Maksimum ilke - Maximum principle - Wikipedia

Matematiksel alanlarda kısmi diferansiyel denklemler ve geometrik analiz, maksimum ilke çalışmasında temel öneme sahip sonuçların ve tekniklerin bir koleksiyonunu ifade eder. eliptik ve parabolik diferansiyel denklemler.

En basit durumda, iki değişkenli bir işlevi düşünün sen(x,y) öyle ki

zayıf maksimum ilkesi, bu ayarda, herhangi bir açık ön sıkıştırma alt kümesi için M etki alanının senmaksimum sen kapanışında M sınırında elde edilir M. güçlü maksimum ilkesi öyle diyor, sürece sen sabit bir fonksiyondur, maksimuma da herhangi bir yerde ulaşılamaz M kendisi.

Bu tür ifadeler, verilen diferansiyel denklemin çözümlerinin çarpıcı bir niteliksel resmini verir. Böylesi niteliksel bir resim, birçok çeşit diferansiyel denkleme genişletilebilir. Çoğu durumda, bu tür maksimum ilkeler, diferansiyel denklemlerin çözümleri hakkında kesin nicel sonuçlar çıkarmak için de kullanılabilir; gradyan. Aynı anda tüm durumlar için geçerli olan tek veya en genel maksimum ilke yoktur.

Nın alanında dışbükey optimizasyon, maksimum değerin a olduğunu iddia eden benzer bir ifade vardır. dışbükey işlev bir kompakt dışbükey küme ulaşılır sınır.[1]

Sezgi

Güçlü maksimum prensibinin kısmi bir formülasyonu

Burada en basit durumu ele alıyoruz, ancak aynı düşünce daha genel senaryolara genişletilebilir. İzin Vermek M Öklid uzayının açık bir alt kümesi olsun ve sen olmak C2 işlev açık M öyle ki

her biri için nerede ben ve j 1 ile n, aij bir fonksiyon M ile aij = aji.

Bazı seçenekleri düzeltin x içinde M. Göre spektral teorem doğrusal cebirin, matrisin tüm özdeğerleri [aij(x)] gerçektir ve birimdik bir temeli vardır n özvektörlerden oluşur. Özdeğerleri şu şekilde göster: λben ve karşılık gelen özvektörler vben, için ben 1'den n. Ardından, noktada diferansiyel denklem x, şu şekilde yeniden ifade edilebilir:

Maksimum ilkesinin özü, her bir özdeğerin pozitif olması durumunda (diferansiyel denklemin "eliptikliğinin" belirli bir formülasyonuna karşılık gelirse), yukarıdaki denklemin, çözümün yönlü ikinci türevlerinin belirli bir dengesini empoze ettiği şeklindeki basit gözlemdir. Özellikle, yönlü ikinci türevlerden biri negatifse, diğeri pozitif olmalıdır. Varsayımsal bir noktada sen maksimize edildiğinde, tüm yönlü ikinci türevler otomatik olarak pozitif değildir ve yukarıdaki denklem tarafından temsil edilen "dengeleme", tüm yönlü ikinci türevlerin aynı şekilde sıfır olmasını gerektirir.

Bu temel muhakemenin, bazı ekstra varsayımlar (örneğin süreklilik gibi) altında belirten güçlü maksimum ilkesinin sonsuz küçük bir formülasyonunu temsil ettiği iddia edilebilir. a), bu sen bir nokta varsa sabit olmalıdır M nerede sen maksimize edilmiştir.

Daha genel kısmi diferansiyel denklem dikkate alınırsa, yukarıdaki muhakemenin etkilenmediğini unutmayın.

çünkü eklenen terim herhangi bir varsayımsal maksimum noktada otomatik olarak sıfırdır. Muhakeme, daha genel bir durum düşünülürse de etkilenmez.

Katı bir eşitsizlik varsa, tam bir çelişkiye sahip olmanın ekstra fenomeni bile not edilebilir (> ziyade ) bu durumda varsayımsal maksimum noktada. Bu fenomen, klasik zayıf maksimum ilkesinin resmi ispatında önemlidir.

