Göstergenin Laplacian - Laplacian of the indicator

Bu makale çoğu okuyucunun anlayamayacağı kadar teknik olabilir. Lütfen geliştirmeye yardım et -e uzman olmayanlar için anlaşılır hale getirinteknik detayları kaldırmadan. (Ocak 2013) (Bu şablon mesajını nasıl ve ne zaman kaldıracağınızı öğrenin)

Matematikte Göstergenin Laplacian alanın D türevinin bir genellemesidir Dirac delta işlevi daha yüksek boyutlara ve yalnızca sıfır olmayan yüzey nın-nin D. Olarak görüntülenebilir yüzey delta asal fonksiyonu. İkinci türevine benzer Heaviside adım işlevi tek boyutta. İzin verilerek elde edilebilir. Laplace operatörü Üzerinde çalışmak gösterge işlevi bazı alanların D.

Göstergenin Laplasiyanı, alanın sınırına çok yakın değerlendirildiğinde sonsuz pozitif ve negatif değerlere sahip olduğu düşünülebilir. D. Matematiksel bir bakış açısından, bu kesinlikle bir işlev değil, genelleştirilmiş işlev veya ölçü. Dirac delta fonksiyonunun bir boyuttaki türevine benzer şekilde, göstergenin Laplacian'ı, yalnızca bir integral işaretinin altında göründüğünde matematiksel bir nesne olarak anlam ifade eder; yani bir dağıtım işlevidir. Tıpkı dağıtım teorisinin formülasyonunda olduğu gibi, pratikte bir düz fonksiyonlar dizisinin bir sınırı olarak kabul edilir; anlamlı bir şekilde bir Laplacian'ı alabilir çarpma işlevi Bu, tanımı gereği pürüzsüzdür ve kabartma fonksiyonunun sınırdaki göstergeye yaklaşmasına izin verin.

Tarih

Düzlemdeki bir elipsin (solda), sınıra normal yöndeki türevinin (orta) ve Laplacian'ın (sağda) negatif gösterge fonksiyonunun bir yaklaşımı. Sınırda, en sağdaki grafik, göstergenin (negatif) Laplacianına gider. Tamamen sezgisel olarak konuşursak, en sağdaki grafik, içinde bir kale duvarı ve önünde bir hendek olan eliptik bir kaleye benziyor; sınırda, duvar ve hendek sonsuz derecede yüksek ve derin (ve dar) hale gelir.

Paul Dirac tanıttı Dirac δ-işlev, bilindiği gibi, 1930 gibi erken bir tarihte.^[1] Tek boyutlu Dirac δ-fonksiyon yalnızca tek bir noktada sıfırdan farklıdır. Aynı şekilde, çok boyutlu genelleme, genellikle yapıldığı gibi, sadece tek bir noktada sıfırdan farklıdır. Kartezyen koordinatlarda, dboyutlu Dirac δ-function bir ürünüdür d tek boyutlu δ-fonksiyonlar; her bir Kartezyen koordinat için bir tane (bkz. Dirac delta işlevinin genellemeleri ).

Ancak farklı bir genelleme yapmak mümkündür. Bir boyuttaki sıfır noktası, pozitif yarı çizginin sınırı olarak kabul edilebilir. İşlev 1_x>0 pozitif yarı çizgide 1'e, aksi takdirde sıfıra eşittir ve aynı zamanda Heaviside adım işlevi. Resmen, Dirac δ-fonksiyon ve türevi Heaviside adım fonksiyonunun birinci ve ikinci türevi olarak görülebilir, yani ∂_x1_x>0 ve ${ displaystyle kısmi _ {x} ^ {2} mathbf {1} _ {x> 0}}$.

Daha yüksek boyutlarda adım işlevinin analogu, gösterge işlevi olarak yazılabilir 1_x∈D, nerede D bazı alan adıdır. Gösterge işlevi, karakteristik işlev olarak da bilinir. Tek boyutlu duruma benzer şekilde, Dirac'ın aşağıdaki yüksek boyutlu genellemeleri δ-işlev ve türevi önerilmiştir:^[2]

${ displaystyle { begin {align} delta (x) & to -n_ {x} cdot nabla _ {x} mathbf {1} _ {x in D}, delta '(x ) & to nabla _ {x} ^ {2} mathbf {1} _ {x in D}. end {hizalı}}}$

Buraya n dışa doğru normal vektör. İşte Dirac δ-fonksiyon, bir yüzey delta işlevi bazı alanların sınırlarında D içinde d ≥ 1 boyut. Bu tanım, alan pozitif yarı çizgi olarak alındığında olağan tek boyutlu durumu içerir. Etki alanı sınırı dışında sıfırdır D (sonsuz olduğu yerde) ve toplamla bütünleşir yüzey alanı çevreleyen D, gosterildigi gibi altında.

