유사 미분 연산자
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2. 정의
유사 미분 연산자는 상수 계수를 갖는 선형 미분 연산자를 일반화한 것이다. ; 상수 계수 선형 미분 연산자 : 상수 계수의 선형 미분 연산자 :: P(D) := \sum\nolimits_\alpha a_\alpha \, D^\alpha : 가 콤팩트 지지를 갖는 매끄러운 함수 u 에 작용한다고 하자. 이 연산자는 푸리에 변환 , 기호(symbol)라고 불리는 다항식 함수 :: P(\xi) = \sum\nolimits_\alpha a_\alpha \, \xi^\alpha : 에 의한 곱셈, 푸리에 역변환의 세 요소의 합성으로 표현할 수 있다. :: P(D) u (x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \int_{\mathbb{R}^n} \int_{\mathbb{R}^n} e^{i (x - y) \xi} P(\xi) u(y)\, dy \, d\xi : 여기서, \alpha=(\alpha_1,\ldots,\alpha_n) 는 다중 지수, a_\alpha 는 복소수이고, :D^\alpha=(-i \partial_1)^{\alpha_1} \cdots (-i \partial_n)^{\alpha_n} : 는 순차 편미분이며, \partial_j 는 j 번째 변수에 관한 미분이다. ; 편미분 방정식의 해 표현 : 기호 P(\xi) 가 \xi\in\mathbb R^n 의 모든 곳에서 0이 아닐 때, 편미분 방정식 :: P(D)u = f : 를 풀기 위해, 양변에 푸리에 변환을 적용하여 얻는 "대수 방정식" :: P(\xi)\hat u(\xi) = \hat f(\xi) : 의 양변을 P(\xi) 로 나누어 :: \hat u(\xi) = \frac{1}{P(\xi)} \hat f (\xi) : 로 만든다. 역변환 공식에 의해, 해는 :: u (x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \int e^{i x \xi} \frac{1}{P(\xi)} \hat f (\xi) \, d\xi : 이다. : 여기서 다음 가정이 필요하다. # P(D) 는 "상수" 계수의 선형 미분 연산자 # 기호 P(\xi) 는 0이 아니다. # u , f 는 모두 푸리에 변환을 갖는다. :f 의 푸리에 변환을 명시적으로 쓰면, :u(x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \iint e^{i (x-y) \xi} \frac{1}{P(\xi)} f(y) \, dy \, d\xi :가 되며, 이는 1/P(\xi) 가 다항식 함수가 아닌 더 일반적인 종류의 함수라는 점을 제외하면 위의 식과 같은 형태이다. 유사 미분 연산자는 유클리드 공간 , 다양체, 분포 위에서 정의할 수 있으며, 고전 유사 미분 연산자라는 개념도 있다.
2. 1. 유클리드 공간에서의 정의
유클리드 공간 \mathbb R^n 위의 복소수 값 매끄러운 함수 의 집합을 \mathcal C^\infty(\mathbb R^n) 이라 하고, 복소수 값 콤팩트 지지 매끄러운 함수 의 집합을 \mathcal C^\infty_0(\mathbb R^n) 이라 한다. \mathcal C^\infty_0(\mathbb R^n) 위에 작용하는 '''유사 미분 연산자'''는 다음과 같은 꼴의 선형 변환 이다. :P(x,D)\colon\mathcal C^\infty_0(\mathbb R^n)\to\mathcal C^\infty(\mathbb R^n) :P(x,D)\colon u (x) \mapsto \frac1{(2 \pi)^n} \int_{\mathbb R^n} \exp(ix\cdot\xi)\tilde P(x,\xi) \hat u(\xi) \, d^n\xi 여기서 :\hat u(\xi)=\int_{\mathbb R^n}\exp(-ix\cdot\xi)u(x)\,d^nx 는 u 의 푸리에 변환 이며, :\tilde P\colon\mathbb R^n\times\mathbb R^n\to\mathbb R :\tilde P\colon(x,\xi)\mapsto P(x,\xi) 는 매끄러운 함수 이다. \tilde P(x,\xi) 를 유사 미분 연산자 P(x,D) 의 '''표상'''(symbol영어 )이라고 한다.\mathbb R^n 위의 다중지표 의 집합을 \mathbb N^n 으로 쓴다. 