최대 원리
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1. 개요
최대 원리는 연결된 열린 집합에서 정의된 조화 함수, 열등 조화 함수, 또는 특정 미분 부등식을 만족하는 함수가 특정 조건을 만족할 경우 최댓값을 가질 수 없다는 원리이다. 조화 함수는 최대 원리가 적용되는 고전적인 예시이며, 약최대 원리와 강최대 원리로 구분된다. 강최대 원리는 호프 보조 정리를 기반으로 하며, 편미분 방정식의 해의 성질을 분석하는 데 중요한 도구로 사용된다. 이 원리는 칼라비, 정, 야우, 기다스, 니, 니렌버그, 해밀턴, 호프, 오모리, 크라이켄베르크 등의 연구를 통해 발전되었으며, 카파렐리, 에반스, 프리드먼, 길바르그, 트루딩거, 라디젠스카야, 리버만, 모레이, 프로터, 로카펠러, 스몰러 등의 교과서에서 다루어진다.
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최대 원리 | |
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개요 | |
분야 | 수학, 복소해석학, 편미분 방정식 |
관련 개념 | 최대 모듈러스 원리, 평균값 속성, 조화 함수 |
편미분 방정식에서의 최대 원리 | |
유형 | 강한 최대 원리 약한 최대 원리 |
적용 분야 | 열 방정식 라플라스 방정식 포아송 방정식 |
복소해석학에서의 최대 모듈러스 원리 | |
설명 | 홀로모픽 함수의 절대값은 영역 내부에서 최대값을 가질 수 없다. |
관련 정리 | 슈바르츠 보조정리 |
2. 정의
연결 열린집합 위의 조화 함수 가 극대점을 갖는 경우, 즉 다음 성질을 만족시키는 점 및 근방 이 존재하여
:
를 만족하면, 는 상수 함수이다.
2. 1. 조화 함수에 대한 최대 원리
조화 함수는 강최대 원리가 적용되는 고전적인 예이다. 정식으로 말하면, ''f''가 조화 함수이면, 그 정의역 내부에서 ''f''가 극대값을 가지지 않는다. 즉, ''f''는 상수 함수이거나, 또는 그 정의역 내부의 임의의 점 에 대해, 그 점에서의 ''f''의 값보다 더 큰 값을 ''f''가 가지는, 그 점에 임의로 가까운 점이 존재한다[4]。''f''를 유클리드 공간 '''R'''''n'' 내의 어떤 연결열린부분 집합 ''D''상에서 정의되는 조화 함수라고 하자. 가, 그 어떤 근방에 포함되는 모든 ''x''에 대해
:
가 성립하는 ''D'' 내의 점이라면, 함수 ''f''는 ''D''상에서 상수이다.
"최댓값"을 "최솟값"으로, "더 큰"을 "더 작은"으로 바꾸면, 조화 함수에 대한 "최소 원리"(minimum principle)를 마찬가지로 얻을 수 있다.
더 일반적인 열등 조화 함수에 대해서도, 최댓값 원리가 성립한다. 한편, 우등 조화 함수는, 최소 원리를 만족한다[5]。
2. 2. 호프 최대 원리
연결 열린집합 위의 함수 가 다음과 같은 꼴의 미분 부등식을 만족시킨다고 하자.:
여기서 는 국소적으로 균등 양의 정부호인 대칭 행렬이며, 와 의 성분들은 모두 국소 유계이다. 만약 가 에서 최댓값을 갖는다면, 는 상수 함수이다. 이를 '''호프 최대 원리'''(Hopf maximum principle영어)라고 한다.
3. 고전적인 예
조화 함수는 강최대 원리가 적용되는 대표적인 예이다.[4] 유클리드 공간 '''R'''''n'' 내의 어떤 연결열린부분 집합 ''D''에서 정의된 조화 함수 ''f''가 근방에 포함되는 모든 ''x''에 대해 를 만족하는 ''D'' 내의 점 를 가지면, ''f''는 ''D''에서 상수 함수이다.
"최댓값"을 "최솟값"으로, "더 큰"을 "더 작은"으로 바꾸면, 조화 함수에 대한 "최소 원리"(minimum principle)를 얻을 수 있다.
