Профіль Фойгта — розподіл ймовірностей, заданий згорткою лоренціана (розподілу Коші-Лоренца) та гауссіана (нормального розподілу). Його часто використовують для аналізу форму спектрільних ліній. Названий на честь Вольдемара Фойгта.

Визначення Без втрати загальності ми можемо розглядати лише центровані профілі, які мають пік в нулі. Тоді профіль Фойгта дається формулою

де x — відстань від центру лінії,  — гауссіан (нормальний розподіл)

і  — лоренциан (розподіл Коші-Лоренца)

Інтеграл у визначенні профіля Фойгта можна також виразити як

де Re[w(z)] — дійсна частина обчислена для

У граничних випадках і профіль Фойгта спрощується до і відповідно.

Застосування У спектроскопії профіль Фойгта є результатом згортки двох механізмів розширення, один з яких створює гаусівський профіль (зазвичай, у результаті доплерівського розширення), а інший створює лоренцівський профіль. Профілі Фойгта поширені в багатьох галузях спектроскопії та дифракції. Через витрати на обчислення профіль Фойгта іноді апроксимується за допомогою псевдофойгтівського профілю.

Властивості Профіль Фойгта нормалізований,

оскільки він є згорткою двох нормалізованих профілів. Профіль Лоренца не має моментів (крім нульового), і твірна функція моментів для розподілу Коші невизначена, тому профіль Фойгта також не має твірної функції моментів. З іншого боку, характеристична функція визначена і для розподілу Коші, і для нормального розподілу. Тоді характеристична функція для центрованого профілю Фойгта буде добутком двох характеристичних функцій:

Оскільки нормальний розподіл та розподіл Коші є стійкими розподілами, кожен з них є замкнутим відносно згортки (з точності до зміни масштабу), і з цього випливає, що розподіли Фойгта також замкнутий відносно згортки.

Кумулятивна функція розподілу Використовуючи наведене вище визначення для z, кумулятивну функцію розподілу можна знайти таким чином:

Підставляючи визначення (масштабованої комплексної функції похибок), отримуємо для невизначеного інтеграла:

що може бути пораховано як

де є гіпергеометричною функцією. Для того, щоб функція наближалася до нуля, коли x наближається до мінус нескінченності, необхідно додати константу інтегрування 1/2. Це дає для кумулятивної функції розподілу Фойгта

Нецентрований профіль Фойгта Якщо гаусіан центрований в , а лоренціан — на , то центр згортки знаходиться в , а характеристична функція має вигляд:

Функція густини ймовірності просто зсувається від центрованого профілю на :

де

.

Мода та медіана розташовані в точці .

Похідні

Використовуючи наведене вище визначення для і , першу та другу похідні від розподілу можна виразити через :

і

відповідно.

Часто один або декілька профілів Фойгта або їхні відповідні похідні потрібно підігнати до виміряного сигналу за допомогою . Тоді для прискорення обчислень можна використовувати додаткові частинні похідні. Замість апроксимації матриці Якобі за параметрами , , і за допомогою скінченних різниць можна застосувати відповідні аналітичні вирази. З позначеннями і , такі аналітичні вирази для профілю Фойгта мають вигляд:

Для частинної похідної першого порядку похідні мають вигляд:

Для частинної похідної другого порядку похідні мають вигляд:

Оскільки і відіграють відносно подібну роль у розрахунку , їх відповідні часткові похідні також виглядають досить схожими з точки зору їх структури, хоча вони призводять до абсолютно різних профілів похідних. Частинні похідні за і демонструють подібність, оскільки обидва є параметрами ширини. Усі ці похідні включають лише прості операції (множення та додавання), оскільки обчислювально важкі і легко отримати під час обчислень . Таке повторне використання попередніх обчислень дає змогу робити розрахунки з мінімальними витратами.

Функції Фойгта Функції Фойгта U, V і H (іноді їх називають функцією розширення ліній) визначаються як

де

erfc — додаткова функція помилок, а w(z) — .

Зв'язок з профілем Фойгта Функцію розширення лінії можна зв'язати з профілем Фойгта, використовуючи вираз

де

і

Числові наближення

Функція Теппера-Гарсіа Функція Теппера-Гарсіа, названа на честь німецько-мексиканського астрофізика Тора Теппера-Гарсіа, є комбінацією експоненціальної функції та раціональних функцій, яка наближає функцію розширення лінії. в широкому діапазоні його параметрів. Його отримують із розкладання в усічений степеневий ряд точної функції розширення лінії.

У своїй найбільш ефективній з точки зору обчислень формі функція Теппера-Гарсіа може бути виражена як

де , , і .

Таким чином, функцію розширення лінії можна розглядати, у першому порядку, як чисту функцію Гауса плюс поправочний коефіцієнт, який лінійно залежить від мікроскопічних властивостей поглинаючого середовища (закодований у ). Однак внаслідок раннього обрізання в розкладі ряду похибка апроксимації все ще має порядок , тобто . Це наближення має відносну точність

у всьому діапазоні довжин хвиль , за умови, що . Окрім високої точності, функція легка для реалізації і швидка в обчисленні. Вона широко використовується для аналізу ліній поглинання квазарівList of citations found in the SAO/NASA Astrophysics Data System (ADS): https://ui.adsabs.harvard.edu/abs/2006MNRAS.369.2025T/citations.

Псевдофойгтівське наближення Псевдофойгтівський профіль (або псевдофойгтівська функція) є апроксимацією профілю Фойгта V(x) з використанням лінійної комбінації кривої Гауса G(x) і кривої Лоренца L(x) замість їхньої згортки.

Псевдофойгтівська функція часто використовується для розрахунків експериментальних форм спектральних ліній.

Математичне визначення нормалізованого псевдофойгтівського профілю дається формулою

, де .

є функцією параметра ширини на піввисоті.

Є кілька можливих варіантів для параметра . Проста формула з точністю до 1 % має вигляд:

де тепер є функцією ширин на піввисоті для лоренціана (), гаусіана () і результуючої функції Фойгта (). Загальна ширина на піввисоті описується формулою

Ширина профілю Фойгта Ширина на піввисоті профілю Фойгта може бути знайдена з ширин гаусіана та лоренціана. Ширина на піввисоті гаусіана дається формулою

Ширина на піввисоті лоренціана становить

Приблизне співвідношення (з точністю до 1,2 %) між ширинами профілів Фойгта, Гаусса та Лоренца дається формулою:

За побудовою цей вираз є точним для чистого гаусіана та для чистого лоренціана.

Краще наближення (вперше знайдене Кількопфом) має точність 0,02 % і дається формулою

Знову ж таки, цей вираз є точним для чистого гаусіана або лоренціана. У тій же публікації Кількопфа можна знайти дещо точніший (в межах 0,012 %), але значно складніший вираз.

Примітки

Посилання

http://jugit.fz-juelich.de/mlz/libcerf, цифрова бібліотека C для складних функцій помилок, надає функцію Фойгта(x, sigma, gamma) із точністю приблизно 13–14 цифр. Оригінальна стаття: Фойгта, Woldemar, 1912, '' Das Gesetz der Intensitätsverteilung innerhalb der Linien eines Gasspektrums '', Sitzungsbericht der Bayerischen Akademie der Wissenschaften, 25, 603 (див. також: http://publikationen.badw.de/de /003395768)