Funksjoner: Diracs impulsfunksjon

Diracs impulsfunksjon er uendelig når x=0 og null ellers:

δ(x)={0na˚x<0na˚x=00na˚x>0\delta(x) = \left\{ \begin{array}{ll} 0 & \textnormal{når } x < 0 \\ \infty & \textnormal{når } x = 0 \\ 0 & \textnormal{når } x > 0 \end{array} \right.
  • Kalles også enhetspulsen eller impulsfunksjonen
  • Innført av en engelsk fysiker, Paul Dirac (1902–1984)
  • Brukes mye i signalbehandling, kvantemekanikk, alle steder der vi har en impuls og Laplace transformer

+ Definisjon og viktig egenskap

Diracs deltafunksjon, δ(x), er definert slik at:

abf(x)δ(x)dx=f(0) na˚a0<b\int_a^b \textcolor{blue}{f(x)} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{f(0)} \quad \textnormal{ når } a \le 0 < b

Og, vips, blir noen integraler mye enklere.

Noen eksempler:

e5xδ(x)dx=e50=110107sin(x)e10+xδ(x)dx=7sin(0)e10+0=075(x4+5x27x+18)δ(x)dx=04+50270+18=18\int_{-\infty}^{\infty} \textcolor{blue}{e^{5x}} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{e^{5 \cdot 0}} = 1 \\ \int_{-10}^{10} \textcolor{blue}{7\sin(x) e^{10 + x}} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{7 \sin(0)e^{10 + 0}} = 0 \\ \int_{-7}^5 \textcolor{blue}{(x^4 + 5x^2 - 7x +18)} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{0^4 + 5 \cdot 0^2 - 7 \cdot 0 + 18} = 18

Utfordring: Se for deg at du deler integralet opp i masse tynne «stolper» (Rieman sum). Hver stolpe har bredde dx som går mot null. Høyden til stolpen ved x=0 er f(0)δ(0). Alle andre stolper har høyde null siden δ(x)=0 når x0. Når du skal regne ut integralet, summerer du alle arealene til stolpene. Den eneste stolpen som gir noe bidrag er den der høyden er f(0)δ(0). Bredden til denne stolpen er uendelig liten, men δ(0) er akkurat så uendelig stor at arealet høyde × bredde = f(0)δ(0)×ds blir f(0). Genialt, ikke sant?

+ Eksempel 1: 05e2xδ(x)dx

05e2xδ(x)dx=e20=1\int_0^5 \textcolor{blue}{e^{2x}} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{e^{2 \cdot 0}} = 1

fordi:

abf(x)δ(x)dx=f(0) na˚a0<b\int_a^b \textcolor{blue}{f(x)} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{f(0)} \quad \textnormal{ når } a \le 0 < b

+ Eksempel 2: 05e2xδ(x1)dx

05e2xδ(x1)dx\int_0^5 \textcolor{blue}{e^{2x}} \textcolor{red}{\delta(x-1)} dx

Her må vi først bruke substitusjon:

u=x1du=dxNedre grense: x=0giru=01=1Øvre grense: x=5giru=51=4\begin{array}{llcl} & u = x - 1 & \Rightarrow & du = dx \\ \textnormal{Nedre grense: } & x = 0 & \textnormal{gir} & u = 0 - 1 = -1 \\ \textnormal{Øvre grense: } & x = 5 & \textnormal{gir} &u = 5 - 1 = 4 \end{array}

Husk å bytte grensene slik at de gjelder u:

05e2xδ(x1)dx=14e2(u+1)δ(u)du=e2\int_0^5 \textcolor{blue}{e^{2x}} \textcolor{red}{\delta(x-1)} dx = \int_{-1}^4 \textcolor{blue}{e^{2(u + 1)}} \textcolor{red}{\delta(u)} du = \textcolor{blue}{e^{2}}

fordi:

abf(x)δ(x)dx=f(0) na˚a0<b\int_a^b \textcolor{blue}{f(x)} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{f(0)} \quad \textnormal{ når } a \le 0 < b

+ Eksempel 3: f(x)δ(xc)dx

f(x)δ(xc)dx\int_{-\infty}^{\infty} \textcolor{blue}{f(x)} \textcolor{red}{\delta(x-c)} dx

Her må vi først bruke substitusjon:

u=xcdu=dxNedre grense: x=giru=Øvre grense: x=giru=\begin{array}{llcl} & u = x - c & \Rightarrow & du = dx \\ \textnormal{Nedre grense: } & x = -\infty & \textnormal{gir} & u = - \infty \\ \textnormal{Øvre grense: } & x = \infty & \textnormal{gir} &u = \infty \end{array}

Husk å bytte grensene slik at de gjelder u:

f(x)δ(xc)dx=f(u+c)δ(u)du=f(c)\int_{-\infty}^{\infty} \textcolor{blue}{f(x)} \textcolor{red}{\delta(x-c)} dx = \int_{-\infty}^{\infty} \textcolor{blue}{f(u+c)} \textcolor{red}{\delta(u)} du = f(c)

fordi:

abf(x)δ(x)dx=f(0) na˚a0<b\int_a^b \textcolor{blue}{f(x)} \textcolor{red}{\delta(x)} dx = \textcolor{blue}{f(0)} \quad \textnormal{ når } a \le 0 < b

← Matematikk

↓ Oppgaver

→ Eksponentialfunksjoner