1

المرجع الالكتروني للمعلوماتية

تاريخ الرياضيات

الاعداد و نظريتها

تاريخ التحليل

تار يخ الجبر

الهندسة و التبلوجي

الرياضيات في الحضارات المختلفة

العربية

اليونانية

البابلية

الصينية

المايا

المصرية

الهندية

الرياضيات المتقطعة

المنطق

اسس الرياضيات

فلسفة الرياضيات

مواضيع عامة في المنطق

الجبر

الجبر الخطي

الجبر المجرد

الجبر البولياني

مواضيع عامة في الجبر

الضبابية

نظرية المجموعات

نظرية الزمر

نظرية الحلقات والحقول

نظرية الاعداد

نظرية الفئات

حساب المتجهات

المتتاليات-المتسلسلات

المصفوفات و نظريتها

المثلثات

الهندسة

الهندسة المستوية

الهندسة غير المستوية

مواضيع عامة في الهندسة

التفاضل و التكامل

المعادلات التفاضلية و التكاملية

معادلات تفاضلية

معادلات تكاملية

مواضيع عامة في المعادلات

التحليل

التحليل العددي

التحليل العقدي

التحليل الدالي

مواضيع عامة في التحليل

التحليل الحقيقي

التبلوجيا

نظرية الالعاب

الاحتمالات و الاحصاء

نظرية التحكم

بحوث العمليات

نظرية الكم

الشفرات

الرياضيات التطبيقية

نظريات ومبرهنات

علماء الرياضيات

500AD

500-1499

1000to1499

1500to1599

1600to1649

1650to1699

1700to1749

1750to1779

1780to1799

1800to1819

1820to1829

1830to1839

1840to1849

1850to1859

1860to1864

1865to1869

1870to1874

1875to1879

1880to1884

1885to1889

1890to1894

1895to1899

1900to1904

1905to1909

1910to1914

1915to1919

1920to1924

1925to1929

1930to1939

1940to the present

علماء الرياضيات

الرياضيات في العلوم الاخرى

بحوث و اطاريح جامعية

هل تعلم

طرائق التدريس

الرياضيات العامة

نظرية البيان

الرياضيات : التفاضل و التكامل :

Delta Function

المؤلف:  Arfken, G.

المصدر:  Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press

الجزء والصفحة:  ...

25-5-2019

3972

Delta Function

 The delta function is a generalized function that can be defined as the limit of a class of delta sequences. The delta function is sometimes called "Dirac's delta function" or the "impulse symbol" (Bracewell 1999). It is implemented in the Wolfram Language as DiracDelta[x].

Formally, delta is a linear functional from a space (commonly taken as a Schwartz space S or the space of all smooth functions of compact support D) of test functions f. The action of delta on f, commonly denoted delta[f] or <delta,f>, then gives the value at 0 of f for any function f. In engineering contexts, the functional nature of the delta function is often suppressed.

The delta function can be viewed as the derivative of the Heaviside step function,

 d/(dx)[H(x)]=delta(x)

(1)

(Bracewell 1999, p. 94).

The delta function has the fundamental property that

 int_(-infty)^inftyf(x)delta(x-a)dx=f(a)

(2)

and, in fact,

 int_(a-epsilon)^(a+epsilon)f(x)delta(x-a)dx=f(a)

(3)

for epsilon>0.

Additional identities include

 delta(x-a)=0

(4)

for x!=a, as well as

delta(ax) = 1/(|a|)delta(x)

(5)

delta(x^2-a^2) = 1/(2|a|)[delta(x+a)+delta(x-a)]

(6)

More generally, the delta function of a function of x is given by

(7)

where the x_is are the roots of g. For example, examine

 delta(x^2+x-2)=delta[(x-1)(x+2)].

(8)

Then , so  and , giving

 delta(x^2+x-2)=1/3delta(x-1)+1/3delta(x+2).

(9)

The fundamental equation that defines derivatives of the delta function delta(x) is

 intf(x)delta^((n))(x)dx=-int(partialf)/(partialx)delta^((n-1))(x)dx.

(10)

Letting f(x)=xg(x) in this definition, it follows that

=

(11)

=

(12)

=

(13)

where the second term can be dropped since , so (13) implies

(14)

In general, the same procedure gives

(15)

but since any power of x times delta(x) integrates to 0, it follows that only the constant term contributes. Therefore, all terms multiplied by derivatives of f(x) vanish, leaving n!f(x), so

(16)

which implies

(17)

Other identities involving the derivative of the delta function include

(18)

(19)

(20)

where * denotes convolution,

(21)

and

(22)

An integral identity involving delta(1/x) is given by

 int_(-1)^1delta(1/x)dx=0.

(23)

The delta function also obeys the so-called sifting property

 intf(x)delta(x-x_0)dx=f(x_0)

(24)

(Bracewell 1999, pp. 74-75).

A Fourier series expansion of delta(x-a) gives

a_n = 1/piint_(-pi)^pidelta(x-a)cos(nx)dx

(25)

= 1/picos(na)

(26)

b_n = 1/piint_(-pi)^pidelta(x-a)sin(nx)dx

(27)

= 1/pisin(na),

(28)

so

delta(x-a) = 1/(2pi)+1/pisum_(n=1)^(infty)[cos(na)cos(nx)+sin(na)sin(nx)]

(29)

= 1/(2pi)+1/pisum_(n=1)^(infty)cos[n(x-a)].

