RACHUNEK OPERATOROWY MIKUSIŃSKIEGO I JEGO ZASTOSOWANIE DO RÓWNAŃ

Podobne dokumenty
Wyk lad 9 Podpierścienie, elementy odwracalne, dzielniki zera

Wyk lad 4 Dzia lania na macierzach. Określenie wyznacznika

Wyk lad 3 Wielomiany i u lamki proste

Wyk lad 11 1 Wektory i wartości w lasne

WYK LAD 2: PODSTAWOWE STRUKTURY ALGEBRAICZNE, PIERWIASTKI WIELOMIANÓW, ROZK LAD FUNKCJI WYMIERNEJ NA U LAMKI PROSTE

Wyk lad 1 Podstawowe struktury algebraiczne

Elementy analizy funkcjonalnej PRZESTRZENIE LINIOWE

Wyk lad 7 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Indeks odwzorowania zmiennej zespolonej wzgl. krzywej zamknietej

Grupy i cia la, liczby zespolone

Wyk lad 4 Macierz odwrotna i twierdzenie Cramera

Wyk lad 5 W lasności wyznaczników. Macierz odwrotna

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Niezb. ednik matematyczny. Niezb. ednik matematyczny

Ekonomia matematyczna i dynamiczna optymalizacja

Wyk lad 2 Podgrupa grupy

Wyk lad 7 Metoda eliminacji Gaussa. Wzory Cramera

Wyk lad 6 Podprzestrzenie przestrzeni liniowych

g liczb rzeczywistych (a n ) spe lnia warunek

1 Przestrzenie unitarne i przestrzenie Hilberta.

Wyk lad 12. (ii) najstarszy wspó lczynnik wielomianu f jest elementem odwracalnym w P. Dowód. Niech st(f) = n i niech a bedzie

VI. Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów

Wyk lad 4 Warstwy, dzielniki normalne

P (x, y) + Q(x, y)y = 0. g lym w obszrze G R n+1. Funkcje. zania uk ladu (1) o wykresie przebiegaja

Wyk lad 14 Cia la i ich w lasności

Dystrybucje, wiadomości wstępne (I)

Wyk lad 8 macierzy i twierdzenie Kroneckera-Capellego

Sterowalność liniowych uk ladów sterowania

Liczby zespolone, liniowa zależność i bazy Javier de Lucas. a d b c. ad bc

Wyk lad 14 Formy kwadratowe I

Funkcje analityczne. Wykład 2. Płaszczyzna zespolona. Paweł Mleczko. Funkcje analityczne (rok akademicki 2017/2018)

Wyk lad 5 Grupa ilorazowa, iloczyn prosty, homomorfizm

Przestrzenie wektorowe, liniowa niezależność Javier de Lucas

Zestaw zadań z Równań różniczkowych cząstkowych I 18/19

Sterowanie optymalne dla uk ladów nieliniowych. Zasada maksimum Pontriagina.

Kryptografia - zastosowanie krzywych eliptycznych

Wyk lad 9 Baza i wymiar przestrzeni liniowej

Przestrzenie wektorowe, liniowa niezależność wektorów, bazy przestrzeni wektorowych

Wyk lad 9 Przekszta lcenia liniowe i ich zastosowania

Rozdzia l 11. Przestrzenie Euklidesowe Definicja, iloczyn skalarny i norma. iloczynem skalarnym.

Cia la i wielomiany Javier de Lucas

PODSTAWOWE W LASNOŚCI W ZBIORZE LICZB RZECZYWISTYCH

Wersja testu A 15 lutego 2011 r. jest, że a) x R y R y 2 > Czy prawda. b) y R x R y 2 > 1 c) x R y R y 2 > 1 d) x R y R y 2 > 1.

Matematyka A, klasówka, 24 maja zania zadań z kolokwium z matematyki A w nadziei, że pope lni lem wielu b le. rozwia

Wyk lad 13 Funkcjona ly dwuliniowe

w teorii funkcji. Dwa s lynne problemy. Micha l Jasiczak

Analiza matematyczna dla informatyków 3 Zajęcia 14

Informacja o przestrzeniach Sobolewa

z n n=1 S n nazywamy sum a szeregu. Szereg, który nie jest zbieżny, nazywamy rozbieżnym. n=1

Teoria miary WPPT IIr. semestr zimowy 2009 Wyk lady 6 i 7. Mierzalność w sensie Carathéodory ego Miara Lebesgue a na prostej

Równania różniczkowe. Notatki z wykładu.

