Кронекера дельта
В математике ( дельта Кронекера названная в честь Леопольда Кронекера ) является функцией двух переменных , обычно просто неотрицательных целых чисел . Функция равна 1, если переменные равны, и 0 в противном случае: или с использованием брекетов Айверсона : Например, потому что , тогда как потому что .
Дельта Кронекера естественным образом появляется во многих областях математики, физики, техники и информатики как средство компактного выражения ее определения, приведенного выше.
В линейной алгебре идентификационная матрица имеет записи, равные дельте Кронекера: где и принять значения , а продукт векторов внутренний можно записать как Здесь евклидовы векторы определяются как n -кортежи: и и последний шаг получается путем использования значений дельты Кронекера для сокращения суммирования по .
Обычно i и j ограничиваются набором формы {1, 2, ..., n } или {0, 1, ..., n − 1} , но дельта Кронекера может быть определена на произвольный набор.
Характеристики
[ редактировать ]Следующие уравнения удовлетворяются: Следовательно, матрицу δ можно рассматривать как единичную.
Еще одним полезным представлением является следующая форма: Это можно получить, используя формулу геометрической прогрессии .
Альтернативные обозначения
[ редактировать ]Использование скобки Айверсона :
Часто запись с одним аргументом используется, что эквивалентно настройке :
В линейной алгебре его можно рассматривать как тензор , и он записывается . Иногда дельту Кронекера называют тензором замещения. [1]
Цифровая обработка сигналов
[ редактировать ]При исследовании цифровой обработки сигналов (DSP) функция единичной выборки представляет собой частный случай двумерной дельта-функции Кронекера где индексы Кронекера включают число ноль и где один из индексов равен нулю. В этом случае:
Или, в более общем смысле, где:
Однако это лишь частный случай. В тензорном исчислении чаще нумеруют базисные векторы в определенном измерении, начиная с индекса 1, а не с индекса 0. В этом случае соотношение не существует, и на самом деле дельта-функция Кронекера и функция единичной выборки — это разные функции, перекрывающиеся в конкретном случае, когда индексы включают число 0, число индексов равно 2, а один из индексов имеет значение ноль.
Хотя функция выборки дискретных единиц и дельта-функция Кронекера используют одну и ту же букву, они различаются следующим образом. Для функции выборки дискретных единиц более привычно помещать один целочисленный индекс в квадратные скобки; напротив, дельта Кронекера может иметь любое количество индексов. Кроме того, назначение функции выборки дискретных единиц отличается от дельта-функции Кронекера. В DSP функция дискретной единичной выборки обычно используется в качестве входной функции для дискретной системы для обнаружения системной функции системы, которая будет получена как выходной сигнал системы. Напротив, типичная цель дельта-функции Кронекера — фильтрация членов из соглашения Эйнштейна о суммировании .
Функция дискретной единичной выборки проще определяется как:
Кроме того, дельта-функцию Дирака часто путают как с дельта-функцией Кронекера, так и с функцией единичной выборки. Дельта Дирака определяется как:
В отличие от дельта-функции Кронекера и функция единичной выборки , дельта-функция Дирака не имеет целочисленного индекса, он имеет одно непрерывное нецелое значение t .
Чтобы еще больше запутать ситуацию, функция единичного импульса иногда используется для обозначения либо дельта -функции Дирака, либо дельта-функции Дирака. или функция единичной выборки .
Известные свойства
[ редактировать ]Дельта Кронекера обладает так называемым просеивающим свойством, которое для : а если целые числа рассматривать как пространство меры , наделенное считающей мерой , то это свойство совпадает с определяющим свойством дельта -функции Дирака и фактически дельта Дирака была названа в честь дельты Кронекера из-за этого аналогичного свойства. [2] При обработке сигналов «функции» Кронекера и Дирака обычно различаются по контексту (дискретное или непрерывное время). И по соглашению, обычно указывает на непрерывное время (Дирак), тогда как аргументы вроде , , , , , и обычно относятся к дискретному времени (Кронекер). Другая распространенная практика — представлять дискретные последовательности с помощью квадратных скобок; таким образом: . Дельта Кронекера не является результатом прямой выборки дельта-функции Дирака.
