主值(principal value)
/ Cauchy: koh-SHEE /
有些積分看似無望,因為被積函數在範圍中間爆炸。函數 1/x 是標準的肇事者:在原點附近它衝向正負無限大,所以 1/x 乘探針的積分似乎沒有定義。然而麻煩有一部分是錯覺——零點左側那一塊又大又負,右側那一塊又大又正,兩者幾乎抵消。主值正是認真看待這種抵消,以萃取出一個有限、良好定義的答案的辦法。
確切地說,柯西主值在奇異點周圍挖掉一個寬度為 epsilon 的對稱小缺口,在剩下的部分上積分,再讓 epsilon 縮到零。對 1/x 而言,這就是在 |x| > epsilon 上積分並取極限;因為對稱的切割對兩側一視同仁,發散的兩半相互抵消,極限因而存在。這定義了一個分布,記作 p.v. 1/x,它對探針的作用,是 phi(x)/x 在 |x| > epsilon 上積分的極限。它是一個貨真價實的分布,但絕對不是函數 1/x——它是 1/x 經過正則化、尊重抵消後的版本。
主值之所以重要,是因為像 1/x 這樣的對象層出不窮——出現在希爾伯特轉換、傅立葉分析、基本解之中——而天真的積分並不收斂。主值賦予它們嚴謹的分布意義,且它透過索霍茨基-普萊梅利公式與 δ 處於精確的關係之中,該公式把 1/(x 減 i0) 分解為 1/x 的主值加上 delta 的某個倍數。
1/x 從 -1 到 1 的積分主值為 0:從 -1 到 -epsilon 的貢獻,是從 epsilon 到 1 的貢獻之負鏡像,所以對每個 epsilon 都恰好抵消,極限為 0——儘管兩半各自都發散。
在奇異點周圍對稱地修剪,讓發散的兩半抵消成一個有限值。
主值依賴於缺口是對稱的。若修剪一個不對稱的缺口,極限可以是你想要的任何值——所以 p.v. 1/x 之所以是一個確定的分布,靠的是那個公平的切割,而非 1/x 本身的性質。