Heaviside-Funktion

Die Heaviside-Funktion, auch Theta-, Treppen-, Schwellenwert-, Stufen-, Sprung- oder Einheitssprungfunktion genannt, ist eine in der Mathematik und Physik oft verwendete Funktion. Sie ist nach dem britischen Mathematiker und Physiker Oliver Heaviside (1850–1925) benannt.

Allgemeines

Die Heaviside-Funktion hat für jede beliebige negative Zahl den Wert null, andernfalls den Wert eins. Die Heaviside-Funktion ist mit Ausnahme der Stelle ${\displaystyle x=0}$ überall stetig. In Formeln geschrieben heißt das:

Heaviside-Funktion

${\displaystyle {\begin{aligned}\Theta \colon \;&\mathbb {R} \to \{0,1\}\\\ &x\mapsto {\begin{cases}0:&x<0\\1:&x\geq 0\end{cases}}\end{aligned}}}$

Sie ist also die charakteristische Funktion des Intervalls ${\displaystyle [0,+\infty )}$ der nichtnegativen reellen Zahlen.

In der Fachliteratur sind statt ${\displaystyle \Theta (x)}$ auch davon abweichende Notationen geläufig:

• ${\displaystyle H(x)}$, welche sich am Namen von Oliver Heaviside orientiert.
• ${\displaystyle s(x)}$ und ${\displaystyle \sigma (x)}$ nach der Bezeichnung Sprungfunktion.
• ${\displaystyle u(x)}$ nach der Bezeichnung englisch unit step function.
• Auch ${\displaystyle \epsilon (x)}$ wird häufig verwendet.
• In der Systemtheorie verwendet man auch das Symbol ${\displaystyle 1(x)}$.

Die Funktion findet zahlreiche Anwendungen, etwa in der Nachrichtentechnik oder als mathematisches Filter: Multipliziert man punktweise jeden Wert einer beliebigen stetigen Funktion mit dem entsprechenden Wert der Heaviside-Funktion, ergibt sich eine Funktion, die links von ${\displaystyle x=0}$ den Wert Null hat (deterministische Funktion), rechts davon aber mit der ursprünglichen Funktion übereinstimmt.

Alternative Darstellungen

Den Wert der Heaviside-Funktion an der Stelle ${\displaystyle x=0}$ kann man auch folgendermaßen festlegen. Zur Kennzeichnung der Definition schreibt man

${\displaystyle {\begin{aligned}\Theta _{c}\colon \;&\mathbb {R} \to \mathbb {K} \\\,&x\mapsto {\begin{cases}0:&x<0\\c:&x=0\\1:&x>0\end{cases}}\end{aligned}}}$

mit ${\displaystyle 0,1,c\in \mathbb {K} }$. Es kann ${\displaystyle \mathbb {K} }$ also eine beliebige geordnete Menge darstellen, solange sie 0 und 1 enthält. Üblicherweise wird jedoch ${\displaystyle \mathbb {K} =[0,1]\subset \mathbb {R} }$ verwendet.

Diese Definition ist charakterisiert durch die Eigenschaft, dass dann ${\displaystyle \Theta _{c}(0)=c}$ ist.

Durch die Wahl ${\displaystyle c:={\tfrac {1}{2}}}$ und folglich ${\displaystyle \Theta _{\frac {1}{2}}(0)=\textstyle {\frac {1}{2}}}$ erreicht man, dass die Gleichungen

${\displaystyle \Theta _{\frac {1}{2}}(x)={\tfrac {1}{2}}(\operatorname {sgn} {(x)}+1)}$ und damit auch

${\displaystyle \Theta _{\frac {1}{2}}(-x)=1-\Theta _{\frac {1}{2}}(x)}$

für alle reellen ${\displaystyle x}$ gültig sind.

Eine Integralrepräsentation der Heaviside-Sprungfunktion lautet wie folgt:

${\displaystyle \Theta (x)=-\lim _{\varepsilon \to 0}{1 \over 2\pi i}\int _{-\infty }^{\infty }{1 \over \tau +i\varepsilon }e^{-ix\tau }\,\mathrm {d} \tau }$

Eine weitere Repräsentation ist gegeben durch

${\displaystyle \Theta (x)=\lim _{\varepsilon \to 0}{1 \over \pi }\left[\arctan \left({x \over \varepsilon }\right)+{\pi \over 2}\right]}$

Eigenschaften

Differenzierbarkeit

Die Heaviside-Funktion ist weder im klassischen Sinne differenzierbar noch ist sie schwach differenzierbar. Dennoch kann man über die Theorie der Distributionen eine Ableitung definieren. Die Ableitung der Heaviside-Funktion in diesem Sinne ist die diracsche Delta-Distribution, die in der Physik zur Beschreibung von punktförmigen Quellen von Feldern Verwendung findet.

