;Poisson/EM 工具用于和—积分差的非渐近闭合。∎
2. 主定理 II —— CCS 一致性:
定理 2.1(相位密度 = 谱移导数 = 相对谱密度;带符号统一) 设 为自伴散射对, 为散射矩阵(多通道取迹)。则几乎处处
证明 (a)Herglotz–Weyl 识别: 的边界虚部给出 (a.e.),同理 。 (b)Birman–Kreĭn 与谱移:由 得 。在可追踪的假设下 。 (c)Wigner–Smith 延迟:,且 ,故 。单通道 给出 ,于是 。∎
上式为本文统一刻度的核心:散射相位导数、谱移函数与相对态密度在带负号的关系下等价;绝对谱密度 给出正权测度,与相对密度 相区分。
3. 主定理 III —— 非渐近误差闭合:Nyquist–Poisson–EM 三分
术语与刻度(-域) 取 Fourier 变换 称 带限于 若 ;称 近带限 于 若 足够小。
下文约定 且 ,其中 固定。
正则性前提:取 ;设核 且 ;绝对谱密度 ;据此 ,其至多到 阶导数有界并在端点可积,。在此前提下,定理 3.1 的 EM 余项与别名上界成立。
定理 3.1(三分解上界;对称截断版) 对任意窗 、核 、采样步长 、截断半径 、EM 阶 ,存在常数 使
其中若 带限于 且 则 ;若仅近带限,则 由有限阶 EM 的伯努利层给出显式上界; 仅由 与窗 的衰减造成,可由 控制。
证明 (i)Poisson 求和:对等距采样网格 ,离散求和与 Poisson 求和公式给出频谱周期化叠加;Nyquist 下带间不重叠,别名项为零。 (ii)EM 有限阶:和—积分差的端点校正由伯努利多项式层给出,余项 ,常数仅依赖 与若干有界导数。 (iii)对称截断尾:由 区域的积分与求和贡献构成;在对称窗口下, 的衰减与 的带外能量上界给出显式控制。三项相加即得。∎
4. 采样—插值—稳定性(相位/谱密度刻度)
以下工作空间为再生核希尔伯特空间(如经 §A5 接口得到的 de Branges 空间),故点值泛函连续, 良定义并满足标准核估计。
定义 4.0(相位坐标 下的密度与稳定性) 记采样点 的相位坐标 。对任意 与 ,令 。 称 为稳定采样序列,若存在常数 使对工作空间内的每个 成立 称 为插值序列,若对任意 存在 使 且 。
定理 4.1(Landau 必要密度,单位带宽刻度) 借 §A3 的等距把工作空间嵌入到 (Fourier 支持于 )。若结点集为稳定采样序列,则下密度 ;若为插值序列,则上密度 。
证明 等距后问题化为 的非均匀采样,阈值常数为 。∎
定理 4.2(Parseval 紧帧充要:移位不变 vs. Gabor/WR)
(A) 移位不变(仅平移):系统 为 Parseval 紧帧当且仅当
若 带限于 且 (无别名),上式化为
(B) Gabor(平移+调制,Wexler–Raz):系统 为 Parseval 紧帧当且仅当(Wexler–Raz 恒等式)
特别地在临界密度 且全折叠为常数 时化为 Parseval 条件。
证明 (A) 移位不变系统的 Parseval 条件由 Calderón/Walnut 表示给出;(B) Wexler–Raz 恒等式给出频域点态正交与 Parseval 的充要;经 与对数频变量变换可移植到 Mellin 模型。∎
定理 4.3(Balian–Low 不可能性:Mellin/Weyl 版) 在临界密度 且单窗在 两向均良好局域时,由该窗与临界格生成的系统不能为 Riesz 基;要获得基,必须放宽至少一侧局域或采用超采样。
证明 由 §A3 等距,将问题还原为标准 Gabor 格的 BLT(Riesz/ONB 版),结论随即成立。∎
5. de Branges—Kreĭn 接口与“相位等距“采样
定义 5.0(doubling 测度) 记 。对任意有界开区间 ,记 为与 同中心且长度加倍 的区间。若存在常数 使 则称 为 doubling。此时结合 reproducing-kernel 的对角估计,可将局部采样间距与 匹配,从而支撑命题 5.1 的稳定性结论。
命题 5.1(相位等距 的稳定帧) 若谱密度/相位测度“doubling“,选取频带不重叠的多窗使 Calderón 和为常数 1,并令采样点满足
则得到稳定采样帧;严格等距时为 Parseval 紧帧。证明依赖 reproducing-kernel 对角公式与相对密度的刻度一致。
证明要点 在 de Branges 空间,核对角与测度的一致性与规范系统的谱对应给出局部采样长短与 的内在关系;把核迹密度与相位计数配平时,使用 给出采样密度刻度;而稳定性估计中的内积与核对角始终在正权 下进行。∎
6. 与“分形镜(FMU)“的并行与继承
FMU 已示:乘性自相似信号在 Mellin 域呈“包络 等距频移阵列“,并给出加权 下的 Bessel 界与无条件收敛。UMMIC 以 §A3 的等距把 FMU 的频率—尺度几何与本文的相位坐标 与密度测度 合并,使 Landau/WR/BLT 判据与 Nyquist–Poisson–EM 三分解在相同坐标上闭合,可直接转化为窗/核设计与误差账本。
7. 证明所依工具与最小充分前提(索引式)
