Растянутая экспоненциальная функция

Растянутая показательная функция получается подстановкой дробного степенного закона в показательную функцию . В большинстве приложений это имеет смысл только для аргументов t от 0 до +∞. При β = 1 восстанавливается обычная показательная функция. При показателе растяжения β между 0 и 1 график зависимости log f от t обычно растягивается , отсюда и название функции. Сжатая показательная функция (с β > 1 ) имеет меньшее практическое значение, за заметным исключением β = 2 , которое дает нормальное распределение .
В математике растянутая экспонента также известна как дополнительное кумулятивное распределение Вейбулла . Растянутая экспонента также является характеристической функцией , по сути преобразованием Фурье , симметричного альфа-стабильного распределения Леви .
В физике растянутая показательная функция часто используется как феноменологическое описание релаксации в неупорядоченных системах. Впервые он был введен Рудольфом Кольраушем в 1854 году для описания разряда конденсатора; [1] поэтому она также известна как функция Кольрауша . В 1970 году Дж. Уильямс и Д. К. Уоттс использовали преобразование Фурье растянутой экспоненты для описания диэлектрических спектров полимеров; [2] в этом контексте растянутая экспонента или ее преобразование Фурье также называются функцией Кольрауша-Вильямса-Уоттса (KWW) . Функция Кольрауша-Вильямса-Уоттса (KWW) соответствует зарядовому отклику во временной области основных диэлектрических моделей, таких как уравнение Коула-Коула , уравнение Коула-Дэвидсона и релаксация Гавриляка-Негами , для малых временных аргументов. [3]
В феноменологических приложениях часто неясно, следует ли использовать растянутую экспоненциальную функцию для описания дифференциальной или интегральной функции распределения или ни одной из них. В каждом случае получается один и тот же асимптотический распад, но другой префактор степенного закона, что делает аппроксимацию более неоднозначной, чем для простых экспонент. В некоторых случаях [4] [5] [6] [7] можно показать, что асимптотическое затухание представляет собой растянутую экспоненту, но предфактор обычно представляет собой несвязанную степень.
Математические свойства
[ редактировать ]Моменты
[ редактировать ]Следуя обычной физической интерпретации, мы интерпретируем аргумент функции t как время, а f β ( t ) — дифференциальное распределение. Таким образом, площадь под кривой можно интерпретировать как среднее время релаксации . Можно найти где Γ – гамма-функция . Для экспоненциального затухания ⟨ τ ⟩ = τ K. восстанавливается
Высшие моменты растянутой показательной функции равны [8]
Функция распределения
[ редактировать ]В физике предпринимались попытки объяснить поведение растянутой экспоненты как линейную суперпозицию простых экспоненциальных спадов. Для этого требуется нетривиальное распределение времен релаксации ρ ( u ), которое неявно определяется формулой
Альтернативно, распределение используется.
ρ можно вычислить путем разложения в ряд: [9]
Для рациональных значений ρ β ( u ) можно вычислить через элементарные функции. Но выражение, как правило, слишком сложное, чтобы его можно было использовать, за исключением случая β = 1/2 , где
На рисунке 2 показаны одни и те же результаты, представленные как в линейном , так и в логарифмическом представлении. Кривые сходятся к дельта-функции Дирака с максимумом при u = 1, когда β приближается к 1, что соответствует простой показательной функции.
![]() | ![]() |
Рисунок 2 . Линейные и логарифмические графики растянутой экспоненциальной функции распределения против для значений параметра растяжения β от 0,1 до 0,9. |
Моменты исходной функции можно выразить как
Первый логарифмический момент распределения времен просто-экспоненциальной релаксации равен где Eu — постоянная Эйлера . [10]
Преобразование Фурье
[ редактировать ]Для описания результатов спектроскопии или неупругого рассеяния необходимо синусоидальное или косинусоидальное преобразование Фурье растянутой экспоненты. Его необходимо рассчитывать либо путем числового интегрирования, либо путем разложения в ряд. [11] Ряд здесь, как и ряд для функции распределения, являются частными случаями функции Фокса–Райта . [12] Для практических целей преобразование Фурье можно аппроксимировать функцией Гавриляка – Негами : [13] хотя в настоящее время числовые вычисления могут выполняться настолько эффективно [14] что больше нет причин не использовать функцию Кольрауша-Вильямса-Уоттса в частотной области.