(30)

The delta function is given as a Fourier transform as

 delta(x)=F_k[1](x)=int_(-infty)^inftye^(-2piikx)dk.

(31)

Similarly,

 F_x^(-1)[delta(x)](k)=int_(-infty)^inftydelta(x)e^(2piikx)dx=1

(32)

(Bracewell 1999, p. 95). More generally, the Fourier transform of the delta function is

 F_x[delta(x-x_0)](k)=int_(-infty)^inftye^(-2piikx)delta(x-x_0)dx=e^(-2piikx_0).

(33)

DeltaFunctionEpsilon

The delta function can be defined as the following limits as epsilon->0,

delta(x) = 1/pilim_(epsilon->0)epsilon/(x^2+epsilon^2),

(34)

= lim_(epsilon->0)1/2epsilon|x|^(epsilon-1)

(35)

= lim_(epsilon->0^+)1/(2sqrt(piepsilon))e^(-x^2/(4epsilon))

(36)

= lim_(epsilon->0)1/(pix)sin(x/epsilon)

(37)

= lim_(epsilon->0)1/epsilonAi(x/epsilon)

(38)

= lim_(epsilon->0)1/epsilonJ_(1/epsilon)((x+1)/epsilon)

(39)

= lim_(epsilon->0)|1/epsilone^(-x^2/epsilon)L_n((2x)/epsilon)|,

(40)

where Ai(x) is an Airy function, J_n(x) is a Bessel function of the first kind, and L_n(x) is a Laguerre polynomial of arbitrary positive integer order.

DeltaFunctionN

The delta function can also be defined by the limit as n->infty

 delta(x)=lim_(n->infty)1/(2pi)(sin[(n+1/2)x])/(sin(1/2x)).

(41)

Delta functions can also be defined in two dimensions, so that in two-dimensional Cartesian coordinates

 delta^2(x,y)={0   x^2+y^2!=0; infty   x^2+y^2=0,

(42)

 int_(-infty)^inftyint_(-infty)^inftydelta^2(x,y)dxdy=1

(43)

 delta^2(ax,by)=1/(|ab|)delta^2(x,y),

(44)

and

 delta^2(x,y)=delta(x)delta(y).

(45)

Similarly, in polar coordinates,

 delta^2(x,y)=(delta(r))/(pi|r|)

(46)

(Bracewell 1999, p. 85).

In three-dimensional Cartesian coordinates

 delta^3(x,y,z)=delta^3(x)={0   x^2+y^2+z^2!=0; infty   x^2+y^2+z^2=0

(47)

 int_(-infty)^inftyint_(-infty)^inftyint_(-infty)^inftydelta^3(x,y,z)dxdydz=1

(48)

and

 delta^3(x,y,z)=delta(x)delta(y)delta(z).

(49)

in cylindrical coordinates (r,theta,z),

 delta^3(r,theta,z)=(delta(r)delta(z))/(pir).

(50)

In spherical coordinates (r,theta,phi),

 delta^3(r,theta,phi)=(delta(r))/(2pir^2)

(51)

(Bracewell 1999, p. 85).

A series expansion in cylindrical coordinates gives

delta^3(r_1-r_2) = 1/(r_1)delta(r_1-r_2)delta(theta_1-theta_2)delta(z_1-z_2)

(52)

= 1/(r_1)delta(r_1-r_2)1/(2pi)sum_(m=-infty)^(infty)e^(im(theta_1-theta_2))1/(2pi)int_(-infty)^inftye^(ik(z_1-z_2))dk.

(53)

The solution to some ordinary differential equations can be given in terms of derivatives of delta(x) (Kanwal 1998). For example, the differential equation

(54)

has classical solution

 y(x)=(C_1)/(x^3)+(x^2-x-1+2(x-2)ln(x-1))/(x^3(x-1))C_2,

(55)

and distributional solution

(56)

(M. Trott, pers. comm., Jan. 19, 2006). Note that unlike classical solutions, a distributional solution to an nth-order ODE need not contain n independent constants.


REFERENCES:

Arfken, G. Mathematical Methods for Physicists, 3rd ed. Orlando, FL: Academic Press, pp. 481-485, 1985.

Bracewell, R. "The Impulse Symbol." Ch. 5 in The Fourier Transform and Its Applications, 3rd ed. New York: McGraw-Hill, pp. 74-104, 2000.

Dirac, P. A. M. Quantum Mechanics, 4th ed. London: Oxford University Press, 1958.

Gasiorowicz, S. Quantum Physics. New York: Wiley, pp. 491-494, 1974.

Kanwal, R. P. "Applications to Ordinary Differential Equations." Ch. 6 in Generalized Functions, Theory and Technique, 2nd ed.Boston, MA: Birkhäuser, pp. 291-255, 1998.

Papoulis, A. Probability, Random Variables, and Stochastic Processes, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, pp. 97-98, 1984.

Spanier, J. and Oldham, K. B. "The Dirac Delta Function delta(x-a)." Ch. 10 in An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, pp. 79-82, 1987.

van der Pol, B. and Bremmer, H. Operational Calculus Based on the Two-Sided Laplace Integral. Cambridge, England: Cambridge University Press, 1955.

EN

تصفح الموقع بالشكل العمودي