Delta de Dirac Resumen FCFM Javier Alejandro Carrasco Ávila que, como se dijo, no nos interesará la representación explícita de δ, sino su acción al integrar en los intervalos que necesitemos. Un caso particular de la propiedad de selectividad se tiene considerando a → −∞ ∧ b → ∞: Z 1 Definición A la función (generalizada) delta de Dirac se le suele llamar distrubución delta, pues, nos referiremos a un delta de Dirac como a aquel objeto matemático que posee ciertas propiedades y cuyo sentido (y utilidad) aparece al aplicarse sobre integrales en el integrando. ∞ δ(x)f (x)dx = f (0) Definición Simbólica (Delta de Dirac) Simbólicamente, un delta de Dirac es una función δ : R −→ {0, ∞} x 7−→ δ(x) = 0, ∞, tal que ∀a, b ∈ R, a < 0 < b, −∞ Para una denición completamente formal de un delta de Dirac, es necesario conocer conceptos de la (funciones generalizadas), sin embargo, existe la alternativa de utilizar para obtener una buena representación matemática. si x 6= 0 si x = 0 teoría de distribuciones límites de sucesiones de funciones Definición (Sucesión Delta) Sea f : R → R una función contínua. Una sucesión delta (o secuencia delta) es cualquier sucesión de funciones {φ (x)} con dominio y recorrido real que cumple: b Z δ(x)dx = 1 a n Nota Es importante notar que δ no es una función en el sentido del cálculo habitual, y por lo tanto, tener en cuenta que cada vez que se hable de , hablamos de una (cuya denición formal no corresponde a la recién mostrada). Notemos que, en particular, haciendo a → −∞ y b → ∞, se cumple Dirac ∃a, b ∈ R, a < 0 < b, lı́m n→∞ función generalizada Z n∈N Z función delta de b φn (x)f (x)dx = f (0) a A diferencia de la denición simbólica dada para un delta de Dirac, las sucesiones deltas, sí existen (y al menos una para cada par de valores a, b ∈ R) y son una buena forma de representar un delta de Dirac, ya que, en conjunto, cumplen las propiedades que deseamos y que exigimos en nuestra denición idealizada anterior. De hecho, notemos que, considerando el caso particular en que f (x) ≡ 1, obtenemos: ∞ δ(x)dx = 1 −∞ La razón importante de tener en cuenta esta denición o representación simbólica, es que, nos recuerda que no nos interesa el signicado de un delta de Dirac como función generalizada, si no que la acción que ejerce sobre integrales, de hecho, la propiedad más importante que se utilizará de un delta de Dirac es fácil de obtener a partir de esta denición simbólica, y es la que se muestra a continuación. Z b lı́m n→∞ φn (x)dx = 1 a Además, existen sucesiones delta que cumplen lo mencionado para el caso en que a → −∞ ∧ b → ∞, es decir, que cumplen: Z lı́m n→∞ Propiedad de Selectividad Sea f : R → R una función contínua. Entonces: Z 2015 Enero (javier.carrasco@ug.uchile.cl) ∞ φn (x)f (x)dx = f (0) Z ∞ lı́m φn (x)dx = 1 −∞ n→∞ −∞ Algunas sucesiones delta construídas a partir de funciones diferenciables son: b δ(x)f (x)dx = f (0), ∀a, b ∈ R, a < 0 < b a Se debe tener en cuenta que no existe una representación general que cumpla las propiedades mencionadas de δ para cualquier a, b ∈ R, luego, cada vez que escribamos δ estamos aceptando que hablamos de cualquier representación formal que cumpla estas propiedades en los intervalos [a, b] jados previamente implícitamente, es decir, cuando anotemos varias veces un delta de Dirac, no necesariamente corresponderán al mismo. Esto no produce confusión ya φn (x) = n 1 π 1+n2 x2 φn (x) = 2 2 √n e−n x π φn (x) = 2 1 sin (nx) nπ x2 Notemos que la segunda corresponde a la densidad de una distribución de probabilidad normal (distribución Gaussiana). 