어떤 정수 m\in\mathbb Z 에 대하여 유사 미분 연산자 P(x,D) 의 표상 \tilde P(x,\xi) 가 :\sup_{(x,\xi)\in\mathbb R^n\times\mathbb R^n}\frac{(1+|\xi|)^{m-|\alpha|}} <\infty \qquad\forall\alpha,\beta\in\mathbb N^n 를 만족시킨다면, P(x,D) 를 '''m 차 유사 미분 연산자'''라고 한다. m 차 표상들의 집합은 보통 S^m 으로 쓰며, m 차 유사 미분 연산자의 집합은 \operatorname{\Psi DO}^m(\mathbb R^n) 으로 쓴다. '''R'''''n'' 위의 '''유사 미분 연산자''' ''P''(''x'',''D'')는 함수 ''u(x)''에 대한 값이 ''x''의 함수인 연산자이다. :\quad P(x,D) u (x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \int_{\mathbb{R}^n} e^{i x\cdot \xi} P(x,\xi) \hat{u}(\xi) \, d\xi 여기서 \hat{u}(\xi) 는 ''u''의 푸리에 변환 이고 적분식의 기호 ''P''(''x'',ξ)는 특정 ''기호 클래스''에 속한다. 예를 들어, ''P''(''x'',ξ)가 다음 속성을 가진 '''R'''''n'' × '''R'''''n'' 위의 무한히 미분 가능한 함수인 경우 : |\partial_\xi^\alpha \partial_x^\beta P(x,\xi)| \leq C_{\alpha,\beta} \, (1 + |\xi|)^{m - |\alpha|} 모든 ''x'',ξ ∈'''R'''''n'' , 모든 다중 지수 α,β, 일부 상수 ''C''α, β 및 일부 실수 ''m''에 대해, 그러면 ''P''는 회르만더의 기호 클래스 \scriptstyle{S^m_{1,0}} 에 속한다. 해당 연산자 ''P''(''x'',''D'')는 '''m차 유사 미분 연산자'''라고 하며 클래스 \Psi^m_{1,0} 에 속한다.x, \xi 를 R^n 의 원소로 하고, (x, \xi) 로 R^{2n} 의 원소를 나타낸다. 임의의 다중 지표 \alpha, \beta 에 대해, 어떤 상수 C_{\alpha, \beta} 가 존재하여 다음 조건을 만족할 때, C^{\infty} 함수 p(x, \xi) 를 S_{\rho, \delta}^m 클래스의 기호라고 한다. 단, 0 \leq \delta \leq \rho \leq 1 이고 \delta < 1 이다. :|\partial_{\xi}^{\alpha} D_{x}^{\beta} p(x, \xi) | \leq C_{\alpha, \beta} \langle \xi \rangle^{m + \delta | \beta | - \rho | \alpha | } 각 u \in \mathcal{S} 에 대해, 다음 선형 연산자 P : \mathcal{S} \to \mathcal{S} 를 (기호 p 에 대한) 의사 미분 연산자라고 한다. :P u (x) = (2\pi )^{-n} \int e^{i x \xi } p(x , \xi ) \hat{u} (\xi ) d \xi
2. 2. 다양체 위에서의 정의
매끄러운 다양체 는 유클리드 공간 의 열린집합 \{U_i\}_{i\in I} 들을 매끄러운 추이 사상 :\phi_{ij}\colon U_i\cap U_j\to U_i\cap U_j 으로 이어붙여 만든다. 유클리드 공간의 열린집합 U,V,U',V'\subseteq\mathbb R^n 및 유사 미분 연산자 :P\colon\mathcal C^\infty_0(U)\to\mathcal C^\infty(V) 및 미분 동형 ("좌표 변환") :\iota_U\colon U\to U' :\iota_V\colon V\to V' 이 주어졌다고 하자. 그렇다면, 선형 변환 :P'\colon\mathcal C^\infty_0(U')\to\mathcal C^\infty(V') :P'\colon u\mapsto \iota_V\circ P(f\circ\iota_U^{-1}) 를 정의할 수 있으며, 또한 P' 역시 유사 미분 연산자임을 보일 수 있다. 또한, 만약 P 가 m 차 유사 미분 연산자라면 P' 역시 m 차 유사 미분 연산자이다. 따라서, 좌표 근방계에 조각마다 유사 미분 연산자를 정의한 뒤 이를 짜깁기하여 매끄러운 다양체 위의 m 차 유사 미분 연산자의 개념을 정의할 수 있다. [3]
2. 3. 분포 위에서의 작용
