Reproducing Polynomials with B-Splines

A B-Spline of order $N$ is known to be able to reproduce any polynomial up to order $N$:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \sum_{n \in \mathbb{Z}} c_{m,n} \beta_N (t - n) = t^m }

In words, a proper linear combination of shifted versions of a B-Spline can reproduce any polynomial up to order $N$. This is needed for different applications, for example, for the Sampling at Finite Rate of Innovation (FRI) framework. In this case any kernel $\varphi$ reproducing polynomials (that is, satisfying the Strang-Fix conditions) can be used. However, among all possible kernels, the B-Splines have the smallest possible support.

An important question is how to obtain the coefficients Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle c_{m,n}} for the reproduction-formula. In this small article, I describe one way.

Starting from

$\sum _{n\in \mathbb {Z} }c_{m,n}\varphi (t-n)=t^{m}$

the coefficients can be obtained using the dual of $\varphi$, Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \tilde{\varphi}} (I set $\beta _{N}=\varphi$ for consistency with my notes):

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle c_{m,n} = \int_{-\infty}^{\infty} t^m \tilde{\varphi}(t - n)\,dt }

However, even if the dual would be known, solving the infinite integral is only feasible when the dual has finite support. This is the case with the B-Spline itself but not with its dual!

A closer look at the formula tells that this is nothing more than a convolution (under the assumption that ${\tilde {\varphi }}$ is symmetric which is the case):

$c_{m,n}=\int t^{m}{\tilde {\varphi }}(-(n-t))\,dt=\int t^{m}{\tilde {\varphi }}(n-t)\,dt=(t^{m}*{\tilde {\varphi }})(n)$

Now, this can be transformed to fourier domain:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle (t^m * \tilde{\varphi})(n) = \mathcal{F}^{-1}\left\{ \mathcal{F}\left\{t^m\right\} \tilde{\Phi}(\omega)\right\} = \mathcal{F}^{-1}\left\{ j^m \sqrt{2\pi} \delta^{(n)}(\omega) \tilde{\Phi}(\omega) \right\} = j^m \sqrt{2\pi} \mathcal{F}^{-1}\left\{\delta^{(n)}(\omega) \tilde{\Phi}(\omega) \right\} }

Writing the inverse of this expression yields:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle j^m \sqrt{2\pi} \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \int_{-\pi}^{\pi} \delta^{(n)}(\omega) \tilde{\Phi}(\omega) e^{j\omega n}\,d\omega = j^m \int_{-\infty}^{\infty} \delta^{(n)}(\omega) \underbrace{\tilde{\Phi}(\omega) e^{j\omega n}}_{f(\omega)}\,d\omega }

It is known that:

$\int \delta ^{(n)}(x)f(x)\,dx=(-1)^{n}f^{(n)}(0)$

so that

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle j^m \int_{-\infty}^{\infty} \delta^{(n)}(\omega) f(\omega)\,d\omega = j^m (-1)^m \left. \frac{\partial^m}{\partial \omega^m} f(\omega) \right|_{\omega = 0} }

Now the whole procedure has been reduced to calculate the derivative of $f(\omega )$ and set the result to zero.

An open question is how to obtain the dual of Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \varphi} . As the reproduction formula spans a vector space, the Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \varphi} must be at least bi-orthogonal to Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \tilde{\varphi}} . This translates in fourier domain to:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \tilde{\Phi}(\omega) = \frac{\Phi(\omega)}{\sum_{k \in \mathbb{Z}} |\Phi(\omega + 2\pi k)|^2} }

The fourier transform of a B-Spline of order Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle N} is (e.g. ):

$\mathrm {B} _{N}(\omega )=\Phi (\omega )=\left({\frac {\sin(\omega /2)}{\omega /2}}\right)^{N+1}=\mathrm {sinc} ^{N+1}(\omega /2)$

The following derivation of the sum is borrowed from . For this derivation to work, I set Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle L=N+1} temprarily:

