المرجع الالكتروني للمعلوماتية
المرجع الألكتروني للمعلوماتية

الرياضيات
عدد المواضيع في هذا القسم 9764 موضوعاً
تاريخ الرياضيات
الرياضيات المتقطعة
الجبر
الهندسة
المعادلات التفاضلية و التكاملية
التحليل
علماء الرياضيات

Untitled Document
أبحث عن شيء أخر

الأفعال التي تنصب مفعولين
23-12-2014
صيغ المبالغة
18-02-2015
الجملة الإنشائية وأقسامها
26-03-2015
اولاد الامام الحسين (عليه السلام)
3-04-2015
معاني صيغ الزيادة
17-02-2015
انواع التمور في العراق
27-5-2016

Heaviside Step Function  
  
2594   02:42 صباحاً   date: 25-5-2019
Author : Abramowitz, M. and Stegun, I. A.
Book or Source : Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, 1972.
Page and Part : ...


Read More
Date: 12-10-2018 1885
Date: 29-9-2019 1197
Date: 24-9-2018 1872

Heaviside Step Function

The Heaviside step function is a mathematical function denoted H(x), or sometimes theta(x) or u(x) (Abramowitz and Stegun 1972, p. 1020), and also known as the "unit step function." The term "Heaviside step function" and its symbol can represent either a piecewise constant function or a generalized function.

 

HeavisideStepFunction

 

When defined as a piecewise constant function, the Heaviside step function is given by

 H(x)={0   x<0; 1/2   x=0; 1   x>0

(1)

(Abramowitz and Stegun 1972, p. 1020; Bracewell 2000, p. 61). The plot above shows this function (left figure), and how it would appear if displayed on an oscilloscope (right figure).

When defined as a generalized function, it can be defined as a function theta(x) such that

(2)

for  the derivative of a sufficiently smooth function phi(x) that decays sufficiently quickly (Kanwal 1998).

The Wolfram Language represents the Heaviside generalized function as HeavisideTheta, while using UnitStep to represent the piecewise function Piecewise[{{1, x >= 0}}] (which, it should be noted, adopts the convention H(0)=1 instead of the conventional definition H(0)=1/2).

The shorthand notation

 H_c(x)=H(x-c)

(3)

is sometimes also used.

The Heaviside step function is related to the boxcar function by

 Pi(x)=H(x+1/2)-H(x-1/2)

(4)

and can be defined in terms of the sign function by

 H(x)=1/2[1+sgn(x)].

(5)

The derivative of the step function is given by

 d/(dx)H(x)=delta(x),

(6)

where delta(x) is the delta function (Bracewell 2000, p. 97).

The Heaviside step function is related to the ramp function R(x) by

 R(x)=xH(x),

(7)

and to the derivative of R(x) by

 d/(dx)R(x)=H(x).

(8)

The two are also connected through

 R(x)=H(x)*H(x),

(9)

where * denotes convolution.

Bracewell (2000) gives many identities, some of which include the following. Letting * denote the convolution,

(10)

H(t)*H(t) = int_(-infty)^inftyH(u)H(t-u)du

(11)

= H(0)int_0^inftyH(t-u)du

(12)

= H(0)H(t)int_0^tdu

(13)

= tH(t).

(14)

In addition,

H(ax+b) = H(x+b/a)H(a)+H(-x-b/a)H(-a)

(15)

= {H(x+b/a) a>0; H(-x-b/a) a<0.

