Кронекера дельта

Из Википедии, бесплатной энциклопедии

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 единичная матрица имеет записи, равные дельте Кронекера:

где и принять значения , а внутренний продукт векторов 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.

Свойства [ править ]

Следующие уравнения удовлетворяются:

Следовательно, матрицу δ можно рассматривать как единичную.

Еще одним полезным представлением является следующая форма:

Это можно получить, используя формулу геометрической прогрессии .

Альтернативное обозначение [ править ]

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 сигнала [ править ]

Функция единичной выборки

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 нуль.

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, типичной целью дельта-функции Кронекера является 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 .

Примечательные свойства [ править ]

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 обычно контекст (дискретное или непрерывное время) отличает «функции Кронекера и Дирака». 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]

с дельта- функцией Связь Дирака

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 [ править ]

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 , рассматриваемое как тензорное сжатие 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]

обобщенной Кронекера Определения дельты

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 опущен в последовательности.

Когда (размерность векторного пространства) через символ Леви-Чивита :

В более общем смысле для , используя соглашение Эйнштейна о суммировании :

генерализованной Кронекера Сокращение дельты

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 цитата ]

обобщенной дельты Кронекера Свойства

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 [ править ]

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 [ править ]

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. Его можно считать дискретным аналогом гребенки Дирака .

Интеграл Кронекера [ править ]

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. В этой структуре, если s и t параметрами для Suvw к , и Suvw каждый из Suvw ориентирован внешней являются 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 В 1 / 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 [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ 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 .
  2. ^ Дирак, Поль (1930). Принципы квантовой механики (1-е изд.) . Издательство Оксфордского университета. ISBN  9780198520115 .
  3. ^ Шпигель, Юджин; О'Доннелл, Кристофер Дж. (1997), Алгебры инцидентности , Чистая и прикладная математика, том. 206, Марсель Деккер, ISBN  0-8247-0036-8 .
  4. ^ Папа, Кристофер (2008). «Геометрия и теория групп» (PDF) .
  5. ^ Франкель, Теодор (2012). Геометрия физики: Введение (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN  9781107602601 .
  6. ^ Агарвал, округ Колумбия (2007). Тензорное исчисление и риманова геометрия (22-е изд.). Кришна Пракашан Медиа. [ ISBN отсутствует ]
  7. ^ Лавлок, Дэвид; Рунд, Ханно (1989). Тензоры, дифференциальные формы и вариационные принципы . Публикации Courier Dover. ISBN  0-486-65840-6 .
  8. ^ 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).
  9. ^ Хасани, Садри (2008). Математические методы: для студентов-физиков и смежных специальностей (2-е изд.). Спрингер-Верлаг. ISBN  978-0-387-09503-5 .
  10. ^ 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 .
  11. ^ Эйткен, Александр Крейг (1958). Определители и матрицы . Великобритания: Оливер и Бойд.
  12. ^ Роджер Пенроуз , «Применение тензоров отрицательной размерности», в книге «Комбинаторная математика и ее приложения» , Academic Press (1971).
  13. ^ Каплан, Уилфред (2003). Продвинутое исчисление . Пирсон Образование. п. 364. ИСБН  0-201-79937-5 .