R^n영어 위의 분포 T : C^∞^0 (R^n) → R영어 가 주어졌다고 하자. R^n영어 위의 유사 미분 연산자 P영어 의 표상이 콤팩트 지지라고 하자. 그렇다면, P영어 를 분포 T영어 위에 작용하도록 확장할 수 있다. 구체적으로는 다음과 같다. :PT : C^∞^0 → R영어 :⟨PT|u⟩ = ⟨T|P^*u⟩영어 여기서 :P^* : C^∞^0 (R^n) → C^∞^0 (R^n)영어 은 P영어 의 에르미트 수반 이다. 이에 따라, 콤팩트 지지 표상의 유사 미분 연산자는 분포 공간 D'(R^n)영어 위에 작용한다. :P : D'(R^n) → D'(R^n)영어
2. 4. 고전 유사 미분 연산자
유클리드 공간 \mathbb R^n 위의 매끄러운 함수 집합 \mathcal C^\infty(\mathbb R^n) 에 작용하는 유사 미분 연산자 중, 그 표상이 특정한 조건을 만족시키는 것들을 고전 유사 미분 연산자라고 한다. 어떤 정수 m 에 대하여, 유사 미분 연산자 P(x,D) 의 표상 \tilde P(x,\xi) 가 다음 조건을 만족시킨다면, m 차 유사 미분 연산자라고 부른다. :\sup_{(x,\xi)\in\mathbb R^n\times\mathbb R^n}\frac{(1+|\xi|)^{m-|\alpha|}} <\infty \qquad\forall\alpha,\beta\in\mathbb N^n 여기서 \mathbb N^n 은 다중지표 의 집합이다.m 차 표상 \tilde P\colon\mathbb R^n\times\mathbb R^n\to\mathbb R 에 대하여, 다음 조건을 만족시키는 표상의 열 (\tilde P_i)_{i\in\mathbb N} 가 존재한다면, \tilde P 를 '''고전 표상'''(classical symbol영어 )이라고 한다. [3]\tilde P_i\colon\mathbb R^n\times\mathbb R^n\to\mathbb R 는 i 차 동차함수 이다. 즉, \tilde P_i(\alpha x,\alpha\xi)=\alpha^i\tilde P_i(x,\xi) 이다.콤팩트 지지 매끄러운 함수 \phi\colon\mathbb R^n\to\mathbb R 에 대하여, 만약 \phi(x)=1\forall x\in U 가 되는 0의 근방 U\ni0 가 존재한다고 하자. 그렇다면, 다음이 성립한다. :\tilde P(x,\xi)-\sum_{i=0}^{N-1}(1-\phi(\xi))\tilde P_{m-i}(x,\xi) \in S^{m-N}\qquad\forall N\in\mathbb Z^+ '''고전 유사 미분 연산자'''(classical pseudodifferential operator영어 )는 그 표상이 고전 표상인 유사 미분 연산자이다.
3. 성질
\mathbb R^n 위의, 표상이 \tilde P\colon\mathbb R^n\times\mathbb R^n\to\mathbb R 인 유사 미분 연산자 P(x,D) 에 대하여, 만약 \tilde P(x,\xi) 가 콤팩트 지지 함수라면, P(x,D) 의 상 은 \mathcal C^\infty_0(\mathbb R^n) 에 속한다. 즉, 다음과 같다. :P(x,D)\colon\mathcal C^\infty_0(\mathbb R^n)\to\mathcal C^\infty_0(\mathbb R^n) [3] 매끄럽고 유계된 계수를 갖는 m차 선형 미분 연산자는 m차 유사 미분 연산자이다. 두 유사 미분 연산자 ''P'', ''Q''의 합성 ''PQ''는 다시 유사 미분 연산자이며, ''PQ''의 기호는 ''P''와 ''Q''의 기호를 사용하여 계산할 수 있다. 유사 미분 연산자의 수반 및 전치는 유사 미분 연산자이다. 만약 ''m''차 미분 연산자가 (균일하게) 타원형 이고 가역적이라면, 그 역은 −''m''차의 유사 미분 연산자이며, 그 기호를 계산할 수 있다. 이는 유사 미분 연산자 이론을 사용하여 선형 타원형 미분 방정식을 다소 명시적으로 풀 수 있다는 것을 의미한다.
3. 1. 유사 국소성
미분 연산자는 연산자의 영향을 결정하기 위해 점의 이웃에서 함수의 값만 필요하다는 의미에서 국소적이다. 유사 미분 연산자는 유사 국소적인데, 이는 분포에 적용될 때 분포가 이미 매끄러웠던 점에서 특이점을 생성하지 않는다는 것을 의미한다. 미분 연산자가 ''D'' = -id/d''x''를 사용하여 :p(x, D)\, ''D''에 대한 다항식 ''p''(이것을 기호라고 함)의 형태를 가지며, 유사 미분 연산자는 더 일반적인 함수 클래스에서 기호를 갖는다. 종종 유사 미분 연산자의 분석에서 발생하는 문제를 기호를 포함하는 일련의 대수 문제로 줄일 수 있으며, 이는 마이크로 국소 분석의 본질이다.
