Без потери общности мы можем рассматривать только центрированные профили, которые достигают пика в нуле. Профиль Фойгта тогда
где x — смещение от центра линии, — центрированный гауссов профиль:
и представляет собой центрированный профиль Лоренца:
Определяющий интеграл можно оценить как:
где Re[ w ( z )] — действительная часть функции Фаддеева, вычисленная для
В предельных случаях и тогда упрощается до и соответственно.
История и применение
В спектроскопии профиль Фойгта получается в результате свертки двух механизмов уширения, один из которых сам по себе даст гауссов профиль (обычно в результате доплеровского уширения ), а другой даст лоренцев профиль. Профили Фойгта распространены во многих областях спектроскопии и дифракции . Из-за затрат на вычисление функции Фаддеева профиль Фойгта иногда аппроксимируют с помощью псевдо-профиля Фойгта.
Поскольку нормальные распределения и распределения Коши являются устойчивыми распределениями , каждое из них замкнуто относительно свертки (с точностью до изменения масштаба), и отсюда следует, что распределения Фойгта также замкнуты относительно свертки.
Кумулятивная функция распределения
Используя приведенное выше определение для z , кумулятивную функцию распределения (CDF) можно найти следующим образом:
Подставляя определение функции Фаддеева (масштабированной комплексной функции ошибок ), получаем неопределенный интеграл:
которые могут быть решены для получения
где — гипергеометрическая функция . Для того чтобы функция стремилась к нулю, когда x стремится к отрицательной бесконечности (как это должна делать CDF), необходимо добавить константу интегрирования 1/2. Это дает для CDF Фойгта:
Нецентрированный профиль Фойгта
Если гауссовский профиль центрирован в точке , а лоренцевский профиль центрирован в точке , то свертка центрирована в точке , а характеристическая функция имеет вид:
Функция плотности вероятности просто смещена относительно центрированного профиля на :
где:
Мода и медиана находятся в точке .
Производные
Используя определение выше для и , первую и вторую производные можно выразить через функцию Фаддеева как
и
соответственно.
Часто один или несколько профилей Фойгта и/или их соответствующие производные необходимо подогнать к измеренному сигналу с помощью нелинейного метода наименьших квадратов , например, в спектроскопии . Затем для ускорения вычислений можно использовать дополнительные частные производные. Вместо аппроксимации матрицы Якоби относительно параметров , и с помощью конечных разностей можно применить соответствующие аналитические выражения. С и они задаются следующим образом:
для исходного профиля Фойгта ;
для частной производной первого порядка ; и
для частной производной второго порядка . Поскольку и играют относительно схожую роль в вычислении , их соответствующие частные производные также выглядят довольно похожими с точки зрения их структуры, хотя они приводят к совершенно разным профилям производных. Действительно, частные производные по и показывают большее сходство, поскольку оба являются параметрами ширины. Все эти производные включают только простые операции (умножения и сложения), поскольку вычислительно затратны и легко получаются при вычислении . Такое повторное использование предыдущих вычислений позволяет получить вывод с минимальными затратами. Это не относится к аппроксимации градиента конечных разностей , поскольку она требует оценки для каждого градиента соответственно.
Функции Фойгта
Функции Фойгта [1] U , V и H (иногда называемые функцией уширения линии ) определяются как
Функция Теппера-Гарсии , названная в честь немецко-мексиканского астрофизика Тора Теппера-Гарсии, представляет собой комбинацию экспоненциальной функции и рациональных функций, которая аппроксимирует функцию уширения линии в широком диапазоне ее параметров. [2]
Она получается из усеченного степенного ряда разложения точной функции уширения линии.
В наиболее вычислительно эффективной форме функция Теппера-Гарсии может быть выражена как
где , , и .
Таким образом, функцию уширения линии можно рассматривать, в первом порядке, как чистую гауссову функцию плюс поправочный коэффициент, который линейно зависит от микроскопических свойств поглощающей среды (закодирован в ); однако, в результате раннего усечения в разложении ряда, ошибка в аппроксимации все еще имеет порядок , т.е. . Эта аппроксимация имеет относительную точность
по всему диапазону длин волн , при условии, что . В дополнение к своей высокой точности, функция проста в реализации, а также вычислительно быстра. Она широко используется в области анализа линий поглощения квазаров. [3]
Псевдо-Фойгтовское приближение
Профиль псевдо-Фойгта (или функция псевдо-Фойгта ) представляет собой аппроксимацию профиля Фойгта V ( x ), использующую линейную комбинацию гауссовой кривой G ( x ) и лоренцевской кривой L ( x ) вместо их свертки .
Функция псевдо-Фойгта часто используется для расчетов экспериментальных форм спектральных линий .
Математическое определение нормализованного псевдо-Фойгтовского профиля имеет вид
Существует несколько возможных вариантов выбора параметра. [4] [5] [6] [7] Простая формула с точностью до 1% выглядит так: [8] [9]
где теперь, является функцией параметров Лоренца ( ), Гаусса ( ) и общего ( ) Полная ширина на половине максимума (FWHM). Общий параметр FWHM ( ) описывается следующим образом:
Ширина профиля Фойгта
Полная ширина на половине максимума (FWHM) профиля Фойгта может быть найдена из ширины связанных гауссовых и лоренцевских ширин. FWHM гауссова профиля равна
Полная ширина на половине высоты лоренцевского профиля равна
Приблизительное соотношение (с точностью около 1,2%) между ширинами профилей Фойгта, Гаусса и Лоренца следующее: [10]
По построению это выражение является точным для чистого гауссовского или лоренцевского распределения.
