stringtranslate.com

дельта Кронекера

В математике дельта Кронекера ( названная в честь Леопольда Кронекера ) — это функция двух переменных , обычно просто неотрицательных целых чисел . Функция равна 1, если переменные равны, и 0 в противном случае: или с использованием скобок 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 элементы, равные дельте Кронекера: где и принимают значения , а скалярное произведение 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 вида {1, 2, ..., n } или {0, 1, ..., n − 1} , но дельта Кронекера может быть определена на произвольном наборе.

Характеристики

Выполняются следующие уравнения: Поэтому матрицу δ можно рассматривать как единичную матрицу.

Другим полезным представлением является следующая форма: Ее можно вывести с помощью формулы геометрической прогрессии .

Альтернативная нотация

Использование скобки Айверсона :

Часто используется запись с одним аргументом , что эквивалентно установке :

В линейной алгебре его можно рассматривать как тензор и записывать . Иногда дельта Кронекера называется тензором подстановки. [1]

Цифровая обработка сигнала

Функция единичной выборки

При изучении цифровой обработки сигналов (ЦОС) 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 плане, где:

Однако это лишь частный случай. В тензорном исчислении более распространено нумеровать базисные векторы в определенном измерении, начиная с индекса 1, а не с индекса 0. В этом случае связь не существует, и фактически функция Кронекера и функция единичной выборки являются разными функциями, которые перекрываются в конкретном случае, когда индексы включают число 0, количество индексов равно 2, а один из индексов имеет значение ноль.

Хотя дискретная единичная функция выборки и дельта-функция Кронекера используют одну и ту же букву, они различаются следующим образом. Для дискретной единичной функции выборки более общепринято помещать один целочисленный индекс в квадратные скобки; в отличие от этого дельта-функция Кронекера может иметь любое количество индексов. Кроме того, цель дискретной единичной функции выборки отличается от дельта-функции Кронекера. В ЦОС дискретная единичная функция выборки обычно используется в качестве входной функции для дискретной системы для обнаружения системной функции системы, которая будет получена в качестве выхода системы. Напротив, типичная цель дельта-функции Кронекера заключается в фильтрации членов из соглашения о суммировании Эйнштейна .

Функция дискретной единичной выборки проще определяется как:

Кроме того, дельта-функцию Дирака часто путают с дельта-функцией Кронекера и функцией единичной выборки. Дельта-функция Дирака определяется как:

В отличие от дельта-функции Кронекера и функции единичной выборки , дельта-функция Дирака не имеет целочисленного индекса, она имеет единственное непрерывное нецелое значение t .

Чтобы еще больше запутать ситуацию, иногда используют термин «функция единичного импульса» для обозначения либо дельта-функции Дирака , либо функции единичной выборки .

Известные свойства

Дельта Кронекера имеет так называемое свойство просеивания , что для : и если целые числа рассматриваются как пространство меры , наделенное мерой подсчета , то это свойство совпадает с определяющим свойством дельта -функции Дирака и фактически дельта Дирака была названа в честь дельта Кронекера из-за этого аналогичного свойства. [2] В обработке сигналов обычно контекст (дискретное или непрерывное время) отличает «функции» Кронекера и Дирака. И по соглашению, как правило, указывает на непрерывное время (Дирак), тогда как аргументы вроде , , , , , и обычно зарезервированы для дискретного времени (Кронекер). Другая распространенная практика заключается в представлении дискретных последовательностей с помощью квадратных скобок; таким образом: . Дельта Кронекера не является результатом прямой выборки дельта-функции Дирака.

Дельта Кронекера образует мультипликативный элемент тождества алгебры инцидентности . [3]

Связь с дельта-функцией Дирака

В теории вероятностей и статистике дельта-функция Кронекера и дельта-функция Дирака могут использоваться для представления дискретного распределения . Если носитель распределения состоит из точек с соответствующими вероятностями , то функция массы вероятности распределения может быть записана с использованием дельта-функции Кронекера как

Эквивалентно, функция плотности вероятности распределения может быть записана с использованием дельта-функции Дирака как

При определенных условиях дельта Кронекера может возникнуть из выборки дельта-функции Дирака. Например, если дельта-импульс Дирака возникает точно в точке выборки и идеально фильтруется по низким частотам (с отсечкой на критической частоте) согласно теореме о выборке Найквиста–Шеннона , результирующий дискретный по времени сигнал будет дельта-функцией Кронекера.

Обобщения

Если рассматривать его как типовой тензор , то тензор Кронекера можно записать с ковариантным индексом и контравариантным индексом :

Этот тензор представляет:

TheОбобщенная дельта Кронекера илимногоиндексная дельта Кронекерапорядкаявляется типовымтензором, который полностьюантисимметриченкак по своимверхним индексам, так и по своимнижним индексам.

Используются два определения, которые отличаются на фактор . Ниже представлена ​​версия, в которой ненулевые компоненты масштабируются до . Вторая версия имеет ненулевые компоненты, которые являются , с последующими изменениями масштабных коэффициентов в формулах, такими как масштабные коэффициенты в § Свойства обобщенной дельты Кронекера ниже исчезают. [4]

Определения обобщенной дельты Кронекера

В терминах индексов обобщенная дельта Кронекера определяется как: [5] [6]

Пусть — симметрическая группа степени , тогда:

Использование антисимметризации :

В терминах определителя : [7]

Используя разложение Лапласа ( формулу Лапласа ) определителя, его можно определить рекурсивно : [8] где карон, , указывает индекс, который пропущен в последовательности.

