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δ-函數(shù)

 cosmos2062 2022-07-14 發(fā)布于廣東
在物理學(xué)中,經(jīng)常要用到一個(gè)具有特殊性質(zhì)的函數(shù),稱之為δ-函數(shù),我們以一個(gè)簡(jiǎn)單的例子引入這個(gè)函數(shù)。

考慮這樣一個(gè)簡(jiǎn)單的矩形函數(shù):

顯然,這個(gè)函數(shù)的函數(shù)值曲線與x軸所圍成的圖形的面積

現(xiàn)在,讓這個(gè)矩形圖形的底邊長對(duì)稱地向坐標(biāo)軸的原點(diǎn)趨近,同時(shí)讓函數(shù)值隨之增加,但保持函數(shù)值曲線下的面積不變。顯然,當(dāng)?shù)走呴L趨于零時(shí),為了保持函數(shù)值曲線下的面積不變,函數(shù)值必須趨于無窮大。在這種情況下,除了原點(diǎn)之外,其余位置的函數(shù)值等于零。我們把具有這種性質(zhì)的函數(shù)稱為δ-函數(shù),并用δ(x)標(biāo)記:

由δ-函數(shù)的定義馬上可以得到這個(gè)函數(shù)的一個(gè)重要性質(zhì):

其中的積分區(qū)間[a,b]是跨越原點(diǎn)的一個(gè)任意區(qū)間,這樣的一個(gè)區(qū)間當(dāng)然也包括無窮區(qū)間。

可以將由以上方式定義的以原點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的δ-函數(shù)推廣到以任意點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的δ-函數(shù):

其中的積分區(qū)間是跨越對(duì)稱點(diǎn)的一個(gè)任意區(qū)間。由于原點(diǎn)與數(shù)軸上的任意點(diǎn)之間的差別僅僅是做了一個(gè)在數(shù)軸上的平移而已,相應(yīng)的函數(shù)具有類似的性質(zhì),因此,下面我們只討論以原點(diǎn)為對(duì)稱點(diǎn)的δ-函數(shù),所得到的結(jié)論完全可以直接推廣到一般情況。

在物理學(xué)中,經(jīng)常要用到一個(gè)函數(shù),叫做階梯函數(shù):

由于這個(gè)函數(shù)在原點(diǎn)不連續(xù),它的一階導(dǎo)數(shù)在原點(diǎn)一定是奇異的:

另一方面,如果我們對(duì)這個(gè)一階導(dǎo)數(shù)做一個(gè)跨越原點(diǎn)的積分:

結(jié)果發(fā)現(xiàn),階梯函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)具有δ-函數(shù)的性質(zhì):

利用δ-函數(shù)和階梯函數(shù)的上述基本性質(zhì),可以用明確的表達(dá)式表示一個(gè)不連續(xù)函數(shù)及其一階導(dǎo)數(shù)??紤]一個(gè)在數(shù)軸上的某一點(diǎn)處不連續(xù)的函數(shù)
可以用階梯函數(shù)把這個(gè)函數(shù)改寫成

對(duì)這個(gè)函數(shù)求一階導(dǎo)數(shù):

在利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行理論推導(dǎo)的過程中,按這樣的方式處理不連續(xù)函數(shù)是比較方便的。

除了上述通過定義給出的基本性質(zhì)之外,δ-函數(shù)還有一些有用的性質(zhì)。
1.從δ-函數(shù)的定義很容易看出,δ-函數(shù)是一個(gè)偶函數(shù)。由此得到以原點(diǎn)為區(qū)間端點(diǎn)的積分:

其中a<0,b>0。
2.對(duì)任意一個(gè)連續(xù)函數(shù),它與δ-函數(shù)的乘積除了在原點(diǎn)上可能不等于零之外,在其他的位置都等于零,因此:

3.把上述性質(zhì)以及它的推導(dǎo)方法推廣到對(duì)稱點(diǎn)不在原點(diǎn)上的δ-函數(shù),就可以得到:

4.用對(duì)稱點(diǎn)在另一個(gè)點(diǎn)上的δ-函數(shù)代替上面的連續(xù)函數(shù),又可以得到:

5.如果將δ-函數(shù)中的變量乘以一個(gè)常數(shù),根據(jù)以下積分

這就是說,|c|δ(cx)具有δ-函數(shù)的性質(zhì),因此

一維δ-函數(shù)的一個(gè)直接推廣就是三維δ-函數(shù):

三維δ-函數(shù)的性質(zhì)可以從一維δ-函數(shù)的性質(zhì)直接得到,這里只給出幾個(gè)常用的性質(zhì):

其中的積分區(qū)域是包圍對(duì)稱點(diǎn)的一個(gè)任意空間區(qū)域。

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