Funksioni i deltës së Dirakut

djathtas|i_kornizuar| Delta e Dirakut si kufi kur  (në kuptimin e shpërndarjeve ) të sekuencës së shpërndarjeve normale me qendër zero 
Në analizën matematikore, funksioni delta i Dirakut (ose shpërndarja δ ), i njohur gjithashtu si impulsi i njësisë,  është një funksion i përgjithësuar në numrat realë, vlera e të cilit është zero kudo përveç zeros, dhe integrali i të cilit mbi të gjithë vijën reale është i barabartë me një.    Meqenëse nuk ka asnjë funksion që ka këtë veti, modelimi i "funksionit" delta përfshin në mënyrë rigoroze përdorimin e limiteve ose, siç është e zakonshme në matematikë, teorinë e masës dhe teorinë e shpërndarjeve .

Funksioni delta u prezantua nga fizikani Paul Dirac, dhe që atëherë është aplikuar në mënyrë rutinore në fizikë dhe inxhinieri për të modeluar masat pikësore dhe impulset e menjëhershme. Quhet funksioni delta sepse është një analog i vazhdueshëm i funksionit delta Kronecker, i cili zakonisht përcaktohet në një domen diskret dhe merr vlerat 0 dhe 1. Rigoroziteti matematikor i funksionit delta u kundërshtua derisa Laurent Schwartz zhvilloi teorinë e shpërndarjeve, ku përkufizohet si një formë lineare që vepron mbi funksionet.

 Motivimi dhe pamjea e përgjithshme 
Grafiku i deltës së Dirakut zakonisht mendohet se ndjek të gjithë boshtin x dhe boshtin pozitiv y .  Delta e Dirakut përdoret për të modeluar një funksion të lartë kërcyes (një impuls ) dhe abstraksione të tjera të ngjashme si një ngarkesë pikë, masë pikë ose pikë elektroni . Për shembull, për të llogaritur dinamikën e goditjes së një topi të bilardos, mund të përafrohet forca e goditjes nga një delta e Dirakut. Duke vepruar kështu, njeriu jo vetëm thjeshton ekuacionet, por gjithashtu mund të llogarisë lëvizjen e topit, vetëm duke marrë parasysh impulsin total të përplasjes, pa një model të detajuar të të gjithë transferimit të energjisë elastike në nivelet nënatomike (për shembull).

Për të qenë specifik, supozoni se një top i bilardos gjëndet në prehje. Në kohë  goditet nga një top tjetër, duke i dhënë impuls P, me njësi kg⋅m⋅s−1 . Shkëmbimi i impulsit nuk është në fakt i menjëhershëm, duke u ndërmjetësuar nga procese elastike në nivel molekular dhe nënatomik, por për qëllime praktike është e përshtatshme të konsiderohet se transferimi i energjisë është efektivisht i menjëhershëm. Prandaj forca është  ; njësitë e  janë s−1 .

Për të modeluar këtë situatë në mënyrë më rigoroze, supozoni se forca shpërndahet në mënyrë uniforme në një interval të vogël kohor  Kjo është,

Atëherë impulsi në çdo kohë t gjendet me integrim:

Tani, situata e modelit të një transferimi të menjëhershëm të momentit kërkon marrjen e limitit kur Δt → 0, duke dhënë një rezultat kudo përveç në 0 :

Këtu funksionet  mendohen si përafrime të dobishme për idenë e transferimit të menjëhershëm të impulsit.

 Përkufizimet 
Funksioni i deltës së Dirakut  mund të mendohet lirshëm si një funksion në boshtin real i cili është zero kudo, përveç në origjinë, ku është i pafundëm,

dhe e cila është gjithashtu e kufizuar për të kënaqur identitetin 

 Si masë 
Një mënyrë për të kapur në mënyrë rigoroze nocionin e funksionit të deltës Dirac është të përcaktojmë një masë, të quajtur masa e Dirakut, e cila pranon një nënbashkësi A të vijës reale R si argument, dhe kthen   nëse , dhe  ndryshe.  Nëse funksioni delta konceptohet si modelim i një mase pikësore të idealizuar në 0, atëherë   përfaqëson masën që përmban bashkësia A Më pas mund të përkufizohet integrali kundrejt δ si integrali i një funksioni kundrejt kësaj shpërndarjeje në masë. Formalisht, integrali i Lebegut siguron pajisjen e nevojshme analitike. Integrali i Lebegut në lidhje me masën δ plotëson

për të gjitha funksionet e vazhdueshme  të mbështetura në mënyrë kompakte. Masa  nuk është absolutisht e vazhdueshme në lidhje me masën e Lebegut - në fakt, ajo është një masë njëjëse . Rrjedhimisht, masa delta nuk ka derivat Radon-Nikodym (në lidhje me masën e Lebegut) - nuk ka funksion të vërtetë për të cilin vetia

qëndron.  Si rezultat, shënimi i fundit është një abuzim i përshtatshëm i shënimit, dhe jo një integral standard ( Riemann ose Lebeg ).