$\sum _{k\in \mathbb {Z} }|\Phi (\omega +2\pi k)|^{2}=\sum _{k\in \mathbb {Z} }\left|\mathrm {sinc} \left({\frac {1}{2}}(\omega +2\pi k)\right)^{L}\right|^{2}=\sum _{k\in \mathbb {Z} }\left|\mathrm {sinc} \left({\frac {1}{2}}(\omega +2\pi k)\right)\right|^{2L}$

and because $2L$ is always even:

$=\sum _{k\in \mathbb {Z} }{\frac {\sin ^{2L}({\frac {1}{2}}(\omega +2\pi k))}{\left({\frac {1}{2}}(\omega +2\pi k)\right)^{2L}}}=\sum _{k\in \mathbb {Z} }{\frac {\sin ^{2L}({\frac {\omega }{2}}+\pi k))}{({\frac {\omega }{2}}+\pi k)^{2L}}}$

Because of the periodicity it is known that

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \sin^{2L}(x + \pi k) = \sin^{2L}(x) }

such that

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle = \sin^{2L}(\frac{\omega}{2}) \sum_{k \in \mathbb{Z}}\frac{1}{(\frac{\omega}{2} + \pi k)^{2L}} }

And finally the following relation is used:

$\sum _{k}{\frac {1}{(x+\pi k)^{2L}}}=-{\frac {1}{(2L-1)!}}{\frac {d^{2L-1}}{dx^{2L-1}}}\cot {x}$

in order to finally obtain:

$\sum _{k\in \mathbb {Z} }\left|\mathrm {sinc} \left({\frac {1}{2}}(\omega +2\pi k)\right)^{L}\right|^{2}=-\sin ^{2L}\left({\frac {\omega }{2}}\right){\frac {1}{(2L-1)!}}{\frac {d^{2L-1}}{d\left({\frac {\omega }{2}}\right)^{2L-1}}}\cot {\left({\frac {\omega }{2}}\right)}$

and with $L=N+1$:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle \sum_{k \in \mathbb{Z}} |\Phi(\omega + 2\pi k)|^2 = -\sin^{2(N+1)}\left(\frac{\omega}{2}\right) \frac{1}{(2N+1)!} \frac{d^{2N+1}}{d\left(\frac{\omega}{2}\right)^{2N+1}} \cot{\left(\frac{\omega}{2}\right)} }

Therefore, together with $\Phi (\omega )$ this yields:

${\tilde {\Phi }}(\omega )={\frac {(2N+1)!}{\left({\frac {\omega }{2}}\right)\sin \left({\frac {\omega }{2}}\right)^{N+1}{\frac {d^{2N+1}}{d\left({\frac {\omega }{2}}\right)^{2N+1}}}\cot {\left({\frac {\omega }{2}}\right)}}}$

and finally substituting for $t(\omega )$:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle f(\omega) = \frac{(2N+1)!}{\left(\frac{\omega}{2}\right) \sin\left(\frac{\omega}{2}\right)^{N+1} \frac{d^{2N+1}}{d\left(\frac{\omega}{2}\right)^{2N+1}} \cot{\left(\frac{\omega}{2}\right)}} e^{j \omega n} }

As this function is not well defined it is better to use the limit:

Fehler beim Parsen (MathML mit SVG- oder PNG-Rückgriff (empfohlen für moderne Browser und Barrierefreiheitswerkzeuge): Ungültige Antwort („Math extension cannot connect to Restbase.“) von Server „https://wikimedia.org/api/rest_v1/“:): {\displaystyle c_{m,n} = j^m \lim_{\omega \rightarrow 0} f(\omega) }

Examples for a cubic spline

For a cubic spline (N=3) the coefficients are:

\begin{array}{lcr} c_{0,n} & = & 1 \\ c_{1,n} & = & n \\ c_{2,n} & = & \frac{1}{3}\left( -1 + 3n^2 \right) \\ c_{3,n} & = & -n + n^3 \end{array}