크로네커 델타
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1. 개요
크로네커 델타는 두 변수가 같으면 1, 다르면 0의 값을 가지는 함수이다. 이산적인 경우의 델타 함수로 간주되며, 일반화된 크로네커 델타는 텐서에 대해 정의된다. 크로네커 델타는 임의의 합에서 특정 지표를 골라낼 수 있는 성질을 가지며, 디지털 신호 처리에서 단위 임펄스 함수로 사용된다. 또한 확률론과 통계학에서 이산 분포를 나타내는 데 활용되며, 디랙 델타 함수와 밀접한 관련이 있다.
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크로네커 델타 | |
---|---|
개요 | |
유형 | 함수 |
분야 | 수학 |
변수 | 2 |
값 | 0 1 |
정의 | |
정의 | 두 변수가 같으면 1, 다르면 0을 반환하는 함수 |
표기법 | |
기호 | δij |
설명 | i와 j가 같으면 1, 다르면 0 |
활용 | |
선형 대수학 | 단위 행렬 표현 |
텐서 해석 | 텐서 성분 표현 |
관련 개념 | |
관련 함수 | 디랙 델타 함수 헤비사이드 계단 함수 |
2. 정의
크로네커 델타 δij는 두 변수 i와 j에 대해 정의되는 함수로, 다음과 같이 정의된다.[1]
:
:
즉, i와 j가 같은 값을 가지면 1, 그렇지 않으면 0의 값을 갖는다. 예를 들어, δ12 = 0, δ33 = 1이다.
변수가 하나인 경우, 크로네커 델타 δi는 다음과 같이 정의된다.
:
다음 방정식이 성립한다.
:
따라서 행렬 δ는 단위 행렬로 간주할 수 있다.
기하 급수 공식을 사용하면 다음과 같은 유용한 표현을 유도할 수 있다.
:
아이버슨 괄호를 사용하면 다음과 같이 표현할 수 있다.
선형대수학에서 크로네커 델타는 텐서로 간주될 수 있으며, 로 표기된다.
2. 1. 일반화 크로네커 델타
일반화 크로네커 델타는 더 많은 변수를 갖는 텐서에 대해 정의되며, 다음과 같은 성질을 갖는다.좀 더 많은 성분을 가진 텐서에 대해서도 비슷한 성질을 갖는 다음 텐서를 생각할 수 있다.
:
이 텐서는 다음과 같이 정의된다.
- 만약 이 의 순열이 아니라면, 일반화 크로네커 델타의 값은 0이다.
- 만약 이라면, 이다.
물론, 만약 일 경우 이는 원래 크로네커 델타의 정의와 일치한다.
만약 이를 텐서 유형으로 간주한다면, 크로네커 텐서는 공변 지수 와 반변 지수 를 사용하여 로 쓸 수 있다.
:
이 텐서는 다음을 나타낸다.
- 항등 사상(또는 항등 행렬), 또는 의 선형 사상으로 간주
- 대각합 또는 텐서 축약, 의 사상으로 간주
- 스칼라 곱셈을 외적의 합으로 나타내는 사상 .
'''일반화된 크로네커 델타''' 또는 '''다중 지수 크로네커 델타'''는 차수 의 텐서로, 개의 위쪽 지수와 개의 아래쪽 지수 모두에서 완전히 반대칭 텐서이다.
일반화된 크로네커 델타는 지수(index)의 관점에서 다음과 같이 정의된다.[5][6]
:
를 차수(degree) 인 대칭군이라고 하면, 다음과 같다.
:
반대칭화를 사용하여:
:
행렬식의 관점에서:[7]
:
행렬식의 라플라스 전개(라플라스 공식)을 사용하여, 재귀적으로 정의할 수 있다:[8]
:
여기서 캐론()은 수열에서 생략된 지수를 나타낸다.
(벡터 공간의 차원)일 때, 레비-치비타 기호의 관점에서:
:
더 일반적으로, 일 때, 아인슈타인 표기법을 사용하여:
:
일반화된 크로네커 델타는 반대칭화에 사용될 수 있다.
:
위의 방정식과 반대칭 텐서의 속성으로부터, 일반화된 크로네커 델타의 속성을 도출할 수 있다.
:
지수를 합산하여 차수를 줄이는 것은 다음 항등식으로 표현될 수 있다.[9]
:
인 경우의 합산 규칙과 레비-치비타 기호와의 관계를 사용하여 레비-치비타 기호의 합산 규칙이 파생된다.
:
3. 성질
크로네커 델타는 임의의 합에서 특정한 정수 지표 를 골라내는 성질을 갖는다. 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.
