δ \delta δ函数起源于集中分布物理量的数学描述。
描述一个在空间连续分布的物理量 Q Q Q,通常由两种方式。一种是局部性的,给出密度函数(分布) ρ ( M ) = d Q d M , M ∈ R n ( n = 1 , 2 , 3 ) ; \rho(M)=\frac{dQ}{dM},M\in \bold R^n(n=1,2,3); ρ(M)=dMdQ,M∈Rn(n=1,2,3);另一种是整体性的,通过空间任意区域 Ω ⊂ R n \Omega\subset \bold R^n Ω⊂Rn该物理量的总量
Q ( Ω ) = ∫ Ω ρ ( M ) d M Q(\Omega)=\int_{\Omega}\rho(M)dM Q(Ω)=∫Ωρ(M)dM
给出。对于集中分布的物理量,也可通过这两种方式来表达。先来讨论集中分布物理量的密度函数。
(点电荷的线密度)直线L上仅在 x = 0 x=0 x=0处置一单位电荷,这可以看成是单位电荷均匀分布在小区间 [ − ϵ , ϵ ] [-\epsilon,\epsilon] [−ϵ,ϵ]上当 ϵ → 0 \epsilon \to 0 ϵ→0时的极限情况,后者的密度
ρ ϵ = { 1 2 ϵ , ∣ x ∣ ≤ ϵ 0 , ∣ x ∣ > ϵ \rho_\epsilon= \begin{cases} \frac{1}{2\epsilon}, & |x|\leq \epsilon \\ 0, & |x|>\epsilon \end{cases} ρϵ={2ϵ1,0,∣x∣≤ϵ∣x∣>ϵ
且对 ∀ ϵ > 0 \forall \epsilon>0 ∀ϵ>0,直线上的电荷总量
Q = ∫ − ∞ + ∞ ρ ϵ ( x ) d x = 1 Q=\int_{-\infty}^{+\infty}\rho_\epsilon(x)dx=1 Q=∫−∞+∞ρϵ(x)dx=1
令 ϵ → 0 \epsilon \to 0 ϵ→0,可由 ρ ϵ ( x ) \rho_{\epsilon}(x) ρϵ(x)的极限推得单位点电荷的分布
ρ ( x ) = { + ∞ , x = 0 0 , x ≠ 0 \rho(x)= \begin{cases} +\infty , & x=0 \\ 0, & x \neq 0 \end{cases} ρ(x)={+∞,0,x=0x=0
且保持直线上的电荷总量为1。
将集中于 x = 0 x=0 x=0点的单位物理量引起的密度函数称为 δ \delta δ函数,记为 δ ( x ) \delta(x) δ(x)。即 δ ( x ) \delta(x) δ(x)是满足条件
δ ( x ) = { ∞ , x = 0 0 , x ≠ 0 \delta(x)= \begin{cases} \infty, & x=0 \\ 0, & x \neq 0 \end{cases} δ(x)={∞,0,x=0x=0
和
∫ − ∞ + ∞ δ ( x ) d x = 1 \int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x)dx=1 ∫−∞+∞δ(x)dx=1
的函数。
置于 x = ξ x=\xi x=ξ点的单位物理量引起的密度函数可用 δ ( x ) \delta(x) δ(x)的平移 δ ( x − ξ ) \delta(x-\xi) δ(x−ξ)表示
δ ( x − ξ ) = { + ∞ , x = ξ 0 , x ≠ ξ \delta(x-\xi)= \begin{cases} +\infty, & x=\xi \\ 0, & x \neq \xi \end{cases} δ(x−ξ)={+∞,0,x=ξx=ξ
无论是关于空间还是关于时间集中分布的物理量都可用 δ \delta δ函数来描述。关于时间集中分布的物理量在实际问题中常称为脉冲。
δ \delta δ函数有一条非常重要的基本性质,应用上称为筛选性。即对任意 φ ( x ) ∈ C ( R ) \varphi(x)\in C(\bold R) φ(x)∈C(R),
∫ a b δ ( x ) φ ( x ) d x = { φ ( 0 ) , 0 ∈ [ a , b ] , 0 , 0 ∈ [ a , b ] (1) \int_a^b\delta(x)\varphi(x)dx = \begin{cases} \varphi(0), & 0 \in[a,b], \\ 0, & 0\in[a,b] \end{cases} \tag{1} ∫abδ(x)φ(x)dx={φ(0),0,0∈[a,b],0∈[a,b](1)
特别地
∫ − ∞ + ∞ δ ( x ) φ ( x ) d x = φ ( 0 ) (2) \int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x)\varphi(x)dx=\varphi(0) \tag{2} ∫−∞+∞δ(x)φ(x)dx=φ(0)(2)
可以这样看,由于当 x ≠ 0 x\neq 0 x=0时 δ ( x ) = 0 \delta(x)=0 δ(x)=0,故
