Функция Хевисайда

Единичная функция Хевисайда. При x = 0 доопределена значением 1.

Фу́нкция Хевиса́йда (едини́чная ступе́нчатая функция, функция едини́чного скачка, включённая едини́ца, «ступенька») — кусочно-постоянная функция, равная нулю для отрицательных значений аргумента и единице — для положительных^[1]. В нуле эта функция, вообще говоря, не определена, однако её обычно доопределяют в этой точке некоторым числом, чтобы область определения функции содержала все точки действительной оси. Чаще всего неважно, какое значение функция принимает в нуле, поэтому могут использоваться различные определения функции Хевисайда, удобные по тем или иным соображениям➤, например:

${\displaystyle \theta (x)={\begin{cases}0,&x<0;\\1,&x\geqslant 0.\end{cases}}}$

Функцию Хевисайда легко записать, используя скобку Айверсона:

${\displaystyle \theta (x)=[\,x\geqslant 0\,].}$

Функция Хевисайда широко используется в математическом аппарате теории управления и теории обработки сигналов для представления сигналов, переходящих в определённый момент времени из одного состояния в другое. В математической статистике эта функция применяется, например, для записи эмпирической функции распределения. Названа в честь Оливера Хевисайда.

Функция Хевисайда является первообразной функцией для дельта-функции Дирака, ${\displaystyle \theta '=\delta }$, это также можно записать как (определённый интеграл является числом, для описания первообразной используется неопределённый интеграл ^[2]):

${\displaystyle \theta (x)=\int \limits _{-\infty }^{x}\!\delta (t)\,dt.}$

Дискретная форма

Можно определить дискретную функцию Хевисайда как функцию от целого аргумента ${\displaystyle n}$:

${\displaystyle \theta [n]={\begin{cases}0,&n<0;\\1,&n\geqslant 0,\end{cases}}}$

где ${\displaystyle n}$ — целое число.

Дискретный единичный импульс является первой разностью дискретной функции Хевисайда:

${\displaystyle \delta [n]=\theta [n]-\theta [n-1].}$

Аналитические формы

Для более удобного использования функцию Хевисайда можно аппроксимировать с помощью непрерывной функции:

${\displaystyle \theta (x)\approx {\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}\mathrm {th} \,kx={\frac {1}{1+e^{-2kx}}},}$

где большему ${\displaystyle k}$ соответствует более крутой подъём функции в точке ${\displaystyle x=0}$. Задавшись необходимой шириной области перехода функции Хевисайда ${\displaystyle \Delta {x}}$, значение ${\displaystyle k}$ можно оценить как ${\displaystyle k\approx {\frac {10}{\Delta {x}}}}$.

Если принять ${\displaystyle \theta (0)=1/2}$, уравнение можно записать в предельной форме:

${\displaystyle \theta (x)=\lim _{k\to \infty }{\frac {1}{2}}(1+\mathrm {th} \,kx)=\lim _{k\to \infty }{\frac {1}{1+e^{-2kx}}}.}$

Существует несколько других аппроксимаций непрерывными функциями:

${\displaystyle \theta (x)=\lim _{k\to \infty }\left({\frac {1}{2}}+{\frac {1}{\pi }}\mathrm {arctg} \,kx\right);}$

${\displaystyle \theta (x)=\lim _{k\to \infty }\left({\frac {1}{2}}+{\frac {1}{2}}\,\mathrm {erf} \,kx\right).}$

Запись

Часто используется и бывает полезной интегральная форма записи единичной функции:

${\displaystyle \theta (x)=-\lim _{\varepsilon \to 0^{+}}{\frac {1}{2\pi i}}\int \limits _{-\infty }^{\infty }{\frac {1}{\tau +i\varepsilon }}e^{-ix\tau }\,d\tau .}$

Значение в нуле

Значение функции в нуле часто задаётся как ${\displaystyle \theta (0)=0}$, ${\displaystyle \theta (0)=1/2}$ или ${\displaystyle \theta (0)=1}$. ${\displaystyle \theta (0)=1/2}$ — наиболее употребительный вариант, поскольку по соображениям симметрии в точке разрыва первого рода удобно доопределять функцию средним арифметическим соответствующих односторонних пределов, кроме того в этом случае функция Хевисайда связана с функцией знака:

${\displaystyle \theta (x)={\frac {1}{2}}(1+\operatorname {sgn} x)={\begin{cases}0,&x<0;\\{\dfrac {1}{2}},&x=0;\\1,&x>0.\end{cases}}}$

что с учетом определения функции знака можно выразить как

${\displaystyle \theta (x)={\frac {1}{2}}\left(1+{\frac {|x|}{x}}\right)={\frac {x+|x|}{2x}}}$

Значение в нуле может явно указываться в записи функции:

${\displaystyle \theta _{n}(x)={\begin{cases}0,&x<0;\\n,&x=0;\\1,&x>0.\end{cases}}}$

Преобразование Фурье

Производная функции Хевисайда равна дельта-функции (то есть функция Хевисайда — первообразная дельта-функции):

${\displaystyle \theta (x)=\int \limits _{-\infty }^{x}\delta (t)\,dt}$.

