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如何通俗易懂地解释卷积?

在一本旧书[1]里看到一个非常直观的解释,分享在这里。

v2 1e05b05dd36b674980f778c1addf8147 720w
就喜欢这么直白扎心的导言(划掉

首先以一个最简单的例子开始。规定参与卷积的两个元素

分别是如下所示的两个方波:

v2 a648a37acf85f411de58c0ccd1be0e57 720w

为了得到卷积表达式

equation?tex=%5Cint %7B %5Cinfty%7D%5E%7B%5Cinfty%7D+x%28%5Ctau%29h%28t %5Ctau%29d%5Ctau

中的形式,我们需要看看

equation?tex=h%28t %5Ctau%29

长什么样。因为是对

积分(

),所以先将

的符号

改写成

。接下来,对元素

进行以下变换得到

equation?tex=h%28t %5Ctau%29

  1. 翻转 得到 equation?tex=h%28 %5Ctau%29
  2. 平移 equation?tex=h%28 %5Ctau%29 得到 equation?tex=h%28t %5Ctau%29
v2 65b2506a4ee090bcac58697f5b15b3c0 720w

对于任意的

,都存在一个对应的

equation?tex=h%28t %5Ctau%29

的图像。固定某个

,将

equation?tex=h%28t %5Ctau%29

沿着横坐标轴从左到右与

相乘并积分,即为卷积

,也恰好是下图所示的阴影部分面积(不同的

的值对应着不同大小的阴影部分面积):

v2 b1bc07c05fb6f7ab46fac9f71f2d2453 720w

最后将所有

的取值综合起来,便是上图 (h) 所示的关于

的一个函数,这个函数便是卷积

的结果。


上面的思考(可视化)过程可以归纳为:

  1. 翻转;
  2. 平移;
  3. 相乘;
  4. 积分。

为了进一步熟悉这个流程,我们继续介绍一个稍微复杂一些的例子:

v2 fa1c4e01f79d6b6aeed4f7e31c30828d 720w

直接计算这个卷积,也可以验证上述结果的正确性:

equation?tex=%5Cbegin%7Baligned%7D+y%28t%29+%26%3D%5Cint %7B %5Cinfty%7D%5E%7B%5Cinfty%7D+x%28%5Ctau%29+h%28t %5Ctau%29+d+%5Ctau%3D%5Cint %7B0%7D%5E%7Bt%7D%281%29+e%5E%7B %28t %5Ctau%29%7D+d+%5Ctau%5C%5C+%26%3De%5E%7B t%7D%5Cleft%28%5Cleft


实际上卷积有两种形式,既可以用

equation?tex=h%28t %5Ctau%29

,也可以用

equation?tex=x%28t %5Ctau%29

去卷

,即

equation?tex=%5Cint %7B %5Cinfty%7D%5E%7B%5Cinfty%7D+h%28%5Ctau%29x%28t %5Ctau%29d%5Ctau

。体现在图像上面,我们也可以翻转 + 平移

,然后去求与

相乘后的积分。

v2 a404c5bc2d2f5b9a16614994dfcc50f1 720w

可以看到,这两种卷积路径的最终结果是相同的。

对于二维卷积(图像),用同样的思路也可以在头脑中形成一个很直观的印象,不妨思考一下。

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