总变差

在数学中,总变差()就是一函数其数值变化的差的总和。

定义
矢量空间
实值函数f定义在区间[a,b]\subset \mathbb R的总变差是一维参数曲线x\mapsto f(x),x\in[a,b]的弧长。
连续可微函数的总变差,可由如下的积分给出

: V^a_b(f) = \int _a^b |f'(x)|\, \mathrm dx.

任意实值或虚值函数f定义在区间[a,b]上的总变差,由

: V^a_b(f)=\sup_P \sum_{i=0}^{n_P-1} | f(x_{i+1})-f(x_i) |, \,

定义。其中P为区间[a,b]中的所有分划.

定义在有界区域\Omega \subset \mathbb{R}^n上的实值可积函数f的总变差,定义为

: V(f,\Omega):=\sup\left\{\int_\Omega f\mathrm{div}\varphi\colon \varphi\in C_c^1(\Omega,\mathbb{R}^n),\ \Vert \varphi\Vert_{L^\infty(\Omega)}\le 1\right\},

其中 C_c^1(\Omega,\mathbb{R}^n)是Ω中的紧支集上全体连续可微向量函数构成的集合, \Vert\;\Vert_{L^\infty(\Omega)}是本质上确界范数。

若f可微,上式可简化为

:V(f,\Omega) = \int\limits_\Omega\left|\nabla f\right| .

度量空间
在一个度量空间(\Omega,\Sigma)上,集函数\mu : \Sigma \rightarrow \R,其总变差为:

:|\mu|(E)=\sup_\pi \sum_{A\isin\pi} |\mu(A)|\qquad\forall E\in\Sigma

其中\piE的划分。
如果\mu是符号测度,通过汉分解定理可知:
:|\mu|=\mu^++\mu^-\,

可微定义的证明
首先需要利用高斯散度定理证明一个等式.

引理
在假设条件下,下面的等式成立:
: \int\limits_\Omega f\,\mathrm{div}\varphi = -\int_\Omega\nabla f\cdot\varphi
引理证明
由高斯散度定理 \int\limits_\Omega \text{div}\mathbf R = \int\limits_{\partial\Omega}\mathbf R\cdot \mathbf n .
将\mathbf R:= f\mathbf\varphi代入,可得

: \int\limits_\Omega\text{div}\left(f\mathbf\varphi\right) = \int\limits_{\partial\Omega}\left(f\mathbf\varphi\right)\cdot\mathbf n

由于在\Omega的边界上\mathbf\varphi = 0,从而

: \int\limits_\Omega\text{div}\left(f\mathbf\varphi\right) = \int\limits_{\partial\Omega}\left(f\mathbf\varphi\right)\cdot\mathbf n = 0

注意到 \text{div}\left(f\mathbf\varphi\right) = f\text{div}\mathbf\varphi + \nabla f\cdot \varphi代入上式,移项即得

: \int\limits_\Omega f\,\mathrm{div}\varphi = -\int_\Omega\nabla f\cdot\varphi.

如果函数f的总变差有限,则称函数f为有界变差函数.

参阅

  • 有界变差

*

  • 总变差规则化
  • 二次变差

外部链接
理论
单变量

多变量

测度论

概率论

应用

  • (a work dealing with total variation application in denoising problems for image processing).

Tony F. Chan and Jackie (Jianhong) Shen (2005), [https://web.archive.org/web/20080117220948/http://jackieneoshen.googlepages.com/ImagingNewEra.html Image Processing and Analysis - Variational, PDE, Wavelet, and Stochastic Methods*], SIAM, ISBN 089871589X (with in-depth coverage and extensive applications of Total Variations in modern image processing, as started by Rudin, Osher, and Fatemi).

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