:
이러한 성질은 디랙 델타 함수와 매우 유사하여, 크로네커 델타를 이산적인 경우의 델타 함수라고 부르기도 한다.[2]
데카르트 좌표계에서 성분끼리의 미분 또한 크로네커 델타로 표현 가능하다.
:
크로네커 델타는 에 대해 "체질" 속성을 가지며, 수식으로 나타내면 다음과 같다.
이는 계수 측도를 부여한 측도 공간에서 디랙 델타 함수의 정의와 일치한다.[2]
크로네커 델타는 사건 대수의 곱셈 항등원을 형성한다.[3] 즉, 다음이 성립한다.
:
이는 단위 행렬의 성질과도 관련이 있다.
:
3. 1. 선형대수학적 성질
크로네커 델타는 텐서로 생각할 때, 텐서의 축약으로 특정 지표를 골라내는 성질을 간단하게 나타낼 수 있으므로 공변지표(covariant index) i와 반변지표(contravariant index) j를 사용해 로 나타낸다.이 (1,1) 텐서를 이용해 나타낼 수 있는 것들은 다음과 같다. (여기 아래에선 아인슈타인 표기법을 사용)
:
:
- 내적
:
다음 방정식이 성립한다.
따라서 행렬 는 단위 행렬로 간주할 수 있다.
위 식은 각각 다음과 대응한다.
- 벡터에 단위 행렬을 작용시켜도 불변이다.
- 단위 행렬에 단위 행렬을 곱한 것은 단위 행렬이다.
3. 2. 다른 표현
아이버슨 괄호를 사용하면 크로네커 델타를 다음과 같이 표현할 수 있다.:
기하 급수 공식을 사용하면 크로네커 델타를 다음과 같이 표현할 수 있다.[1]
:
3. 3. 적분 표현
복소해석학의 잉여 계산을 통해 크로네커 델타를 다음과 같이 적분으로 표현할 수 있다.:
여기서 적분 경로는 0 주변을 반시계 방향으로 도는 임의의 고리이다. 이 적분은 복소평면 상에서 한 바퀴 돌며 적분하는 것과 같으므로 아래와 같이 나타낼 수도 있다.
:
4. 응용
크로네커 델타는 디지털 신호 처리, 확률론, 통계학 등 다양한 분야에서 응용된다.
디지털 신호 처리에서 크로네커 델타는 단위 임펄스 함수로 사용되며, 시스템의 임펄스 응답을 구하는 데 활용된다. 확률론과 통계학에서는 이산 분포를 나타내는 데 사용될 수 있다. 또한, 크로네커 델타는 한 표면을 다른 표면에 매핑하는 정도를 나타내는 크로네커 적분에도 사용된다.[13]
4. 1. 디지털 신호 처리 (DSP)
디지털 신호 처리 분야에서 크로네커 델타는 ℤ에서 정의된 함수로 다음과 같이 나타낸다.:
이 함수를 '임펄스' 혹은 '단위 임펄스'라고 부른다.[1] 어떤 신호 처리 장치에 임펄스가 입력으로 주어졌을 때, 출력으로 나오는 것을 임펄스 응답이라고 한다.[1]
디지털 신호 처리(DSP) 연구에서, 단위 임펄스 함수 는 2차원 크로네커 델타 함수 의 특별한 경우를 나타내며, 여기서 크로네커 지수는 0을 포함하고, 지수 중 하나는 0이다.[2] 이 경우:
5. 일반화된 크로네커 델타의 연산 규칙
일반화된 크로네커 델타는 반대칭화를 정의하는 데 사용된다.
:
\frac{1}{p!} \delta^{\mu_1 \dots \mu_p}_{\nu_1 \dots \nu_p} a^{\nu_1 \dots \nu_p} &= a^{[ \mu_1 \dots \mu_p ]} , \\
\frac{1}{p!} \delta^{\mu_1 \dots \mu_p}_{\nu_1 \dots \nu_p} a_{\mu_1 \dots \mu_p} &= a_{[ \nu_1 \dots \nu_p ]} . \end{align}
반대칭 텐서의 속성으로부터, 일반화된 크로네커 델타의 연산 규칙을 유도할 수 있다.