Zadania o liczbach zespolonych

Analiza funkcjonalna 1.

5. Równania różniczkowe zwyczajne pierwszego rzędu

Równania różniczkowe liniowe wyższych rzędów o stałych współcz

Analiza dla informatyków 2 DANI LI2 Pawe l Domański szkicowe notatki do wyk ladu

Układy równań i równania wyższych rzędów

F t+ := s>t. F s = F t.

Normy wektorów i macierzy

8 Całka stochastyczna względem semimartyngałów

Wersja testu D 14 września 2011 r. 1. Czy prawda jest, że a) x Z y Z y 2 = 2 ; b) x Z y Z x 2 = 1 ; c) x Z y Z x 2 = 2 ; d) x Z y Z y 2 = 1?

OSOBNO ANALITYCZNYCH

y 1 y 2 = f 2 (t, y 1, y 2,..., y n )... y n = f n (t, y 1, y 2,..., y n ) f 1 (t, y 1, y 2,..., y n ) y = f(t, y),, f(t, y) =

1 Relacje i odwzorowania

VII. Elementy teorii stabilności. Funkcja Lapunowa. 1. Stabilność w sensie Lapunowa.

Dystrybucje. Marcin Orchel. 1 Wstęp Dystrybucje Pochodna dystrybucyjna Przestrzenie... 5

Informacja o przestrzeniach Hilberta

czastkowych Państwo przyk ladowe zadania z rozwiazaniami: karpinw adres strony www, na której znajda

PEWNE ZASTOSOWANIA TEORII DYSTRYBUCJI I RACHUNKU OPERATOROWEGO W TEORII RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH

Prostota grup A n. Pokażemy, że grupy A n sa. proste dla n 5. Dowód jest indukcyjny i poprzedzimy go lematem.

Zagadnienie Dualne Zadania Programowania Liniowego. Seminarium Szkoleniowe Edyta Mrówka

Procesy Stochastyczne - Zestaw 1

Literatura: Oznaczenia:

Liczby zespolone. x + 2 = 0.

Mnożniki funkcyjne Lagrange a i funkcje kary w sterowaniu optymalnym

13. Cia la. Rozszerzenia cia l.

FUNKCJE LICZBOWE. x 1

Rozdzia l 10. Formy dwuliniowe i kwadratowe Formy dwuliniowe Definicja i przyk lady

Analiza Funkcjonalna - Zadania

Wzory Viete a i ich zastosowanie do uk ladów równań wielomianów symetrycznych dwóch i trzech zmiennych

(α + β) a = α a + β a α (a + b) = α a + α b (α β) a = α (β a). Definicja 4.1 Zbiór X z dzia laniami o wyżej wymienionych w lasnościach

Równanie przewodnictwa cieplnego (I)

13 Równanie struny drgającej. Równanie przewodnictwa ciepła.

jest ciągiem elementów z przestrzeni B(R, R)

Zagadnienia stacjonarne

ep do matematyki aktuarialnej Micha l Jasiczak Wyk lad 2 Tablice trwania życia

dkowanych par liczb rzeczywistych postaci z = (a, b). W zbiorze tym wprowadzamy dzia lania +, w naste dziemy z liczba

WYK LAD 5: GEOMETRIA ANALITYCZNA W R 3, PROSTA I P LASZCZYZNA W PRZESTRZENI R 3

1. Liczby zespolone Zadanie 1.1. Przedstawić w postaci a + ib, a, b R, następujące liczby zespolone (1) 1 i (2) (5)

Równania różniczkowe cząstkowe drugiego rzędu

Wyk lad 3 Wyznaczniki

Całka podwójna po prostokącie

dr Mariusz Grządziel 15,29 kwietnia 2014 Przestrzeń R k R k = R R... R k razy Elementy R k wektory;

A. Strojnowski - Twierdzenie Jordana 1

Zajmijmy się najpierw pierwszym równaniem. Zapiszmy je w postaci trygonometrycznej, podstawiając z = r(cos ϕ + i sin ϕ).