- Mellin 等距/缩放与对数变量: 上的等距与“缩放 频移“律。
- Herglotz 表示与谱密度:(a.e.)与 的一致性。
- Poisson 与 Euler–Maclaurin:用于和—积分差、别名与端点校正的非渐近记账。
- Birman–Kreĭn + Wigner–Smith:、、。
- Landau 必要密度:Paley–Wiener 空间的采样/插值阈值。
- Wexler–Raz 与 BLT:紧/对偶充要与临界密度阻碍。
- de Branges 结构:核、测度与规范系统的词典。
8. 可检预测与工程化接口(最小实验模板)
P1|通量闭合:在选定工作带 上计算 ,用 Poisson+有限阶 EM 给出误差三分账本,验证常数级闭合。
P2|相位刻度采样阈值:以 坐标评估 并在临界附近从欠采样到可重构观察阈值跃迁(Landau)。
P3|WR-Parseval 设计:按 WR 条件联立求窗,使 (含折叠)为常数 1,若有别名则用“全折叠“式。
P4|延迟—密度一致性:数值构造 ,计算 与 的相位,验证 与 的一致。
9. 结论
本文把“母映射—Mellin—de Branges—散射—帧/采样—误差学“在统一的正权测度 与相位坐标 的并行框架下闭合为一个非渐近且可工程实现的理论框架: (I) 在无源域为零,含零/极点的分布型源项给出通量计数恒等式,所有边界/端点成本由有限阶 EM 封装;(II) 把散射相位、谱移与态密度压到同一刻度;(III)Nyquist–Poisson–EM 三分解给出非渐近误差闭合;(IV)在 坐标上的 Landau/WR/BLT 提供采样—重构—稳定的完整边界;(V)与 de Branges 结构、Weyl–Titchmarsh 词典与 FMU 的频率—尺度几何逐项对齐,因而直接落地于窗口/核设计、谱读数与延迟计量。
附录 A:常用判据与公式(供调用)
A.1 Poisson 求和(简单型) 。带宽受限且 时别名关断。
A.2 Euler–Maclaurin(有限阶版) ,并给出 的显式上界。
A.3 Wigner–Smith 延迟矩阵(统一号记) ,(单通道),且
A.4 Birman–Kreĭn 公式(补充对数求导) ,从而
A.5 de Branges 空间与规范系统 核与测度的对应、子空间全序与规范系统的 Hamiltonian 词典。
参考文献(选要)
- Landau, H.J., Necessary density conditions for sampling and interpolation of certain entire functions, Acta Math. 117 (1967) 37–52. (SpringerLink)
- Wexler, J.; Raz, S., Discrete Gabor expansions, Signal Processing 21 (1990) 207–220;Janssen, A.J.E.M., Duality and biorthogonality for Weyl–Heisenberg frames, J. Fourier Anal. Appl. 1 (1995) 403–436;Daubechies, I.; Landau, H.J.; Landau, Z., Gabor Time-Frequency Lattices and the Wexler–Raz Identity, JFAA 1 (1995) 437–478. (sites.math.duke.edu)
- Gröchenig, K., Foundations of Time–Frequency Analysis, Birkhäuser, 2001(BLT 与密度定理综述)。(ebooks.mpdl.mpg.de)
- Wigner, E.P., Lower Limit for the Energy Derivative of the Scattering Phase Shift, Phys. Rev. 98 (1955) 145;Smith, F.T., Lifetime Matrix in Collision Theory, Phys. Rev. 118 (1960) 349–356。(混沌书籍)
- Birman, M.Sh.; Kreĭn, M.G.(及其后续拓展:Pushnitski, Strohmaier–Waters 等),关于 与谱移函数的现代处理;综述与教材参见 Yafaev。(马特大学)
- de Branges, L., Hilbert Spaces of Entire Functions, Prentice-Hall, 1968;Remling, C., Spectral Theory of Canonical Systems, 2017。(普渡大学数学系)
- NIST DLMF:Poisson 求和、Euler–Maclaurin、Mellin 方法等条目(最新版)。(dlmf.nist.gov)
注:以上文献为本文关键判据与工具的权威出处;相关公式在正文中已在相应段落处给出精确调用与跨域映射。