1 J.C.Á. Resumen Éstas son sucesiones delta con a → −∞ ∧ b → ∞, y se requiere que la función f sea contínua, lo cual además, tienen la particularidad de que cumplen: es muy importante tener en consideración, ya que se utilizará la misma notación recién señalada pero Z signicarán cosas levemente distintas (son otras las φ (x)dx = 1 exigencias de la función f ). es decir, su integral se encuentra normalizada (sin necesidad de hacer n → ∞). dH(x) ∞ n −∞ Propiedad δ(x) = Nota Una sucesión delta no converge a una función delta. De hecho, las tres sucesiones delta presentadas explícitamente, divergen (recordar que estamos en el contexto de límites de sucesiones de funciones, es decir, en el de los espacios de funciones, luego, lo que se debe comprobar es que no existe convergencia uniforme). En efecto, es fácil ver que ni siquiera se cumple la convergencia puntual (o simple), entonces, no se cumple la convergencia uniforme [(conv. uniforme ⇒ conv. puntual)⇔(no conv. puntual ⇒ no conv. uniforme)]. En lo que sigue, siempre se considerarán, solo los casos en que a → −∞ y b → ∞, de forma implícita. No obstante, se debe tener en consideración, que lo escrito será válido para los casos en que se reemplacen los límites de las integrales indenidas por a y b tal cual como se mostró en esta sección, con el cuidado de que, en algunos casos, pueden ser necesarias ciertas condiciones adicionales o modicar algunas de estas. 2 Propiedades En la sección anterior se mencionó la importantísima . Ahora veremos otras propiedades muy útiles de un delta de Dirac. propiedad de selectividad Definición (Función Escalón de Heaviside) La función escalón de Heaviside (o función escalón unitario) es aquella función con dominio real denida por: 0, si x < 0 H(x) = 1, si x ≥ 0 Notación Cuando escribamos g (x)δ(h (x)) = g (x)δ(h (x)), con g , g , h , h funciones de R en R cualesquiera, tales que g , g sean no nulas, nos referiremos a que se cumple la igualdad: 1 1 2 1 1 Z 1 2 2 2 2 ∞ Z n lı́m Φn (x) = H(x) n→∞ donde Z x φn (ξ)dξ Φn (x) = Cualquier demostración formal de esta u otra propiedad de un delta de Dirac, requerirá, naturalmente, la aplicación de fundamentos de la teoría de funciones generalizadas (a menos que se pueda demostrar a partir de propiedades ya conocidas). −∞ Propiedad Sea f : R → R una función m-diferenciable. Entonces: Z ∞ −∞ dm f (0) dm δ(x) f (x)dx = (−1)m m dx dxm Notemos que lo anterior se representa mediante la expresión Z ∞ lı́m n→∞ −∞ dm φn (x) dm f (0) f (x)dx = (−1)m m dx dxm que exige que φ (x) sea diferenciable m veces y que: n Z ∞ −∞ k d φn (x) f (x)dx < ∞, ∀n ∈ N ∧ ∀k ∈ {0, ..., m} dxk Propiedad Si f : R → R es una función contínua en x = 0 o si satisface que lı́m xf (x) = 0, entonces: x→0 Z ∞ xδ(x)f (x)dx = 0 −∞ Esto se resume en la notación xδ(x) = 0. Notemos que la propiedad anterior no exige que f sea contínua. Propiedad (Selectividad Cambiada) g2 (x)δ(h2 (x))f (x)dx −∞ para toda función f : R → R contínua. En la notación recién indicada, se excluyen los casos en que g ∨ g son nulos debido a que, como se verá más adelante, existe un caso especíco en que no 1 Una demostración informal se puede lograr considerando una sucesión delta φ (x) y vericando que ∞ g1 (x)δ(h1 (x))f (x)dx = −∞ dx δ(x − a) = d H(x − a) dx es decir, ∀f : R → R función contínua, 2 Delta de Dirac Z ∞ δ(x − a)f (x)dx = f (a) −∞ 2 J.C.