1 Działania na zbiorach

Zadania do wykładu Jakościowa Teoria Równań Różniczkowych Zwyczajnych

1 Określenie pierścienia

RÓWNANIA RÓŻNICZKOWE WYKŁAD 2

Transkrypt:

RACHUNEK OPERATOROWY MIKUSIŃSKIEGO I JEGO ZASTOSOWANIE DO RÓWNAŃ RÓŻNICZKOWYCH Tomasz Kochanek 1 Twierdzenie Titchmarsha Symbolem C[, ) oznaczać bedziemy przestrzeń wszystkich zespolonych funkcji ciag lych określonych na przedziale [, ), wyposażona w nastepuj ace dzia lania dodawania i mnożenia splotowego (f + g)(t) := f(t) + g(t) ; t [, ) ; (f g)(t) := f(t u)g(u) du ; t [, ) dla f, g C[, ). Bezpośrednio można sprawdzić, że powyżej określone dzia lanie splotu jest l aczne, przemienne i rozdzielne wzgledem dodawania, tj. f (g h) = (f g) h ; f g = g f ; f (g + h) = f g + f h ; dla wszystkich f, g, h C[, ). Oznacza to, że struktura algebraiczna (C[, ), +, ) jest pierścieniem przemiennym. Warto zauważyć, że jest to pierścień bez jedności. Istotnie, gdyby istnia la taka funkcja f C[, ), że f g = g dla wszystkich g C[, ), to w szczególności mielibyśmy (biorac w roli funkcji g funkcje identycznie równa 1) f(u) du = 1 dla każdego t [, ), co oczywiście jest niemożliwe, wobec ciag lości f. Bardzo g l eboka i fundamentalna jest obserwacja orzekajaca, że pierścień (C[, ), +, ) jest pierścieniem bez dzielników zera. Mianowicie zachodzi nastepuj ace s lynne Twierdzenie 1. (Titchmarsha) Za lóżmy, że funkcje f, g C[, ) sa takie, że (f g)(t) = dla t [, ). Wówczas f = lub g = na [, ). Dowód tego twierdzenia poprzedzimy kilkoma lematami. Lemat 1. (Phragména) Niech T > i za lóżmy, że funkcja g : [, T ] C jest ciag la. Wówczas dla każdego t [, T ] zachodzi równość lim x ( 1) k 1 e kx(t u) g(u) du = 1 g(u) du.

Dowód. Przy ustalonych x >, t [, T ] mamy oszacowanie ( 1) k 1 e kx(t u) g(u) MexT k ; k N, u [, T ], gdzie M := sup u [,T ] g(u). Zatem, wobec zbieżności szeregu i kryterium Weierstrassa, szereg funkcyjny e k ( 1) k 1 e kx(t u) g(u) jest zbieżny jednostajnie ze wzgledu na zmienna u. Ponadto, jego suma wynosi ( 1 exp( e x(t u) ) ) g(u). Twierdzenie o ca lkowaniu wyraz po wyrazie szeregów funkcyjnych jednostajnie zbieżnych oraz twierdzenie Lebesgue a o zbieżności zmajoryzowanej daja nam lim x ( 1) k 1 e kx(t u) g(u) du = ( lim 1 exp( e x(t u) ) ) g(u). x Przy u < t granica wystepuj aca pod ostatnia ca lka wynosi g(u), natomiast przy u t wynosi ona. Otrzymujemy stad dowodzona równość. Z udowodnionego lematu latwo wyprowadzimy wniosek mówiacy o tym, że jeśli funkcja ciag la f(t) mnożona przez funkcje kontrolne e nt, szybko rosnace do ma ca lki jednostajnie ograniczone ze wzgledu na n, to funkcja ta musi być zerowa. Dok ladniej, mamy nastepuj acy Lemat 2. że Niech T > i za lóżmy, że f : [, T ] C jest ciag la oraz istnieje taka sta la M, T e nt f(t) du < M dla wszystkich n N. Wówczas f = na [, T ]. Dowód. Dla każdego t [, T ] mamy nastepuj ace oszacowanie ( 1) k 1 e kn(t u) e kn(t T ) f(t u) du M e kn(t T ) = M ( exp(e n(t T ) ) 1 ). e kn(t u) f(t u) du Gdy t < T, wtedy ostatnie wyrażenie zbiega do przy n. Stad i z lematu 1 dostajemy f(t u) du = dla każdego t [, T ). 2

