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诡异的Dirac函数
作者:苏剑林 | 发布时间:January 14, 2013
量子力学中有一个很诡异的函数——Dirac函数,它似乎在物理的不少领域都有很大作用,它也具有明显的物理意义,但认真地看它却又感觉它根本就不是函数!这个“似而非是”的东西究竟是什么呢?让我们从一个物理问题引入:
设想一条质量为1,长度为2l
的均匀直线,很显然直线的密度为ρ=12l
;将直线的中点放置于坐标轴的原点,我们就有
所以有
∫+∞−∞ρ(x)dx=1
这个式子对于任意的l
都是成立的,让我们考虑l→0
的情况,我们记这时的函数为δ(x)
,即
当然,最重要的是它保持了:
∫+∞−∞δ(x)dx=1
这个诡异的δ(x)
函数由Dirac首先提出,我们就称之为Dirac函数。
Dirac函数的诡异之处在于它的各种与一般函数截然不同的性质,它拓展了我们对一般函数的观点。当然,由于在数学上它已经违反了一般函数的定义,所以严格来讲,它并不是函数,而是一种广义函数或者泛函。但是,这对于物理学家来说是无关紧要的,物理学家并不需要数学的高度严密性,他们可以为了物理研究而随意地“玩弄”数学,而且数学中有不少概念正是由于物理学家对数学的“玩弄”才诞生出来的。源于Dirac函数的广义函数便是其中一例。
Dirac函数独立的时候并没有明显的作用,但是当它作用于其它函数时,其作用就体现出来了。其最重要的一点就是:
∫+∞−∞f(x)δ(x)dx=f(0)
事实上,只要积分区间中包含x=0这个点,它的积分就是f(0)
。也就是说,Dirac函数用积分从f(x)
中提取出f(0)
这个值。另外,不难证明δ(x)
还有以下性质:
δ(x)=δ(−x)xδ(x−x0)=x0δ(x−x0)
由于δ(x)
还没有显式表达式,所以早期在研究的时候我们会用正常函数的极限来表示它:
δ(x)=lima→∞aπ−−√e−ax2δ(x)=1πlima→0ax2+a2
要是这些还可以理解的话,我们Dirac函数最诡异的表达式莫过于:
δ(x)=12π∫∞−∞eiωxdω
虽然它在x=0处明显为无穷大,但是按照传统观点,它在其它点的极限值根本就不存在!!可是它的的确确是对的,这是根据傅里叶变换得出的结果。这恰好是在数学物理方程中Dirac函数出现时的最主要的形式!
我们还可以定义δ(x)
的导数,你也许会想到对它的极限表达式求导,但是这样并不能得出我们想要的结果。既然Dirac函数的作用体现在它作用于具体函数时,那么我们也把其导数作用于具体函数:
∫+∞−∞f(x)δ′(x)dx=∫+∞−∞f(x)dδ(x)=[f(x)δ(x)]|+∞−∞−∫+∞−∞f′(x)δ(x)dx=−f′(0)
其中利用了分部积分法,同理可证:∫+∞−∞f(x)δ(n)(x)dx=(−1)nf(n)(0)
类似地,我们还可以定义二维、三维的Dirac函数,n维狄拉克函数记为δ(r⃗ )
。定义为
Dirac函数源于量子力学,用得最多的应该也是量子力学。但它现在已经发展开来,成为解决线性偏微分方程的重要工具,这主要体现在数学物理方程中的格林函数法(Green函数)。
设想一条质量为1,长度为
\rho(x)=\left\{ \begin{array}{c}\frac{1}{2l} (-l \leq x \leq l)\\0 (x < -l , x > l)\end{array}
所以有
这个式子对于任意的
\delta(x)=\left\{ \begin{array}{c} \infty (x = 0) \\ 0 (x \neq 0) \end{array}
当然,最重要的是它保持了:
这个诡异的
Dirac函数的诡异之处在于它的各种与一般函数截然不同的性质,它拓展了我们对一般函数的观点。当然,由于在数学上它已经违反了一般函数的定义,所以严格来讲,它并不是函数,而是一种广义函数或者泛函。但是,这对于物理学家来说是无关紧要的,物理学家并不需要数学的高度严密性,他们可以为了物理研究而随意地“玩弄”数学,而且数学中有不少概念正是由于物理学家对数学的“玩弄”才诞生出来的。源于Dirac函数的广义函数便是其中一例。
Dirac函数独立的时候并没有明显的作用,但是当它作用于其它函数时,其作用就体现出来了。其最重要的一点就是:
事实上,只要积分区间中包含x=0这个点,它的积分就是
由于
要是这些还可以理解的话,我们Dirac函数最诡异的表达式莫过于:
虽然它在x=0处明显为无穷大,但是按照传统观点,它在其它点的极限值根本就不存在!!可是它的的确确是对的,这是根据傅里叶变换得出的结果。这恰好是在数学物理方程中Dirac函数出现时的最主要的形式!
我们还可以定义
其中利用了分部积分法,同理可证:
类似地,我们还可以定义二维、三维的Dirac函数,n维狄拉克函数记为
\delta (\vec{r})=\left\{\begin{array}{c}\infty (\vec{r} =\vec{0})\\0 (\vec{r}\neq \vec{0})\end{array},\int_{-\infty}^{+\infty} \delta(\vec{r}) d\vec{r}=1
Dirac函数源于量子力学,用得最多的应该也是量子力学。但它现在已经发展开来,成为解决线性偏微分方程的重要工具,这主要体现在数学物理方程中的格林函数法(Green函数)。
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