Á. Resumen Ahora consideremos una función real f expandible en serie de Fourier entre −L y L, es decir, Propiedad δ(ax) = 1 δ(x), ∀a 6= 0 |a| ∞ Del caso particular a = −1, se obtiene que δ(x) = , es decir, el delta de Dirac es una función (generalizada) par (esto signica que las sucesiones delta están conformadas por funciones pares). δ(−x) nπx nπx a0 X + bn sin + an cos 2 L L n=1 f (x) = Si además, f es contínua a trozos y contínua en x = 0 (en particular, si f , es contínua), es claro que ∞ Propiedad δ(x2 − a2 ) = f (0) = 1 (δ(x + a) + δ(x − a)) , ∀a > 0 2a Así, podemos concluir que Z Propiedad Sea g : R → R una función diferenciable con m raíces distintas entre sí. Sean x , ..., x estas raíces (i.e. g(x ) = 0, ∀k = 1, ..., m). Entonces, si 6= 0, ∀k ∈ {1, ..., m}, se tiene que 1 m k dg(xk ) dx δ(g(x)) = m X 1 k=1 dg(xk ) dx δ(x − xk ) Propiedad Sea g : R → R una función contínua. Entonces: g(x)δ(x) = g(0)δ(x) 3 Representaciones Anteriormente se presentó la representación de un delta de Dirac por medio de . En esta sección se presentan otras tres representaciones muy útiles. lı́m Pa (x)f (x)dx = −L a→0 Definición (Función Pulso) (1) Sea a ∈ (0, ∞). El pulso de ancho 2a (o función pulso de ancho 2a) y área unitaria es la función real: si x ≤ −a 0, , si − a < x < a P (x) = 0, si x ≥ a Consideremos el pulso P (x) y L > a. Notemos que P (x) se puede expresar, en serie de Fourier entre −L y L, como (b = 0, pues es una función par): 1 2a a→0 a n Pa (x) = 1 1 + sin 2L n=1 nπa L cos a Sea L > 0. Un delta de Dirac lo podemos representar por medio de una serie de Fourier entre −L y L. Explícitamente: δ(x) = Además, nπx L ∞ nπx 1 X 1 + cos 2L L n=1 L ∞ nπx nπξ 2 X sin sin δ(x − ξ) = ,0 < ξ < L L n=1 L L La segunda expresión se obtiene de la serie de Fourier en senos para δ(x − ξ). De formas análogas se pueden obtener otras representaciones en series de Fourier. Ahora, notando que H(x) = 1 2πi Z γ+i∞ γ−i∞ 1 xz e dz, ∀γ ∈ R\{0}, z donde γ 6= 0 debido al polo en z = 0, y derivando respecto a x, obtenemos que δ(x) = 1 dH(x) = dx 2πi Z γ+i∞ exz dz, γ−i∞ pero esta vez, ya que no existe polo en el integrando, tenemos que γ puede ser cualquier valor real. Luego, por conveniencia, escogeremos γ = 0, obteniendo a nπa a0 X + an = f (0) 2 n=1 Es decir, lı́m P (x) cumple la propiedad de selectividad (que es la que dene a la distribución delta), con lo que hemos obtenido una representación nueva para un delta de Dirac. sucesiones de Dirac ∞ X ∞ L Representación en Serie de Fourier Esta última propiedad se puede demostrar informalmente utilizando la denición simbólica dada en la sección 1 y la aproximación lineal de primer orden (aprox. de Taylor de orden 1) de la función g en torno a cada una de sus raíces. Notemos que la penúltima propiedad corresponde a un caso particular de la última. a a0 X + an 2 n=1 δ(x) = 1 2πi Z +i∞ exz dz −i∞ que corresponde a una nueva representación de la distribución delta, sin embargo, se puede modicar la expresión anterior mediante el cambio de variables k = −iz (que es una rotación del plano en 90 en el sentido de los punteros del reloj), resultando una o Delta de Dirac 3 J.C.