分析化學中的小波分析技術

　　叢書序 與讀者見面的這一作品是《分析科學現(xiàn)代方法叢書》中的一本，這套叢書將介紹這個領域的各個側面，希望大家喜愛它。 在剛剛過去的100年中，世界經(jīng)歷了人類歷史上空前劇烈和深刻的變化，展望未來，仍將處于飛速的變化中；這種變化在很大程度上是科學技術進步所推動的。比如，計算機技術的廣泛應用和通訊的快速發(fā)展，正使經(jīng)濟、政治和文化真正具有全球性。社會生產(chǎn)與財富積累方式發(fā)生根本性的變化，地域人均GNP與財富分布的分散性迅速擴大；同時，人造物品的廣泛應用，改變甚而破壞了自我生存環(huán)境。要理解和預測未來所展示的可能性，就需要系統(tǒng)地研究這些關鍵性變化，以及正在使生活改變面貌的各種趨勢。變化的基礎 是知識：知識的發(fā)現(xiàn)、它的迅速傳播以及利用這種知識所需要的教育。獲得并運用知識是經(jīng)濟進步的鑰匙。分析科學現(xiàn)代方法正是人類知識寶庫中最重要、最活躍的領域之一，它不僅是研究的對象，同時又是觀察和探索世界，特別是微觀世界的手段，各行各業(yè)都離不開它。以1996年底的我國國家標準為例，其中分析方法國家標準占國家標準總數(shù)1．7萬多個的16．5％左右。可以毫不夸張地說，沒有分析科學、分析方法和分析儀器就沒有現(xiàn)代工業(yè)，沒有現(xiàn)代科學技術。 隨著社會的變化發(fā)展，分析科學現(xiàn)代方法的應用，不斷向縱深拓展延伸，同時，又經(jīng)常面臨新需求的挑戰(zhàn)，要求改進和發(fā)展新分析方法、新分析技術和新概念，提高其靈敏度、準確度和可靠性，從中提取更多的信息，提高測試質(zhì)量、效率和經(jīng)濟性。特別是材料科學、環(huán)境科學和生命科學等的發(fā)展，要求從分子、原子和電子等的角度了解物質(zhì)的結構、組成和功能間的關系，其范圍包括從無機到有機、從常量到微量、從成分到結構、從宏觀到微觀、從靜態(tài)到動態(tài)等測量和表征物質(zhì)的屬性。發(fā)現(xiàn)需求并理解其普遍意義，就成為關鍵性的環(huán)節(jié)。需求是其發(fā)展的基本推動力，推動其廣泛地從科學知識和科學方法中、前沿科研最新成果中及實踐經(jīng)驗中，吸取營養(yǎng)，引發(fā)啟迪，研究運用，尋找解答的途徑，達到更高層面的概括，擴大并加深其無止境的疆界。 在建設有中國特色的社會主義社會的實踐中，各行各業(yè)建立了許多分析測試中心和分析實驗室；廣大分析測試工作者活躍在國民經(jīng)濟和國防建設的各條戰(zhàn)線上，做出了自己的努力、自己的貢獻，發(fā)表了大量學術論文，積累了豐富的實踐經(jīng)驗。在這樣的背景下，有必要總結和推廣經(jīng)驗，交流成果，不斷提高分析測試隊伍的業(yè)務水平，開闊視野，以適應分析科學與技術的飛速發(fā)展和國家需要。為此，在原教委所屬高校分析測試中心會議前期準備的基礎上，于1996年，中國分析測試協(xié)會決定主辦并編輯出版這套《分析科學現(xiàn)代方法叢書》，調(diào)整了編委會和出版計劃，并確定突出實用性、綜合性及新穎性作為該叢書編輯的主導思想，以反映國內(nèi)分析科學的新水平。我們歡迎有興趣的專家學者，從自己實踐的側面或自己概括的角度，積極參加叢書的撰寫工作，豐富其內(nèi)容，擴延其疆界。 叢書的編輯出版工作得到各界人士、專家學者及中國分析測試協(xié)會領導的熱情關注和支持，在此謹致衷心感謝，同時亦真誠地歡迎讀者的關注和批評指正。 潘更民 序 Fourier從1807年開始研究熱的解析理論，1822年在巴黎發(fā)表這方面的經(jīng)典著作"Theore analytique de la chaleur"，他提出了Fourier級數(shù)，并繼續(xù)研究直到1830年去世前提出Fourier積分。這就是Fourier變換發(fā)展的源頭。