Из Википедии, свободной энциклопедии
  (Перенаправлено из Equality of mixed partials )
Перейти к навигации Перейти к поиску

В математике , то симметрия вторых производных (также называемых равенством смешанных партиалов ) относится к возможности при определенных условиях (см ниже) поменяв порядок принятия частных производных из функции

от n переменных. Симметрия - это утверждение, что частные производные второго порядка удовлетворяют тождеству

так что они образуют симметричную матрицу размера n  ×  n , известную как матрица Гессе функции . Это иногда называют теоремой Шварца , теоремы Клеро , или теоремы Юнга . [1] [2]

В контексте уравнений в частных производных это называется условием интегрируемости Шварца .

Формальные выражения симметрии [ править ]

В символах симметрия может быть выражена как:

Другое обозначение:

С точки зрения композиции из дифференциального оператора D я , который принимает частичную производную по х я :

.

Из этого соотношения следует, что кольцо дифференциальных операторов с постоянными коэффициентами , порожденное D i , коммутативно ; но это верно только как операторы в области достаточно дифференцируемых функций. Легко проверить симметрию применительно к одночленам , так что можно взять многочлены от x i в качестве области. Фактически гладкие функции - еще одна допустимая область.

История [ править ]

Результат о равенстве смешанных частных производных при определенных условиях имеет давнюю историю. Список неудачных предложенных доказательств начался с доказательства Эйлера , опубликованного в 1740 году, хотя уже в 1721 году Бернулли неявно предположил результат без формального обоснования. [3] [4] Клеро также опубликовал предложенное доказательство в 1740 году, без каких-либо других попыток до конца 18 века. Начиная с этого периода в течение 70 лет был предложен ряд неполных доказательств. Доказательство Лагранжа (1797 г.) было улучшено Коши (1823 г.), но предполагалось существование и непрерывность частных производных и . [5]Другие попытки были предприняты П. Бланше (1841 г.), Дюамелем (1856 г.), Штурмом (1857 г.), Шлемильхом (1862 г.) и Бертраном (1864 г.). Наконец, в 1867 году Линделёф систематически проанализировал все предыдущие ошибочные доказательства и смог привести конкретный контрпример, в котором смешанные производные не могут быть равны. [6] [7]

Через шесть лет после этого Шварцу удалось дать первое строгое доказательство. [8] Дини позже внес свой вклад, найдя более общие условия, чем у Шварца. В конце концов, Джордан в 1883 году нашел чистую и более общую версию, которая до сих пор является доказательством, найденным в большинстве учебников. Незначительные варианты более ранних доказательств были опубликованы Лораном (1885), Пеано (1889 и 1893), Дж. Эдвардсом (1892), П. Хаагом (1893), Дж. К. Виттемором (1898), Виванти (1899) и Пьерпонтом (1905). Дальнейший прогресс был достигнут в 1907–1909 годах, когда Э. У. Хобсон и У. Янгнашел доказательства с более слабыми условиями, чем у Шварца и Дини. В 1918 году Каратеодори дал другое доказательство, основанное на интеграле Лебега . [7]

Теорема Шварца [ править ]

В математическом анализе , теорема Шварца (или теорема Клеро о равенстве смешанных частичными ) [9] имени Алексис Клеро и Герман Шварц , утверждает , что для функции , определенной на множестве , если точка, что некоторая окрестность из содержится в и имеет в точке непрерывные вторые частные производные , то

Частные производные этой функции коммутируют в этой точке.

Один простой способ установить эту теорему (в случае , когда , и , которые легко влечет за собой результат в целом), применяя теорему Грина к градиенту от

Элементарное доказательство для функций на открытых подмножествах плоскости состоит в следующем (простой редукцией общий случай теоремы Шварца явно сводится к плоскому случаю). [10] Позвольте быть дифференцируемой функцией на открытом прямоугольнике, содержащем и предположим, что он непрерывен с и оба непрерывны. Определять

Эти функции определены для , где и .