Дельта Кронекера образует мультипликативный единичный элемент алгебры инцидентности . [3]
Связь с дельта-функцией Дирака
[ редактировать ]В теории вероятностей и статистике дельта Кронекера и дельта-функция Дирака могут использоваться для представления дискретного распределения . Если поддержка распределения состоит из точек , с соответствующими вероятностями , то функция массы вероятности распределения по можно записать, используя дельту Кронекера, как
Эквивалентно, функция плотности вероятности распределения можно записать с помощью дельта-функции Дирака как
При определенных условиях дельта Кронекера может возникнуть в результате выборки дельта-функции Дирака. Например, если дельта-импульс Дирака возникает точно в точке выборки и в идеале подвергается фильтрованию нижних частот (с отсечкой на критической частоте) в соответствии с теоремой о выборке Найквиста-Шеннона , результирующий сигнал дискретного времени будет дельта-функцией Кронекера.
Обобщения
[ редактировать ]Если его рассматривать как тип tensor тензор Кронекера можно записать с ковариантным индексом и контрвариантный индекс :
Этот тензор представляет:
- Тождественное отображение (или единичная матрица), рассматриваемое как линейное отображение или
- След , или тензорное сжатие рассматриваемое как отображение
- Карта , представляющий скалярное умножение как сумму внешних произведений .
The обобщенная дельта Кронекера или многоиндексная дельта Кронекера порядка это тип тензор, полностью антисимметричный по своей верхних индексах, а также в его более низкие индексы.
Два определения, различающиеся в разы. используются. Ниже представлена версия с ненулевыми компонентами, масштабированными до . Вторая версия имеет ненулевые компоненты, которые , с последующими изменениями коэффициентов масштабирования в формулах, таких как коэффициенты масштабирования в § Свойства обобщенной дельты Кронекера ниже исчезающих. [4]
Определения обобщенной дельты Кронекера
[ редактировать ]С точки зрения индексов обобщенная дельта Кронекера определяется как: [5] [6]
Позволять — симметрическая группа степени , затем:
Использование антисимметризации :
С точки зрения определитель : [7]
Используя разложение Лапласа ( формулу Лапласа ) определителя, его можно определить рекурсивно : [8] где карон, , указывает индекс, который исключен из последовательности.
Когда (размерность векторного пространства) через символ Леви-Чивита : В более общем смысле для , используя соглашение Эйнштейна о суммировании :
Сокращение генерализованной дельты Кронекера.
[ редактировать ]Сокращение Кронекера Дельта зависит от размера пространства. Например, где d — размерность пространства. Из этого соотношения полная сжатая дельта получается как Обобщением предыдущих формул является [ нужна ссылка ]
Свойства обобщенной дельты Кронекера
[ редактировать ]Обобщенная дельта Кронекера может использоваться для антисимметризации :
Из приведенных выше уравнений и свойств антисимметричных тензоров мы можем вывести свойства обобщенной дельты Кронекера: которые являются обобщенной версией формул, написанных в § Свойства . Последняя формула эквивалентна формуле Коши–Бине .
Понижение порядка путем суммирования индексов может быть выражено тождеством [9]
Использование обоих правил суммирования для случая и связи с символом Леви-Чивита правило суммирования символа Леви-Чивита выводится : 4D-версия последнего соотношения появляется в спинорном подходе Пенроуза к общей теории относительности. [10] которые он позже обобщил, разрабатывая диаграммы Эйткена, [11] стать частью техники графической записи Пенроуза . [12] Также это соотношение широко используется в теориях S-двойственности , особенно когда они написаны на языке дифференциальных форм и дуалов Ходжа .
