狄利克雷和狄利克雷函數

2021-02-13 相遇在數學

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      狄利克雷(Dirichlet)的故事


狄利克雷(Dirichlet)是數學史上第一位重視概念的人,並且是有意識地「以概念代替直覺」的人。


在狄利克雷之前,數學家們主要研究具體函數,進行具體計算,他們不大考慮抽象問題,但狄利克雷之後,事情逐漸變化了,人們開始考慮函數的各種性質,例如(圖像的)對稱性、增減性、連續性等。具體函數、具體函數的計算逐漸淡化了。


1837年,狄利克雷認為怎樣去建立x與y之間的關係無關緊要,他拓廣了函數概念,提出了自變量x與另一個變量y之間的現代觀念的對應關係。指出:「對於在某區間上的每一個確定的x值,y都有確定的值,那麼y叫做x的函數。」狄利克雷的函數定義抓住了概念的本質屬性,出色地避免了以往函數定義中所有的關於依賴關係的描述,只需有一個法則存在,使得這個函數取值範圍中的每一個值,有一個確定的y值和它對應就行了,不管這個法則是用公式、圖象、表格或是其他形式表示。這個定義簡明精確,比前面的定義更帶有普遍性,以完全清晰的方式為所有數學家無條件地接受,為理論研究和實際應用提供了方便。至此,我們已可以說,函數概念、函數的本質定義已經形成,這就是人們常說的經典函數定義。


       狄利克雷(Dirichlet)函數


為此,他舉出了個著名的例子:

這屬於一個人造函數,而這個函數本身卻給我們帶來很多深刻的思考。 


1、狄利克雷函數(Dirichlet function)是一個定義在實數範圍上、值域不連續的函數。狄利克雷函數的圖像以Y軸為對稱軸,是一個偶函數,它處處不連續,處處極限不存在,不可黎曼積分。這是一個處處不連續的可測函數。

2、實數域上的狄利克雷(Dirichlet)函數表示為:


(k,j為整數)也可以簡單地表示為上面分段函數的形式D(x)。


3、狄利克雷函數具有三個特點:

(1)沒有解析式:使函數概念從解析式中解放出來。
(2)沒有圖形:是函數概念從幾何圖形中解放出來。
(3)沒有實際背景:是函數概念從客觀世界的的束縛中解放了出來。


4、基本性質
(1)定義域為整個實數域R;
(2)值域為{0,1};
(3)函數為偶函數;
(4)無法畫出函數圖像,但是它的函數圖像客觀存在;
(5)以任意有理數為其周期,無最小正周期(由實數的連續統理論可知其無最小正周期)。


5、分析性質
(1)處處不連續;
(2)處處不可導;
(3)在任何區間內黎曼不可積;
(4)函數是可測函數;
(5)在單位區間[0,1]上勒貝格可積,且勒貝格積分值為0(且任意區間以及R上甚至任何R的可測子集上(區間不論開閉和是否有限)上的勒貝格積分值為0 )
     註:對性質5的說明:雖然m(R/Q)=+∞,但在R/Q上有f(x)=0,符合可積條件(說明中Q為有理數集)。


                 狄裡克雷簡介


狄裡克雷(Dirichlet,Peter Gustav Lejeune,1805~1859),德國數學家。1805年2月13日生於迪倫,1859年5月5日卒于格丁根。中學時曾受教於物理學家G.S.歐姆;1822~1826年在巴黎求學,深受J.B.J.傅立葉的影響。回國後先後在布雷斯勞大學、柏林軍事學院和柏林大學任教27年,對德國數學發展產生巨大影響。1839年任柏林大學教授,1855年接任C.F.高斯在哥廷根大學的教授職位。


狄裡克雷對數論、數學分析和數學物理有突出貢獻,是解析數論的創始人之一。


在分析學方面,他是最早倡導嚴格化方法的數學家之一。1837年他提出函數是x與y之間的一種對應關係的現代觀點。


在數論方面,他是高斯思想的傳播者和拓廣者。1833年狄裡克雷撰寫了《數論講義》,對高斯劃時代的著作《算術研究》作了明晰的解釋並有創見,使高斯的思想得以廣泛傳播。1837年,他構造了狄裡克雷級數。1838~1839年,他得到確定二次型類數的公式。1846年,使用抽屜原理。闡明代數數域中單位數的阿貝爾群的結構。


在數學物理方面,他對橢球體產生的引力、球在不可壓縮流體中的運動、由太陽系穩定性導出的一般穩定性等課題都有重要論著。1850年發表了有關位勢理論的文章,論及著名的第一邊界值問題,現稱狄裡克雷問題。


狄利克雷函數的出現,表示數學家對數學的理解發生了深刻的變化。數學的一些「人造」特徵開始展現出來這種思想也標誌著數學從研究「算」轉變到了研究「概念、性質、結構」,狄利克雷是數學史上第一位重視概念的人。並且是有意識地「以概念代替直覺」的人。



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