История и дальнейшее применение
[ редактировать ]Как сказано во введении, растянутая экспонента была введена немецким физиком Рудольфом Кольраушем в 1854 году для описания разряда конденсатора ( лейденской банки ), в котором в качестве диэлектрической среды использовалось стекло. Следующее задокументированное использование принадлежит Фридриху Кольраушу , сыну Рудольфа, для описания торсионной релаксации. А. Вернер использовал его в 1907 для описания сложных затухов люминесценции; Теодор Фёрстер в 1949 году как закон затухания флуоресценции доноров электронной энергии. [ нужна ссылка ]
За пределами физики конденсированного состояния растянутая экспонента использовалась для описания скорости удаления небольших блуждающих тел в Солнечной системе. [15] диффузионно-взвешенный сигнал МРТ в головном мозге, [16] и добыча из нетрадиционных газовых скважин. [17]
По вероятности
[ редактировать ]Если интегрированное распределение представляет собой растянутую экспоненту, нормализованная функция плотности вероятности определяется выражением [ нужна ссылка ]
Обратите внимание, что некоторые авторы, как известно, используют название «растянутая экспонента» для обозначения распределения Вейбулла . [18]
Модифицированные функции
[ редактировать ]Модифицированная растянутая экспоненциальная функция с медленно от t зависящим показателем степени β использовался для кривых биологической выживаемости. [19] [20]
Беспроводная связь
[ редактировать ]Было показано, что в беспроводной связи масштабированная версия растянутой экспоненциальной функции появляется в преобразовании Лапласа для мощности помех. когда местоположения передатчиков моделируются как двумерный процесс точки Пуассона без исключенной области вокруг приемника. [21]
можно Преобразование Лапласа записать для произвольного распределения замираний следующим образом: где это сила угасания, — показатель потерь на пути , - плотность двумерного точечного процесса Пуассона, - гамма-функция, а это математическое ожидание переменной . [ нужна ссылка ]
В той же ссылке также показано, как получить обратное преобразование Лапласа для растянутой экспоненты. для целого числа более высокого порядка из целых чисел младшего порядка и . [ нужна ссылка ]
Интернет-стриминг
[ редактировать ]Растянутая экспонента использовалась для характеристики моделей доступа к интернет-медиа, таким как YouTube и другие стабильные сайты потокового мультимедиа. [22] Общепринятые степенные шаблоны доступа к веб-рабочим нагрузкам в основном отражают веб-рабочие нагрузки с текстовым контентом, такие как ежедневно обновляемые новостные сайты. [23]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кольрауш, Р. (1854). «Теория электрического остатка в бутылке Лейднера» . Анналы физики и химии . 91 (1): 56–82, 179–213. Стартовый код : 1854АнП...167...56К . дои : 10.1002/andp.18541670103 . .
- ^ Уильямс, Г. и Уоттс, округ Колумбия (1970). «Несимметричное поведение диэлектрической релаксации, возникающее из простой эмпирической функции распада». Труды Фарадеевского общества . 66 : 80–85. дои : 10.1039/tf9706600080 . S2CID 95007734 . .
- ^ Холм, Сверре (2020). «Характеристика диэлектрической модели Коула-Коула во временной области» . Журнал электрического биоимпеданса . 11 (1): 101–105. дои : 10.2478/joeb-2020-0015 . ПМК 7851980 . ПМИД 33584910 .
- ^ Донскер, доктор медицинских наук и Варадхан, SRS (1975). «Асимптотическая оценка некоторых ожиданий марковского процесса на большом времени». Комм. Чистое приложение. Математика . 28 : 1–47. дои : 10.1002/cpa.3160280102 .
- ^ Такано Х., Наканиси Х. и Мияшита С. (1988). «Растянутое экспоненциальное затухание спин-корреляционной функции в кинетической модели Изинга ниже критической температуры». Физ. Преподобный Б. 37 (7): 3716–3719. Бибкод : 1988PhRvB..37.3716T . дои : 10.1103/PhysRevB.37.3716 . ПМИД 9944981 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Шор, Джон Э. и Цванциг, Роберт (1975). «Диэлектрическая релаксация и динамическая восприимчивость одномерной модели перпендикулярно-дипольных полимеров». Журнал химической физики . 63 (12): 5445–5458. Бибкод : 1975ЖЧФ..63.5445С . дои : 10.1063/1.431279 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Брей, Джей-Джей и Прадос, А. (1993). «Растянутое экспоненциальное затухание в промежуточные моменты времени в одномерной модели Изинга при низких температурах». Физика А. 197 (4): 569–582. Бибкод : 1993PhyA..197..569B . дои : 10.1016/0378-4371(93)90015-В .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Градштейн Израиль Соломонович ; Рыжик Иосиф Моисеевич ; Героним Юрий Вениаминович ; Цейтлин Михаил Юльевич ; Джеффри, Алан (2015) [октябрь 2014 г.]. «3.478.». В Цвиллингере, Дэниел; Молл, Виктор Гюго (ред.). Таблица интегралов, рядов и произведений . Перевод Scripta Technica, Inc. (8-е изд.). Academic Press, Inc. с. 372. ИСБН 978-0-12-384933-5 . LCCN 2014010276 .