Интегральные представления
[ редактировать ]Для любого целого числа , используя стандартное вычисление остатка , мы можем записать интегральное представление для дельты Кронекера в виде интеграла, приведенного ниже, где контур интеграла движется против часовой стрелки вокруг нуля. Это представление также эквивалентно определенному интегралу при вращении в комплексной плоскости.
Гребень Кронекера
[ редактировать ]Гребенчатая функция Кронекера с периодом определяется (с использованием обозначения DSP ) как: где и являются целыми числами. Таким образом, гребенка Кронекера состоит из бесконечной серии единичных импульсов, разделенных N единицами, и включает единичный импульс в нуле. Ее можно считать дискретным аналогом гребешка Дирака .
Интеграл Кронекера
[ редактировать ]Дельтой Кронекера также называют степень отображения одной поверхности в другую. [13] Предположим, что происходит отображение поверхности S uvw на S xyz , которые являются границами областей R uvw и R xyz , которое просто связано взаимно однозначным соответствием. структуре, если s и t являются параметрами для Suvw каждый , и к из Suvw Suvw ориентирован В этой внешней нормалью n : а нормаль имеет направление
Пусть x = x ( u , v , w ) , y = y ( u , v , w ) , z = z ( u , v , w ) определены и гладки в области, содержащей S uvw , и пусть эти уравнения определяют отображение S uvw на S xyz . Тогда степень δ отображения равна 1 / 4π раз телесный угол изображения S изображения S uvw относительно внутренней точки S xyz , O . Если O является началом области R xyz , то степень δ определяется интегралом:
См. также
[ редактировать ]- Мера Дирака
- Функция индикатора
- Символ Леви-Чивита
- Метрика Минковского
- символ 'т Хоофта
- Функция устройства
- XNOR-ворота
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Троубридж, Дж. Х. (1998). «О методике измерения турбулентного напряжения сдвига при наличии поверхностных волн» . Журнал атмосферных и океанических технологий . 15 (1): 291. Бибкод : 1998JAtOT..15..290T . doi : 10.1175/1520-0426(1998)015<0290:OATFMO>2.0.CO;2 .
- ^ Дирак, Поль (1930). Принципы квантовой механики (1-е изд.) . Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780198520115 .
- ^ Шпигель, Юджин; О'Доннелл, Кристофер Дж. (1997), Алгебры инцидентности , Чистая и прикладная математика, том. 206, Марсель Деккер, ISBN 0-8247-0036-8 .
- ^ Папа, Кристофер (2008). «Геометрия и теория групп» (PDF) .
- ^ Франкель, Теодор (2012). Геометрия физики: Введение (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107602601 .
- ^ Агарвал, округ Колумбия (2007). Тензорное исчисление и риманова геометрия (22-е изд.). Кришна Пракашан Медиа. [ ISBN отсутствует ]
- ^ Лавлок, Дэвид; Рунд, Ханно (1989). Тензоры, дифференциальные формы и вариационные принципы . Публикации Courier Dover. ISBN 0-486-65840-6 .
- ^ Рекурсивное определение требует первого случая, который можно принять как δ = 1 для p = 0 или, альтернативно, δ м
п = д м
ν для p = 1 (обобщенная дельта в терминах стандартной дельты). - ^ Хасани, Садри (2008). Математические методы: для студентов-физиков и смежных специальностей (2-е изд.). Спрингер-Верлаг. ISBN 978-0-387-09503-5 .
- ^ Пенроуз, Роджер (июнь 1960 г.). «Спинорный подход к общей теории относительности» . Анналы физики . 10 (2): 171–201. Бибкод : 1960АнФиз..10..171П . дои : 10.1016/0003-4916(60)90021-X .
- ^ Эйткен, Александр Крейг (1958). Определители и матрицы . Великобритания: Оливер и Бойд.
- ^ Роджер Пенроуз , «Применение тензоров отрицательной размерности», в книге «Комбинаторная математика и ее приложения» , Academic Press (1971).
- ^ Каплан, Уилфред (2003). Продвинутое исчисление . Пирсон Образование. п. 364. ИСБН 0-201-79937-5 .