Güçlü maksimum prensibinin uygulanmaması

Bununla birlikte, yukarıdaki mantık, koşul dikkate alındığında artık geçerli değildir.

şu andan itibaren, varsayımsal maksimum noktasında değerlendirildiği şekliyle "dengeleme" koşulu sen, yalnızca açıkça pozitif olmayan miktarların ağırlıklı ortalamasının pozitif olmadığını söylüyor. Bu önemsiz bir şekilde doğrudur ve bu nedenle ondan önemsiz bir sonuç çıkarılamaz. Bu, herhangi bir sayıda somut örnekle yansıtılır, örneğin

ve orijini içeren herhangi bir açık bölgede, işlev x2y2 kesinlikle bir maksimum var.

Doğrusal eliptik PDE için klasik zayıf maksimum ilkesi

Temel fikir

İzin Vermek M Öklid uzayının açık bir alt kümesini gösterir. Pürüzsüz bir işlev ise bir noktada maksimize edilir p, sonra otomatik olarak:

  • matris eşitsizliği olarak.

Kısmi diferansiyel denklem, bir fonksiyonun çeşitli türevleri arasındaki cebirsel bir ilişkinin dayatılması olarak görülebilir. Öyleyse, eğer sen Kısmi diferansiyel denklemin çözümü ise, yukarıdaki koşulların birinci ve ikinci türevleri üzerinde olması mümkündür. sen bu cebirsel ilişkiye bir çelişki oluşturur. Maksimum prensibinin özü budur. Açıktır ki, bu fikrin uygulanabilirliği büyük ölçüde söz konusu kısmi diferansiyel denkleme bağlıdır.

Örneğin, eğer sen diferansiyel denklemi çözer

o zaman sahip olmak açıkça imkansızdır ve etki alanının herhangi bir noktasında. Dolayısıyla, yukarıdaki gözlemi takiben, sen maksimum bir değer almak için. Onun yerine sen diferansiyel denklemi çözdü o zaman böyle bir çelişki olmazdı ve şimdiye kadar verilen analiz ilginç bir şey ifade etmiyor. Eğer sen diferansiyel denklemi çözdü o zaman aynı analiz şunu gösterecektir: sen minimum bir değer alamaz.

Böyle bir analizin olasılığı, kısmi diferansiyel denklemlerle sınırlı bile değildir. Örneğin, eğer öyle bir işlevdir ki

Bu bir tür "yerel olmayan" diferansiyel denklemdir, sonra sağ tarafın otomatik katı pozitifliği, yukarıdaki ile aynı analizle şunu gösterir: sen maksimum değere ulaşılamaz.

Bu tür bir analizin uygulanabilirliğini çeşitli şekillerde genişletmek için birçok yöntem vardır. Örneğin, eğer sen harmonik bir fonksiyondur, bu durumda yukarıdaki türden bir çelişki doğrudan meydana gelmez, çünkü bir noktanın varlığı p nerede gerekliliğe aykırı değil her yerde. Ancak, keyfi bir gerçek sayı için düşünülebilir. s, işlev sens tarafından tanımlandı

Bunu görmek çok basit

Yukarıdaki analize göre, eğer sonra sens maksimum değere ulaşılamaz. Sınırı şöyle düşünmek isteyebilir: s sonuca varmak için 0'a sen ayrıca bir maksimum değere ulaşılamaz. Bununla birlikte, maksimumları olmayan bir fonksiyon dizisinin noktasal limitinin maksimuma sahip olması mümkündür. Yine de, eğer M öyle bir sınırı var M sınırıyla birlikte kompakt, sonra varsayalım ki sen sürekli olarak sınıra genişletilebilir, hemen ardından her iki sen ve sens maksimum değere ulaşmak Bunu gösterdiğimizden beri sens, bir işlev olarak M, bir maksimuma sahip değil, maksimum noktasını takip ediyor sens, herhangi s, açık Sıralı kompaktlığı ile en fazla sen ulaşıldı Bu zayıf maksimum ilkesi harmonik fonksiyonlar için. Bu, tek başına maksimum değerin olasılığını dışlamaz. sen ayrıca bir yerde elde edildi M. Bu, daha fazla analiz gerektiren "güçlü maksimum ilkesinin" içeriğidir.

