calibcant: Move Lorentzian discussion before the PSD derivation
authorW. Trevor King <wking@tremily.us>
Tue, 14 May 2013 18:30:02 +0000 (14:30 -0400)
committerW. Trevor King <wking@tremily.us>
Tue, 14 May 2013 18:30:02 +0000 (14:30 -0400)
Prof. Cruz points out that the damped harmonic oscillator should be
old hat.  Lay out the confusion first to motivate the gory details
that follow.

src/calibcant/discussion.tex
src/calibcant/overview.tex
src/calibcant/procedure.tex
src/calibcant/theory.tex

index f76ed463ff3a902130f5bb1f1ff6e37202a6f820..2b6672cef687b6034449a0d7934f88f81fae0c78 100644 (file)
@@ -1,49 +1,6 @@
 \section{Discussion}
 \label{sec:calibcant:discussion}
 
-\subsection{Fitting with a Lorentzian}
-\label{sec:calibcant:lorentzian}
-
-It is popular to refer to the thermal power spectral density as a
-``Lorentzian''\citep{howard88,hutter93,roters96,levy02,florin95} even
-though \cref{eq:model-psd} differs from the classic
-Lorentzian\citep{mathworld-lorentzian}.
-\begin{equation}
-  L(x) = \frac{1}{\pi}\frac{\frac{1}{2}\Gamma}
-                           {(x-x_0)^2 + \p({\frac{1}{2}\Gamma})^2} \;,
-  \label{eq:lorentzian}
-\end{equation}
-where $x_0$ sets the center and $\Gamma$ sets the width of the curve.
-It is unclear whether the references are due to uncertainty about the
-definition of the Lorentzian or to the fact that \cref{eq:model-psd}
-is also peaked and therefore \cref{eq:lorentzian} a potential
-substitute for \cref{eq:model-psd}.  \citet{florin95}
-likely \emph{are} using \cref{eq:lorentzian}, as the slope of the
-fitted \PSD\ in their figure 2, has a slope at $f=0$.
-Using \cref{eq:model-psd}, the derivative would have been zero, as we
-can see by using the chain rule repeatedly,
-
-\begin{align}
-  \deriv{f}{\PSD_f}
-    &= \deriv{f}{}\p({\frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}})
-    = \frac{-G_{1f}}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
-      \deriv{f}{}\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}) \\
-    &= \frac{-G_{1f}}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
-      \p({2(f_0^2-f^2)\deriv{f}{}(f_0^2 - f^2) + 2\beta_f^2 f}) \\
-    &= \frac{-G_{1f}}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
-      \p({-4f(f_0^2-f^2) + 2\beta_f^2 f}) \\
-    &= \frac{2G_{1f}f}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
-      \p({2(f_0^2-f^2) - \beta_f^2}) \\
-  \left.\deriv{f}{\PSD_f}\right|_{f=0} &= 0 \;.
-  \label{eq:model-psd-df}
-\end{align}
-
-However, \citet{benedetti12} has a solid derivation of
-\cref{eq:DHO-psd}, which he then refers to as the ``Lorentzian''.  In
-order to avoid any uncertainty, we leave \cref{eq:model-psd} unnamed.
-I encourage future researchers to explicitly list the model they use,
-ideally by citing their associated open source calibration package.
-
 \subsection{Peak frequency}
 \label{sec:calibcant:peak-frequency}
 
index a3856a99c1dbe78a98fcb3f4c0870a4851d28070..4518233ea69c020c39b1e7add231f3695d05987e 100644 (file)
@@ -42,7 +42,7 @@ $f_0$\index{$f_0$}, and $\beta_f$\index{$\beta_f$}, the expectation
 value for $V_p$ is given by
 \begin{equation}
   \avg{V_p(t)^2} = \frac{\pi G_{1f}}{2\beta_f f_0^2} \;.
-  \label{eq:Vp-from-freq-fit}
+  \label{eq:avg-Vp-Gone-f}
 \end{equation}
 %
 \nomenclature[PSDf]{$\PSD_f$}{Power spectral density in
@@ -53,7 +53,7 @@ value for $V_p$ is given by
 \nomenclature{$f$}{Frequency (hertz)}
 \nomenclature{$f_0$}{Resonant frequency (hertz)}
 
