En matemática, el teorema de convolución establece que, bajo determinadas circunstancias, la transformada de Fourier de una convolución es el producto punto a punto (o producto Hadamard) de las transformadas. En otras palabras, la convolución en un dominio (por ejemplo el dominio temporal) es equivalente al producto punto a punto en el otro dominio (es decir dominio espectral).
Sean
y
dos funciones cuya convolución se expresa con
.
(notar que el asterisco denota convolución en este contexto, y no multiplicación; a veces es utilizado también el símbolo
).
Sea
el operador de la transformada de Fourier, con lo que
y
son las transformadas de Fourier de f y g, respectivamente.
Entonces
![{\displaystyle {\mathcal {F}}[f*g]={\sqrt {2\pi }}({\mathcal {F}}[f])\cdot ({\mathcal {F}}[g])}](./2fb25a0be1c3d0d19679e4f831627125d92d9a84.svg)
donde · indica producto punto a punto. También puede afirmarse que:
![{\displaystyle {\mathcal {F}}[f\cdot g]={\frac {{\mathcal {F}}[f]*{\mathcal {F}}[g]}{\sqrt {2\pi }}}}](./93d2a3f67ea5f3b38e3f59a593e673f2d2ae711d.svg)
Aplicando la transformada inversa de Fourier
, podemos escribir:
![{\displaystyle f*g={\sqrt {2\pi }}{\mathcal {F}}^{-1}[{\mathcal {F}}[f]\cdot {\mathcal {F}}[g]]}](./abfa8c019fd229f5c63ecc9f077b318e72fe4b82.svg)
Demostración
La demostración funciona para normalizaciones unitarias y no unitarias de la transformada de Fourier, pero en la versión unitaria tiene factores extras de
que son inconvenientes aquí. Sean
Sean
la transformada de Fourier de
y
la transformada de Fourier de
:

.
Sea
la convolución de
y

Nótese que

Del teorema de Fubini tenemos que
, así que su transformada de Fourier está definida.
Sea
la transformada de Fourier de
:

Obsérvese que
y gracias al argumento de arriba podemos aplicar nuevamente el teorema de Fubini:

Sustituyendo
; tenemos
, y por lo tanto:



Estas dos integrales son las definiciones de
y
, así que:

Que es lo que queríamos demostrar.