Belirli işlevin kullanımı yukarıda çok önemsizdi. Önemli olan tek şey, sınıra kadar sürekli uzanan ve Laplacian'ı kesinlikle olumlu olan bir işleve sahip olmaktı. Yani, örneğin,

aynı etkiyle.

Doğrusal eliptik PDE için klasik güçlü maksimum ilkesi

İspatın özeti

İzin Vermek M Öklid uzayının açık bir alt kümesi olabilir. İzin Vermek maksimum değerine ulaşan iki kez türevlenebilir bir işlev olabilir C. Farz et ki

Aşağıdakileri bulabileceğinizi (veya varlığını kanıtlayabileceğinizi) varsayalım:

  • kompakt bir alt küme Ω nın-nin M, içi boş olmayan, öyle ki sen(x) < C hepsi için x içinde Ωve öyle ki var x0 sınırında Ω ile sen(x0) = C.
  • sürekli bir işlev iç kısmında iki kez türevlenebilir olan Ω Ve birlikte
ve öyle ki biri var sen + hC sınırında Ω ile h(x0) = 0

Sonra L(sen + hC) ≥ 0 açık Ω ile sen + hC ≤ 0 sınırında Ω; maksimum zayıflık ilkesine göre, birinin sen + hC ≤ 0 açık Ω. Bunu söylemek için yeniden düzenlenebilir

hepsi için x içinde Ω. Bir seçim yapabilirse h sağ tarafın açıkça olumlu bir yapıya sahip olması için, o zaman bu şu gerçeğe bir çelişki sağlayacaktır: x0 maksimum noktası sen açık M, böylece eğiminin kaybolması gerekir.

Kanıt

Yukarıdaki "program" yürütülebilir. Seç Ω küresel bir halka olmak; merkezini seçer xc kapalı sete daha yakın bir nokta olmak sen−1(C) kapalı sete göre Mve dış yarıçap R bu merkezden uzaklığa sen−1(C); İzin Vermek x0 bu ikinci kümede mesafeyi fark eden bir nokta olabilir. İç yarıçap ρ keyfi. Tanımlamak

Şimdi sınırı Ω iki alandan oluşur; dış kürede biri var h = 0; seçimi nedeniyle R, birinde var senC bu kürede ve bu yüzden sen + hC ≤ 0 şartla birlikte sınırın bu kısmında tutar h(x0) = 0. İç küre üzerinde sen < C. Sürekliliği nedeniyle sen ve iç kürenin kompaktlığı, seçilebilir δ > 0 öyle ki sen + δ < C. Dan beri h bu iç küre üzerinde sabittir, seçilebilir ε > 0 öyle ki sen + hC iç kürede ve dolayısıyla tüm sınırda Ω.

Doğrudan hesaplama gösterir

Sağ tarafın negatif olmayacağının garanti edilebileceği çeşitli koşullar vardır; aşağıdaki teoremin ifadesine bakın.

Son olarak, yönsel türevinin h -de x0 halkanın içe dönük radyal çizgisi boyunca kesinlikle pozitiftir. Yukarıdaki özette açıklandığı gibi, bu, yönsel bir türevinin olmasını sağlayacaktır. sen -de x0 sıfırdan farklıdır, aykırı olarak x0 maksimum nokta olmak sen açık sette M.