-Combining \cref{eq:equipart_k,eq:x-from-Vp,eq:Vp-from-freq-fit}, we
+Combining \cref{eq:equipart_k,eq:x-from-Vp,eq:avg-Vp-Gone-f}, we
 have
 \begin{align}
   \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
@@ -84,3 +84,74 @@ power spectral density.  TODO (extend)%,
 %as do 
 % see Gittes 1998 for more thermal noise details
 % see Berg-Sorensen05 for excellent overdamped treament.
+
+\section{Fitting with a Lorentzian}
+\label{sec:calibcant:lorentzian}
+
+It is popular to refer to the thermal power spectral density as a
+``Lorentzian''\citep{howard88,hutter93,roters96,levy02,florin95}, but
+there is dissagreement on what this means.  The classic Lorentzian
+function is\citep{mathworld-lorentzian}
+\begin{equation}
+  L(x) = \frac{1}{\pi}\frac{\frac{1}{2}\Gamma}
+                           {(x-x_0)^2 + \p({\frac{1}{2}\Gamma})^2} \;,
+  \label{eq:lorentzian}
+\end{equation}
+where $x_0$ sets the center and $\Gamma$ sets the width of the curve.
+However, the correct \PSD\ for a damped harmonic oscillator in bath of
+white noise is given by \cref{eq:psd-Vp}\citep{burnham03,benedetti12}.
+
+These formula are fundamentally different.
+
+For example, the slope of \cref{eq:psd-Vp} is zero at $f=0$, as we can
+see by using the chain rule repeatedly,
+\begin{align}
+  \deriv{f}{\PSD_f}
+    &= \deriv{f}{}\p({\frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}})
+    = \frac{-G_{1f}}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
+      \deriv{f}{}\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}) \\
+    &= \frac{-G_{1f}}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
+      \p({2(f_0^2-f^2)\deriv{f}{}(f_0^2 - f^2) + 2\beta_f^2 f}) \\
+    &= \frac{-G_{1f}}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
+      \p({-4f(f_0^2-f^2) + 2\beta_f^2 f}) \\
+    &= \frac{2G_{1f}f}{\p({(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2})^2}
+      \p({2(f_0^2-f^2) - \beta_f^2})
+    \label{eq:model-psd-df} \\
+  \left.\deriv{f}{\PSD_f}\right|_{f=0} &= 0 \;.
+    \label{eq:model-psd-df-zero}
+\end{align}
+On the other hand, the slope of \cref{eq:lorentzian} is only zero at
+the peak (where $x=x_0$).
+\begin{align}
+  \deriv{x}{L(x)}
+    &= \frac{1}{\pi}\frac{\frac{-1}{2}\Gamma}
+                         {\p({(x-x_0)^2 + \p({\frac{1}{2}\Gamma})^2})^2}
+         \cdot \deriv{x}{}\p({(x-x_0)^2 + \p({\frac{1}{2}\Gamma})^2}) \\
+    &= \frac{1}{\pi}\frac{\frac{-1}{2}\Gamma}
+                         {\p({(x-x_0)^2 + \p({\frac{1}{2}\Gamma})^2})^2}
+         \cdot 2 (x-x_0) \\
+    &= \frac{1}{\pi}\frac{-\Gamma (x-x_0)}
+                         {\p({(x-x_0)^2 + \p({\frac{1}{2}\Gamma})^2})^2}
+  \label{eq:lorentzian-dx}
+\end{align}
+
+It is unclear whether the ``Lorentzian'' references are due to
+uncertainty about the definition of the Lorentzian or to the fact that
+the two equations have similar behaviour near the
+peak.  \citet{florin95} likely \emph{are} using \cref{eq:lorentzian},
+as the slope of the fitted \PSD\ in their \fref{figure}{2}, has a
+slope at $f=0$.  If they were using \cref{eq:psd-Vp}, the derivative
+would have been zero (\cref{eq:model-psd-df-zero}).
+
+We have at least two models in use, one likely the
+``Lorentzian'' (\cref{eq:lorentzian}) and one that's not.  Perhaps
+researchers claiming to use the ``Lorentzian'' are consistently
+using \cref{eq:lorentzian}?  There is at least one
+counterexample: \citet{benedetti12} has a solid derivation of
+\cref{eq:DHO-psd}, which he then refers to as the ``Lorentzian''.
+Which formula are the remaining ``Lorentzian'' fitters using?  What
+about groups that only reference their method as ``thermal
+calibration'' without specifying a \PSD\ model?  In order to avoid any
+uncertainty, we leave \cref{eq:psd-Vp} unnamed.  I encourage future
+researchers to explicitly list the model they use, ideally by citing
+their associated open source calibration package.
index 2b3f61e61ae6e7773f00f62851df39eb7f1a1f48..79fa0699f7dd9e8e9f572b1e525976ee578afe7b 100644 (file)
@@ -252,7 +252,7 @@ $P_{0f}$\citep{burnham03}.
 Plots of \cref{eq:psd-Vp-offset} fits look better than
 \cref{eq:psd-Vp} fits (\cref{fig:calibcant:vibration}), but the
 significance on the variance calculated with
-\cref{eq:Vp-from-freq-fit} depends on the amount of background noise
+\cref{eq:avg-Vp-Gone-f} depends on the amount of background noise
 in the vibration data.  With over an order of magnitude difference
 between the power of the damped harmonic oscillator peak and the
 background noise, the effect of $P_{0f}$ will be small.  With noisier
index 4939cd0794bc3b2ae0642ceae6f850c9e89a5d93..9c79d182e21a956a5d88360b098469c3cbd53af4 100644 (file)
@@ -1,8 +1,12 @@
-\section{Theory}
+\section{Power spectra of damped harmonic oscillators}
 \label{sec:calibcant:theory}
 