Dirac δ '-fonksiyon, bir yüzey delta asal fonksiyonu bazı alanların sınırlarında D içinde d ≥ 1 boyut. Tek boyutta ve alarak D pozitif yarı çizgiye eşit, olağan tek boyutlu δ 'işlev kurtarılabilir.

Göstergenin hem normal türevi hem de göstergenin Laplacian'ı tarafından desteklenir yüzeyler ziyade puan. Genelleme, ör. kuantum mekaniği, yüzey etkileşimleri içinde sınır koşullarına yol açabileceğinden d>1, nokta etkileşimleri olamaz. Doğal olarak, nokta ve yüzey etkileşimleri, d= 1. Hem yüzey hem de nokta etkileşimlerinin kuantum mekaniğinde uzun bir geçmişi vardır ve sözde yüzey delta potansiyelleri veya delta-küre etkileşimleri hakkında oldukça büyük bir literatür vardır.^[3] Yüzey delta işlevleri tek boyutlu Dirac'ı kullanır δ-fonksiyon, ancak radyal koordinatın bir fonksiyonu olarak r, Örneğin. δ (r−R) nerede R kürenin yarıçapıdır.

Görünüşte kötü tanımlanmış olmasına rağmen, gösterge fonksiyonunun türevleri resmi olarak şu şekilde tanımlanabilir: dağılımlar teorisi veya genelleştirilmiş işlevler: örneğin, göstergenin Laplasiyeninin iki ile tanımlandığını varsayarak iyi tanımlanmış bir reçete elde edilebilir. parçalara göre entegrasyonlar integral bir işaretin altında göründüğünde. Alternatif olarak, gösterge (ve türevleri) bir çarpma işlevi (ve türevleri). (Düz) tümsek fonksiyonunun gösterge fonksiyonuna yaklaştığı sınır, daha sonra integralin dışına konulmalıdır.

Dirac yüzey delta asal fonksiyonu

Bu bölüm, göstergenin Laplasiyeninin bir yüzey delta asal fonksiyonu. yüzey delta işlevi aşağıda ele alınacaktır.

İlk olarak, bir işlev için f aralıkta (a,b), hatırlayın analizin temel teoremi

${ displaystyle int _ {a} ^ {b} { frac { kısmi f (x)} { kısmi x}} , dx = { underet {x nearrow b} { lim}} f ( x) - { underet {x searrow a} { lim}} f (x),}$

varsayarsak f yerel olarak entegre edilebilir. Şimdi için a < b sezgisel olarak ilerleyerek

${ displaystyle { başla {hizalı} int _ {- infty} ^ {+ infty} { frac { kısmi ^ {2} mathbf {1} _ {a$

Buraya 1_a<x<b ... gösterge işlevi alanın a < x < b. Gösterge, alt simgesindeki koşul karşılandığında bire, aksi takdirde sıfıra eşittir. Bu hesaplamada iki parçalara göre entegrasyonlar ilk eşitliğin geçerli olduğunu gösterin; sınır terimleri sıfır olduğunda a ve b sonlu veya ne zaman f sonsuzda kaybolur. Son eşitlik şunu gösterir: toplam toplamın sınır noktalarının üzerinde olduğu durumlarda dışa doğru normal türevlerin a ve bve işaretlerin dış yönden geldiği yerde (yani pozitif b ve için olumsuz a). Göstergenin türevleri resmi olarak mevcut olmasa da, kısmi entegrasyonun olağan kurallarının izlenmesi 'doğru' sonucu sağlar. Sonlu bir dboyutlu alan D, dışarıya dönük normal türevlerin toplamının bir integral, aşağıdaki şekilde teyit edilebilir:

${ displaystyle { begin {align} int _ { mathbf {R} ^ {d}} nabla _ {x} ^ {2} mathbf {1} _ {x D} , f (x ) ; dx & = int _ { mathbf {R} ^ {d}} mathbf {1} _ {x in D} , nabla _ {x} ^ {2} f (x) ; dx , & = int _ {D} , nabla _ {x} ^ {2} f (x) ; dx, & = oint _ { kısmi D} , { underet { alpha to beta} { lim}} n _ { beta} cdot nabla _ { alpha} f ( alpha) ; d beta. end {hizalı}}}$

Yine, ilk eşitliği parçalara göre iki entegrasyon izler (daha yüksek boyutlarda bu, Green'in ikinci kimliği ) alan olduğu sürece sınır terimlerinin kaybolduğu yer D sonlu mu yoksa f sonsuzda yok olur; Örneğin. her ikisi de 1_x∈D ve ∇_x1_x∈D 'sınırında' değerlendirildiğinde sıfırdır R^d alan ne zaman D sonludur. Üçüncü eşitlik, diverjans teoremi ve yine, tüm sınır konumlarında dışa doğru normal türevlerin bir toplamını (veya bu durumda, bir integrali) gösterir. Diverjans teoremi, parçalı düz alanlar için geçerlidir. D, ve dolayısıyla D parça parça pürüzsüz olması gerekir.

