Abstract
For many scientists, the convolution is well known as a tool of applied mathematics dating from the 20th century. However, the idea of a discrete convolution can be traced as far back as the Middle Ages in China. After d’Alembert and Euler, applications of convolution integrals appeared at the end of the 18th century and the beginning of the 19th century. These were in potential theory, the heat conduction equation, and the wave equation as developed by Lagrange, Laplace, Legendre, Fourier, Cauchy, and Poisson. Here we emphasize Fourier’s contribution to the superposition principle for memory, time delay, and superposition of events. We consider the modern mathematical properties of the convolution with Volterra, Lebesgue, Doetsch, and Schwartz, and we illustrate some applications of the convolution in the theory of probability, interpolation, and smoothing.
Notes
- 1.
Note that several convolution integrals previously appeared in the 1805 Lacroix “Traité des différences et des séries” as the solutions of partial differential equations. For example, we found on page 506 the following convolution integrals: ξ(u, v) = ∫ T(u − t)φ(t)dt + ∫ T i (v − t)ψ(t)dt and a double integral on page 518:
\( \iint \frac{{\left(u-x\right)}^n{\left(v-y\right)}^m}{\mathrm{1.2.3}\dots n.\mathrm{1.2.3}\dots m}\psi \left(x,y\right) dxdy. \) Lacroix’s book is available from the website of the Bibliothèque Nationale de France.
References
Boltzmann L (1874) Zur Theorie der elastischen Nachwirkung. In: Wissenschaftliche Abhandlungen, Band (1865-1874): 616-644, Chelsea Publishing Company, New York, 1968
Borel E (1899) Mémoire sur les séries divergentes. Annales scientifiques de l’École Normale Supérieure, Paris, 16: 9-131
Borel E (1901) Leçons sur les séries divergentes. Gauthier-Villars, Paris
Bourbaki N (1960) Éléments d’histoire des mathématiques. Hermann, Paris
Bradley R, Sandifer E (2009) Cauchy’s Cours d’analyse: an annotated translation. Springer, New York
Brush S G (1976) The kind of motion we call heat. North-Holland, Amsterdam
Clairaut A C (1743) Théorie de la figure de la terre: tirée des principes de l’hydrostatique. Available from the Gallica Internet site, Paris
Daniell P-J (1920) Stietjes-Volterra products. Congr. Intern. des Math., Strasbourg: 13-136
Deakin M A B (1982) The Development of the Laplace Transform, 1737-1937, II. Poincaré to Doetsch, 1880-1937. Archive for History of Exact Sciences, 26: 351-381
Deakin M A B (1981) The Development of the Laplace Transform, 1737-1937, From Euler to Spitzer, 1737-1880. Archive for History of Exact sciences, 25, 4: 343-390
Deakin M A B (1985) Euler’s Invention of Integral Transforms. Archive for History of Exact Sciences, 33, 4: 307-319
de la Vallée Poussin C(1908) Sur la convergence des formules d’interpolation entre ordonnées équidistantes. Bulletin de l’Académie Royale des Sciences de Belgique, 1: 319-410
Dieudonné J (1981) History of functional analysis, North Holland, Amsterdam
Doetsch G (1923) Die Integrodifferentialgleichungen vom Faltungstypus. Math. Annalen, 89: 102-207
Doetsch G (1935) Der Faltungssatz in der Theorie der Laplace Transformation, Annili della Scuola Normale Superoire di Pisa, classe di Scienze 4, 1: 71-84
Dominguez-Torres A (2010) The origin and history of convolution I: continuous and discrete operations. Available from Internet
Dominguez-Torres, A (2015) A History of the Convolution Operation. IEEE Pulse, January 2015, available from Internet
Duhamel J M C (1833) Mémoire sur la méthode générale relative au mouvement de la chaleur dans les corps solides plongés dans des milieux dont la température varie avec le temps. J. École royale polyt., 14, 22: 20-77. Available from the Gallica Internet site
Duhamel J M C (1834) Mémoire Sur les Vibrations d’un système quelconque de points matériels. Journal de l’École royale polytechnique, XIV: 1-36, available from the Gallica Internet site.
