Heaviside-Stufenfunktion

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Die Heaviside-Schrittfunktion ist eine mathematische Funktion mit der Bezeichnung H(x), oder manchmal theta(x) oder u(x) (Abramowitz und Stegun 1972, S. 1020), und auch als „Einheitsschrittfunktion“ bekannt. Der Begriff „Heaviside-Stufenfunktion“ und ihr Symbol können entweder eine stückweise konstante Funktion oder eine verallgemeinerte Funktion darstellen.

HeavisideStepFunction

Wenn sie als stückweise konstante Funktion definiert ist, ist die Heaviside-Stufenfunktion gegeben durch

H(x)={0 x0; 1/2 x=0; 1 x0
(1)

(Abramowitz und Stegun 1972, p. 1020; Bracewell 2000, S. 61). Das obige Diagramm zeigt diese Funktion (linke Abbildung) und wie sie bei der Darstellung auf einem Oszilloskop aussehen würde (rechte Abbildung).

Wenn sie als verallgemeinerte Funktion definiert ist, kann sie als eine Funktion theta(x) definiert werden, die

intheta(x)phi^'(x)dx=-phi(0)'(x)dx=-phi(0)
(2)

für phi^'(x)'(x) die Ableitung einer hinreichend glatten Funktion phi(x), die hinreichend schnell abklingt (Kanwal 1998).

Die Wolfram Language stellt die verallgemeinerte Heaviside-Funktion als HeavisideTheta dar, während sie die stückweise Funktion Piecewise mit UnitStep repräsentiert (die, wohlgemerkt, die Konvention H(0)=1 anstelle der konventionellen Definition H(0)=1/2 übernimmt).

Die Kurzschreibweise

H_c(x)=H(x-c)
(3)

wird manchmal auch verwendet.

Die Heaviside-Stufenfunktion ist mit der Boxcarfunktion verwandt durch

Pi(x)=H(x+1/2)-H(x-1/2)
(4)

und kann in Bezug auf die Vorzeichenfunktion definiert werden durch

H(x)=1/2.
(5)

Die Ableitung der der Stufenfunktion ist gegeben durch

d/(dx)H(x)=delta(x),
(6)

wobei delta(x) die Delta-Funktion ist (Bracewell 2000, S. 97).

Die Heaviside-Stufenfunktion ist mit der Rampenfunktion R(x) verwandt durch

R(x)=xH(x),
(7)

und zur Ableitung von R(x) durch

d/(dx)R(x)=H(x).
(8)

Die beiden sind auch verbunden durch

R(x)=H(x)*H(x),
(9)

wobei * die Faltung bezeichnet.

Bracewell (2000) gibt viele Identitäten an, von denen einige die folgende sind. Lassen wir * die Faltung bezeichnen,

H(x)*f(x)=int_(-infty)^xf(x^')dx^'')dx^'
(10)
H(t)*H(t) = int_(-infty)^inftyH(u)H(t-u)du
(11)
= H(0)int_0^inftyH(t-u)du
(12)
= H(0)H(t)int_0^tdu
(13)
= tH(t).
(14)

Zudem,

H(ax+b) = H(x+b/a)H(a)+H(-x-b/a)H(-a)
(15)
= {H(x+b/a) a0; H(-x-b/a) a0.
(16)

HeavisideStepFunctionLim

Die Heaviside-Stufenfunktion kann durch die folgenden Grenzwerte definiert werden,

H(x) = lim_(t-0)
(17)
= 1/(sqrt(pi))lim_(t-0)int_(-x)^inftyt^(-1)e^(-u^2/t^2)du
(18)
= 1/2lim_(t-0)erfc(-x/t)
(19)
= 1/pilim_(t-0)int_(-infty)^xt^(-1)sinc(u/t)du
(20)
= 1/pilim_(t-0)int_(-infty)^x1/usin(u/t)du
(21)
= 1/2+1/pilim_(t-0)si((pix)/t)
(22)
= lim_(t-0){1/2e^(x/t) für x=0; 1-1/2e^(-x/t) für x=0
(23)
= lim_(t-0)1/(1+e^(-x/t))
(24)
= lim_(t-0)e^(-e^(-x/t))
(25)
= 1/2lim_(t-0)
(26)
= lim_(t-0)int_(-infty)^xt^(-1)Lambda((x-1/2t)/t)dx,
(27)

wobei erfc(x) die erfc-Funktion ist, si(x) ist das Sinus-Integral, sinc(x) ist die sinc-Funktion und Lambda(x) ist die Ein-Argument-Dreieck-Funktion. Die ersten vier davon sind oben für t=0,2, 0,1 und 0,01 dargestellt.

Natürlich ist jede monotone Funktion mit konstanten ungleichen horizontalen Asymptoten eine Heaviside-Stufenfunktion unter geeigneter Skalierung und möglicher Spiegelung. Die Fourier-Transformierte der Heaviside-Stufenfunktion ist gegeben durch

F = int_(-infty)^inftye^(-2piikx)H(x)dx
(28)
= 1/2,
(29)

wobei delta(k) die Deltafunktion ist.

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