Когда (размерность векторного пространства), в терминах символа Леви-Чивиты : В более общем смысле, для , используя соглашение Эйнштейна о суммировании :

Сокращения обобщенной дельты Кронекера

Сокращение дельты Кронекера зависит от размерности пространства. Например, где d — размерность пространства. Из этого соотношения полная сокращенная дельта получается как Обобщение предыдущих формул [ необходима цитата ]

Свойства обобщенной дельты Кронекера

Обобщенную дельту Кронекера можно использовать для антисимметризации :

Из приведенных выше уравнений и свойств антисимметричных тензоров можно вывести свойства обобщенной дельты Кронекера: которые являются обобщенной версией формул, записанных в § Свойства . Последняя формула эквивалентна формуле Коши–Бине .

Уменьшение порядка путем суммирования индексов может быть выражено тождеством [9]

Используя как правило суммирования для данного случая , так и соотношение с символом Леви-Чивиты, выводится правило суммирования символа Леви-Чивиты : 4D-версия последнего соотношения появляется в спинорном подходе Пенроуза к общей теории относительности [10] , который он позже обобщил, разрабатывая диаграммы Эйткена, [11] чтобы он стал частью техники графической нотации Пенроуза . [12] Кроме того, это соотношение широко используется в теориях S-дуальности , особенно когда оно записано на языке дифференциальных форм и дуальностей Ходжа .

Интегральные представления

Для любого целого числа , используя стандартное вычисление остатка , мы можем записать интегральное представление для дельты Кронекера как интеграл ниже, где контур интеграла идет против часовой стрелки вокруг нуля. Это представление также эквивалентно определенному интегралу путем поворота в комплексной плоскости.

Гребень Кронекера

Функция гребня Кронекера с периодом определяется (с использованием нотации DSP ) как: где и — целые числа. Таким образом, гребень Кронекера состоит из бесконечной серии единичных импульсов, отстоящих друг от друга на N единиц, и включает единичный импульс в нуле. Его можно считать дискретным аналогом гребня Дирака .

Интеграл Кронекера

Дельта Кронекера также называется степенью отображения одной поверхности в другую. [13] Предположим, что отображение происходит из поверхности S uvw в S xyz , которые являются границами областей, R uvw и R xyz, которые просто связаны взаимно-однозначным соответствием. В этой структуре, если s и t являются параметрами для S uvw , и S uvw в S uvw каждый ориентирован внешней нормалью n : в то время как нормаль имеет направление

Пусть x = x ( u , v , w ) , y = y ( u , v , w ) , z = z ( u , v , w ) определены и гладкие в области , содержащей S uvw , и пусть эти уравнения определяют отображение S uvw на S xyz . Тогда степень δ отображения равна 1/ умножить на телесный угол изображения S точки S uvw относительно внутренней точки S xyz , O. Если O является началом области R xyz , то степень δ задается интегралом:

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Троубридж, Дж. Х. (1998). «О методике измерения турбулентного напряжения сдвига в присутствии поверхностных волн». Журнал атмосферных и океанических технологий . 15 (1): 291. Bibcode : 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.) . Oxford University Press. ISBN 9780198520115.
  3. ^ Шпигель, Юджин; О'Доннелл, Кристофер Дж. (1997), Incidence Algebras , Pure and Applied Mathematics, т. 206, Марсель Деккер, ISBN 0-8247-0036-8.
  4. ^ Поуп, Кристофер (2008). «Геометрия и теория групп» (PDF) .
  5. ^ Франкель, Теодор (2012). Геометрия физики: Введение (3-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 9781107602601.
  6. ^ Агарвал, Д.К. (2007). Тензорное исчисление и риманова геометрия (22-е изд.). Krishna Prakashan Media.[ ISBN отсутствует ]
  7. ^ Лавлок, Дэвид; Рунд, Ханно (1989). Тензоры, дифференциальные формы и вариационные принципы . Courier Dover Publications. ISBN 0-486-65840-6.
  8. ^ Рекурсивное определение требует первого случая, который может быть принят как δ = 1 для p = 0 или, в качестве альтернативы, δμ
    ν
    = δμ
    ν
    для p = 1 (обобщенная дельта в терминах стандартной дельты).
  9. ^ Хассани, Садри (2008). Математические методы: для студентов физики и смежных дисциплин (2-е изд.). Springer-Verlag. ISBN 978-0-387-09503-5.
  10. Пенроуз, Роджер (июнь 1960 г.). «Спинорный подход к общей теории относительности». Annals of Physics . 10 (2): 171–201. Bibcode : 1960AnPhy..10..171P. doi : 10.1016/0003-4916(60)90021-X.
  11. ^ Эйткен, Александр Крейг (1958). Определители и матрицы . Великобритания: Оливер и Бойд.
  12. ^ Роджер Пенроуз , «Применение отрицательных размерных тензоров», в книге «Комбинаторная математика и ее приложения» , Academic Press (1971).
  13. ^ Каплан, Вилфред (2003). Продвинутый анализ. Pearson Education. стр. 364. ISBN 0-201-79937-5.