∫ − ∞ + ∞ δ ( x ) φ ( x ) d x = ∫ − ∞ + ∞ δ ( x ) φ ( 0 ) d x = φ ( 0 ) ∫ − ∞ + ∞ δ ( x ) d x = φ ( 0 ) \int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x)\varphi(x)dx=\int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x)\varphi(0)dx=\varphi(0)\int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x)dx=\varphi(0) ∫−∞+∞δ(x)φ(x)dx=∫−∞+∞δ(x)φ(0)dx=φ(0)∫−∞+∞δ(x)dx=φ(0)
因此 δ ( x − ξ ) \delta(x-\xi) δ(x−ξ)的筛选性为
∫ a b δ ( x − ξ ) φ ( x ) d x = { φ ( ξ ) , ξ ∈ [ a , b ] 0 , ξ ∈ [ a , b ] \int_a^b\delta(x-\xi)\varphi(x)dx= \begin{cases} \varphi(\xi), & \xi\in [a,b] \\ 0, & \xi\in[a,b] \end{cases} ∫abδ(x−ξ)φ(x)dx={φ(ξ),0,ξ∈[a,b]ξ∈[a,b]
特别地
∫ − ∞ + ∞ δ ( x − ξ ) φ ( x ) d x = φ ( ξ ) \int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x-\xi)\varphi(x)dx=\varphi(\xi) ∫−∞+∞δ(x−ξ)φ(x)dx=φ(ξ)
式(1)就是集中分布物理量的另一种数学描述,当 φ ( x ) = 1 \varphi(x)=1 φ(x)=1时,式(1)说明,只要区间里包含 x = 0 x=0 x=0点,该区间内此物理量的总量为1,否则总量为0,对一般的 φ ( x ) \varphi(x) φ(x),式(1)是 φ ( x ) \varphi(x) φ(x)在 [ a , b ] [a,b] [a,b]上以 δ ( x ) \delta(x) δ(x)为权函数的加权平均,同样地反映了 δ ( x ) \delta(x) δ(x)的集中分布性。所以,也可把式(1)或式(2)作为 δ ( x ) \delta(x) δ(x)的另一种定义。
选用式(2)作为 δ ( x ) \delta(x) δ(x)的定义,使我们对 δ \delta δ函数有了一种全新的认识。 δ \delta δ函数实际上是一个映射,它把 C ( R ) C(\bold R) C(R)中的元素 φ ( x ) \varphi(x) φ(x)映成了 R \bold R R中的一个数 φ ( 0 ) \varphi(0) φ(0).称函数空间到数域的线性映射为函数空间上的一个线性泛函,则 δ \delta δ函数就是 C ( R ) C(\bold R) C(R)上的一个特殊的线性泛函,用内积或积分形式记 δ \delta δ函数对应的泛函值,即
< δ ( x ) , φ ( x ) > = ∫ − ∞ + ∞ δ ( x ) φ ( x ) d x = φ ( 0 ) <\delta(x),\varphi(x)>=\int_{-\infty}^{+\infty}\delta(x)\varphi(x)dx=\varphi(0) <δ(x),φ(x)>=∫−∞+∞δ(x)φ(x)dx=φ(0)
如果一个只在有限区间上不为0的可积函数 f ( x ) f(x) f(x),则由 < f ( x ) , φ ( x ) > = ∫ − ∞ + ∞ f ( x ) φ ( x ) d x
基本函数空间可以是不同的,定义在其上的线性泛函的全体构成的广义函数空间也就不同。例如,基本函数空间是 C ∞ ( R ) C^{\infty}(\bold R) C∞(R)时,与其对偶的广义函数空间就记为 ( C ∞ ( R ) ) ′ (C^{\infty}(\bold R))' (C∞(R))′,上述 δ ( x ) , f ( x ) \delta(x),f(x) δ(x),f(x)也都是此空间中的广义函数。以后常常用 φ ( x ) , φ n ( x ) , ψ ( x ) \varphi(x),\varphi_n(x),\psi(x) φ(x),φn(x),ψ(x)等表示基本函数空间中的函数,而广义函数空间中的广义函数常常用 f ( x ) , f n ( x ) , g ( x ) f(x),f_n(x),g(x) f(x),fn(x),g(x)等表示。
总之,从物理的角度 δ ( x ) \delta(x) δ(x)表示一种特殊的分布,从数学的角度它表示一个基本函数空间上特殊的线性泛函,在线性泛函的基础上建立起广义函数的理论,使得在广义函数中可以通行无阻地进行各种代数和分析运算。