Jump to content

Растянутая экспоненциальная функция

(Перенаправлено из Растянутой экспоненты )
Рисунок 1 . Иллюстрация растянутой экспоненциальной аппроксимации (с β = 0,52) эмпирической основной кривой. одинарная и двойная экспоненциальная Для сравнения также показаны аппроксимация методом наименьших квадратов. Приведены данные вращательной антрацена в нескольких полиизобутилене анизотропии молекулярных масс . Графики были перекрыты путем деления времени ( t ) на соответствующую характеристическую постоянную времени .

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 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 ]

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]

  1. ^ 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 . .
  2. ^ 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 . .
  3. ^ 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 .
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 )
  6. ^ 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 )
  7. ^ 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 )
  8. ^ 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 .
  9. ^ 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 ) .
  10. ^ 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 .
  11. ^ Дишон и др. 1985.
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 )
  14. ^ 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 .
  15. ^ 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 )
  16. ^ 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 .
  17. ^ 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 .
  18. ^ Сорнетт, Д. (2004). Критические явления в естествознании: хаос, фракталы, самоорганизация и беспорядок . .
  19. ^ 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 .
  20. ^ Б.М. Веон (2016). «Тираннозавры как виды-долгожители» . Научные отчеты . 6 : 19554. Бибкод : 2016NatSR...619554W . дои : 10.1038/srep19554 . ПМЦ   4726238 . ПМИД   26790747 .
  21. ^ 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 )
  22. ^ 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 )
  23. ^ 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 .
[ редактировать ]
  • Дж. Вуттке: библиотека libkww C для вычисления преобразования Фурье растянутой экспоненциальной функции.
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ec94a8f58f71977e281a36c81bb5b2c3__1715525580
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ec/c3/ec94a8f58f71977e281a36c81bb5b2c3.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Stretched exponential function - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)