Zatem, wobec ciag lości f, mamy f = na [, T ]. Lemat 2 bedzie narzedziem s lużacym do udowodnienia twierdzenia Titchmarsha w szczególnym przypadku, mianowicie wtedy, gdy funkcje f, g wystepuj ace w jego wypowiedzi sa równe. Przejście od tego szczególnego przypadku do sytuacji ogólnej wymaga lo bedzie użycia jeszcze jednego lematu. Lemat 3. (Lercha) Niech a < b bed a liczbami rzeczywistymi i niech φ : [a, b] C bedzie funkcja ciag l a. Za lóżmy, że b dla wszystkich n N. Wówczas φ = na [a, b]. Dowód. Z za lożenia bezpośrednio wynika, że a b a x n φ(x) dx = P (x)φ(x) dx = dla każdego zespolonego wielomianu P (x). Na mocy twierdzenia Stone a - Weierstrassa, zbiór wszystkich takich wielomianów jest gesty w przestrzeni Banacha zespolonych funkcji ciag lych określonych na [a, b] z norma sup. Funkcjona l Λ : f b fφ określony na tej przestrzeni jest zatem funkcjona lem liniowym, ciag lym a i zerujacym sie na podzbiorze gestym. Jest on wobec tego zerowy. W szczególności = Λ(φ) = b a φ2. Funcja podca lkowa jest ciag la i nieujemna. Dostajemy wiec φ 2 =, czyli φ =. Dowód Twierdzenia Titchmarsha. Jak to zosta lo już wcześniej zapowiedziane, najpierw wykażemy twierdzenie w przypadku, gdy f = g. Niech T > i za lóżmy, że funkcja f C[, ) spe lnia warunek (f f)(t) = dla wszystkich t [, 2T ]. Pokażemy, że wówczas f zeruje sie na przedziale [, T ]. Z takiego stwierdzenia, biorac T dowolnie duże, można wywnioskować teze twierdzenia dla f = g. Z za lożenia mamy 2T e n(2t t) f(t u)f(u) du dt = dla dowolnego n N. Podstawmy u T v, t 2T v w. Jakobian takiego odwzorowania wynosi u u v w = 1 1 1 = 1, t v t w a obszar ca lkowania przechodzi na trójkat określony nierównościami: v T, w T, v + w. Oznaczmy ten trójkat przez, natomiast trójkat dope lniajacy go do prostokata [ T, T ] [ T, T ] oznaczmy przez. Mamy e n(v+w) f(t v)f(t w) dv dw =, skad e n(v+w) f(t v)f(t w) dv dw = e n(v+w) f(t v)f(t w) dv dw. + 3

Ca lka po lewej stronie wynosi T e nx f(t x) dx natomiast na trójkacie modu l wyrażenia e n(v+w) ograniczony jest z góry przez 1. Zatem 2 e nx f(t x) dx P M 2, gdzie M := sup f, P jest polem trójkata. Otrzymujemy e nx f(t x) dx e nx f(t x) dx + T T P M + T M. 2, T e nx f(t x) dx Na mocy lematu 2, f = na przedziale [, T ]. Jak wcześniej zauważyliśmy, dowodzi to prawdziwości twierdzenia w przypadku f = g. Ustalmy teraz dwie funkcje f, g C[, ) takie, że (f g)(t) = dla wszystkich t [, ). Oznaczmy f 1 (t) := tf(t), g 1 (t) := tg(t) dla t [, ). Wobec oczywistej równości mamy Stad (t u)f(t u)g(u) du + ug(u)f(t u) du = t (f 1 g + f g 1 )(t) = dla wszystkich t [, ). f(t u)g(u) du, = f g 1 (f 1 g + f g 1 ) = (f g) (f 1 g 1 ) + (f g 1 ) (f g 1 ) = (f g 1 ) (f g 1 ). Z udowodnionej już cz eści twierdzenia wnosimy, że f g 1 =. Innymi s lowy Powtarzajac to samo rozumowanie, dostajemy ug(u)f(t u) du = ; t [, ). u n g(u)f(t u) du = dla wszystkich: n N oraz t [, ). Korzystajac z lematu 3, mamy g(u)f(t u) = dla wszystkich t [, ), u [, t]. Gdyby istnia l punkt x taki, że g(x ), to stosujac powyższy warunek dla t x otrzymalibyśmy f = na [, ). Zatem f = lub g = na [, ). 4

