Дельта-функція Дірака

δ-функція — це узагальнена функція, формально визначається як неперервний лінійний функціонал у просторі диференційовних функцій. δ-функція не є функцією в класичному розумінні.

схематичне зображення дельта функції як лінії з якої виступає стрілка. Висота стрілки відображає число, яке можна розцінювати як площу під графіком функції.

Дельта функція Дірака як границя (в сенсі границі за розподілом) послідовності гаусівських функцій розподілу ${\displaystyle \delta _{a}(x)={\frac {1}{a{\sqrt {\pi }}}}\mathrm {e} ^{-x^{2}/a^{2}}}$ as ${\displaystyle a\to 0.}$

Введена англійським фізиком Діраком. Дозволяє записати просторову густину фізичної величини (маса, електричний заряд, інтенсивність джерела тепла, сили тощо) зосередженою або прикладеною в одній точці. Наприклад, густина точкової маси m, що знаходиться в точці ${\displaystyle a}$, евклідового простору ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$, записується за допомогою δ-функції у вигляді ${\displaystyle \ m\delta (x-a)}$.

Означення

δ-функція визначається формальним співвідношенням

${\displaystyle (\delta ;f)\;=\;\int _{\mathbb {R} ^{n}}\delta (x-a)f(x)\;dx=f(a)}$

для будь-якої неперервної функції ${\displaystyle f(x)\,}$.

Властивості

Для дельта-функції однієї змінної справедливі такі рівняння:

• ${\displaystyle \delta (x)=0,\qquad \forall x\not =0}$.
• ${\displaystyle \int \limits _{-\infty }^{\infty }\delta (x)\,dx=1}$.
• ${\displaystyle x\delta ^{\prime }(x)=-\delta (x)}$.
• ${\displaystyle \delta (f(x))=\sum _{k}{\frac {\delta (x-x_{k})}{|f'(x_{k})|}}}$, де ${\displaystyle x_{k}}$ — нулі функції ${\displaystyle f(x)}$.

Інтегральне представлення

У багатьох випадках зручним виявляється таке представлення дельта-функції:

Розглянемо інтеграл

${\displaystyle I(t)=\int \limits _{-\infty }^{\infty }e^{i\omega t}\,d\omega }$,    (1)

який можна інтерпретувати як границю

${\displaystyle I(t)=\lim _{N=\infty }\int _{-N}^{N}e^{i\omega t}\,d\omega =\lim _{N=\infty }2\pi N{\frac {\sin {tN}}{\pi tN}}}$.    (2)

Відомо, що

${\displaystyle \int \limits _{-\infty }^{\infty }{\frac {\sin {t}}{t}}\,dt=\pi }$.    (3)

Як наслідок з (3) для будь-якого ${\displaystyle N\,}$ справедлива рівність:

${\displaystyle \int \limits _{-\infty }^{\infty }2N{\frac {\sin {tN}}{tN}}\,dt=2\pi }$.    (4)

Можна показати, що при необмеженому зростанні ${\displaystyle N\,}$ виявляються правильними всі властивості дельта-функції і функція (2) прямує до ${\displaystyle \delta (t)\,}$; це дозволяє зробити висновок, що:

${\displaystyle I(t)=\int _{-\infty }^{\infty }e^{i\omega t}\,d\omega =2\pi \delta (t)}$.

Похідна дельта-функції

Фундаментальний вираз, що описує похідну дельта-функції ${\displaystyle \delta (x)}$:

${\displaystyle \int f(x)\delta ^{[n]}(x)\,dx=-\int {\frac {\partial f}{\partial x}}\delta ^{[n-1]}(x)\;dx}$.

Підставивши ${\displaystyle f(x)=xg(x)\,\!}$, одержимо вираз:

${\displaystyle \int xg(x)\delta ^{\prime }(x)\;dx=-\int \delta (x){\frac {\partial }{\partial x}}[xg(x)]\;dx}$.

Після перетворення маємо:

${\displaystyle -\int \delta (x)[g(x)+xg^{\prime }(x)]\;dx=-\int g(x)\delta (x)\;dx}$.

Оскільки ${\displaystyle \int xg^{\prime }(x)\delta (x)\;dx=0}$, одержуємо остаточний вираз

${\displaystyle x\delta ^{\prime }(x)=-\delta (x)}$.

У загальному вигляді вираз похідної дельта-функції записується так:

${\displaystyle \int [x^{n}f(x)]\delta ^{n}(x)\;dx=(-1)^{n}\int {\frac {\partial ^{n}[x^{n}f(x)]}{\partial x^{n}}}\delta (x)\;dx}$.

Для довільної дельта-функції справджуються наступні тотожності:

${\displaystyle \delta ^{\prime }(-x)=-\delta ^{\prime }(x)}$;

${\displaystyle \int \limits _{-\infty }^{+\infty }f(x)\delta ^{\prime }(x-a)\;dx=-f^{\prime }(a)}$;

${\displaystyle \int \limits _{-1}^{1}\delta \left({\frac {1}{x}}\right)\;dx=0}$.

