Фу́нкция Хевиса́йда ( едини́чная ступе́нчатая функция , функция едини́чного скачка , включённая едини́ца , «ступенька» ) — кусочно-постоянная функция , равная нулю для отрицательных значений аргумента и единице — для положительных . 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 ):

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

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 ${\displaystyle f(x)}$ .

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

История

Эта функция использовалась ещё до появления её удобного обозначения. Например, в 1830-х годах опубликовал несколько работ , 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 ${\displaystyle y}$ » .

См. также

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

Примечания