分布與廣義函數

試驗函數(test function)

試驗函數是我們用來盤問分布的那個平滑、溫和的探針。如果說分布是一台我們無法直接看見的量測儀器,那試驗函數就是我們精心塑形、推進儀器以讀出一個數的對象。為了值得信賴,這探針必須盡可能行為良好:無限平滑,且被侷限在一個有界區域內,使它在遠處永不惹麻煩。

確切地說,試驗函數是一個在某有界集外為零的無限可微函數——它處處平滑,且在某有限範圍之外恆等於零。所有這類函數的集合常記作 D,或 C-infinity-c(緊支撐的平滑函數)。正是這兩個性質讓分布得以運作。平滑意味著你能把探針想微分幾次就微分幾次,這正是分布如何繼承無限多階導數。緊支撐意味著每個配對積分都在一個有界區域上進行,故總會收斂,且分部積分中的邊界項會消失——這正是定義分布導數的訣竅。一個標準的具體例子是當 x 介於 -1 與 1 之間時等於 exp(-1/(1 - x^2))、在外部為零的隆起函數;它在端點處平滑,因為 exp(-1/(1 - x^2)) 的每一階導數在那裡都趨於零。

試驗函數之所以重要,是因為它們本身不攜帶任何訊息——它們只是我們照向分布的那束乾淨的光。整套理論的策略,就是把每個困難的運算(微分、傅立葉轉換、乘以平滑函數)從粗糙的分布身上挪到平滑的探針上,那裡這些運算總是合法的,然後再把結果讀回來。

經典的試驗函數是:當 -1 < x < 1 時 phi(x) = exp(-1/(1 - x^2)),其餘為 phi(x) = 0。它在一個有界區間上為正,完美平滑(所有導數都存在且連續,連 x = 正負 1 處也是),在外部處處為零——一個沒有任何粗糙邊緣的平滑隆起。

平滑加上緊支撐:正是這兩個性質讓每個困難運算都能挪到探針身上。

其實「存在任何非零的緊支撐平滑函數」一點都不顯然——一個能被「關掉」的平滑函數看似自相矛盾。上面的隆起函數解決了這個疑慮,而這類隆起可以拼接成貫穿整套理論的單位分解。

又稱
bump functiontest probe試函數