2 Cia lo operatorów Mikusińskiego Wiadomość, że pierścień (C[, ), +, ) jest pierścieniem przemiennym bez dzielników zera pozwala dokonać standardowej algebraicznej konstrukcji i zbudować dla tego pierścienia odpowiadajace mu przemienne cia lo u lamków. Cia lo to oznaczać bedziemy symbolem M i nazywać cia lem operatorów Mikusińskiego, a jego elementy - operatorami Mikusińskiego. Funkcje f C[, ) oznaczać bedziemy też symbolem {f(t)}. Zauważmy, że każdy taki element f pierścienia (C[, ), +, ) może być utożsamiany z elementem cia la M, mianowicie z klasa abstrakcji reprezentowana przez u lamek {f(t)} {1}. Symbol {1} oznacza funkcje {1} identycznie równa 1, a symbol oznacza oczywiście mnożenie splotowe. Mamy wiec naturalne zanurzenie C[, ) f {f(t)} {1} {1} M. Podobnie każda liczbe zespolona α możemy utożsamiać w naturalny sposób z pewnym operatorem, mianowicie tzw. operatorem skalarnym [α] := {α} {1}, gdzie {α} oznacza funkcje identycznie równa α, rozważana jako element cia la M. Okazuje sie, że mnożenie splotowe przez operatory skalarne odpowiada zwyk lemu mnożeniu przez liczbe zespolona. Dok ladniej, zachodza nastepuj ace wzory [α + β] = [α] + [β], [αβ] = [α] [β], [α] {f(t)} = {αf(t)}, [α] {f(t)} {g(t)} = {αf(t)} {g(t)} dla wszystkich: α, β C, f, g C[, ). Mamy zatem nast epne naturalne zanurzenie C α [α] M. W ciele M istnieje oczywiście jedność. Oznaczamy ja symbolem 1 M. Jest ona u lamkiem wyznaczonym przez dowolny reprezentant c w nastepuj acy sposób 1 M = c c. Wyróżnimy teraz dwa operatory grajace szczególnie ważna role w zastosowaniach rachunku operatorów do równań różniczkowych. Operator generowany przez funkcje tożsamościowo równa 1 oznaczymy symbolem h na cześć Heaviside a (operator ten bywa także czesto oznaczany przez l): h := {1}. Operator ten zwiemy operatorem ca lkowym, co motywowane jest nastepuj acym rachunkiem { } h {f(t)} = {1} {f(t)} = f(s) ds. Operator, który jest elementem odwrotnym do h w ciele M oznaczymy symbolem s i nazwiemy operatorem różniczkowym: s := 1 M h. 5 o