${\displaystyle {\frac {\mathrm {d} }{\mathrm {d} x}}\Theta (x)=\delta (x)}$

Eine heuristische Begründung für diese Formel erhält man, wenn man ${\displaystyle \Theta (x)}$ und ${\displaystyle \delta (x)}$ geeignet approximiert, z. B. durch

${\displaystyle \Theta _{\epsilon }(x):={\begin{cases}0&x<(-\epsilon )\\\left({\frac {1}{2}}+{\frac {x}{2\epsilon }}\right)&|x|\leq \epsilon \\1&x>\epsilon \,,\end{cases}}}$

sowie

${\displaystyle \delta _{\epsilon }(x):={\begin{cases}0&|x|>\epsilon \\{\frac {1}{2\epsilon }}&|x|\leq \epsilon \,,\end{cases}}}$

wobei jeweils der Grenzwert ${\displaystyle \lim _{\epsilon \searrow 0}}$ betrachtet wird.

Alternativ kann eine differenzierbare Annäherung an die Heaviside-Funktion durch eine entsprechend normierte Sigmoidfunktion erreicht werden.

Integration

Eine Stammfunktion der Heaviside-Sprungfunktion erhält man durch Aufspaltung des Integrals nach den beiden Fällen ${\displaystyle x<0}$ und ${\displaystyle x\geq 0}$ aus der Fallunterscheidung in der Definition:

• Für ${\displaystyle x>0}$ gilt

  ${\displaystyle {\begin{aligned}\int _{-\infty }^{x}\Theta \!\left(t\right)\,\mathrm {d} t&=\int _{-\infty }^{x}\left\{{\begin{alignedat}{2}0&{\text{,}}&\quad &{\text{falls }}t<0\\1&{\text{,}}&&{\text{falls }}t\geq 0\end{alignedat}}\right.\,\mathrm {d} t=\int _{-\infty }^{0}\left\{{\begin{alignedat}{2}0&{\text{,}}&\quad &{\text{falls }}t<0\\1&{\text{,}}&&{\text{falls }}t\geq 0\end{alignedat}}\right.\,\mathrm {d} t+\int _{0}^{x}\left\{{\begin{alignedat}{2}0&{\text{,}}&\quad &{\text{falls }}t<0\\1&{\text{,}}&&{\text{falls }}t\geq 0\end{alignedat}}\right.\,\mathrm {d} t\\&=\int _{-\infty }^{0}0\,\mathrm {d} t+\int _{0}^{x}1\,\mathrm {d} t=\int _{0}^{x}1\,\mathrm {d} t={\Big [}t{\Big ]}_{0}^{x}=x\end{aligned}}}$

• Für ${\displaystyle x\leq 0}$ tritt sogar nur der erste Fall ein und es gilt

  ${\displaystyle \int _{-\infty }^{x}\Theta \!\left(t\right)\,\mathrm {d} t=\int _{-\infty }^{x}\left\{{\begin{alignedat}{2}0&{\text{,}}&\quad &{\text{falls }}t<0\\1&{\text{,}}&&{\text{falls }}t\geq 0\end{alignedat}}\right.\,\mathrm {d} t=\int _{-\infty }^{x}0\,\mathrm {d} t=0}$.

Zusammengenommen gilt also

${\displaystyle \int _{-\infty }^{x}\Theta \!\left(t\right)\,\mathrm {d} t=\left\{{\begin{alignedat}{2}0&{\text{,}}&\quad &{\text{falls }}x\leq 0\\x&{\text{,}}&&{\text{falls }}x>0\end{alignedat}}\right.}$

beziehungsweise

${\displaystyle \int _{-\infty }^{x}\Theta \!\left(t\right)\,\mathrm {d} t=\max \left\{0,x\right\}}$.

Die Menge aller Stammfunktionen der Heaviside-Funktion ist damit

${\displaystyle \int \Theta \!\left(t\right)\,\mathrm {d} t=\max \left\{0,x\right\}+C}$.

Siehe auch

• Fermi-Verteilung
• Schwellenwert (Elektronik), Schwellenwertverfahren
• Föppl-Klammer
• Rechteckfunktion
• Sprungantwort
• Vorzeichenfunktion

Weblinks

• Eric W. Weisstein: Heaviside Step Function. In: MathWorld (englisch).