- ^ Линдси, К. П. и Паттерсон, Г. Д. (1980). «Детальное сравнение функций Уильямса-Уоттса и Коула-Дэвидсона». Журнал химической физики . 73 (7): 3348–3357. Бибкод : 1980JChPh..73.3348L . дои : 10.1063/1.440530 . .Более недавнее и общее обсуждение см. Берберан-Сантос, М.Н., Бодунов, Э.Н. и Валер, Б. (2005). «Математические функции для анализа затухания люминесценции с основными распределениями 1. Функция затухания Кольрауша (растянутая экспонента)». Химическая физика . 315 (1–2): 171–182. Бибкод : 2005CP....315..171B . doi : 10.1016/j.chemphys.2005.04.006 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) . - ^ Зорн, Р. (2002). «Логарифмические моменты распределения времени релаксации» (PDF) . Журнал химической физики . 116 (8): 3204–3209. Бибкод : 2002JChPh.116.3204Z . дои : 10.1063/1.1446035 .
- ^ Дишон и др. 1985.
- ^ Хилфер, Дж. (2002). « Представления H -функции для расширенной экспоненциальной релаксации и недебаевской восприимчивости в стеклообразных системах». Физический обзор E . 65 (6): 061510. Бибкод : 2002PhRvE..65f1510H . дои : 10.1103/physreve.65.061510 . ПМИД 12188735 . S2CID 16276298 .
- ^ Альварес Ф., Алегрия А. и Кольменеро Дж. (1991). «Связь между функциями релаксации Кольрауша-Вильямса-Уоттса во временной области и функциями релаксации Гавриляка-Негами в частотной области». Физический обзор B . 44 (14): 7306–7312. Бибкод : 1991PhRvB..44.7306A . дои : 10.1103/PhysRevB.44.7306 . ПМИД 9998642 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Вуттке, Дж. (2012). «Преобразование Лапласа – Фурье растянутой экспоненциальной функции: аналитические границы ошибок, двойное экспоненциальное преобразование и реализация с открытым исходным кодом «libkww» » . Алгоритмы . 5 (4): 604–628. arXiv : 0911.4796 . дои : 10.3390/a5040604 . S2CID 15030084 .
- ^ Добровольскис А., Альвареллос Дж. и Лиссауэр Дж. (2007). «Время жизни малых тел на планетоцентрических (или гелиоцентрических) орбитах». Икар . 188 (2): 481–505. Бибкод : 2007Icar..188..481D . дои : 10.1016/j.icarus.2006.11.024 .
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Беннетт, К.; и др. (2003). «Характеристика непрерывно распределенных скоростей диффузии воды в коре головного мозга с помощью растянутой экспоненциальной модели» . Магн. Резон. Мед . 50 (4): 727–734. дои : 10.1002/mrm.10581 . ПМИД 14523958 .
- ^ Валко, Питер П.; Ли, В. Джон (1 января 2010 г.). «Лучший способ прогнозирования добычи из нетрадиционных газовых скважин». Ежегодная техническая конференция и выставка SPE . Общество инженеров-нефтяников. дои : 10.2118/134231-мс . ISBN 9781555633004 .
- ^ Сорнетт, Д. (2004). Критические явления в естествознании: хаос, фракталы, самоорганизация и беспорядок . .
- ^ Б.М. Веон и Дж.Х. Дже (2009). «Теоретическая оценка максимальной продолжительности жизни человека». Биогеронтология . 10 (1): 65–71. дои : 10.1007/s10522-008-9156-4 . ПМИД 18560989 . S2CID 8554128 .
- ^ Б.М. Веон (2016). «Тираннозавры как виды-долгожители» . Научные отчеты . 6 : 19554. Бибкод : 2016NatSR...619554W . дои : 10.1038/srep19554 . ПМЦ 4726238 . ПМИД 26790747 .
- ^ Аммар Х.А., Насер Ю. и Артайль Х. (2018). «Выражения в закрытой форме для функции плотности вероятности мощности помех в сетях PPP». Международная конференция IEEE по коммуникациям (ICC) 2018 . стр. 1–6. arXiv : 1803.10440 . дои : 10.1109/ICC.2018.8422214 . ISBN 978-1-5386-3180-5 . S2CID 4374550 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Лэй Го, Эньхуа Тан, Сунцин Чен, Чжэнь Сяо и Сяодун Чжан (2008). «Растянутое экспоненциальное распределение моделей доступа к СМИ в Интернете» . ПОДК'08. С. 283–294. дои : 10.1145/1400751.1400789 .
{{cite conference}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Адамич, Лада А.; Бернардо А., Хуберман (2000). «Распределение Всемирной паутины по степенному закону». Наука . 287 (5461): 2115–2115. дои : 10.1126/science.287.5461.2115a .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Дж. Вуттке: библиотека libkww C для вычисления преобразования Фурье растянутой экспоненциальной функции.