Euler L (1763) Constructo aequationis differentiali Aydu 2 + (B + Cu)dudy + (D + Eu + Fuu)ddy = 0, Sumto elemento du constante, Leonhardi Euleri Opera Omnia : I Volume 22: 395-402, E274
Fourier J-B (1818) Note relative aux vibrations des surfaces élastiques et au mouvement des ondes. Bulletin des Sciences par la Société philomathique: 129-136
Fourier J-B (1821-1822) Théorie de mouvement de la chaleur dans les corps solides. Mémoires Acad. Royale Sci. de Institut de France, t. V: 153-246, 1826
Fourier J-B (1822) The analytical theory of heat. English translation, Dover Publishers, New York, 1955
Fourier J-B (1829) Mémoire sur la théorie analytique de la chaleur. Mémoires Acad. Sci. Institut de France, t. VIII: 581-622
Gardner M F, Barnes J L (1942) Transients in linear systems studied by the Laplace transformation, Vol. 1: Lumped-constant systems, John Wiley and Sons, Inc, New York
Godard R (1999) An Historical Analysis of Time Series up to 1949. Historia Naturalis, 2: 305-328
Godard R (2000) The Interpolation Theory in the XXth Century. Proceedings of the CSHPM Annual Meeting, Hamilton, Vol. 13: 121-133
Godard R (2004) Sampling Theories from C. de la Vallée-Poussin to C. Shannon. Proceedings of the joint meeting CSHPM/BSHM, Cambridge, U.K., Vol. 17: 93-105
Godard R (2010) Some mathematical tools for numerical methods from 1805 to 1855. Proceedings of the 6th ESU conference, Vienna
Grattan-Guiness I (1972) Joseph Fourier 1768-1830. The MIT Press, Cambridge, Massachusetts
Green G (1828) An Essay on the Application of Mathematical Analysis to the theories of Electricity and Magnetism. Originally published as book in Nottingham. Reprinted in three parts in Journal für die reine und angewandte Mathematik Vol. 39, 1 (1850): 73-89, Vol. 44, 4 (1852): 356-374 and Vol. 47, 3 (1854): 161-221
Hald A (1990) A history of probability & statistics and their applications before 1750. John Wiley & Sons, New York
Hopkinson J (1877) Residual charge of the Leyden Jar. Dielectric Properties of Different Glasses. Phil. Trans. R. Soc. Lond., 167: 599-626
Horn J (1917) Verallgemeinerte Laplacesche Integrale als Lösungen linearer und nicht-linearer Differentialgleichungen. Jahresb. Deutsche Math. Ver. 25: 301-325
Huygens C (1690) Treatise on Light. Translated in English by S. P. Thompson, reprinted by The University of Chicago Press, Illinois, 1950
Ianniello M G, Israe G (2015) Boltzmann’s “Nachwirkung” and hereditary mechanics, available from Internet
Kline M (1972) Mathematical thought from ancient to modern times. Oxford University Press, Oxford
Lagrange J L (1773) Sur l’équation séculaire. Œuvres, Gauthier_Villars, Paris (1867-1892), Vol. 6: 349
Lagrange J L (1798) Mémoire sur les sphéroïdes elliptiques. Nouveaux Mémoires de Acad. Royale Sci. et Belles-Lettres de Berlin, années 1792-1793: 652
Laplace P S (1798-1823) Traité de mécanique céleste. Duprat J B M, Paris. Reprinted by Éditions Jacques Gabay (2006)
Laplace P S (1809) Mémoire sur divers points d’analyse. J. École poly.: 229-265
Lonseth A T (1977) Sources and applications of integral equations. SIAM Rev., 19, 2: 241-278
Lebesgue H (1909) Sur les intégrales singulières. in Œuvres scientifiques, Vol. III: 259-352, L’enseignement mathématique, Genève, 1972
Lejeune Dirichlet G (1829) Sur la convergence des séries trigonométriques qui servent à représenter une fonction arbitraire entre des limites données. Crelle, Journal für die reine und angewandte Mathematik, 4: 157-169
