Função de Passo Heaviside

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A função de passo Heaviside é uma função matemática denotada H(x), ou por vezes theta(x) ou u(x) (Abramowitz e Stegun 1972, p. 1020), e também conhecida como a “função de passo de unidade”. O termo “Heaviside step function” e o seu símbolo pode representar tanto uma função de constante de unidades como uma função generalizada.

HeavisideStepFunction

Quando definida como uma função de constante composta, a função de passos de Heaviside é dada por

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

(Abramowitz e Stegun 1972, p. 1020; Bracewell 2000, p. 61). O gráfico acima mostra esta função (figura da esquerda), e como ela apareceria se exposta num osciloscópio (figura da direita).

Quando definido como uma função generalizada, pode ser definida como uma função theta(x) tal que

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

for phi^'(x)'(x) a derivada de uma função suficientemente suave phi(x) que se decompõe suficientemente depressa (Kanwal 1998).

A linguagem Wolfram representa a função generalizada Heaviside como HeavisideTheta, ao mesmo tempo que usa UnitStep para representar a função Piecewise (que, convém notar, adopta a convenção H(0)=1 em vez da definição convencional H(0)=1/2).

A notação abreviada

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

é por vezes também utilizado.

A função de passo Heaviside está relacionada com a função boxcarfunction por

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

e pode ser definido em termos da função de sinal por

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

A derivada de a função de passo é dada por

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

where delta(x) é a função delta (Bracewell 2000, p. 97).

A função degrau Heaviside está relacionada com a função rampa R(x) by

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

e à derivada de R(x) by

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

Os dois estão também ligados através de

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

where * denota convolução.

Bracewell (2000) dá muitas identidades, algumas das quais incluem o seguinte. Letting * denota a convolução,

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)

Além disso,

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

A função de passos Heaviside pode ser definida pelos seguintes limites,

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) para x=0; 1-1/2e^(-x/t) para 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)

where erfc(x) é a função erfc, si(x) é o seno integral, sinc(x) é a função sincera, e Lambda(x) é a função triangular de um só documento. Os primeiros quatro destes são ilustrados acima para t=0,2, 0,1, e 0,01.

Obviamente, qualquer função monotónica com assimetrias horizontais constantes e desiguais é uma função de passo Heaviside sob escala apropriada e possível reflexão. A transformação de Fourier da função de passo Heaviside é dada por

int_(-infty)^inftye^(-2piikx)H(x)dx

F =
(28)
= 1/2,
(29)

where delta(k) é a função delta.

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