W dalszym ciagu, jeśli piszemy równość operatorowa, to każda wystepuj ac a w niej liczbe zespolona rozumieć należy jako odpowiadajacy jej operator skalarny. Twierdzenie 2. Niech f C n [, ). Wówczas zachodzi nastepuj aca równość operatorowa f (n) = s n f s n 1 f()... s f (n 2) () f (n 1) (). Dowód. Mnożac obustronnie równość { {f(t)} = {f()} + } f (s) ds przez s i pamietaj ac, że s h = h s = 1 M, dostajemy teze w przypadku, gdy n = 1. Wzór dla n > 1 wynika latwo z tego przez indukcje. 3 Zastosowanie do równań różniczkowych Idea stosowania rachunku operatorowego do równań różniczkowych polega na fakcie, że operacje różniczkowania i ca lkowania w ciele M polegaja po prostu na mnożeniu przez odpowiednie operatory s i h. W ten sposób zapisanie równania różniczkowego w postaci operatorowej pozwala sprowadzić problem do rozwiazania prostego algebraicznego równania. Z uwagi na to, że po rozwiazaniu powsta lego równania algebraicznego w wyniku dostajemy operator cia la M, dodatkowo należy wiedzieć, przez jaka funkcje tenże operator jest reprezentowany. W przypadku równań różniczkowych liniowych o sta lych wspó lczynnikach lub uk ladów takich równań rozwiazanie w postaci algebraicznej zawsze wyraża sie pewna funkcja wymierna zmiennej s. Jeśli uwzglednimy to, że funkcje takie zawsze daja roz lożyć sie na u lamki proste, to wystarczajace dla nas w tym przypadku bed a nastepuj ace wzory Twierdzenie 3. Mamy dla wszystkich: n N, α C, β C \ {}. { } 1 M t n 1 (s α) = n (n 1)! eαt, (1) { } 1 M 1 (s α) 2 + β = 2 β eαt sin βt, (2) s α (s α) 2 + β 2 = { e αt cos βt } (3) Dowód. Pokażemy dowód wzoru (1). Na mocy twierdzenia 2 mamy s {e αt } = {αe αt } + 1 = α {e αt } + 1 M, 6

co dowodzi tego wzoru w przypadku n = 1. Jeśli teraz n > 1 i za lożymy prawdziwość wzoru dla n 1, to mamy { } 1 M t = {e αt n 2 } (s α) n (n 2)! eαt { 1 t } = s n 2 e αs e α(t s) ds (n 2)! { e αt } = s n 2 ds (n 2)! { } t n 1 = (n 1)! eαt, co kończy dowód indukcyjny. Przyk lad. Rozwiazać uk lad równań różniczkowych { x = x + 2y y = x + 2y z warunkami poczatkowymi x() = ξ, y() = η. Uk lad ten w postaci operatorowej przyjmuje postać { (s 1)x 2y = ξ x + (s 2)y = η. Zapisujac go w postaci macierzowej, mnożac obustronnie przez odpowiednia macierz odwrotna i zapisujac jej elementy w postaci sum u lamków zwyk lych, otrzymujemy 2 1 x + 2 1 2 1 + 2 1 3 s 3 s 3 3 s 3 s 3 ξ =. 1 1 y η 1 1 3 1 s 3 s 3 1 1 3 + 2 s 3 s 3 Stad możemy odczytać rozwiazanie operatorowe. Natomiast korzystajac ze wzoru (1) twierdzenia 3, możemy napisać przez jakie funkcje to algebraiczne rozwiazanie jest reprezentowane. Faktyczne rozwiazanie danego uk ladu ma postać x(t) = 2 3 (ξ η) + 2 3 e 3t (ξ + η), y(t) = 1 3 (ξ + η) 1 3 e 3t (ξ η). Rachunek operatorowy daje istotna korzyść w porównaniu ze zwyk l a metoda rozwiazywania równań różniczkowych liniowych o sta lych wspó lczynnikach lub uk ladów takich równań. Użycie rachunku operatorowego daje zupe lnie algorytmiczna metode rozwiazywania takich równań, nawet wtedy, gdy macierz uk ladu posiada wielokrotne wartości w lasne, co jest sytuacja niekorzystna w przypadku stosowania metody standardowej. Jak sie bowiem okazuje, macierz odpowiedniego uk ladu algebraicznego jest zawsze nieosobliwa w ciele M. Wynika to z nastepuj acego faktu. 7

Twierdzenie 4. Operatory sa liniowo niezależne nad cia lem C. 1, s, s 2,..., s n,... Dowód. Za lóżmy, że liczby zespolone α, α 1,..., α n sa takie, że w ciele M zachodzi równość α n s n + + α 1 s + α =. Mnożac te równość obustronnie przez operator h n, dostajemy α n + + α 1 h n 1 + α h n =. Latwo sprawdzić, że dla każdej liczby naturalnej k mamy { } t h k k 1 =. (k 1)! Wobec tego funkcja jest funkcja zerowa, skad α =... = α n =. t n 2 t n 1 α n + + α 1 (n 2)! + α (n 1)! 8