4. 예시
m 차 미분 작용소 에 대해, m 차 미분 다항식 는 \mathcal{S}^m_{1, 0} 에 속한다. 즉, m 차 미분 작용소는 m 차 미분 다항식을 표상으로 갖는 유사 미분 작용소이다. heat operator|열 작용소영어 는 를 표상으로 갖는다.0 < \alpha \leq 2 인 경우, 를 기호로 갖는 유사 미분 연산자가 존재하며, 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이것을 fractional Laplacian|분수 라플라시안영어 이라고 한다. 는 \mathcal{S}_{1, 0}^1 에 속한다. 이를 기호로 갖는 유사 미분 연산자는 다음과 같다. 이것은 1 - \Delta 의 제곱근 에 해당하며 \Lambda 로도 표기된다. \Lambda 는 편미분 방정식 론에서 자주 사용된다.
4. 1. 미분 연산자
임의의 미분 연산자 :\sum_{\alpha\in\mathbb N^n}c_\alpha\partial_x^\alpha 의 경우, 그 표상 :\tilde P(\xi)=\sum_{\alpha\in\mathbb N^n}c_\alpha\xi^\alpha 을 정의하면 유사 미분 연산자 :u(x)\mapsto\frac1{(2\pi)^n}\int_{\mathbb R^n}\exp(ix\cdot\xi) \tilde P(\xi) \hat u(x)\,d^n\xi 로 나타낼 수 있다. 마찬가지로, 임의의 매끄러운 함수 f\colon\mathbb R^n\to\mathbb R 에 대하여, 곱셈 연산자 :u(x)\mapsto f(x)u(x) 역시 표상이 f(x) 인 유사 미분 연산자로 나타낼 수 있다. 선형 상수 계수 미분 연산자 : P(D) := \sum_\alpha a_\alpha \, D^\alpha 는 '''R'''''n'' 에서 콤팩트 지지를 갖는 매끄러운 함수 u 에 작용한다. 이 연산자는 푸리에 변환 , ''곱셈'' ('''심볼'''이라고 불림) : P(\xi) = \sum_\alpha a_\alpha \, \xi^\alpha, 및 역 푸리에 변환의 합성으로 다음과 같이 쓸 수 있다. : P(D) u (x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \int_{\mathbb{R}^n} \int_{\mathbb{R}^n} e^{i (x - y) \xi} P(\xi) u(y)\, dy \, d\xi 여기서, \alpha = (\alpha_1,\ldots,\alpha_n) 는 다중 지수이고, a_\alpha 는 복소수이며, :D^\alpha=(-i \partial_1)^{\alpha_1} \cdots (-i \partial_n)^{\alpha_n} 는 반복적인 편미분으로, ∂''j'' 는 ''j''번째 변수에 대한 미분을 의미한다. 푸리에 변환 계산을 용이하게 하기 위해 상수 -i 를 도입한다. $m$차 미분 작용소 : p(x, D_x) = \sum_{| \alpha | \leq m } a_{\alpha } (x) D_x^{\alpha } \ (a_{\alpha } \in \mathcal{B}(\mathbb{R}^n)) 에 대해, $m$차 미분 다항식 : p(x , \xi) = \sum_
4. 2. 곱셈 연산자
임의의 매끄러운 함수 f\colon\mathbb R^n\to\mathbb R 에 대하여, 곱셈 연산자 :u(x)\mapsto f(x)u(x) 역시 표상이 f(x) 인 유사 미분 연산자 :u(x)\mapsto\frac1{(2\pi)^n}\int_{\mathbb R^n}\exp(ix\cdot\xi) \tilde P(x) \hat u(\xi)\,d^n\xi 로 나타낼 수 있다.
4. 3. 열 작용소
heat operator|열 작용소영어 는 다음의 미분 연산자이다. : p(x, D_x) = \frac{\partial }{\partial x_1} - \sum_{2 \leq j \leq n} \frac{\partial^2 }{\partial x_j^2} 이 연산자는 다음의 함수를 표상으로 갖는다. : p(x , \xi) = i \xi_1 - \sum_{2 \leq j \leq n} \xi_j^2
4. 4. 분수 라플라시안
0 < \alpha \leq 2 일 때, 를 기호로 갖는 유사 미분 연산자가 존재하며, 이는 다음과 같이 나타낼 수 있다. 이것을 분수 라플라시안(fractional Laplacian)이라고 부른다.
