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克拉莫-克若尼關係式

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克喇末-克勒尼希關係式(英語:Kramers–Kronig relations)是數學上連繫復面上半可析函數實數部和虛數部的公式。此關係式常用於物理系統的線性反應函數。物理上因果關係(系統反應必須在施力之後)意味着反應函數必須符合復面上半的可析性。反之,反應函數的可析性意味着相應物理系統的因果性。此關係式以拉爾夫·克勒尼希和漢斯·克喇末為名。
中文名
克拉莫-克若尼關係式
外文名
Kramers–Kronig relations
分    類
shulikex
所屬學科
數學

克拉莫-克若尼關係式公式定義

給定一複數變數
的復值函數
,其中
是實值函數。假設此函數
在複數平面上半部可析,且當
趨向無限大時,它在上半平面趨於零的速度比
快或與之相等,那麼
滿足以下關係:
其中
表示柯西主值 [1]  因此可析函數的實部和虛部並不獨立:函數的一部分可以重建整個函數 [2] 

克拉莫-克若尼關係式推導

推導克喇末-克勒尼希關係式是留數定理的基本應用。對任何復面上半可析函數
和實數
函數
在復面上半可析。
選用實軸上的路徑、跳過任何實軸上極點、再以復面上半圓完成。把積分分解成三部分。其中半圓部分長度和
成正比,因此只要
消失比
快,對半圓部分積分趨向零。因此積分只剩實軸上直線部和跳過極點的小半圓:
以上第二項留數定理的結果。重組後得到克喇末-克勒尼希關係式:
分母裏的虛數
意味者這是連繫實部和虛部的公式。把
分解成實部和虛部可輕易得到更早的公式。

克拉莫-克若尼關係式物理理解

可以將Kramers-Kronig關係應用於響應函數理論。物理上,響應函數
概括系統對在時間
的作用力
在另一時間
的反應
因為系統不能在施力前有任何反應因此當
。 可以證明這因果關係意味着
傅立葉變換
復面上半可析。另外如果我們施加系統一個遠高於它最高共振頻率的高頻作用力,此時作用力轉換太快而系統不能即時做出反應,因此
很大時,
會趨近於0。從這些物理考量,可知物理反應函數
通常符合克喇末-克勒尼希關係式的前提條件。
反應函數
的虛部和作用力異相。它概括系統如何消散能量。因此利用克喇末-克勒尼希關係,我們可以透過觀察系統能量消耗而得到它對作用力的同相(不做功)反應,反之亦然。
上述函數的積分路徑是從
,其中出現了負頻率。幸運的是,多數系統中,正頻響應決定了負頻響應,這是因為
是實數變量
的傅里葉變換,根據對實數進行傅里葉變換的性質,
是頻率
的偶函數,而
的奇函數。
根據該性質,積分可以從正負無窮區間約化為
的區間上。考慮實部
的第一個關係,積分函數上下同乘
可得:
由於
為奇函數,第二項為零,剩下的部分為
類似的推導亦可用於虛部:
該 Kramers-Kronig 關係在物理響應函數上的很有用處。
參考資料
  • 1.    滕斌, 勾瑩, 寧德志. 波浪與結構物作用分析的一種高階邊界元方法——自由項和柯西主值積分的直接數值計算[J]. 海洋學報, 2006, 28(1):132-138.
  • 2.    BoShen Lai. 透過克拉莫克諾尼關係式從介電係數預測介電損耗之方法[J]. 台灣大學電信工程學研究所學位論文, 2018.