:
\frac{1}{p!} \delta^{\mu_1 \dots \mu_p}_{\nu_1 \dots \nu_p} a^{[ \nu_1 \dots \nu_p ]} &= a^{[ \mu_1 \dots \mu_p ]} , \\
\frac{1}{p!} \delta^{\mu_1 \dots \mu_p}_{\nu_1 \dots \nu_p} a_{[ \mu_1 \dots \mu_p ]} &= a_{[ \nu_1 \dots \nu_p ]} , \\
\frac{1}{p!} \delta^{\mu_1 \dots \mu_p}_{\nu_1 \dots \nu_p} \delta^{\nu_1 \dots \nu_p}_{\kappa_1 \dots \kappa_p} &= \delta^{\mu_1 \dots \mu_p}_{\kappa_1 \dots \kappa_p} ,
\end{align}
마지막 공식은 코시-비네 공식과 동일하다.
텐서 축약에 대한 연산 규칙은 다음과 같다.[9]
:
:
6. 크로네커 콤
크로네커 콤 함수는 주기적인 단위 임펄스들의 합으로 정의된다. 디랙 콤의 이산적인 형태로 간주될 수 있다.[1]
주기
:
여기서
7. 디랙 델타 함수와의 관계
크로네커 델타는 임의의 합에서 특정 지표 i ∈ ℤ (정수)를 골라내는 성질을 가지고 있다.
:
이 성질은 디랙 델타 함수와 매우 유사하며, 이 때문에 크로네커 델타는 이산적인 경우의 델타 함수라고 불리기도 한다.[1]
디지털 신호 처리(DSP)에서 단위 임펄스 함수
:
일반적으로는 다음과 같다.
:
하지만, 이는 특별한 경우일 뿐이며, 텐서 미적분학에서는 기저 벡터에 1부터 시작하는 인덱스를 사용하는 것이 일반적이다.
이산 단위 임펄스 함수와 크로네커 델타 함수는 같은 문자를 사용하지만, 목적과 인덱스 수 등에서 차이가 있다. 이산 단위 임펄스 함수는 이산 시스템의 입력 함수로 사용되는 반면, 크로네커 델타 함수는 아인슈타인 합 규칙에서 항을 필터링하는 데 사용된다.
이산 단위 임펄스 함수는 다음과 같이 정의된다.
:
디랙 델타 함수는 크로네커 델타 함수 및 단위 임펄스 함수와 혼동되는 경우가 많다. 디랙 델타 함수는 정수 인덱스가 아닌, 단일 연속 비정수 값 t를 가진다.
크로네커 델타는
:
실제로 디랙 델타는 이와 유사한 속성 때문에 크로네커 델타의 이름을 따서 명명되었다.[2] 신호 처리에서 크로네커와 디랙 "함수"를 구별하는 것은 문맥(이산 또는 연속 시간)에 따라 달라진다. 크로네커 델타는 디랙 델타 함수를 직접 샘플링한 결과가 아니다.
크로네커 델타는 사건 대수의 곱셈 항등원을 형성한다.[3]
참조
[1]
논문
On a Technique for Measurement of Turbulent Shear Stress in the Presence of Surface Waves
[2]
서적
The Principles of Quantum Mechanics (1st ed.)
Oxford University Press
1930
[3]
간행물
Incidence Algebras
https://archive.org/[...]
Marcel Dekker
[4]
웹사이트
Geometry and Group Theory
http://people.physic[...]
2008
[5]
서적
The Geometry of Physics: An Introduction
Cambridge University Press
2012
[6]
서적
Tensor Calculus and Riemannian Geometry
Krishna Prakashan Media
2007
[7]
서적
Tensors, Differential Forms, and Variational Principles
Courier Dover Publications
[8]
문서
A recursive definition requires a first case, which may be taken as {{math|1=''δ'' = 1}} for {{math|1=''p'' = 0}}, or alternatively {{math|1=''δ''{{su|p=''μ''|b=''ν''|lh=0.9em}} = ''δ''{{su|p=''μ''|b=''ν''|lh=0.9em}}}} for {{math|1=''p'' = 1}} (generalized delta in terms of standard delta).
[9]
서적
Mathematical Methods: For Students of Physics and Related Fields
Springer-Verlag
[10]
논문
A spinor approach to general relativity
https://linkinghub.e[...]
1960-06
[11]
서적
Determinants and Matrices
Oliver and Boyd
[12]
문서
Roger Penrose, "Applications of negative dimensional tensors," in ''Combinatorial Mathematics and its Applications'', Academic Press (1971).
[13]
서적
Advanced Calculus
https://books.google[...]
Pearson Education
[14]
논문
Ueber bilineare Formen
[15]
서적
The Geometry of Physics: An Introduction
Cambridge University Press
2012
[16]
서적
Tensor Calculus and Riemannian Geometry
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2007
[17]
서적
Tensors, Differential Forms, and Variational Principles
Dover Publications
[18]
서적
Mathematical Methods: For Students of Physics and Related Fields
Springer-Verlag
2008
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