Signum-funktio

Signum-funktio eli etumerkkifunktio on matematiikassa erikoisfunktio, joka saa arvoksi vain lukuja –1, 0 ja 1. Muita arvoja se ei saa. Funktion nimi tulee latinan sanasta signum, joka tarkoittaa merkkiä. Lausekkeissa funktion nimenä käytetään kolmikirjaimista lyhennettä sgn^[1], jolloin lauseke voidaan merkitä esimerkiksi

${\displaystyle f(x)=\operatorname {sgn}(-7)+\operatorname {sgn}(x^{2}-4).}$ ^[1]

Funktio onkin määritelty tietokoneiden ohjelmointikieliä varten, jotta laskelmissa voidaan määrittää lausekkeen tuloksen merkki ja käyttää sitä tietoa hyväksi.

Funktion saamat arvot tulevat argumentin merkin mukaan seuraavasti. Jos argumentti on negatiivinen, saa signum arvokseen –1, jos argumentti on nolla, saa signum arvokseen 0 ja jos argumentti on positiivinen, tulee signumin arvoksi +1 ^[1]. Plus-merkki ja miinus-merkki tulkitaan signum-funktiossa luvuiksi +1 ja –1 ^[2][3][4][5]. Tämä voidaan esittää reaaliluvuilla paloittaisena esityksenä

${\displaystyle \operatorname {sgn} x=\left\{{\begin{matrix}-1,&{\text{kun}}&x<0\\0,&{\text{kun}}&x=0\\1,&{\text{kun}}&x>0.\end{matrix}}\right.}$ ^[1]

Kun ${\displaystyle x\neq 0}$, se voidaan laskea myös muodossa

${\displaystyle \operatorname {sgn} x={\frac {x}{|x|}},}$ ^[1]

missä ${\displaystyle |x|}$ tarkoittaa ${\displaystyle x}$:n itseisarvoa. Se voidaan ilmaista myös erään yksiportaisen askelfunktion Heavisiden funktion ${\displaystyle H(x)}$ avulla:

${\displaystyle \operatorname {sgn} x=2H(x)-1.}$ ^[1]

Signum-funktio on pariton funktio, sillä positiiviselle luvulle ${\displaystyle a>0}$ pätee ${\displaystyle \operatorname {sgn}(-a)=-1=-(+1)=-\operatorname {sgn} a,}$ koska ${\displaystyle \operatorname {sgn} a=+1}$.

Signumin avulla voidaan laskea itseisarvo ${\displaystyle |x|=x\operatorname {sgn} x}$.^[6] Toisaalta voidaan kirjoittaa myös ${\displaystyle x=|x|\operatorname {sgn} x}$.

Reaalilukujen kertolaskun merkkisääntö voidaan ilmaista ${\displaystyle \operatorname {sgn}(x\cdot y)=\operatorname {sgn} x\cdot \operatorname {sgn} y}$. Vastaava pätee osamäärällekin.

Signum voidaan yhdistää itsensä kanssa yhdistetyksi funktioksi, mutta se ei muuta sen arvoa: ${\displaystyle \operatorname {sgn}(\operatorname {sgn} x)=\operatorname {sgn} x}$.

Signum on jatkuva funktio kaikkialla paitsi origossa, missä vasemmanpuoleinen raja-arvo on ${\displaystyle \textstyle \lim _{x\to 0 \atop x<0}\operatorname {sgn} x=-1\neq \operatorname {sgn} 0}$ ja oikeanpuoleinen raja-arvo ${\displaystyle \textstyle \lim _{x\to 0 \atop x>0}\operatorname {sgn}(x)=1\neq \operatorname {sgn}(0)}$.

Signumin määrittäminen kompleksiluvuille voidaan tehdä eri tavoin. Jos luku ${\displaystyle z=x+yi\ (\neq 0)}$ on kompleksiluku, määritetään sen merkki

${\displaystyle \operatorname {sgn} z={\frac {z}{|z|}},}$

missä itseisarvo ${\displaystyle |z|={\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}$, ja muuten ${\displaystyle \operatorname {sgn}(0+0i)=0}$. Sama asia voidaan kirjoittaa myös

${\displaystyle \operatorname {sgn} z={\frac {z}{|z|}}=e^{i\theta },}$

missä ${\displaystyle \theta =\arg(z)}$. Kun signum reaaliluvulla tarkoittaa yleensä arvoa ±1, on signum kompleksiluvuilla yleensä lukua, joka sijaitsee kompleksitason origokeskeisellä yksikköympyrällä eli ${\displaystyle \{z\in \mathbb {C} \mid |z|=1\}.}$ ^[6] Kun kompleksiluku esitetään muodossa ${\displaystyle z=x+yi}$, tulee kaava muotoon

${\displaystyle \operatorname {sgn}(x+yi)={\frac {x+yi}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}.}$ ^[7]

Kaikille kompleksiluvuille ${\displaystyle z}$ ja niiden kompleksikonjugaateille ${\displaystyle {\overline {z}}}$ on voimassa ${\displaystyle z\operatorname {sgn} {\overline {z}}=|z|}$.^[6]

Kompleksilukujen signum-funktiolle on osoitettavissa seuraavia ominaisuuksia:

• ${\displaystyle \operatorname {sgn}(z_{1}\cdot z_{2})=\operatorname {sgn} z_{1}\cdot \operatorname {sgn} z_{2}}$ (tulon merkkisääntö)
• ${\displaystyle \operatorname {sgn}(\lambda \cdot z)=\operatorname {sgn} z}$ positiiviselle reaaliluvulle ${\displaystyle \lambda }$
• ${\displaystyle \operatorname {sgn}(\lambda \cdot z)=-\operatorname {sgn} z}$ negatiiviselle reaaliluvulle ${\displaystyle \lambda }$
• ${\displaystyle \operatorname {sgn}(-z)=-\operatorname {sgn} z}$ (pariton funktio kompleksiluvuille)
• ${\displaystyle \operatorname {sgn} (|z|)=|\operatorname {sgn} (z)|}$
• ${\displaystyle \operatorname {sgn}({\bar {z}})={\overline {\operatorname {sgn} z}}}$ kompleksilukujen konjugaateille
• ${\displaystyle \operatorname {sgn} \left({\frac {1}{z}}\right)={\frac {1}{\operatorname {sgn} z}}={\overline {\operatorname {sgn} z}},}$ kun ${\displaystyle z\neq 0}$.

Signum-funktiolla on derivaatta (joka on nolla) kaikkialla muualla paitsi origossa, joka on epäjatkuvuuskohta. Distibuutioteoriassa voidaan kuitenkin kirjoittaa

${\displaystyle D\operatorname {sgn}(x)=2\delta (x),}$

missä ${\displaystyle \delta (x)}$ on Diracin deltafunktio. Signumin yleinen integraali on

${\displaystyle \int \operatorname {sgn}(t)\,dt=|x|+C.}$ ^[6]

• Oppenheim, Alan V.; Willsky Alan S.; with Nawab, Syed Hamid: Signals and Systems, s. 1–957. Prentice-Hall Signal Processing Series, 1997 (1983). ISBN 0-13-651175-9.

Wikimedia Commonsissa on kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Signum-funktio.

• Mathematik: Die Signumfunktion (saksaksi)
• LipsWork: Signum function(englanniksi)