分布與廣義函數

分布導數(distributional derivative)

古典微分拒絕作用在粗糙的東西上——一個尖角沒有斜率、一個跳躍沒有導數,而一個點源甚至不是函數。分布導數是一種永不拒絕的微分方式。它為每個分布指派一個導數,而關鍵在於,每當一般導數存在時它都與之一致。所以它毫無損失,卻把微分延拓到那些古典上根本沒有導數的對象上。

其定義是一個受啟發的單一動作:把導數從粗糙對象挪到平滑探針上。對一般函數,分部積分說 u' 乘 phi 的積分等於負的 u 乘 phi' 的積分,因為 phi 在兩端為零(它是緊支撐的)。把這個恆等式當作定義:分布 T 的導數是分布 T',其對任何探針的讀數為 (T', phi) = -(T, phi')。探針是平滑的,所以 phi' 永遠存在;因此 T' 永遠存在。再次微分只是把又一個導數挪到 phi 上,所以每個分布都能無限次微分,且永不損失正則性——這與古典分析形成驚人的對比。

這是整個學科的引擎。黑維塞階梯的導數是 delta;帶尖角函數的導數是它的左右斜率、尖角處不額外加什麼;絕對值的二階導數是兩倍的 delta。偏微分方程的弱解,正是透過讓導數以這種分布意義作用而定義的,這恰恰使得震波、點源與非平滑資料都成為可接受的。

取 u(x) = |x|。古典上它的導數在 x < 0 時為 -1、在 x > 0 時為 +1,並在 0 處有一個尖角。作為分布,該導數是正負號函數,再微分一次得到 u'' = 2 delta:|x| 的尖角以強度為 2 的 δ 形式,恰好現身於折點處。

每個折點與跳躍都被記錄、而非抹去——分布導數把它量度為一個 δ。

若一個函數處處有老實的古典導數,它的分布導數就正是那個——毫無意外。額外的項(δ)只在跳躍與尖角處出現,那正是古典導數沒有定義、或漏掉跳躍之處。

又称
weak derivativegeneralized derivative弱導數