Levy P (1925) Calcul des probabilités. Gauthier-Villars, Paris
Levy P (1937) Théorie de l’addition des variables aléatoires. Gauthier-Villars, Paris
Liouville J (1832) Mémoire sur quelques questions de géométrie et de mécanique, et sur un nouveau genre de calculs pour résoudre ces équations. Journal de l’École Polytechnique, 13: 1-69
Mellin H J (1896) Über gewise duch bestimmte Integrale vermittle Bezichungen zwischen linearen Differentialgleichungen mit rationalen Coefficienten. Acta Societatis Scientiarum Pennicae, XXI, 6: 3-47
Picard E (1907) La mécanique classique et ses approximations successives. Révista di Scienza, 1: 4-15
Poisson S D (1823) Suite du mémoire sur les intégrales définies et sur la sommation de séries. Journal de l’École Polytechnique, : 404-509, available from the Gallica Internet site, and Mémoires de l’Académie de Sciences: 574, 1823 and Théorie de la chaleur
Poisson S D (1827) Mémoire sur la Théorie du magnétisme en mouvement. Mémoires de l’Académie des sciences de l’institut de France, 6: 441-570
Sachse A (1880) Essai historique sur la représentation d’une fonction arbitraire d’une seule variable par une série trigonométrique. Bulletin sci. math. et astro., 4, 1: 43-64
Sirovich L (1988) Introduction to Applied Mathematics. Springer-Verlag, New York
Schwartz L (1951) Théorie des distributions. tome II, Hermann & Cie, Paris
Volterra V (1887) Funzioni di linee. Scienze Matem, Roma
Volterra V (1913) Leçons sur les équations intégrales et les équations intégro-différentielles. Gauthier-Villars, Paris
Volterra V (1915) The theory of permutable functions. Princeton University Press, Princeton
Volterra V (1924) Leçons sur la composition et les fonctions permutables. Gauthier-Villars, Paris
Volterra V (1928) Sur la théorie mathématique des phénomènes héréditaires. J. Math. Pure Appl., 7: 249-298
Volterra V (1931) Leçons sur la théorie mathématique de la lutte pour la vie. Gauthier-Villars, Paris
Walker G (1931) On Periodicity in Series of Related Terms. Proceedings of the Royal Society of London, Ser. A, 131: 518-532. Gallica, 56224
Weil A (1940) L’intégration dans les espaces topologiques et ses applications. Hermann & Cie, Paris
Wiener N (1933) The Fourier integral & certain of its applications. Reprinted by Cambridge Mathematical Society, Cambridge, 1988
Yule U (1927) On a method of investigating Periodicities in Disturbed Series with Special Reference to Wolfer’ Sunspot Numbers. Phil. Trans. (A) 226: 267-298
Acknowledgement
The author would like to thank Mark Lewis for his help in editing this article.
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Editor information
Editors and Affiliations
Rights and permissions
Copyright information
© 2017 Springer International Publishing Switzerland
About this paper
Cite this paper
Godard, R. (2017). The Convolution as a Mathematical Object. In: Zack, M., Schlimm, D. (eds) Research in History and Philosophy of Mathematics. CSHPM 2016. Proceedings of the Canadian Society for History and Philosophy of Mathematics/La Société Canadienne d’Histoire et de Philosophie des Mathématiques. Birkhäuser, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-319-64551-3_13
Download citation
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-319-64551-3_13
Published:
Publisher Name: Birkhäuser, Cham
Print ISBN: 978-3-319-64092-1
Online ISBN: 978-3-319-64551-3
eBook Packages: Mathematics and StatisticsMathematics and Statistics (R0)