열등 조화 함수는 최댓값 원리를 만족시키고, 우등 조화 함수는 최소 원리를 만족시킨다.[5]
3. 1. 약최대 원리 (Weak Maximum Principle)
연결 열린집합 위의 조화 함수 가 극대점을 갖는다고 하자. 즉, 다음 성질을 만족시키는 점 및 근방 이 존재한다고 하자.:
그렇다면 는 상수 함수이다.
조화 함수의 약최대 원리는 단순 계산으로 증명할 수 있다. 증명의 핵심은 조화 함수의 정의로부터, ''f''의 라플라시안이 0이라는 사실이다. 만약 가 ''f''(''x'')의 비퇴화적인 임계점이라면, 안장점이 존재한다. 실제로, 그렇지 않다면 ''f''의 2계 미분 합이 0이 되지 않기 때문이다. 이것은 증명으로서 완전하지 않고, 가 퇴화점인 경우도 남아있지만, 본질적인 증명의 아이디어이다.
3. 2. 강최대 원리 (Strong Maximum Principle)
조화 함수는 강최대 원리가 적용되는 고전적인 예이다. 정식으로 말하면, ''f''가 조화 함수이면, 그 정의역 내부에서 ''f''가 극대값을 가지지 않는다. 즉, ''f''는 상수 함수이거나, 또는 그 정의역 내부의 임의의 점 에 대해, 그 점에서의 ''f''의 값보다 더 큰 값을 ''f''가 가지는, 그 점에 임의로 가까운 점이 존재한다[4]。''f''를 유클리드 공간 '''R'''''n'' 내의 어떤 연결열린부분 집합 ''D''상에서 정의되는 조화 함수라고 하자. 가, 그 어떤 근방에 포함되는 모든 ''x''에 대해
:
가 성립하는 ''D'' 내의 점이라면, 함수 ''f''는 ''D''상에서 상수이다.
"강 최대 원리"는 호프 보조 정리에 의하며, 이는 또한 더욱 복잡하다.
4. 직관적 설명
최대 원리의 핵심은 미분 방정식의 "타원성"(고윳값의 양수성)에 따라 해의 방향별 2차 도함수가 균형을 이룬다는 것이다. 가상 최대 지점에서 모든 방향별 2차 도함수는 0 이하이며, 이 "균형"은 모든 방향별 2차 도함수가 0이 되도록 요구한다.[1]
좀 더 자세히 설명하면, 스펙트럼 정리에 의해 행렬 의 모든 고윳값은 실수이고, 고유 벡터로 구성된 정규 직교 기저가 존재한다. 고윳값을 , 해당 고유 벡터를 (는 1부터 까지)라고 하면, 점 에서의 미분 방정식은 다음과 같이 표현할 수 있다.[1]
:
여기서 각 고윳값이 양수이면, 위 방정식은 해의 방향별 2차 도함수의 균형을 나타낸다. 즉, 어떤 방향의 2차 도함수가 음수이면 다른 방향의 2차 도함수는 양수여야 한다. 만약 가 최대화되는 지점이 있다면, 그 지점에서 모든 방향의 2차 도함수는 0 이하가 되고, 결국 모든 방향의 2차 도함수가 0이 된다.[1]
이러한 추론은 아래와 같은 더 일반적인 편미분 방정식에도 적용된다. 추가된 항은 가상의 최대 지점에서 0이 되기 때문이다.
:
또한, 아래와 같은 조건에서도 적용 가능하다.
:
4. 1. 강최대 원리가 적용되지 않는 경우
Hopf maximum principle영어에 따르면, 특정 미분 부등식을 만족하는 함수가 최댓값을 가지면 상수 함수가 된다. 그러나 이러한 추론은 모든 경우에 적용되는 것은 아니다.다음과 같은 편미분 방정식을 고려해 보자.
:
이 경우, 가상의 함수 의 최댓값 지점에서 평가된 "균형" 조건은 음수가 아닌 양의 가중 평균이 음수가 아니라는 것을 의미한다. 이는 자명하게 참이므로, 이로부터 어떤 결론도 도출할 수 없다.
예를 들어, 다음 식을 보자.
:
함수 는 원점을 포함하는 모든 열린 영역에서 최댓값을 갖지만, 상수 함수는 아니다. 따라서 이 경우에는 강최대 원리가 적용되지 않는다.