По теореме о среднем значении , промежуточные значения могут быть найдены в с

Поскольку первое равенство ниже можно разделить на :

Устремляя к нулю в последнем равенстве, из предположений непрерывности и теперь следует, что

Это простой классический метод, который можно найти во многих учебниках, например, в Burkill, Apostol и Rudin. [11] [12]

Хотя приведенный выше вывод является элементарным, подход также можно рассматривать с более концептуальной точки зрения, чтобы результат стал более очевидным. [13] [14] [15] [16] [17] Действительно, разностные операторы коммутируют и , как правило , как стремится к 0, с подобным утверждением для операторов второго порядка. [18] Здесь для вектора на плоскости и вектора направления оператор разности определяется следующим образом:

По основной теореме исчисления для функций на открытом интервале с

Следовательно

.

Это обобщенная версия теоремы о среднем значении . Напомним, что из элементарного обсуждения максимумов или минимумов для вещественнозначных функций следует, что если непрерывна на и дифференцируема на , то существует точка в такой, что

Для векторных функций с конечномерным нормированным пространством аналога приведенного выше равенства не существует, оно и не выполняется. Но поскольку указанное выше неравенство является полезной заменой. Более того, использование спаривания двойственного к с его двойственной нормой дает следующее равенство:

.

Эти версии теоремы о среднем значении обсуждаются у Рудина, Хёрмандера и в других местах. [19] [12]

Для более функции на открытом множестве в плоскости, определить и . Кроме того, для набора

.

Тогда для открытого множества можно дважды применить обобщенную теорему о среднем значении:

Таким образом , как правило , как стремится к 0. Те же рассуждения показывают , что имеет тенденцию . Следовательно, поскольку разностные операторы коммутируют, то же самое происходит и с операторами в частных производных и , как утверждается. [20] [21] [22] [23] [24]

Замечание. С помощью двух приложений классической теоремы о среднем значении

для некоторых и в . Таким образом, первое элементарное доказательство может быть переинтерпретировано с помощью разностных операторов. И наоборот, вместо использования обобщенной теоремы о среднем значении во втором доказательстве можно было бы использовать классическую теорему о среднем значении.

Доказательство теоремы Клеро с использованием повторных интегралов [ править ]

Свойства повторных интегралов Римана непрерывной функции F на компактном прямоугольнике [ a , b ] × [ c , d ] легко устанавливаются. [25] равномерная непрерывность из F сразу следует , что функции и непрерывны. [26] Отсюда следует, что

;

более того, повторный интеграл сразу становится положительным, если F положительно. [27] Приведенное выше равенство является простым случаем теоремы Фубини , не затрагивающим теорию меры . Титчмарш (1939) доказывает это прямым способом, используя Римана аппроксимирующих сумм, соответствующих делению прямоугольника на меньшие прямоугольники.

Чтобы доказать теорему Клеро, предположим, что f - дифференцируемая функция на открытом множестве U , для которого существуют и непрерывны смешанные вторые частные производные f yx и f xy . Дважды используя основную теорему исчисления ,

так же

Таким образом, два повторных интеграла равны. С другой стороны, поскольку f xy ( x , y ) непрерывна, второй повторный интеграл может быть выполнен путем сначала интегрирования по x, а затем по y . Но тогда повторный интеграл от f yx - f xy на [ a , b ] × [ c , d ] должен обратиться в нуль. Однако, если повторный интеграл непрерывной функции-функции F равен нулю для всех прямоугольников, то F должен быть тождественно равен нулю; в противном случаеF или - F будет строго положительным в какой-то момент и, следовательно, по непрерывности на прямоугольнике, что невозможно. Следовательно, f yx - f xy должно тождественно обращаться в нуль, так что f yx = f xy всюду. [28] [29] [30] [31] [32]

Достаточность дважды дифференцируемости [ править ]

Более слабым условием, чем непрерывность вторых частных производных (что подразумевается последними), которого достаточно для обеспечения симметрии, является то, что все частные производные сами по себе дифференцируемы . [33] Другое усиление теоремы, в котором утверждается существование переставляемой смешанной частичной, было предоставлено Пеано в короткой заметке 1890 года о Матезисе :

Если определено на открытом множестве ; и существуют повсюду ; непрерывна в точке , а если существует в окрестности , то существует в точке и . [34]

Формулировка теории распределения [ править ]

Теория распределений (обобщенных функций) устраняет аналитические проблемы с симметрией. Производная интегрируемой функции всегда может быть определена как распределение, а симметрия смешанных частных производных всегда выполняется как равенство распределений. Использование формального интегрирования по частям для определения дифференцирования распределений возвращает вопрос симметрии к тестовым функциям , которые являются гладкими и, безусловно, удовлетворяют этой симметрии. Более подробно (где f - распределение, записанное как оператор над тестовыми функциями, а φ - тестовая функция),

