Дельта Кронекера - Kronecker delta

В математике , то Кронекера (названный в честь Леопольда Кронекера ) является функцией двух переменных , как правило , только неотрицательных целых чисел . Функция равна 1, если переменные равны, и 0 в противном случае:

или с использованием скобок Айверсона :

где символ Кронекера δ ij является кусочной функцией переменных i и j . Например, δ 1 2 = 0 , тогда как δ 3 3 = 1 .

Дельта Кронекера естественным образом появляется во многих областях математики, физики и инженерии как средство компактного выражения своего определения, приведенного выше.

В линейной алгебре , то п х п матрица I имеет записи , равный Кронекер:

где я и J принимают значения 1, 2, ..., п и скалярное произведение из векторов можно записать в виде

Здесь евклидовы векторы определены как n -наборы: и, и последний шаг получается путем использования значений дельты Кронекера для уменьшения суммирования по j .

Ограничение на положительные или неотрицательные целые числа является обычным явлением, но на самом деле дельта Кронекера может быть определена на произвольном множестве.

Характеристики

Удовлетворены следующие уравнения:

Следовательно, матрицу δ можно рассматривать как единичную матрицу.

Еще одно полезное представление - это следующая форма:

Это можно вывести, используя формулу для конечного геометрического ряда .

Альтернативная нотация

Используя скобку Айверсона :

Часто используется запись с одним аргументом δ i , что эквивалентно установке j = 0 :

В линейной алгебре его можно рассматривать как тензор , и он записывается как δя
j
. Иногда дельту Кронекера называют тензором подстановки.

Цифровая обработка сигналов

Функция единичного образца

При изучении цифровой обработки сигналов (DSP) функция единичной выборки представляет собой частный случай двумерной дельта-функции Кронекера, где индексы Кронекера включают число ноль, а один из индексов равен нулю. В таком случае:

Или, в более общем смысле, где:

Однако это только очень частный случай. В тензорном исчислении базисные векторы в конкретном измерении чаще нумеруются, начиная с индекса 1, а не с индекса 0. В этом случае отношения не существует, и фактически дельта-функция Кронекера и функция единичной выборки действительно разные функции, которые случайно перекрываются в одном конкретном случае, когда индексы включают число 0, количество индексов равно 2, а один из индексов имеет нулевое значение.

В то время как функция дискретной единичной выборки и дельта-функция Кронекера используют одну и ту же букву, они различаются следующими способами. Для функции дискретной единичной выборки более условно помещать единственный целочисленный индекс в квадратные скобки, в отличие от дельты Кронекера, которая может иметь любое количество индексов. Кроме того, цель дискретной единичной выборочной функции отличается от дельта-функции Кронекера. В DSP функция дискретной единичной выборки обычно используется в качестве входной функции для дискретной системы для обнаружения системной функции системы, которая будет производиться на выходе системы. Напротив, типичной целью дельта-функции Кронекера является фильтрация членов из соглашения Эйнштейна о суммировании .

Функция дискретной единичной выборки проще определить как:

Кроме того, в DSP есть функция, называемая дельта-функцией Дирака , которую часто путают как с дельта-функцией Кронекера, так и с функцией единичной выборки. Дельта Дирака определяется как:

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

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

Свойства дельта-функции

Дельта Кронекера обладает так называемым свойством просеивания, что для j ∈ ℤ :

и если целые числа рассматриваются как пространство меры , наделенное счетной мерой , то это свойство совпадает с определяющим свойством дельта-функции Дирака

и фактически дельта Дирака была названа в честь дельты Кронекера из-за этого аналогичного свойства. В обработке сигналов обычно контекст (дискретное или непрерывное время) отличает «функции» Кронекера и Дирака. По соглашению, δ ( t ) обычно обозначает непрерывное время (Дирак), тогда как такие аргументы, как i , j , k , l , m и n , обычно зарезервированы для дискретного времени (Кронекер). Другой распространенной практикой является представление дискретных последовательностей в квадратных скобках; таким образом: δ [ n ] . Дельта Кронекера не является результатом прямой выборки дельта-функции Дирака.

Кронекера образует мультипликативный единичный элемент в качестве инцидентности алгебры .

Связь с дельта-функцией Дирака

В теории вероятностей и статистике дельта Кронекера и дельта-функция Дирака могут использоваться для представления дискретного распределения . Если носитель распределения состоит из точек x = { x 1 , ..., x n } с соответствующими вероятностями p 1 , ..., p n , то функция массы вероятностей p ( x ) распределения по x можно записать, используя дельту Кронекера, как

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

При определенных условиях дельта Кронекера может возникнуть в результате выборки дельта-функции Дирака. Например, если дельта-импульс Дирака возникает точно в точке выборки и в идеале проходит фильтрацию нижних частот (с отсечкой на критической частоте) в соответствии с теоремой Найквиста – Шеннона , результирующий сигнал в дискретном времени будет дельта-функцией Кронекера.