-Our cantilever can be approximated as a damped harmonic
-oscillator\index{damped harmonic oscillator}
+As discussed in \cref{sec:calibcant:lorentzian}, the power spectral
+density for a Hookean cantilever is surprisingly ambiguous.  In this
+section, I'll derive the frequency-space power spectra of the
+deflection voltage (\cref{eq:avg-Vp-Gone-f,eq:model-psd}), modeling
+the cantilever as a damped harmonic oscillator\index{damped harmonic
+  oscillator}.
 \begin{equation}
   m\ddt{x} + \gamma \dt{x} + \kappa x = F(t) \;,
   \label{eq:DHO}
@@ -223,8 +227,8 @@ We compute the \PSD\ by plugging \cref{eq:DHO-xmag} into
 
 Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:DHO-psd-F} we have
 \begin{equation}
-  \PSD(x, \omega) = \frac{G_0/m^2}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 +\beta^2\omega^2}\;,
-       \label{eq:model-psd} \;.
+  \PSD(x, \omega) = \frac{G_0/m^2}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 +\beta^2\omega^2}\;.
+    \label{eq:model-psd}
 \end{equation}
 
 Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit
@@ -390,7 +394,7 @@ The variance of the function $x(t)$ is then given by plugging into
      = \iOInf{f}{\frac{1}{2\pi}\PSD_f(x,f)2\pi\cdot}
      = \iOInf{f}{\PSD_f(x,f)} \;.
 \end{align}
-We can now extract \cref{eq:psd-Vp,eq:Vp-from-freq-fit} from
+We can now extract \cref{eq:psd-Vp,eq:avg-Vp-Gone-f} from
 \cref{eq:psd-Vp-Gone,eq:avg-Vp-Gone}.
 \begin{align}
   \begin{split}
@@ -399,11 +403,13 @@ We can now extract \cref{eq:psd-Vp,eq:Vp-from-freq-fit} from
      = \frac{2\pi G_1}{16\pi^4(f_0^2-f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2} \\
      &= \frac{G_1/8\pi^3}{(f_0^2-f^2)^2 + \frac{\beta^2 f^2}{4\pi^2}}
      = \frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}
+     %\label{eq:psd-Vp}
   \end{split} \\
   \avg{V_p(t)^2}
     &= \frac{\pi \frac{G_1}{(2\pi)^3}}
       {2 \frac{\beta}{2\pi} \p({\frac{\omega_0}{2\pi}})^2}
     = \frac{\pi G_{1f}}{2 \beta_f f_0^2} \;.
+     %\label{eq:avg-Vp-Gone-f}
 \end{align}
 where $f_0\equiv\omega_0/2\pi$, $\beta_f\equiv\beta/2\pi$, and
 $G_{1f}\equiv G_1/8\pi^3$.  Finally, we can generate