Böylece Dirac δ '-fonksiyon, alanın göstergesinin Laplacian'ı alınarak parçalı düz bir yüzeyde var olacak şekilde genelleştirilebilir. D bu yüzeye neden olur. Doğal olarak, bir nokta ile yüzey arasındaki fark tek boyutta kaybolur.

Elektrostatikte, bir yüzey dipolü (veya Çift katman potansiyeli ) göstergenin Laplacian'ının sınırlayıcı dağılımı ile modellenebilir.

Yukarıdaki hesaplama, kuantum fiziğindeki yol integralleri üzerine yapılan araştırmadan kaynaklanmaktadır.^[2]

Dirac yüzey delta işlevi

Bu bölüm, göstergenin (içe doğru) normal türevinin bir yüzey delta işlevi.

Sonlu bir alan için D ya da ne zaman f sonsuzda kaybolur, onu takip eder diverjans teoremi o

${ displaystyle int _ { mathbf {R} ^ {d}} nabla _ {x} ^ {2} left ( mathbf {1} _ {x in D} , f (x) sağ ) ; dx = 0.}$

Tarafından Ürün kuralı bunu takip eder

${ displaystyle int _ { mathbf {R} ^ {d}} , nabla _ {x} ^ {2} mathbf {1} _ {x D} , f (x) ; dx + int _ { mathbf {R} ^ {d}} mathbf {1} _ {x in D} , nabla _ {x} ^ {2} f (x) ; dx = -2 int _ { mathbf {R} ^ {d}} nabla _ {x} mathbf {1} _ {x in D} cdot nabla _ {x} f (x) ; dx.}$

Bölümün analizinden sonra yukarıda sol taraftaki iki terim eşittir ve bu nedenle

${ displaystyle oint _ { kısmi D} , { alt ayarı { alfa için beta} { lim}} n _ { beta} cdot nabla _ { alpha} f ( alpha) ; d beta = - displaystyle int _ { mathbf {R} ^ {d}} nabla _ {x} mathbf {1} _ {x in D} cdot nabla _ {x} f (x ) ; dx.}$

Göstergenin eğimi, sınırına yakın olanlar dışında her yerde kaybolur. D, normal yönü gösterdiği yer. Bu nedenle, yalnızca ∇ bileşeni_xf(x) normal yönde ilgilidir. Diyelim ki, sınırın yakınında, ∇_xf(x) eşittir n_xg(x), nerede g başka bir işlevdir. Sonra onu takip eder

${ displaystyle oint _ { kısmi D} , g ( beta) ; d beta = - int _ { mathbf {R} ^ {d}} , nabla _ {x} mathbf { 1} _ {x D} , cdot , n_ {x} , g (x) ; dx.}$

Dışa doğru normal n_x başlangıçta sadece için tanımlandı x yüzeyde, ancak herkes için var olduğu tanımlanabilir x; örneğin, en yakın sınır noktasının dışa normalini alarak x.

Yukarıdaki analiz gösteriyor ki -n_x ⋅ ∇_x1_x∈D tek boyutlu modelin yüzey genellemesi olarak kabul edilebilir. Dirac delta işlevi. İşlevi ayarlayarak g bire eşitse, göstergenin içe doğru normal türevinin, yüzey alanı nın-nin D.

Elektrostatikte, yüzey yük yoğunlukları (veya tek sınır katmanları), yukarıdaki gibi yüzey delta fonksiyonu kullanılarak modellenebilir. Olağan Dirac delta işlevi bazı durumlarda kullanılabilir, ör. yüzey küresel olduğunda. Genel olarak, burada tartışılan yüzey delta fonksiyonu, herhangi bir şekle sahip bir yüzey üzerindeki yüzey yükü yoğunluğunu temsil etmek için kullanılabilir.

Yukarıdaki hesaplama, kuantum fiziğindeki yol integralleri üzerine yapılan araştırmadan kaynaklanmaktadır.^[2]

Çıkarma işlevlerine göre tahminler

Bu bölüm, göstergenin türevlerinin bir integral işareti altında sayısal olarak nasıl ele alınabileceğini gösterir.