Á. expresión más práctica. Resumen Nuestro análisis, nos lleva a concluir que, si primero se desarrolla la integral respecto a x, para una gran variedad de funciones f (x), se cumple la igualdad Representación Integral δ(x) = 1 2π Z ∞ 1 2π eikx dk −∞ Nota Ambas representaciones mencionadas resultan ser, respectivamente, una serie divergente y una integral divergente, lo cual no nos debe sorprender, pues, si fueran expresiones convergentes, sería posible denir un delta de Dirac como una función en el sentido del Cálculo habitual, lo cual no es el caso (y por ello se debe denir como una función generalizada). Hagamos una leve modicación a la representación integral y consideremos la función 1 2π ψa (x) = Z ∞ 2 2 e−a k eikx dk, a 6= 0 1 lı́m ψa (x) = a→0 2π ∞ eikx dk = δ(x) −∞ Pero, ψ (x) puede ser calculada y evaluada muy fácilmente. En efecto, completando cuadrados, se obtiene la expresión a 1 −x22 e 4a 2π ψa (x) = Z ∞ x −∞ ∞ −u2 −∞ ψa (x) = −x2 1 √ e 4a2 2a π que no es más que la densidad de una distribución de probabilidad Gaussiana (notemos que, haciendo el c.v. n = , se obtiene la segunda sucesión delta presentada a modo de ejemplo en la sección 2), por lo que no debe sorprender el resultado 1 2a Z ψa (x)dx = 1, ∀a ∈ R −∞ por lo que es de esperar, y puede ser probado rigurosamente, que ∞ lı́m a→0 ψa (x)f (x)dx = f (0) −∞ eikx f (x)dkdx = f (0) −∞ ∞ δ(x)f (x)dx = f (0) −∞ A continuación, consideremos un pulso rectangular positivo normalizado P (t − t ). + τ 0 Definición (Función Pulso) (2) Sea τ ∈ (0, ∞). Sea t > 0. El pulso rectangular positivo normalizado es la función real: 0 0, 1 , Pτ+ (t − t0 ) = τ 0, si 0 ≤ t ≤ t si t < t < t si t ≥ t + τ 0 0 0 +τ 0 Nota Existen muchas formas posibles de denir funciones pulso. Para uso exclusivo de este texto, se denieron las 2 ya presentadas, pues son adecuadas al contexto y entregan claridad. Por ejemplo, la segunda función pulso no se encuentra denida para valores negativos, lo cual es adecuado al contexto de la transformada de Laplace, que se dene sólo para el semiespacio positivo. Además, el concepto de puede referirse a que el área es 1 (como en nuestro caso) o a que la función toma el valor 1. También notemos que un pulso no tiene por qué ser rectangular (en el primer caso se denió como uno rectangular sin mencionarse en el nombre). Por estas razones, se debe tener algo de precaución al leer desarrollos matemáticos que involucren este tipo de funciones. Notemos que la transformada de Laplace del pulso P (t − t ) es + τ para toda función de "comportamiento razonablemente bueno" f (x) (para mayor precisión es necesario adentrarse en la teoría de distribuciones). Bastará que f sea diferenciable en x = 0. 0 L Pτ+ (t − t0 ) (s) = Z Luego, basta ver que ∞ Z ∞ normalizado 2 e−(ak+ 2ai ) dk y la integral es trivialmente calculada al considerar el c.v. u = ak + que implica du = adk y recordando el conocido resultado R e du = √π, con lo que se obtiene x 2ai Z −∞ Z a2 k2 ikx ∞ que es, básicamente, escribir de forma sorprendente la propiedad de selectividad: −∞ En este caso, el factor de convergencia e hace a la integral convergente (de allí el nombre); y dado que la función e es uniformemente contínua, se tiene que Z Z y que t0 +τ t0 1 −st 1 − e−sτ e dt = e−st0 τ sτ lı́m Pτ+ (t − t0 ) = δ(t − t0 ) τ →0 1 − e−sτ =1 τ →0 sτ lı́m para concluir el valor de la transformada de Laplace de un delta de Dirac. Representación en Transformada de Laplace Delta de Dirac L [δ(t − t0 )] (s) = e−st0 , ∀t > 0 4 J.C.Á. Resumen Importante! Al considerar t = 0, se obtiene L [δ(t)] (s) = 1, sin embargo, en este caso (t = 0), la distribución delta no es exactamente la misma que la denida en el intervalo (−∞, ∞). Por ejemplo, no podríamos decir que δ(t) (construida de esta forma) es una función (generalizada) par, dado que en la teoría de las transformadas de Laplace, todas las funciones se asumen cero para t < 0. Con δ(t) construida así, obtendríamos lo que podría llamarse "la mitad de la distribución delta original". Una consecuencia práctica es que, en este