5. 역사
1960년대에 조지프 존 콘, 루이스 니런버그 , 라르스 회르만데르 등이 유사 미분 연산자 이론을 개발하였다. 이후, 유사 미분 연산자의 개념은 아티야-싱어 지표 정리 의 증명에 중요한 역할을 하였다. [1] 유사 미분 연산자에 대한 연구는 1960년대 중반 콘, 니렌버그, 홤란더, Unterberger와 Bokobza의 연구를 통해 시작되었다. 이들은 아티야-싱어 지표 정리 의 두 번째 증명에서 위상 K-이론을 통해 중요한 역할을 했다. 아티야와 싱어는 유사 미분 연산자 이론을 이해하는 데 도움을 준 홤란더에게 감사를 표했다. [2]
6. 응용
유사 미분 연산자는 상수 계수를 갖는 선형 미분 연산자를 일반화한 것이다. 특히, 편미분 방정식 , 그 중에서도 타원형 미분 방정식의 해를 구하는 데 유용하게 사용된다. 미분 작용소가 타원형이고 가역적이면, 그 역작용소는 차수가 반대인 유사 미분 연산자가 되며, 원래 미분 작용소의 기호를 통해 역작용소의 기호를 계산할 수 있다. 따라서, 타원형 선형 미분 방정식은 유사 미분 연산자 이론을 이용하여 해를 구할 수 있다. 미분 작용소는 국소적(local)인 반면, 유사 미분 연산자는 "의사 국소적(pseudo-local)"이다. 이는 슈바르츠 초함수에 유사 미분 연산자를 적용했을 때, 매끄러운(smooth) 점에서는 특이점(singularity)을 만들지 않는다는 것을 의미한다. 미분 작용소가 를 사용하여 형태 (여기서 는 를 변수로 하는 다항식 , 즉 기호)로 표현되는 것처럼, 유사 미분 연산자는 더 일반적인 함수 클래스에서 기호를 갖는다. 이러한 특징 덕분에, 유사 미분 연산자에 대한 해석은 종종 그 기호를 포함하는 대수적인 문제로 귀결될 수 있으며, 이는 초국소 해석의 핵심 아이디어이다.
6. 1. 편미분 방정식 해 표현
편미분 방정식의 해를 구하기 위해, 다음과 같은 방정식을 고려한다. : P(D) \, u = f 양변에 푸리에 변환을 적용하면 다음의 대수적 방정식을 얻는다. : P(\xi) \, \hat u (\xi) = \hat f(\xi). 여기서 ''P''(ξ)가 ξ ∈ '''R'''''n'' 일 때 0이 아니라는 조건을 만족하면, ''P''(ξ)로 나눌 수 있다. : \hat u(\xi) = \frac{1}{P(\xi)} \hat f(\xi) 푸리에 역변환 공식에 따라, 해는 다음과 같이 표현된다. : u (x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \int e^{i x \xi} \frac{1}{P(\xi)} \hat f (\xi) \, d\xi. 위의 과정에서 다음을 가정한다. 1. ''P''(''D'')는 상수 계수를 가진 선형 미분 연산자이다. 2. 기호 ''P''(ξ)는 0이 아니다. 3. ''u''와 ƒ는 모두 잘 정의된 푸리에 변환을 가진다. 마지막 가정은 분포 이론을 사용하여 약화될 수 있다. ƒ의 푸리에 변환을 풀어서 쓰면, 해는 다음과 같이 표현된다. : u (x) = \frac{1}{(2 \pi)^n} \iint e^{i (x-y) \xi} \frac{1}{P(\xi)} f (y) \, dy \, d\xi. 이는 1/''P''(ξ)가 다항 함수가 아니라 더 일반적인 종류의 함수라는 점을 제외하면, 상수 계수 선형 미분 연산자를 나타내는 공식과 유사하다.
6. 2. 적분핵
유사 미분 연산자는 커널 로 표현될 수 있다. 대각선 상의 커널의 특이점은 해당 연산자의 차수에 따라 달라진다. 실제로, 기호가 m ≤ 0인 미분 부등식을 만족하는 경우, 커널이 특이 적분 커널임을 보일 수 있다. 사상으로 보면, 유사 미분 연산자는 적분핵으로 나타낼 수 있다. 대각선 상의 적분핵의 특이성은 대응하는 연산자의 차수에 의존한다. 사실 표상(symbol)이 m ≤ 0에 대해 미분 부등식을 만족한다면, 적분핵이 특이 적분 커널이 됨을 보일 수 있다. 이 적분핵은 역 경계 문제에 대한 경계 조건의 특징화에 이용할 수 있다.
참조
[1]
도서
[2]
도서
[3]
저널
Introduction to pseudo-differential operators
1999
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