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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 ;当 绝对谱密度(正)。定义相位坐标 。相对谱密度定义为

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 (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


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) 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) 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 。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 带限于 ;称 近带限 足够小。

下文约定 ,其中 固定。

正则性前提:取 ;设核 ;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 ;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 ,令 稳定采样序列,若存在常数 使对工作空间内的每个 成立 插值序列,若对任意 存在 使

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

带限于 (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)。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 的相位,验证 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)

  1. Landau, H.J., Necessary density conditions for sampling and interpolation of certain entire functions, Acta Math. 117 (1967) 37–52. (SpringerLink)
  2. 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)
  3. Gröchenig, K., Foundations of Time–Frequency Analysis, Birkhäuser, 2001(BLT 与密度定理综述)。(ebooks.mpdl.mpg.de)
  4. 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)
  5. 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)
  6. 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)
  7. 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。