Другой подход, который определяет преобразование Фурье функции, состоит в том, чтобы отметить, что при таких преобразованиях частные производные становятся операторами умножения, которые коммутируют гораздо более очевидно. [18]

Требование преемственности [ править ]

Симметрия может быть нарушена, если функция не имеет дифференцируемых частных производных, что возможно, если не выполняется теорема Клеро (вторые частные производные не являются непрерывными ).

Функция f ( x ,  y ), как показано в уравнении ( 1 ), не имеет симметричных вторых производных в начале координат.

Примером несимметрии является функция (из-за Пеано ) [35] [36]

Это можно визуализировать с помощью полярной формы ; он всюду непрерывен, но его производные в (0, 0) не могут быть вычислены алгебраически. Скорее, предел разностных частных показывает, что , таким образом, график имеет горизонтальную касательную плоскость в (0, 0) , а частные производные существуют и всюду непрерывны. Однако вторые частные производные не являются непрерывными в (0, 0) , и симметрия нарушается. Фактически, по оси x производная y равна , и поэтому:

В противоположность этому , вдоль у оси х х -производной , и так . То есть в точке (0, 0) , хотя смешанные частные производные существуют, и в каждой другой точке симметрия сохраняется.

Вышеупомянутая функция, записанная в цилиндрической системе координат, может быть выражена как

показывая, что функция осциллирует четыре раза, когда проходит один раз вокруг произвольно малого цикла, содержащего начало координат. Интуитивно поэтому, локальное поведение функции в (0, 0) не может быть описано как квадратичная форма, и, таким образом, матрица Гессе не может быть симметричной.

В общем, обмен ограничивающими операциями не требует коммутации . Учитывая две переменные вблизи (0, 0) и два предельных процесса на

соответствующий сначала сделать h → 0, и сначала сделать k → 0. Это может иметь значение, если посмотреть на условия первого порядка, которые применяются в первую очередь. Это приводит к построению патологических примеров, в которых вторые производные несимметричны. Такого рода пример относится к теории реального анализа, где имеет значение точечное значение функций. Если рассматривать как распределение, значения второй частной производной могут быть изменены в произвольном наборе точек, если это имеет меру Лебега 0. Поскольку в примере гессиан симметричен всюду, кроме (0, 0) , нет противоречия с тот факт, что гессиан, рассматриваемый как распределение Шварца, является симметричным.

В теории лжи [ править ]

Рассмотрим дифференциальные операторы первого порядка D i как инфинитезимальные операторы в евклидовом пространстве . То есть, D я в некотором смысле порождает группу , один параметр из сдвигов , параллельная й я Оу. Эти группы коммутируют друг с другом, а значит, и бесконечно малые образующие ; скобка Ли

[ D i , D j ] = 0

является отражением этого свойства. Другими словами, производная Ли одной координаты по другой равна нулю.

Приложение к дифференциальным формам [ править ]

Клеро-Schwarz теорема является ключевым фактом , нужно доказать , что для каждого (или , по крайней мере дважды дифференцируемой) дифференциальной формы , второго внешней производной обращается в нуль: . Это означает, что каждая дифференцируемая точная форма (т. Е. Такая форма , что для некоторой формы ) замкнута (т. Е. ), Поскольку . [37]

В середине XVIII века теория дифференциальных форм впервые была изучена в простейшем случае 1-форм на плоскости, т. Е. Где и - функции на плоскости. Изучение 1-форм и дифференциалов функций началось с работ Клеро 1739 и 1740 годов. На этом этапе его исследования интерпретировались как способы решения обыкновенных дифференциальных уравнений . Формально Клеро показал, что 1-форма на открытом прямоугольнике замкнута, т. Е. Если и только имеет форму для некоторой функции в круге. Решение для можно записать с помощью интегральной формулы Коши

в то время как если , закрытое свойство является идентификатором . (На современном языке это одна из версий леммы Пуанкаре .) [38]

Заметки [ править ]

