分布與廣義函數
黑維塞階梯函數(Heaviside step function)
/ HEV-ee-side /
黑維塞階梯是最簡單的開關:在某一刻之前為 0、之後為 1。記作 H(x),當 x < 0 時等於 0、當 x > 0 時等於 1,在原點有一個大小為一的跳躍。它能模擬任何在某瞬間開啟的事物——在時間零施加的力、突然接通的電壓、某事件前後的系統狀態。與 δ 不同,黑維塞階梯確實是一個一般函數;只是它不連續。
它之所以出現在分布理論中,原因在於它的導數。古典上 H 在跳躍處沒有導數,而它在兩側的導數都是 0,因此一般的斜率完全沒告訴你跳躍的事。但作為分布,H 可以被微分,而答案恰恰是狄拉克 δ:H 的分布導數就是 delta。那個大小為一的跳躍,化作恰在跳躍點處、大小為一的導數尖峰。這是最乾淨的示範,說明分布微分如何看見古典微分所拋棄的東西——跳躍的大小與位置以一個 δ 的形式現身。
黑維塞階梯作為「跳躍」與「點源」之間的橋樑而顯得重要。它解釋了為什麼對 δ 積分會得到階梯,也解釋了為什麼基本解常帶有跳躍(源被開啟的系統之回應)。它一舉說明:當你用分布來工作時,微分不會在不連續處失效;反而變得更豐富。
把 H 當作分布來微分:對任何探針 phi,規則 (H', phi) = -(H, phi') 等於 -(從 0 到無限大對 phi'(x) 的積分) = -(phi(無限大) - phi(0)) = phi(0)。這恰好是 (delta, phi),所以 H' = delta。
一個單位跳躍的分布導數,是恰好坐落於跳躍處的一個單位 δ。
H 恰在 0 處的值(常取為 1/2)對它作為分布的作用毫無影響:在單一點改動一個函數不會改變任何配對積分,所以無論取何值都是同一個分布。
又稱
另見