caso, la propiedad de selectividad cambiaría a: Z 0 0 ∞ δ(t)f (t)dt = f (0 + 0) Esto es algo que vale la pena recordar ya que, en muchos problemas que involucran transformadas de Laplace, el valor f (0) no es posible denirlo. Por último, notemos que se puede dar sentido a la transformada de Fourier de un delta de Dirac: Nota Hemos considerado las transformadas y antitransformadas de Fourier con coecientes para ambas, sin embargo, es común usar una denición alternativa con coecientes 1 y respectivamente, en cuyo caso, las relaciones presentadas cambian a las expresiones que se muestran a continuación. √1 2π 1 2π Representación en Transformada de Fourier (2) F [δ(x − a)] (λ) = e−iλa , ∀a ∈ R y además, F e−iξa (λ) = δ(λ + a), ∀a ∈ R 0 1 F [δ(x − a)] (λ) := √ 2π Estos resultados se obtienen de forma idéntica a los anteriores, simplemente usando las deniciones alternativas de transformadas y antitransformadas de Fourier mencionadas. ∞ Z δ(x−a)e−iλx dx, a ∈ R −∞ donde la igualdad es por la denición de la transformada de Fourier. Pero aquí podemos usar directamente la propiedad de selectividad cambiada, obteniendo la nueva representación deseada. Representación en 4 Extensión a Rn Sea ~r ∈ R un vector n-dimensional. Si, al representarse en coordenadas cartesianas, el vector se escribe n ~r = n X entonces, su delta de Dirac se dene Transformada de Fourier (1) −iλa e F [δ(x − a)] (λ) = √ 2π , ∀a ∈ R δ(~r) ≡ Notemos que un caso particular, es el de a = 0, que nos dice que e−iλ0 1 F [δ(x)] (λ) = √ =√ 2π 2π También podemos aplicar la antitransformada de Fourier (o transformada inversa de Fourier), resultando √ F −1 e−iλa (x) = 2πδ(x − a), ∀a ∈ R, por lo que se tiene: 1 δ(x−a) = 2π Z ∞ e −iλa iλx e −∞ 1 dλ = 2π Z δ(−λ − a) = 1 2π n Y δ(xi ) i=1 y así, la integración se realiza de forma independiente en cada dimensión. Notemos que se obtiene el resultado: Z δ(~r)dV = 1 Ahora, consideremos un sistema de coordenadas distinto al cartesiano denido por las relaciones (que deben ser invertibles): Relaciones Directas: ui = ui (x1 , ..., xn ), ∀i = 1, ..., n Relaciones Inversas: ∞ e −iξa iξx e dξ −∞ xi = xi (u1 , ..., un ), ∀i = 1, ..., n Luego, haciendo el c.v. x = −λ, se obtiene Z xi x̂i i=1 Dado que, el diferencial de volumen es ∞ e−iξa e−iξλ dξ, −∞ dV = dx1 · · · dxn = |det (J)| du1 · · · dun , lo que, junto con el hecho de que δ(−λ−a) = δ(λ+a) (paridad), nos lleva a la expresión donde J es el Jacobiano de la transformación, que en tres dimensiones se escribe √ F e−iξa (λ) = 2πδ(λ + a), ∀a ∈ R JR3 Delta de Dirac ≡ ∂x1 ∂u1 ∂x1 ∂u2 ∂x1 ∂u3 ∂x2 ∂u1 ∂x2 ∂u2 ∂x2 ∂u3 ∂x3 ∂u1 ∂x3 ∂u2 ∂x3 ∂u3 , 5 J.C.Á. entonces, se debe cumplir Z Resumen Z δ(~r)dx1 · · · dxn = δ(~r) |det (J)| du1 · · · dun = 1, por lo que, necesariamente Qn δ(~r) ≡ i=1 δ(ui ) |det (J)| Un caso especial es el que ocurre en coordenadas esféricas en R , que, debido a la simetría de éstas, se tiene que 3 δ(~r) = δ(r) , 4πr2 donde r ≡ k~rk, que reduce 3 integrales en una sola. Claro, también es válida la fórmula más general que se mostró, pero en ese caso se deben realizar las 3 integrales. Referencias [1] Eugene Butkov, . Addison-Wesley Publishing Company, Inc. Cop. 1968. [2] E. Neal Moore, . Krieger Publishing Company. Noviembre de 1990. Mathematical Phy- sics Theoretical Mechanics Si existe algún error de tipeo u otro tipo, por favor, enviar un mail a javier.carrasco@ug.uchile.cl para corregirlo. Además, es bienvenido cualquier consejo y/o comentario constructivo sobre el texto (para extenderlo, modicarlo, etc.).- Delta de Dirac 6