  1. ^ "Теорема Юнга" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 18 мая 2006 года . Проверено 2 января 2015 .
  2. ^ Аллен, RGD (1964). Математический анализ для экономистов . Нью-Йорк: Издательство Св. Мартина. С. 300–305. ISBN 9781443725224.
  3. ^ Сандифер, К. Эдвард (2007), «Смешанные производные равны» , Ранняя математика Леонарда Эйлера, Vol. 1 , Математическая ассоциация Америки, стр. 142–147, ISBN 9780883855591, сноска: Comm.Acad.Sci.Imp.Petropol. 7 (1734/1735) 1740 , 174–189, 180–183; Опера Омния , 1.22, 34-56.
  4. ^ Архив Эйлера , поддерживаемый Тихоокеанским университетом.
  5. ^ Мингуце, Е. (2015). «Равенство смешанных частных производных при условиях слабой дифференцируемости». Обмен реального анализа . 40 : 81–98. arXiv : 1309.5841 . DOI : 10,14321 / realanalexch.40.1.0081 . S2CID 119315951 . 
  6. ^ Линделёф 1867
  7. ^ a b Хиггинс, Томас Джеймс (1940). «Заметка об истории смешанных частных производных» . Scripta Mathematica . 7 : 59–62. Архивировано из оригинала на 2017-04-19 . Проверено 19 апреля 2017 года .
  8. ^ Шварц 1873
  9. ^ Джеймс, RC (1966). Расширенный расчет . Бельмонт, Калифорния: Уодсворт.
  10. ^ Burkill 1962 , стр. 154-155
  11. ^ Апостол 1965
  12. ^ а б Рудин 1976
  13. ^ Хермандер 2015 , стр. 7,11. Этот сокращенный отчет, возможно, самый короткий.
  14. Перейти ↑ Dieudonné 1960 , pp. 179–180
  15. ^ Годеман 1998b , стр. 287-289
  16. ^ Lang 1969 , стр. 108-111
  17. Картан, 1971 , стр. 64–67
  18. ^ a b Их также можно перефразировать в терминах действия операторов на функции Шварца на плоскости. При преобразовании Фурье разностные и дифференциальные операторы являются просто операторами умножения. См. Hörmander (2015) , глава VII.
  19. ^ Hörmander 2015 , стр. 6
  20. ^ Hörmander 2015 , стр. 11
  21. ^ Дьедонне 1960
  22. ^ Godement 1998a
  23. ^ Lang 1969
  24. ^ Картан 1971
  25. ^ Титчмарш 1939
  26. ^ Titchmarsh 1939 , стр. 23-25
  27. ^ Titchmarsh 1938 , стр. 49-50
  28. Перейти ↑ Spivak 1965 , p. 61
  29. ^ МакГрат 2014
  30. ^ Маршалл 2010 . См. Записку Дональда Э. Маршалла.
  31. ^ Аксой и Мартелли 2002
  32. ^ Акслер, Шелдон (2020), Измерение, интеграция и реальный анализ , Тексты для выпускников по математике, 282 , Springer, стр. 142–143, ISBN 9783030331436
  33. ^ Хаббард, Джон; Хаббард, Барбара. Векторное исчисление, линейная алгебра и дифференциальные формы (5-е изд.). Matrix Editions. С. 732–733.
  34. ^ Рудин, Вальтер (1976). Принципы математического анализа . Нью-Йорк: Макгроу-Хилл. С. 235–236. ISBN 0-07-054235-X.
  35. Перейти ↑ Hobson 1921 , pp. 403-404
  36. Апостол 1974 , стр. 358–359.
  37. ^ Ту, Лоринг В. (2010). Введение в многообразия (2-е изд.). Нью-Йорк: Спрингер. ISBN 978-1-4419-7399-3.
  38. ^ Кац 1981

Ссылки [ править ]

