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第八章 狄拉克d函数 d函数是英国著名理论物理学家狄拉克在20世纪20年代引入的;可以用来: 描写空间中的点源,如质点的质量分布,点电荷的电荷分布等; 描述时间上的瞬时源,如瞬时力,脉冲电流或电压等。 因此,在物理学中有着广泛的应用。 d函数并不是经典意义上的函数,直到20世纪50年代,法国著名数学家施瓦兹(Schwartz)在数学中引入广义函数之后,才给占函数的运算奠定了严格的数学基础,但这超出了本书的讨论范围; 我们将从物理实例出发引入d函数,并介绍d函数的基本知识,为数学物理方程,特别是格林函数法作准备。 §8.1 一维d函数的定义和性质 本节介绍一维d函数的定义和性质,以及它的几个常用表达式; 在此基础上,介绍一维d函数的导数及其性质。 §8.1.1 一维d函数的定义 通过计算点电荷的电荷密度引入一维d函数的定义. 中心位于x0、长度l、总电量为1的均匀带电细线,其线电荷密度h(x)及总电量Q分别为 当l →0时,线电荷密度及总电量分别为 我们把定义在区间(-∞, ∞)上,满足上述这两个要求的函数称为一维d函数,并记作d(x-x0), 即 其函数曲线如图8. 1所示. 引进一维d函数后,位于x0处,电量为q的点电荷的线电荷密度可表示为 位于坐标原点,质量为m的质点的线质量密度为 §8.1.2 d函数的性质 性质1 若f(x)是定义在区间(-∞,∞)的任一连续函数,则 证明 设e是任意小的正数,因为在区间[x0-e, x0+e]之外, d(x-x0) = 0,故 利用了第二中值定理,x是区间[x0-e, x0+e]内某一点。 特别是,当x0=0时有 请注意,也可以将式(8.1.9)作为一维d函数的定义式,因为式(8.1.9)与式 (8.1.5)、式(8.1.6)是完全等价的。 这表明,d函数也可以通过它在积分号下对任意连续函数f(x)的运算性质来定义 。 性质2 (对称性) d(x-x0) = d(x0-x), 即d函数是偶函数 证明 设f(x)为定义在(-∞,∞)的连续函数,令x=x0-x,则有 相比较可见d(x-x0) 与d(x0-x) 在积分号下对任一连续函数f(x)的运算性质相同 ,故 d(x-x0) = d(x0-x) (8.1.10) 性质 3 证明 当x≠xo ,等式两边均为零;当 x =xo上式两边均为f(xo)d(x-x0) . 性质4 xd(x) = 0 证明 对任意的连续函数f(x) ,均有 既然xd(x)与任一连续函数f(x)之积在(-∞,∞)的积分均为零,故式(8. 1. 12)得证。 性质5 若j(x)为连续函数, 且j(x)=0只有单根xk (k =1,2,…,N),则 证明 由一维d函数的定义,可得 现在的问题归结为求式(8.1.15)的展开系数Ck的值.为了求得第m个系数Cm , 在区间[xm-e, xm+e]对上式两端积分,得 现在计算积分(8.1.17),利用 利用第二中值定理,便有 单调增加, 积分上限大于下限:j(xk+e)>j(xk-e) ,这时积分 若j(x)有重根,则式(8.1. 13)不成立. 如 j(x) =x2有重根 x1= 0 及 x2= 0 , 这时 式( 8.1.13)的分母为零,没有意义. 利用式(8.1.13)可以得到d函数一系列的性质 §8.1.3 一维d函数的几个常用表达式 1.以函数序列的极限表示 为形象起见,今将表达式2,表达式4的函数序列作图如图8.2所示 证明 根据等式右边符合d(x)的定义来证 表达式1 的证明 (1)、当x→0时,令v=xu并利用 可得 应注意取极限的顺序,首先要进行x与u相乘等初等运算(因而要先取x→0的极限),然后才是整个分式取u→0的极限。 (2) 、当x为不等于零的常数时 (3)、计算在区间(-∞, ∞)的积分值, 可得 定积分= p (见例4.2.8,P92) 2.用阶跃函数(图8.3)的导数表示 阶跃函数的定义为 表达式5 d(x)=H(x) (8.1.28) 除此之外,还可用积分表示,称为d(x)的傅里叶展开,见12.1节. 表达式 A d 函数的傅里叶积分 表达式 B d 函数的傅里叶积分 表达式 C d 函数的傅里叶积分(三维) §8.1.4 一维d函数导数的定义
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