Fourier的工作并沒有得到與他同時代的學者的認同，甚至當時有權威的人士譏諷這類級數(shù)是"魔鬼的創(chuàng)造"，很難用它們演示表達任何事物。直到一個世紀后，F(xiàn)ourier變換才為人們所認識，特別是20世紀60年代Tuckey與Cooley的快速Fourier變換（FFT）問世，F(xiàn)ourier變換這一強有力的數(shù)學工具的功能得以在計算機上高效實現(xiàn)，這對科學的發(fā)展產(chǎn)生了深遠的影響。從化學與分析化學學科信息化的產(chǎn)物：化學計量學的發(fā)展看，如果我們從CA檢索"Fourier變換"這個詞條，在化學計量學發(fā)展的初期，從1976年11月到1979年10月檢出的文獻數(shù)是34篇，而從1985年12月到1987年12月檢出的文獻數(shù)竟達到1315篇！Fourier變換在化學中的應用展示了強大的生命力，但它仍有很多不足之處，為此在20世紀80年代初至90年代末小波變換應運而興。小波變換的發(fā)展似乎比Fourier變換走過的路子要順暢得多。這可能是由于科學工作者包括化學工作者從Fourier變換發(fā)展的歷史中吸取了教訓，但更重要的是，科學技術包括化學學科的信息化這一大背景，為諸如小波變換這樣的優(yōu)秀數(shù)學工具的應用提供了理想的舞臺與條件。盡管如此，要在化學與分析化學領域真正普及與用好像小波變換這樣的數(shù)學工具，還需要做許多努力。盧小泉教授等撰寫的《分析化學中的小波分析技術》一書，對包括小波分析與Fourier分析的原理與算法，以及與分析化學相關的諸多小波與Fourier分析技術，作了深入淺出的闡述。這無疑是一部分析工作者十分需要的參考書。作者在這一領域不僅有良好的理論基礎，而且有很多實際經(jīng)驗。應作者邀請，為祝賀本書的出版寫了以上的話，是為序。 俞汝勤 2005年6月于湖南大學 前言 1994年，我開始從事小波分析在分析化學中的應用研究工作，隨著對小波理論研究的深入，我發(fā)現(xiàn)小波分析理論在化學學科中具有良好的應用前景，是繼Fourier分析之后又一強大的信息分析工具。恰在此時，關于小波分析的數(shù)學論著，如《A Wavelet Tour of Signal Processing》（Stephane Mallat著，Academic Press，1991）、《小波分析導論》（崔錦泰著、程正興譯，西安交通大學出版社，1995）、《Ten Lectures on Wavelet》（I.Daubechies著）等相繼出版，但尚未出現(xiàn)小波分析在分析化學中應用的學術專著，于是我產(chǎn)生了撰寫此書的想法。經(jīng)過精心準備，自1999年起，我開始了本書的設計、資料的查閱、撰寫及修改工作。在書中，除引用了大量的文獻資料外，還匯集了本人在這一領域里的一系列研究成果，加入了大量的程序原碼，公開了一些有價值的數(shù)據(jù)（如三階樣條小波的濾波器系數(shù)等），希望本書的出版能對正在進行相關研究的科技工作者在方法上有所幫助。在該書撰寫的過程中，博士研究生劉宏德做了大量的輔助工作。 在完成本書的過程中，得到了有關方面的大力支持，這里首先要感謝國家自然科學基金委員會（No．20275031，20335030，B-0524008）和教育部第四屆高校青年教師教學科研獎勵計劃（TRAPOYT）對該項研究和出版的資助；特別要感謝著名分析化學家、中國科學院院士、湖南大學俞汝勤教授在百忙中為本書作序，對作者給予了極大的鼓舞和勉勵。另外，碩士研究生王小強、陳晶、王嵐、王睿等在資料收集過程中做了一定的工作，中山大學化學化工學院莫金垣教授和西北師范大學的有關領導也在本書出版過程中給予了許多鼓勵，在此一并感謝。 由于時間關系及自身水平有限，本書內(nèi)容雖有探索性的性質(zhì)，但屬于一孔之見，因此書中難免有不足之處，敬請學界同仁批評指正。 盧小泉 2005年10月于蘭州

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