Обобщения

Если рассматривать его как тензор типа (1,1), тензор Кронекера можно записать в виде δя
j
с ковариантным индексом j и контравариантным индексом i :

Этот тензор представляет:

В обобщенная дельта Кронекера илимультииндексная дельта Кронекерапорядка2 p - этотензортипа( p , p ),который полностьюантисимметриченв своихpверхних индексах, а также в своихpнижних индексах.

Два определения, различающиеся в p раз ! уже используются. Ниже представлена ​​версия с ненулевыми компонентами, масштабируемыми до ± 1 . Вторая версия имеет ненулевые компоненты, которые равны ± 1/п !, с последующими изменениями коэффициентов масштабирования в формулах, таких как коэффициенты масштабирования 1/п !в § Исчезающие снизу свойства обобщенной дельты Кронекера .

Определения обобщенной дельты Кронекера

В терминах индексов обобщенная дельта Кронекера определяется как:

Пусть S p - симметрическая группа степени p , тогда:

Использование антисимметризации :

В терминах определителя p × p :

Используя разложение Лапласа ( формула Лапласа ) определителя, она может быть определена рекурсивно :

где гачеком, указывает индекс , который опускается из последовательности.

Когда p = n (размерность векторного пространства), в терминах символа Леви-Чивиты :

Свойства обобщенной дельты Кронекера

Обобщенная дельта Кронекера может использоваться для антисимметризации :

Из приведенных выше уравнений и свойств антисимметричных тензоров мы можем вывести свойства обобщенной дельты Кронекера:

которые являются обобщенной версией формул, записанных в § Свойства . Последняя формула эквивалентна формуле Коши – Бине .

Уменьшение порядка путем суммирования показателей может быть выражено тождеством

Используя как правило суммирования для случая p = n, так и связь с символом Леви-Чивиты, выводится правило суммирования символа Леви-Чивита :

Четырехмерная версия последнего соотношения появляется в спинорном подходе Пенроуза к общей теории относительности, который он позже обобщил, когда разрабатывал диаграммы Эйткена, чтобы стать частью техники графической записи Пенроуза . Кроме того, это отношение широко используется в теориях S-двойственности , особенно когда они написаны на языке дифференциальных форм и двойственных по Ходжу .

Интегральные представления

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

Расческа Кронекера

Гребневая функция Кронекера с периодом N определяется (в нотации DSP ) как:

где N и n - целые числа. Таким образом, гребенка Кронекера состоит из бесконечной серии единичных импульсов, разделенных на N единиц, и включает единичный импульс в нуле. Его можно рассматривать как дискретный аналог гребенки Дирака .

Интеграл Кронекера

Дельта Кронекера также называется степенью отображения одной поверхности в другую. Предположим, что отображение имеет место с поверхности S uvw на S xyz, которые являются границами областей, R uvw и R xyz, которые просто связаны взаимно однозначным соответствием. В этом контексте, если ы и т представляют собой параметры для S UVW , и S UVW к S UVW каждый из ориентированного на внешней нормали п :

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 отображения δ равна1/раз телесный угол изображения S из S UVW по отношению к внутренней точке S хуга , O . Если O - начало области R xyz , то степень δ определяется интегралом:

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Троубриджа, JH (1998). «О методике измерения турбулентных касательных напряжений при наличии 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. ^ Шпигель, Юджин; О'Доннелл, Кристофер Дж. (1997), Алгебры инцидентности , Чистая и прикладная математика, 206 , Марсель Деккер, ISBN 0-8247-0036-8.
  3. ^ Папа, Кристофер (2008). «Геометрия и теория групп» (PDF) .
  4. ^ Франкель, Теодор (2012). Геометрия физики: введение (3-е изд.). Издательство Кембриджского университета. ISBN 9781107602601.
  5. Перейти ↑ Agarwal, DC (2007). Тензорное исчисление и риманова геометрия (22-е изд.). Кришна Пракашан СМИ.
  6. ^ Лавлок, Дэвид; Рунд, Ханно (1989). Тензоры, дифференциальные формы и вариационные принципы . Courier Dover Publications. ISBN 0-486-65840-6.
  7. ^ Рекурсивное определение требует первого случая, который может быть взят как δ = 1 для p = 0 , или, альтернативно, δμ
    ν
    = δμ
    ν
    для p = 1 (обобщенная дельта в терминах стандартной дельты).
  8. ^ Хасани, Sadri (2008). Математические методы: для студентов, изучающих физику и смежные специальности (2-е изд.). Springer-Verlag. ISBN  978-0-387-09503-5.
  9. ^ Пенроуз, Роджер (июнь 1960). «Спинорный подход к общей теории относительности» . Летопись физики . 10 (2): 171–201. Bibcode : 1960AnPhy..10..171P . DOI : 10.1016 / 0003-4916 (60) 90021-X .
  10. ^ Эйткен, Александр Крейг (1958). Детерминанты и матрицы . Великобритания: Оливер и Бойд.
  11. ^ Роджер Пенроуз , "Приложения тензоров отрицательной размерности", в Комбинаторной математике и ее приложениях , Academic Press (1971).
  12. ^ Каплан, Уилфред (2003). Расширенный расчет . Pearson Education. п. 364. ISBN 0-201-79937-5.