Более точное приближение с точностью 0,02% дает [11] (первоначально найденное Килькопфом [12] ).
Опять же, это выражение является точным для чистого гауссовского или лоренцевского. В той же публикации [11] можно найти немного более точное (в пределах 0,012%), но значительно более сложное выражение.
Асимметричная функция псевдо-Фойгта (Мартинелли)
Функция асимметрии псевдо-Фойгта (Мартинелли) напоминает расщепленное нормальное распределение , имея различную ширину с каждой стороны пикового положения. Математически это выражается как:
где является весом лоренциана, а ширина является функцией расщепления ( для и для ). В пределе функция Мартинелли возвращается к симметричной псевдофункции Фойгта. Функция Мартинелли использовалась для моделирования упругого рассеяния на резонансных неупругих рентгеновских рассеивающих приборах. [13]
^ Теппер-Гарсия, Торстен (2006). «Подгонка профиля Фойгта к линиям поглощения квазаров: аналитическое приближение к функции Фойгта-Хьертинга». Monthly Notices of the Royal Astronomical Society . 369 (4): 2025–2035. arXiv : astro-ph/0602124 . Bibcode : 2006MNRAS.369.2025T. doi : 10.1111/j.1365-2966.2006.10450.x . S2CID 16981310.
^ Список ссылок, найденных в Системе астрофизических данных SAO/NASA (ADS): https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2006MNRAS.369.2025T/citations
^ Wertheim GK, Butler MA, West KW, Buchanan DN (1974). «Определение гауссовского и лоренцевского содержания экспериментальных форм линий». Review of Scientific Instruments . 45 (11): 1369–1371. Bibcode : 1974RScI...45.1369W. doi : 10.1063/1.1686503.
^ Санчес-Бахо, Ф.; Ф. Л. Кумбрера (август 1997 г.). «Использование функции псевдо-Фойгта в дисперсионном методе анализа уширения рентгеновских линий». Журнал прикладной кристаллографии . 30 (4): 427–430. Bibcode : 1997JApCr..30..427S. doi : 10.1107/S0021889896015464.
^ Liu Y, Lin J, Huang G, Guo Y, Duan C (2001). «Простая эмпирическая аналитическая аппроксимация профиля Фойгта». JOSA B. 18 ( 5): 666–672. Bibcode : 2001JOSAB..18..666L. doi : 10.1364/josab.18.000666.
^ Di Rocco HO, Cruzado A (2012). «Профиль Фойгта как сумма гауссовой и лоренцевской функций, когда весовой коэффициент зависит только от отношения ширин». Acta Physica Polonica A . 122 (4): 666–669. Bibcode :2012AcPPA.122..666D. doi : 10.12693/APhysPolA.122.666 . ISSN 0587-4246.
^ Ida T, Ando M, Toraya H (2000). «Расширенная псевдо-Фойгтовская функция для аппроксимации профиля Фойгта». Журнал прикладной кристаллографии . 33 (6): 1311–1316. doi :10.1107/s0021889800010219. S2CID 55372305.
^ P. Thompson, DE Cox и JB Hastings (1987). "Уточнение Ритвельдом данных синхротронного рентгеновского излучения Дебая-Шеррера из Al 2 O 3 ". Журнал прикладной кристаллографии . 20 (2): 79–83. Bibcode : 1987JApCr..20...79T. doi : 10.1107/S0021889887087090.
^ Whiting, EE (июнь 1968). «Эмпирическое приближение к профилю Фойгта». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 8 (6): 1379–1384. Bibcode : 1968JQSRT...8.1379W. doi : 10.1016/0022-4073(68)90081-2. ISSN 0022-4073.
^ ab Olivero, JJ; RL Longbothum (февраль 1977 г.). «Эмпирические подгонки к ширине линии Фойгта: краткий обзор». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 17 (2): 233–236. Bibcode :1977JQSRT..17..233O. doi :10.1016/0022-4073(77)90161-3. ISSN 0022-4073.
^ Джон Ф. Килькопф (1973), «Новое приближение функции Фойгта с приложениями к анализу профиля спектральной линии», Журнал оптического общества Америки , 63 (8): 987, Bibcode : 1973JOSA...63..987K, doi : 10.1364/JOSA.63.000987
^ Мартинелли, Л.; Бяло, И.; Хонг, Х.; Опплигер, Дж.; и др. (2024). «Разделенные статические и динамические корреляции заряда в La2−xSrxCuO4». arXiv : 2406.15062 [cond-mat.str-el].
Внешние ссылки
http://jugit.fz-juelich.de/mlz/libcerf, числовая библиотека C для комплексных функций ошибок, предоставляет функцию voigt(x, sigma, gamma) с точностью приблизительно 13–14 цифр.
Оригинальная статья: Voigt, Woldemar, 1912, «Das Gesetz der Intensitätsverteilung Internalhalb der Linien eines Gasspektrums», Sitzungsbericht der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 25, 603 (см. также: http://publikationen.badw.de/de/003395768)