Перетворення Фур'є

До дельта-функції ${\displaystyle x(t)=\delta (t)}$ можна застосувати перетворення Фур'є:

${\displaystyle \int \limits _{-\infty }^{+\infty }\delta (t)\cdot e^{-i2\pi ft}\,dt=e^{-i2\pi f\cdot 0}=1}$

в результаті одержуємо, що спектр δ-функції є константою: ${\displaystyle F(\delta )=1}$.

Доведено, що похідна функції Гевісайда дорівнює дельта-функції. Тобто Функція Гевісайда — первісна дельта-функції:

${\displaystyle H(x)=\int \limits _{-\infty }^{x}\delta (t)\,dt}$.

Отже, застосувавши перетворення Фур'є до первісної дельта-функції

${\displaystyle {\sqrt {2\pi }}H(t)}$,

одержимо її образ у вигляді:

${\displaystyle {\frac {1}{i\omega }}+{\pi }\delta (t)}$.

Представлення в різних координатах і системах відліку

У двовимірному просторі:

${\displaystyle \iint \limits _{-\infty }^{+\infty }\delta ^{2}(x,\;y)\,dx\,dy=1}$;

${\displaystyle \delta (ax,\;by)={\frac {1}{\left|ab\right|}}\delta ^{2}(x,\;y)}$;

${\displaystyle \delta ^{2}(x,\;y)=\delta (x)\delta (y)\,\!}$.

У полярних координатах:

${\displaystyle \delta ^{2}(x,\;y)={\frac {\delta (r)}{\pi \left|r\right|}}}$.

У тривимірному просторі:

${\displaystyle \iiint \limits _{-\infty }^{+\infty }\delta ^{3}(x,\;y,\;z)\,dx\,dy\,dz=1}$;

${\displaystyle \delta ^{3}(x,\;y,\;z)=\delta (x)\delta (y)\delta (z)\,\!}$.

У циліндричній системі:

${\displaystyle \delta ^{3}(r,\;\theta ,\;z)={\frac {\delta (r)\delta (z)}{\pi r}}}$.

У сферичній системі відліку:

${\displaystyle \delta ^{3}(r,\;\theta ,\;\phi )={\frac {\delta (r)}{2\pi r^{2}}}\,\!}$.

Фізична інтерпретація

Графік функції Гевісайда, похідна від якої — дельта-функція

Графік дельта-функції

Миттєве прискорення

Прикладом застосування дельта-функції Дірака може служити задача про зіткнення двох тіл. Якщо на непорушне тіло налітає інше, то обидва тіла отримують прискорення і змінюють свою швидкість. Як розрахувати прискорення раніше нерухомого тіла? Побудуємо графік швидкості від часу. Графік буде мати вигляд, показаний на верхньому рисунку праворуч. На нижньому рисунку приведений графік дельта-функції з одиничною амплітудою, він відображає миттєвий процес набору швидкості тілом.

Беручи до уваги те, що модель розглядається в евклідовому просторі, можна записати наступне рівняння:

${\displaystyle a(t)=\nu \delta (t-t_{a})}$.

Функція Гріна

Розглянемо інші приклади. Дельта-функція застосовується у математичній фізиці при розв'язку задач, У які входять зосереджені величини. В квазікласичному наближенні ${\displaystyle h\rightarrow 0}$ хвильові функції локалізуються в дельта-функції, а центри їх зосередження рухаються по класичних траєкторіях за рівняннями Ньютона. Через дельта-функцію, також записується функція Гріна лінійного оператора ${\displaystyle L}$, що діє на узагальнені функції над многовидом ${\displaystyle M}$ в точці ${\displaystyle x_{0}}$. Рівняння має вигляд ${\displaystyle (\nabla ^{2}f)(x)=\delta (x-x_{0})}$.

де ${\displaystyle \nabla ^{2}}$ — оператор Лапласа.

Важливо відмітити наступну формулу

${\displaystyle \nabla ^{2}G=-4\pi \delta }$,

де

${\displaystyle G={\frac {1}{r}}}$ — функція Гріна.

Цей вираз випливає з того, що ${\displaystyle \nabla ^{2}\left({\frac {1}{r}}\right)}$ веде себе подібно до дельта-функції.^[1]. Це твердження використовується для доведення того, що вираз для скалярного потенціала:

${\displaystyle \Phi (x)=\int {\varrho (x^{\prime }) \over \left|x-x^{\prime }\right|}\,d^{3}x^{\prime }}$

задовольняє рівнянню Пуасона:

${\displaystyle \nabla ^{2}\Phi =4\pi \varrho }$.

Таким чином, дельта-функція є потужним математичним апаратом для опису складних фізичних процесів.

Див. також

• Функція Гевісайда

Література

• Григорій Михайлович Фіхтенгольц. Курс диференціального та інтегрального числення. — 2024. — 2403 с.(укр.)
• Кудрявцев Л. Д. Математический анализ. — М. : Высшая школа, 2004. — Т. 2. — 720 с.(рос.)
• Кучерук І. М., Горбачук І. Т., Луцик П. П. Загальний курс фізики : навч. посібник у 3-х т. — Київ : Техніка, 2006. — Т. 2 : Електрика і магнетизм.

Примітки

1. Доведення властивостей функції Гріна для точкового джерела. Архів оригіналу за 5 березня 2016. Процитовано 13 квітня 2008.