Prensipte gösterge sayısal olarak ayırt edilemez çünkü türevi sıfır veya sonsuzdur. Ancak, pratik amaçlar için, gösterge bir çarpma işlevi ile gösterilir ben_ε(x) ve ε → 0 için göstergeye yaklaşmak. Birkaç seçenek mümkündür, ancak çarpma işlevinin negatif olmamasına izin vermek ve göstergeye yaklaşmak uygundur. aşağıdanyani

${ displaystyle { begin {align} 0 leq I _ { varepsilon} (x) & leq mathbf {1} _ {{{x} in D} quad forall varepsilon> 0 { underet { varepsilon searrow 0} { lim}} ; I _ { varepsilon} (x) & = mathbf {1} _ {x in D} end {hizalı}}}$

Bu, çarpma işlevleri ailesinin, D. Bu uygundur, çünkü işlevin f sadece içinde tanımlanmıştır iç nın-nin D. İçin f tanımlanmış D, böylece aşağıdakileri elde ederiz:

${ displaystyle { begin {align} - { underet { varepsilon searrow 0} { lim}} int _ { mathbf {R} ^ {d}} , f (x) , n_ {x } cdot nabla _ {x} I _ { varepsilon} (x) ; dx & = oint _ { kısmi D} , { underet { alpha to beta} { lim}} f ( alpha) ; d beta, { underet { varepsilon searrow 0} { lim}} , int _ { mathbf {R} ^ {d}} nabla _ {x} ^ {2 } I _ { varepsilon} (x) , f (x) ; dx & = oint _ { kısmi D} , { underet { alpha to beta} { lim}} n _ { beta} cdot nabla _ { alpha} f ( alpha) ; d beta, end {hizalı}}}$

iç koordinat α, sınır koordinatına β, Dve gerekli olmadığı durumlarda f dışında var olmak D.

Ne zaman f sınırın her iki tarafında tanımlanır ve ayrıca sınır boyunca ayırt edilebilir D, bu durumda çarpma işlevinin göstergeye nasıl yaklaştığı daha az önemlidir.

Sürekli olmayan test fonksiyonları

Test işlevi f muhtemelen sınır boyunca süreksizdir, daha sonra süreksiz fonksiyonlar için dağılım teorisi yüzey dağılımlarını anlamlandırmak için kullanılabilir, bkz. Bölüm V in.^[4] Uygulamada, yüzey delta işlevi için bu genellikle değerin ortalamasının alınması anlamına gelir f sınırının her iki tarafında D sınırı aşmadan önce. Benzer şekilde, yüzey delta asal fonksiyonu için, genellikle, normalin dışa doğru türevinin ortalamasını almak anlamına gelir. f etki alanı sınırının her iki tarafında D sınırı aşmadan önce.

Başvurular

Kuantum mekaniği

İçinde Kuantum mekaniği nokta etkileşimleri iyi bilinmektedir ve bu konu hakkında geniş bir literatür vardır. Tek boyutlu tekil potansiyelin iyi bilinen bir örneği, Dirac delta potansiyeline sahip Schrödinger denklemi.^[5][6] Tek boyutlu Dirac deltası önemli potansiyel ise tartışmalara neden oldu.^[7][8][9] Tartışma görünüşe göre bağımsız bir gazete tarafından çözüldü.^[10] bu makale bile daha sonra eleştirilere maruz kalsa da.^[2][11]

Son zamanlarda tek boyutlu Dirac delta prime potansiyeline çok daha fazla dikkat çekildi.^{[12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27][28]}

Tek boyutlu çizgi üzerindeki bir nokta hem nokta hem de yüzey olarak düşünülebilir; nokta olarak iki bölge arasındaki sınırı belirtir. Dirac delta fonksiyonunun daha yüksek boyutlara iki genellemesi böylece yapılmıştır: çok boyutlu bir noktaya genelleme,^[29][30] yanı sıra çok boyutlu bir yüzeye genelleme.^{[2][31][32][33][34]}

İlk genellemeler nokta etkileşimleri olarak bilinirken, ikincisi farklı isimler altında bilinir, ör. "delta-küre etkileşimleri" ve "yüzey delta etkileşimleri". İkinci genellemeler, burada açıklandığı gibi göstergenin türevlerini veya tek boyutlu Dirac'ı kullanabilir. δradyal koordinatın bir fonksiyonu olarak fonksiyon r.

Akışkan dinamiği

Göstergenin Laplasiyanı akışkan dinamiğinde kullanılmıştır, örn. farklı ortamlar arasındaki arayüzleri modellemek için.^{[35][36][37][38][39][40]}

Yüzey rekonstrüksiyonu

Göstergenin ve göstergenin (veya göstergenin Laplacian) ıraksaması karakteristik fonksiyon Gösterge de bilindiği için) yüzeylerin yeniden yapılandırılabileceği örnek bilgi olarak kullanılmıştır.^[41][42]

Ayrıca bakınız

• Dağılım (matematik)
• Genelleştirilmiş işlev
• Dirac delta işlevi
• Gösterge işlevi
• Delta potansiyeli
• Potansiyel teori
• Elektrostatik
• Çift katman potansiyeli

Referanslar