5. 선형 타원형 PDE에 대한 고전적 최대 원리
연결 열린집합 위의 함수 가 다음과 같은 꼴의 미분 부등식을 만족시킨다고 하자.
:
여기서 는 국소적으로 균등 양의 정부호인 대칭 행렬이며, 와 의 성분들은 모두 국소 유계이다. 만약 가 에서 최댓값을 갖는다면, 는 상수 함수이다. 이를 '''호프 최대 원리'''(Hopf maximum principle영어)라고 한다.
5. 1. 약최대 원리
연결 열린집합 위의 함수 가 미분 부등식 을 만족시킨다고 하자. 여기서 는 국소적으로 균등 양의 정부호인 대칭 행렬이며, 와 의 성분들은 모두 국소 유계이다. 만약 가 에서 최댓값을 갖는다면, 는 상수 함수이다. 이를 '''호프 최대 원리'''(Hopf maximum principle영어)라고 한다.유클리드 공간의 열린 부분 집합 위의 매끄러운 함수 가 점 에서 최댓값을 가지면, 다음이 자동 성립한다.
- (행렬 부등식)
만약 가 편미분 방정식의 해라면, 의 일계 및 이계 도함수에 대한 위 조건들이 이 대수적 관계와 모순을 유도할 수 있다. 이것이 최대 원리의 본질이다.
예를 들어, 가 미분 방정식 의 해라면, 도메인의 어떤 점에서도 이고 일 수 없다. 따라서 가 최댓값을 가질 수 없다.
이 경계를 가지며 과 그 경계가 콤팩트하고, 가 경계까지 연속적으로 확장될 수 있다고 가정하면, 조화 함수 의 최댓값은 에서 얻어진다. 이것이 조화 함수의 '''약최대 원리'''이다.
5. 2. 강최대 원리
연결 열린집합 위의 함수 가 다음과 같은 꼴의 미분 부등식을 만족시킨다고 하자.:
여기서 는 국소적으로 균등 양의 정부호인 대칭 행렬이며, 와 의 성분들은 모두 국소 유계이다. 만약 가 에서 최댓값을 갖는다면, 는 상수 함수이다. 이를 '''호프 최대 원리'''(Hopf maximum principle영어)라고 한다.[1]
이는 더 일반적인 편미분 방정식에도 적용 가능하다. 예를 들어, 다음 조건에서도 동일하게 적용된다.
:
이 조건에서 가상의 최대 지점에서 엄격한 부등식( 대신 )이 있으면 모순이 발생하기 때문이다.[1]
최대 원리의 핵심은 각 고유값이 양수인 경우(이는 미분 방정식의 "타원성"과 관련됨), 방향별 2차 도함수의 균형을 이룬다는 것이다. 특히, 방향별 2차 도함수 중 하나가 음수이면 다른 하나는 양수여야 한다. 가 최대화되는 지점에서는 모든 방향별 2차 도함수가 0 이하이며, "균형"은 모든 방향별 2차 도함수가 0이 되도록 한다.[1]
이러한 추론은 강한 최대 원리의 무한소 공식으로 표현될 수 있으며, 의 연속성 등의 추가적인 가정 하에, 가 의 한 지점에서 최대화되면 는 상수여야 함을 의미한다.[1]
5. 2. 1. 증명 개요
연결 열린집합 위의 함수 가 미분 부등식 을 만족시킨다고 가정한다. 여기서 는 국소적으로 균등 양의 정부호인 대칭 행렬이며, 와 의 성분들은 모두 국소 유계이다. 만약 가 에서 최댓값을 갖는다면, 는 상수 함수이다.이러한 호프 최대 원리의 증명 개요는 다음과 같다.
1. 보조 함수 도입: 약최대 원리를 적용하기 위해, 주어진 미분 부등식을 만족하고 특정 경계 조건을 충족하는 적절한 보조 함수 를 도입한다.
2. 콤팩트 집합 설정: 최대 원리를 적용할 콤팩트 집합 를 설정한다. 이 집합은 공집합이 아닌 내부를 가지며, 경계에서 최댓값 조건을 만족해야 한다.
3. 약최대 원리 적용: 함수 에 약최대 원리를 적용한다. (는 의 최댓값) 약최대 원리에 의해 on 이 성립한다.
4. 모순 유도: 를 적절히 선택하여