  • Аксой, А .; Мартелли, M. (2002), "смешанных производных и теоремы Фубини" , колледж математики Журнал MAA , 33 (2): 126-130, DOI : 10,1080 / 07468342.2002.11921930 , S2CID  124561972
  • Апостол, Том М. (1974), Математический анализ , Addison-Wesley, ISBN 9780201002881
  • Бурбаки, Николя (1952), «Глава III: Mesures sur les espaces localement compacts», Eléments de mathématique, Livre VI: Intégration (на французском языке), Hermann et Cie
  • Burkill, JC (1962), Первый курс математического анализа , Cambridge University Press , ISBN 9780521294683 (перепечатано в 1978 г.)
  • Картан, Анри (1971), Calcul Differentiel (на французском языке), Герман , ISBN 9780395120330
  • Clairaut, AC (1739), "Recherches générales sur le Calcul intégral" , Mémoires de l'Académie Royale des Sciences : 425–436
  • Clairaut, AC (1740), «Sur l'integration ou la построение дифференциальных уравнений первого порядка » , Mémoires de l'Académie Royale des Sciences , 2 : 293–323
  • Дьедонне Дж. (1937), «Sur les fonctions продолжает numérique définies dans une produit de deux espaces compacts», Comptes Rendus de l'Académie des Sciences de Paris , 205 : 593–595
  • Дьедонне, Дж. (1960), Основы современного анализа , чистой и прикладной математики, 10 , Academic Press, ISBN 9780122155505
  • Дьедонне, Дж. (1976), Трактат по анализу. Vol. II. , Чистая и прикладная математика, 10-II, перевод И. Г. Макдональда , Academic Press, ISBN 9780122155024
  • Гилки, Питер; Пак, Чонхён; Васкес-Лоренцо, Рамон (2015), Аспекты дифференциальной геометрии I , Синтез лекций по математике и статистике, 15 , Морган и Клейпул, ISBN 9781627056632
  • Годеман, Роджер (1998a), Analyze mathématique I (PDF) , Springer
  • Годеман, Роджер (1998b), Analyze mathématique II (PDF) , Springer
  • Хобсон, EW (1921), Теория функций действительного переменного и теория рядов Фурье. Vol. I. , Cambridge University Press
  • Хёрмандер, Ларс (2015), Анализ линейных дифференциальных операторов с частными производными I: теория распределений и анализ Фурье , Classics in Mathematics (2nd ed.), Springer, ISBN 9783642614972
  • Иордания, Камилла (1893), Политехнический курс по анализу экологии. Том I. Calcul différentiel (Les Grands Classiques Gauthier-Villars) , Издательство Жака Габа]
  • Кац, Виктор Дж (1981), "История дифференциальных форм от Клеро к Пуанкаре", Хистория Mathematica , 8 (2): 161-188, DOI : 10,1016 / 0315-0860 (81) 90027-6
  • Лэнг, Серж (1969), настоящий анализ , Addison-Wesley , ISBN 0201041790
  • Lindelöf, EL (1867), "Remarques sur les différentes manières d'établir la formule d 2 z / dx dy = d 2 z / dy dx" , Acta Societatis Scientiarum Fennicae , 8 : 205–213
  • Лумис, Линн Х. (1953), Введение в абстрактный гармонический анализ , Д. Ван Ностранд, hdl : 2027 / uc1.b4250788
  • Маршалл, Дональд Э. (2010), Неофициальная заметка о теоремах Фубини и Клеро (PDF) , Вашингтонский университет
  • МакГрат, Питер Дж. (2014), «Другое доказательство теоремы Клеро», Amer. Математика. Ежемесячно , 121 (2): 165–166, doi : 10.4169 / amer.math.monthly.121.02.165 , S2CID  12698408
  • Нахбин, Леопольдо (1965), Элементы теории приближения , Notas de Matemática, 33 , Рио-де-Жанейро: Fascículo publicado pelo Instituto de Matemática Pura e Aplicada do Conselho Nacional de Pesquisas
  • Рудин, Уолтер (1976), Принципы математического анализа , Международная серия по чистой и прикладной математике, McGraw-Hill, ISBN 007054235X
  • Schwarz, HA (1873), «Коммуникация» , Archives des Sciences Physiques et Naturelles , 48 : 38–44.
  • Спивак, Майкл (1965), Исчисление на многообразиях. Современный подход к классическим теоремам продвинутого исчисления , В. А. Бенджамин
  • Тао, Теренс (2006), Анализ II (PDF) , Тексты и материалы по математике, 38 , Книжное агентство Hindustan, DOI : 10.1007 / 978-981-10-1804-6 , ISBN 8185931631
  • Титчмарш, EC (1939), Теория функций (2-е изд.), Oxford University Press

Дальнейшее чтение [ править ]

  • "Частная производная" , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]