(16)

HeavisideStepFunctionLim

The Heaviside step function can be defined by the following limits,

H(x) = lim_(t->0)[1/2+1/pitan^(-1)(x/t)]

(17)

= 1/(sqrt(pi))lim_(t->0)int_(-x)^inftyt^(-1)e^(-u^2/t^2)du

(18)

= 1/2lim_(t->0)erfc(-x/t)

(19)

= 1/pilim_(t->0)int_(-infty)^xt^(-1)sinc(u/t)du

(20)

= 1/pilim_(t->0)int_(-infty)^x1/usin(u/t)du

(21)

= 1/2+1/pilim_(t->0)si((pix)/t)

(22)

= lim_(t->0){1/2e^(x/t) for x<=0; 1-1/2e^(-x/t) for x>=0

(23)

= lim_(t->0)1/(1+e^(-x/t))

(24)

= lim_(t->0)e^(-e^(-x/t))

(25)

= 1/2lim_(t->0)[1+tanh(x/t)]

(26)

= lim_(t->0)int_(-infty)^xt^(-1)Lambda((x-1/2t)/t)dx,

(27)

where erfc(x) is the erfc function, si(x) is the sine integral, sinc(x) is the sinc function, and Lambda(x) is the one-argument triangle function. The first four of these are illustrated above for t=0.2, 0.1, and 0.01.

Of course, any monotonic function with constant unequal horizontal asymptotes is a Heaviside step function under appropriate scaling and possible reflection. The Fourier transform of the Heaviside step function is given by

F[H(x)] = int_(-infty)^inftye^(-2piikx)H(x)dx

(28)

= 1/2[delta(k)-i/(pik)],

(29)

where delta(k) is the delta function.


REFERENCES:

Abramowitz, M. and Stegun, I. A. (Eds.). Handbook of Mathematical Functions with Formulas, Graphs, and Mathematical Tables, 9th printing. New York: Dover, 1972.

Bracewell, R. "Heaviside's Unit Step Function, H(x)." The Fourier Transform and Its Applications, 3rd ed. New York: McGraw-Hill, pp. 61-65, 2000.

Kanwal, R. P. Generalized Functions: Theory and Technique, 2nd ed. Boston, MA: Birkhäuser, 1998.

Spanier, J. and Oldham, K. B. "The Unit-Step u(x-a) and Related Functions." Ch. 8 in An Atlas of Functions. Washington, DC: Hemisphere, pp. 63-69, 1987.




الجبر أحد الفروع الرئيسية في الرياضيات، حيث إن التمكن من الرياضيات يعتمد على الفهم السليم للجبر. ويستخدم المهندسون والعلماء الجبر يومياً، وتعول المشاريع التجارية والصناعية على الجبر لحل الكثير من المعضلات التي تتعرض لها. ونظراً لأهمية الجبر في الحياة العصرية فإنه يدرّس في المدارس والجامعات في جميع أنحاء العالم. ويُعجب الكثير من الدارسين للجبر بقدرته وفائدته الكبيرتين، إذ باستخدام الجبر يمكن للمرء أن يحل كثيرًا من المسائل التي يتعذر حلها باستخدام الحساب فقط.وجاء اسمه من كتاب عالم الرياضيات والفلك والرحالة محمد بن موسى الخورازمي.


يعتبر علم المثلثات Trigonometry علماً عربياً ، فرياضيو العرب فضلوا علم المثلثات عن علم الفلك كأنهما علمين متداخلين ، ونظموه تنظيماً فيه لكثير من الدقة ، وقد كان اليونان يستعملون وتر CORDE ضعف القوسي قياس الزوايا ، فاستعاض رياضيو العرب عن الوتر بالجيب SINUS فأنت هذه الاستعاضة إلى تسهيل كثير من الاعمال الرياضية.

تعتبر المعادلات التفاضلية خير وسيلة لوصف معظم المـسائل الهندسـية والرياضـية والعلمية على حد سواء، إذ يتضح ذلك جليا في وصف عمليات انتقال الحرارة، جريان الموائـع، الحركة الموجية، الدوائر الإلكترونية فضلاً عن استخدامها في مسائل الهياكل الإنشائية والوصف الرياضي للتفاعلات الكيميائية.
ففي في الرياضيات, يطلق اسم المعادلات التفاضلية على المعادلات التي تحوي مشتقات و تفاضلات لبعض الدوال الرياضية و تظهر فيها بشكل متغيرات المعادلة . و يكون الهدف من حل هذه المعادلات هو إيجاد هذه الدوال الرياضية التي تحقق مشتقات هذه المعادلات.