 Si shpërndarje 
Në teorinë e shpërndarjeve, një funksion i përgjithësuar konsiderohet jo një funksion në vetvete, por vetëm përmes mënyrës se si ai ndikon në funksionet e tjera kur "integrohet" kundrejt tyre.  Në përputhje me këtë filozofi, për të përcaktuar siç duhet funksionin delta, mjafton të thuhet se cili është "integrali" i funksionit delta kundrejt një funksioni testues mjaftueshëm "të mirë" φ . Funksionet e testimit njihen gjithashtu si funksionet e kërcitjes . Nëse funksioni delta është kuptuar tashmë si masë, atëherë integrali i Lebegut i një funksioni testues kundrejt asaj mase siguron integralin e nevojshëm.

Një hapësirë tipike e funksioneve testuese përbëhet nga të gjitha funksionet e lëmuara në R me mbështetje kompakte që kanë aq derivate sa kërkohet. Si shpërndarje, delta e Dirakut është një funksional linear në hapësirën e funksioneve testuese dhe përcaktohet nga 

për çdo funksion provë φ .

Që  të jetë si duhet një shpërndarje, ajo duhet të jetë e vazhdueshme në një topologji të përshtatshme në hapësirën e funksioneve testuese. Në përgjithësi, që një funksional linear S në hapësirën e funksioneve testuese të përcaktojë një shpërndarje, është e nevojshme dhe e mjaftueshme që, për çdo numër të plotë pozitiv  të ketë një numër të plotë  dhe një konstante  të tillë që për çdo funksion provë φ, merret mosbarazimi 

ku sup përfaqëson supremin . Me shpërndarjen , dikush ka një pabarazi të tillë (me ) me  për të gjithë . Kështu  është një shpërndarje e rendit zero. Për më tepër, është një shpërndarje me mbështetje kompakte ( mbështetja është {0} ).

Shpërndarja delta gjithashtu mund të përcaktohet në disa mënyra ekuivalente. Për shembull, është derivati shpërndarës i funksionit të hapit Heaviside . Kjo do të thotë se për çdo funksion provë φ, një ka

Intuitivisht, nëse integrimi me pjesë lejohej, atëherë integrali i fundit duhet të thjeshtohet në

dhe në të vërtetë, një formë e integrimit nga pjesët lejohet për integralin Stieltjes, dhe në atë rast, merret

 Vetitë 

 Shkallëzimi dhe simetria 
Funksioni delta plotëson veçorinë e mëposhtme të shkallëzimit për një α skalar jozero: 

dhe kështu

Prova e vetisë së shkallëzimit:  ku përdoret një ndryshim i ndryshores  . Nëse  është negative, dmth, , atëherë  Kështu, 

Në veçanti, funksioni delta është një shpërndarje e barabartë (simetrike), në kuptimin që

e cila është homogjene e shkallës − 1 .

 Vetitë algjebrike 
Prodhimi shpërndarës i δ me x është i barabartë me zero:

Në përgjithësi,  për të gjithë numrat e plotë pozitivë  .

 Përkthimi 
Integrali i çdo funksioni i shumëzuar me deltën e Dirakut të vonuar në kohë  është

Kjo nganjëherë referohet si vetia e shoshitjes  ose vetia e marrjes së kampioneve .  Funksioni delta thuhet se "shoshit" vlerën e f(t) në t = T. 

Nga kjo rrjedh se efekti i konvolucionit të një funksioni  me deltën e Dirakut me vonesë kohore është me vonesën kohore  me të njëjtën sasi: 

 Kompozim me një funksion 
Në përgjithësi, shpërndarja delta mund të përbëhet me një funksion të lëmuar  në mënyrë të tillë që të zbatohet formula e njohur e ndryshimit të ndryshoreve, që

me kusht që g të jetë një funksion vazhdimisht i diferencueshëm me ′ askund zero.  Kjo do të thotë, ekziston një mënyrë unike për t'i dhënë kuptim shpërndarjes  në mënyrë që ky identitet të ruhet për të gjitha funksionet e testimit të mbështetur kompakt  . Prandaj, domeni duhet të ndahet për të përjashtuar pikën g′ = 0 . Kjo shpërndarje plotëson  nëse g nuk është askund zero, dhe përndryshe nëse g ka një rrënjë reale në x 0, atëherë

 Transformimi Furier 
Funksioni delta është një shpërndarje e temperuar, dhe për këtë arsye ka një transformim Furier të mirëpërcaktuar. Formalisht, gjendet The numerical factors depend on the conventions for the Fourier transform.