Teoremin ifadesi

Aşağıda, Hopf'un (1927) orijinal ifadesinin ardından Morrey ve Smoller'ın kitaplarında teoremin ifadesi yer almaktadır:

İzin Vermek M Öklid uzayının açık bir alt kümesi olmak n. Her biri için ben ve j 1 ile n, İzin Vermek aij ve bben sürekli işlevler olmak M ile aij = aji. Varsayalım ki herkes için x içinde Msimetrik matris [aij] pozitif tanımlıdır. Eğer sen sabit değil C2 işlev açık M öyle ki

açık M, sonra sen maksimum değere ulaşmıyor M.

Süreklilik varsayımının amacı, sürekli fonksiyonların kompakt kümeler üzerinde sınırlandırılmasıdır, burada ilgili kompakt küme ispatta görünen küresel halkadır. Ayrıca, aynı ilkeye göre, bir numara vardır λ öyle ki herkes için x annulusta, matris [aij(x)] tüm özdeğerleri büyük veya eşittir λ. Biri sonra alır αispatta görüldüğü gibi, bu sınırlara göre büyük olmak. Evans'ın kitabının, pozitif bir sayı olduğu varsayılan biraz daha zayıf bir formülasyonu var. λ özdeğerlerinin alt sınırı olan [aij] hepsi için x içinde M.

İspatın işe yaraması için bu süreklilik varsayımlarının mümkün olan en genel varsayımlar olmadığı açıktır. Örneğin, Gilbarg ve Trudinger'in aynı kanıtı takip eden teoremi açıklaması şu şekildedir:

İzin Vermek M Öklid uzayının açık bir alt kümesi olmak n. Her biri için ben ve j 1 ile n, İzin Vermek aij ve bben işlevler açık olmak M ile aij = aji. Varsayalım ki herkes için x içinde Msimetrik matris [aij] pozitif tanımlıdır ve λ (x) en küçük özdeğerini gösterir. Farz et ki ve sınırlı fonksiyonlardır M her biri için ben 1 ile n. Eğer sen sabit değil C2 işlev açık M öyle ki

açık M, sonra sen maksimum değere ulaşmıyor M.

Bu ifadeler, halihazırda tek boyutlu durumda görüldüğü gibi, genel ikinci dereceden doğrusal eliptik denkleme saf bir şekilde genişletilemez. Örneğin, sıradan diferansiyel denklem y″ + 2y = 0 kesinlikle iç maksimumları olan sinüzoidal çözümlere sahiptir. Bu, kişinin genellikle "özfonksiyon" denklemlerine çözüm bulduğu daha yüksek boyutlu duruma kadar uzanır. Δsen + cu = 0 iç maksimumları olan. İşareti c tek boyutlu durumda da görüldüğü gibi konuyla ilgilidir; örneğin çözümler y″ - 2y = 0 üsteldir ve bu tür fonksiyonların maksimumlarının karakteri, sinüzoidal fonksiyonlarınkinden oldukça farklıdır.

Ayrıca bakınız

Notlar

  1. ^ Bölüm 32 Rockafellar (1970).

Referanslar

Araştırma makaleleri

  • Calabi, E. Riemann geometrisine bir uygulama ile E. Hopf'un maksimum ilkesinin bir uzantısı. Duke Math. J. 25 (1958), 45–56.
  • Cheng, S.Y .; Yau, S.T. Riemann manifoldları üzerindeki diferansiyel denklemler ve geometrik uygulamaları. Comm. Pure Appl. Matematik. 28 (1975), hayır. 3, 333–354.
  • Gidas, B .; Ni, Wei Ming; Nirenberg, L. Simetri ve maksimum ilkesi ile ilgili özellikler. Comm. Matematik. Phys. 68 (1979), hayır. 3, 209–243.
  • Gidas, B .; Ni, Wei Ming; Nirenberg, L.Doğrusal olmayan eliptik denklemlerin pozitif çözümlerinin simetrisi Rn. Matematiksel analiz ve uygulamalar, Bölüm A, s. 369–402, Adv. matematikte. Suppl. Stud., 7a, Academic Press, New York-Londra, 1981.
  • Hamilton, Richard S. Pozitif eğrilik operatörlü dört manifoldlar. J. Differential Geom. 24 (1986), hayır. 2, 153–179.
  • E. Hopf. Elementare Bemerkungen Über die Lösungen partieller Differentialgleichungen zweiter Ordnung vom elliptischen Typus. Sitber. Preuss. Akad. Wiss. Berlin 19 (1927), 147-152.
  • Hopf, Eberhard. İkinci mertebeden doğrusal eliptik diferansiyel denklemler üzerine bir açıklama. Proc. Amer. Matematik. Soc. 3 (1952), 791–793.
  • Nirenberg, Louis. Parabolik denklemler için güçlü bir maksimum ilke. Comm. Pure Appl. Matematik. 6 (1953), 167–177.
  • Omori, Hideki. Riemann manifoldlarının izometrik daldırmaları. J. Math. Soc. Japonya 19 (1967), 205–214.
  • Yau, Shing Tung. Tam Riemann manifoldları üzerindeki harmonik fonksiyonlar. Comm. Pure Appl. Matematik. 28 (1975), 201–228.

