在不连续点处的导数

主要观点:

  • 通常函数在某点可导则在该点连续,但若函数不连续则不可导,但通过引入广义函数(分布)或非标准分析中的超实数可处理不连续函数的求导问题。
  • 以阶跃函数(Heaviside 阶跃函数)为例,其在(x = 0)处不连续,按常规求导方法无法得出结果,而通过非标准分析可得到其导数为狄拉克δ函数。
  • 介绍了无限大、无限小的概念及相关性质,如无限大的数大于任何标准数,无限小的数可表示为(\frac{1}{N})((N)为无限大)等。
  • 用非标准函数(如非标准逻辑函数)来近似阶跃函数,其导数为狄拉克δ函数,通过不同(x)值的分析说明了导数在不同区域的表现。
  • 还讨论了高阶导数,如二阶导数为拉普拉斯算子或磁偶极矩等。

关键信息:

  • 阶跃函数定义:(H(x) = \begin{cases} 0 & \text{if } x < 0, \ \frac{1}{2} & \text{if } x = 0, \ 1 & \text{if } x > 0. \end{cases})
  • 非标准逻辑函数:(L(x) = \frac{1}{1 + e^{-N x}})
  • 导数定义:对于函数(f)在点(a)的导数,(f'(a) := \lim_{h \to 0} \frac{f(a + h) - f(a)}{h}),或(f'(a) := \frac{f(a + \varepsilon) - f(a)}{\varepsilon})((\varepsilon)为固定非零无限小)
  • 无限大、无限小的性质及相关概念,如无限大的数(N)大于任何标准数,无限小的数(0)是唯一既标准又无限小的数等。

重要细节:

  • 对于(x\neq0)的情况,通过分析(N\frac{a}{b})((a,b)为标准互质整数)等,得出非标准逻辑函数的导数在(x)为正或负可感知( appreciable )时近似为(0),即看起来平坦。
  • 在(x = 0)处,导数为(\frac{N}{4}),体现了狄拉克δ函数“无限尖峰”的特性,且具体给出了高度为(\frac{N}{4})。
  • 二阶导数为(N (\frac{N^2 e^{-N x}}{(e^{-N x} + 1)^2} - \frac{4 N^2 e^{-2N x}}{(e^{-N x} + 1)^3} + e^{-N x} (\frac{6 N^2 e^{-2N x}}{(e^{-N x} + 1)^4} - \frac{2 N^2 e^{-N x}}{(e^{-N x} + 1)^3}))),有时称为拉普拉斯算子或磁偶极矩。
  • 提到相关视频、软件库及可处理无限小和无限大数的计算器,以及感谢 Euler、Cauchy、Mikhail Katz 等。
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