 Derivatet 
Derivati i shpërndarjes së deltës së Dirakut, i shënuar δ′ dhe i quajtur gjithashtu derivati kryesor i deltës së Diracit ose derivati i deltës së Diracit, siç përshkruhet në Laplacian të treguesit, përcaktohet në funksionet e testit të lëmuar të mbështetur në mënyrë kompakte φ nga  

Barazia e parë këtu është një lloj integrimi me pjesë, sepse nëse δ do të ishte një funksion i vërtetë atëherë 

Me induksion matematikor, derivati i k-të i δ përcaktohet në mënyrë të ngjashme si shpërndarja e dhënë në funksionet e testit nga

 Krehër diraku 
parapamje|Një krehër i Dirakut është një seri e pafundme funksionesh delta të Dirakut të vendosura në intervale prej T
Një i ashtuquajtur "treni i pulsit" uniform i matjeve të deltës Dirac, i cili njihet si një krehër Dirac, ose si shpërndarja Sha, krijon një funksion kampionimi, i përdorur shpesh në përpunimin e sinjalit dixhital (PNS) dhe në analizën e sinjalit të kohës diskrete. Krehja e Dirakut jepet si shuma e pafundme, kufiri i së cilës kuptohet në kuptimin e shpërndarjes,

që është një varg masash pikësore në secilin nga numrat e plotë.

 Zbatimet 

 Teoria e probabilitetit 
Në teorinë e probabilitetit dhe statistikë, funksioni delta i Dirakut përdoret shpesh për të përfaqësuar një shpërndarje diskrete, ose një shpërndarje pjesërisht diskrete, pjesërisht të vazhdueshme, duke përdorur një funksion të densitetit të probabilitetit (i cili zakonisht përdoret për të përfaqësuar shpërndarje absolutisht të vazhdueshme). Për shembull, funksioni i densitetit të probabilitetit  i një shpërndarje diskrete të përbërë nga pika x = { x1, ..., xn }, me probabilitete përkatëse p1, ... , pn, mund të shkruhet si

Si shembull tjetër, merrni parasysh një shpërndarje në të cilën 6/10 e kohës kthen një shpërndarje normale standarde, dhe 4/10 e kohës kthen saktësisht vlerën 3.5 (dmth. një shpërndarje përzierjeje pjesërisht e vazhdueshme, pjesërisht diskrete). Funksioni i densitetit të kësaj shpërndarjeje mund të shkruhet si

Funksioni delta përdoret gjithashtu për të përfaqësuar funksionin rezultues të densitetit të probabilitetit të një ndryshoreje të rastit që transformohet nga funksioni vazhdimisht i diferencueshëm. Nëse  është një funksion i vazhdueshëm i diferencueshëm, atëherë dendësia e Y mund të shkruhet si

Funksioni delta përdoret gjithashtu në një mënyrë krejtësisht të ndryshme për të përfaqësuar kohën vendoree të një procesi difuzioni (si lëvizja Braunuane ). Koha vendore e një procesi stokastik  jepet nga  dhe përfaqëson sasinë e kohës që kalon procesi në pikën x në intervalin e procesit. Më saktë, në një dimension mund të shkruhet ky integral  ku  është funksioni tregues i intervalit 

 Mekanika kuantike 
Funksioni delta është i përshtatshëm në mekanikën kuantike . Funksioni valor i një grimce jep amplitudën e probabilitetit për të gjetur një grimcë brenda një rajoni të caktuar të hapësirës. Funksionet valore supozohen të jenë elementë të hapësirës Hilbert  të funksioneve të integrueshme katrore, dhe probabiliteti total për të gjetur një grimcë brenda një intervali të caktuar është integrali i madhësisë së funksionit të valës në katror mbi intervalin. Një grup { | φ n ⟩ } i funksioneve valore është ortonormale nëse

 Mekanika strukturore 
Funksioni delta mund të përdoret në mekanikën strukturore për të përshkruar ngarkesat kalimtare ose ngarkesat pika që veprojnë në struktura. Mund të shkruhet ekuacioni drejtues i një sistemi të thjeshtë mase-sustë të ngacmuar nga një impuls i papritur i forcës I në kohën t = 0

ku m është masa, ξ është devijimi dhe k është konstanta e sustës .

Si shembull tjetër, ekuacioni që rregullon devijimin statik të një trau të hollë është, sipas teorisë Euler-Bernoulli ,

ku  është ngurtësia e përkuljes së traut,  është devijimi,  është koordinata hapësinore dhe  është shpërndarja e ngarkesës. Nëse një tra ngarkohet nga një forcë pikë F në , shpërndarja e ngarkesës shkruhet

Duke qenë se integrimi i funksionit delta rezulton në funksionin e hapit Heaviside, rrjedh se devijimi statik i një trau të hollë që i nënshtrohet ngarkesave të shumta pikash përshkruhet nga një grup polinomesh pjesë-pjesë.
Kategoria:Faqe me përkthime të pashqyrtuara