Ders kitapları

  • Caffarelli, Luis A.; Xavier Cabre (1995). Tamamen Doğrusal Olmayan Eliptik Denklemler. Providence, Rhode Island: Amerikan Matematik Derneği. sayfa 31–41. ISBN  0-8218-0437-5.
  • Evans, Lawrence C. Kısmi diferansiyel denklemler. İkinci baskı. Matematikte Lisansüstü Çalışmalar, 19. American Mathematical Society, Providence, RI, 2010. xxii + 749 pp. ISBN  978-0-8218-4974-3
  • Friedman, Avner. Parabolik tipte kısmi diferansiyel denklemler. Prentice-Hall, Inc., Englewood Kayalıkları, NJ 1964 xiv + 347 s.
  • Gilbarg, David; Trudinger, Neil S. ikinci mertebeden eliptik kısmi diferansiyel denklemler. 1998 baskısının yeniden basımı. Matematikte Klasikler. Springer-Verlag, Berlin, 2001. xiv + 517 s. ISBN  3-540-41160-7
  • Ladyženskaja, O. A .; Solonnikov, V. A .; Uralʹceva, N. N. Parabolik tipte doğrusal ve yarı doğrusal denklemler. S. Smith tarafından Rusça'dan çevrilmiştir. Mathematical Monographs, Vol. 23 Amerikan Matematik Derneği, Providence, R.I. 1968 xi + 648 s.
  • Ladyzhenskaya, Olga A .; Ural'tseva, Nina N. Doğrusal ve yarı doğrusal eliptik denklemler. Rusça'dan Scripta Technica, Inc. tarafından çevrilmiştir. Çeviri editörü: Leon Ehrenpreis. Academic Press, New York-Londra 1968 xviii + 495 s.
  • Lieberman, Gary M. İkinci dereceden parabolik diferansiyel denklemler. World Scientific Publishing Co., Inc., River Edge, NJ, 1996. xii + 439 s. ISBN  981-02-2883-X
  • Morrey, Charles B., Jr. Varyasyonlar hesabında çoklu integraller. 1966 baskısının yeniden basımı. Matematikte Klasikler. Springer-Verlag, Berlin, 2008. x + 506 s. ISBN  978-3-540-69915-6
  • Protter, Murray H .; Weinberger, Hans F. Diferansiyel denklemlerde maksimum ilkeler. 1967 orijinalinin düzeltilmiş yeniden baskısı. Springer-Verlag, New York, 1984. x + 261 s. ISBN  0-387-96068-6
  • Rockafellar, R. T. (1970). Dışbükey analiz. Princeton: Princeton Üniversitesi Yayınları.
  • Smoller, Joel. Şok dalgaları ve reaksiyon-difüzyon denklemleri. İkinci baskı. Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften [Matematik Bilimlerinin Temel İlkeleri], 258. Springer-Verlag, New York, 1994. xxiv + 632 s. ISBN  0-387-94259-9