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狄拉克δ函数的数学迷思

狄拉克δ函数的数学迷思
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已有 13643 次阅读 2015-6-5 07:03|个人分类:科普|系统分类:科普集锦|关键词:广义函数 泛函 数学 物理

早期的科学家既是物理学家,也是数学家,还是哲学家。由哲学启迪认知,以直观指引逻辑,理论概括实践验证,用数学量化计算。那时的科学家,宇宙在乎手,万化生乎身,为智者,为大师,为哲人。

自从牛顿用微积分将大家带入无穷的世界后,凭借逻辑冥想的大步跨越,让物理的直观和数学的严谨拉开了距离。经二三百年的混乱和各自发展的累积,已难有跨足两边的大师了。物理学者研究真实的世界,视数学为工具,不敷使用时,便凭直观想象,强用公式硬推,大胆用到原来不允许或没定义的场合,有时精彩无比,有些荒谬离奇。数学家则跟随修正补遗,获取灵感。近百年前,狄拉克继毕达哥斯派的古风,以形式的美,扩展了许多直观想象的应用。牛顿以来用微积分将世界看成连续不可分的时空和场,狄拉克改造了分析工具,在连续的景象里凸现出分立的个体。他大约是给数学带来最多创意的近代物理学者。狄拉克的δ函数,便是一个典型。

最为简单直观的δ函数,表述为零点为无穷大,其他都是零的实数变量函数,它在实数轴上积分为1。

    和      

这个定义在数学上有着明显的缺陷。一般来说,函数的值不能是无穷大。定义者辩称,这是广义上的函数,把值域扩充到包含有无穷大的情况。这样说的函数可以接受,但这个在0点是无穷大,其它处处为0的函数,对黎曼积分没定义,勒贝格的积分是0,才是问题所在。麻烦还不仅于此。在数学上,函数是从定义域到值域的一个映射,以此确定了函数的所有性质。上述的定义并非如此,定义的前半部分建立了自变量与函数值的对应关系,已经完全确定了函数。这函数乘上常数c,仍然保持相同的映射,即保持这函数不变,它的积分也应该保持不变;在而后半部分,这函数乘上一个常数c,从积分的线性关系,积分值将变成c。应用定义的不同部分,推导出不同的结果,说明定义中有矛盾,这在数学上是不允许的。

于是大家便改成逼近的方式来定义,例如用一个积分值为1矩形脉冲函数序列

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