Следовательно, применив преобразование Фурье к первообразной дельта-функции ${\displaystyle \theta (t)}$, получим её изображение вида:

${\displaystyle {\frac {1}{2\pi i\omega }}+{\frac {1}{2}}\delta (\omega ),}$

то есть:

${\displaystyle \theta (t)=\int \limits _{-\infty }^{+\infty }\left({\frac {1}{2\pi i\omega }}+{\frac {1}{2}}\delta (\omega )\right)e^{i\omega t}\,d\omega }$

(второй член — соответствующий нулевой частоте в разложении — описывает постоянное смещение функции Хевисайда вверх; без него получилась бы нечётная функция).

Другие свойства

Так как производной функции Хевисайда является дельта-функция Дирака, для которой известно, что ${\displaystyle f(x)\delta (x)=f(0)\delta (x)}$, то существует формула для производной произведения ступенчатой функции с произвольной ${\displaystyle f(x)}$.

${\displaystyle \left[f(x)\theta (x)\right]^{(n)}=\sum _{k=0}^{n-1}f^{(k)}(0)\delta ^{(n-k-1)}(x)+f^{(n)}(x)\theta (x)}$

Доказательство

По индукции, пусть для ${\displaystyle n}$ выполнено:

${\displaystyle \left[f(x)\theta (x)\right]^{(n)}=\sum _{k=0}^{n-1}f^{(k)}(0)\delta ^{(n-k-1)}(x)+f^{(n)}(x)\theta (x),}$

Так, для единицы:

${\displaystyle \left[f(x)\theta (x)\right]'=f(0)\delta (x)+f'(x)\theta (x);}$

Шаг индукции:

${\displaystyle \left[f(x)\theta (x)\right]^{(n+1)}=\sum _{k=0}^{n-1}f^{(k)}(0)\delta ^{(n-k)}(x)+\left[f^{(n)}(x)\theta (x)\right]',}$

Поскольку выражения ${\displaystyle f^{(i)}(0)}$ — константы, дифференцируется лишь дельта-функция. Последнее слагаемое запишется, как

${\displaystyle \left[f^{(n)}(x)\theta (x)\right]'=f^{(n+1)}(x)\theta (x)+f^{(n)}(0)\delta (x),}$

Группируя полученные слагаемые в общую сумму:

${\displaystyle \left[f(x)\theta (x)\right]^{(n+1)}=\sum _{k=0}^{n}f^{(k)}(0)\delta ^{(n-k)}(x)+f^{(n+1)}(x)\theta (x).}$

Таким образом, согласно принципу индукции, утверждение доказано для любого ${\displaystyle n}$.^[3]

История

Эта функция использовалась ещё до появления её удобного обозначения. Например, Гульельмо Либри^[англ.] в 1830-х годах опубликовал несколько работ^[4][5], посвящённых функции ${\displaystyle 0^{0^{x}}}$. По его мнению, ${\displaystyle 0^{x}}$ равен ${\displaystyle 0}$, если ${\displaystyle x>0}$; ${\displaystyle 1}$, если ${\displaystyle x=0}$ (см. Ноль в нулевой степени); или ${\displaystyle \infty }$, если ${\displaystyle x<0}$. Таким образом Либри заключает, что ${\displaystyle 0^{0^{x}}}$ равняется 1, если ${\displaystyle x>0}$, и 0 в противном случае. Пользуясь нотацией Айверсона, это можно было бы записать, как

${\displaystyle 0^{0^{x}}=[\,x>0\,].}$

Однако такой нотации в то время не было, и Либри считал достижением, что эту функцию можно выразить через стандартные математические операции. Он использовал эту функцию для выражения абсолютной величины (обозначения ${\displaystyle |x|}$ тогда ещё не было, оно было введено позже Вейерштрассом) и индикатора таких условий, как ${\displaystyle a\leq x\leq b}$, и даже «${\displaystyle x}$ является делителем ${\displaystyle y}$»^[6].

См. также

• Прямоугольная функция
• Дельта-функция
• Переходная функция
• Интеграл Дюамеля

Примечания

1. В теории автоматического управления и теории операторов Лапласа часто обозначается как ${\displaystyle \scriptstyle {\eta (x)}}$. В англоязычной литературе часто обозначают ${\displaystyle \scriptstyle {H(x)}}$ или ${\displaystyle \scriptstyle {1(x)}}$. См., например,
   • Волков И. К., Канатников А. Н. Интегральные преобразования и операционное исчисление: Учеб. для вузов / Под ред. B. C. Зарубина, А. П. Крищенко. — 2-е изд. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2002. — 228 с. — (Математика в техническом университете; Вып. XI). — ISBN 5-7038-1273-9.;
   • Методы классической и современной теории автоматического управления: Учебник в 5-и тт.; 2-е изд., перераб. и доп. Т. 1: Математические модели, динамические характеристики и анализ систем автоматического управления / Под ред. К. А. Пупкова, Н. Д. Егупова. — М.: Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004. — 656 с. — ISBN 5-7038-2189-4 (Т. 1).
2. Зорич В.А. Математический анализ. Часть I.. — М.:МЦНМО, 2012. — С. 358.
3. Зорич В.А. Математический анализ. Часть I.. — М.:МЦНМО, 2012. — С. 358.
4. Guillaume Libri. Note sur les valeurs de la fonction 0^0x, Journal für die reine und angewandte Mathematik 6 (1830), 67-72.
5. Guillaume Libri. Mémoire sur les fonctions discontinues, Journal für die reine und angewandte Mathematik 10 (1833), 303—316.
6. Donald E. Knuth, Two notes on notation, Amer. Math. Monthly 99 no. 5 (May 1992), 403—422 (arXiv: math/9205211 [math.HO] Архивная копия от 20 ноября 2018 на Wayback Machine).