Diferenciální operátor

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na navigaci Skočit na vyhledávání
Harmonická funkce definovaná na mezikruží. Harmonické funkce jsou právě ty funkce, které leží v jádru Laplaceova operátoru, který je důležitým diferenciálním operátorem.

Diferenciální operátor v matematice je operátor definovaný jako funkce operátoru derivace. Je užitečný především jako prostředek zápisu, který bere derivaci jako abstraktní operaci, která dostane funkci a vrátí jinou funkci (ve stylu funkce vyššího řádu v matematické informatice).

Nejčastěji používané diferenciální operátory jsou lineární, ale existují i nelineární diferenciální operátory, jako například Schwarzovská derivace.

Definice[editovat | editovat zdroj]

Předpokládejme, že existuje zobrazení z prostoru funkcí do prostoru funkcí , a že funkce , taková, že je obrazem tj.   Diferenciální operátor (anglicky differential operator) je reprezentován jako lineární kombinace konečně generovaná a jeho derivacemi vyššího stupně jako například

kde množina nezáporných celých čísel se nazývá multi-index, se nazývá délka, jsou funkce ne nějakém otevřeném definičním oboru v n-rozměrném prostoru a Výše uvedená derivace je stejná jako funkce, případně distribuce nebo hyperfunkce a případně .

Zápisy[editovat | editovat zdroj]

Nejobvyklejším diferenciálním operátorem je samotný operátor provedení derivace. Nejobvyklejšími zápisy pro provedení první derivace podle proměnné x jsou:

a

Pro derivace n-tého řádu se používají operátory:

nebo

Derivace funkce f argumentu x se zapisuje takto:

nebo takto:

Autorem zápisu pomocí D je Oliver Heaviside, který ve své studii o diferenciálních rovnicích pracoval s diferenciálními operátory tvaru

Mezi nepoužívanější diferenciální operátory patří Laplaceův operátor definovaný vztahem

Dalším diferenciálním operátorem je operátor Θ nebo theta operátor, definovaný jako[1]

Tento operátor se někdy nazývá operátor homogenity, protože jeho vlastní funkce jsou jednočleny promenné z:

Operátor homogenity pro n proměnných je

Jako v případě jedné proměnné, vlastní prostory operátoru Θ jsou prostory homogenních polynomů.

Podle obvyklých matematických konvencí se argument diferenciálního operátoru obvykle píše vpravo od operátoru. Někdy se používá alternativní notace: výsledek použití operátoru na funkci vlevo od operátoru a vpravo od operátor a rozdíl získaný použitím diferenciálního operátor na funkce na obou stranách se označuje pomocí šipek takto:

Tato notace se se často používá pro popis proudu pravděpodobnosti v kvantové mechanice.

Nabla[editovat | editovat zdroj]

Podrobnější informace naleznete v článku Nabla.

Důležitým vektorovým diferenciálním operátorem je operátor nabla. Ve fyzice se často používá například pro zápis diferenciálního tvaru Maxwellových rovnic. V trojrozměrné Kartézské soustavě souřadnic je operátor nabla definován takto:

Symbol nabla se používá pro výpočet gradientu, rotace, divergence a Laplaceova operátoru různých objektů.

Adjunkce operátorů[editovat | editovat zdroj]

Související informace naleznete také v článku sdružený operátor.

Je-li dán lineární diferenciální operátor T

sdružený operátor tohoto operátoru se definuje jako operátor takový, že

kde zápis se používá pro skalární součin nebo vnitřní součin. Tato definice proto závisí na definici skalárního součinu.

Formální adjunkt jedné proměnné[editovat | editovat zdroj]

Ve funkcionálním prostoru funkcí integrovatelných na obdélníku je skalární součin definován vztahem

kde pruh nad g(x) označuje hodnotu komplexně sdruženou ke g(x). Jestliže navíc přidáme podmínku, že f nebo g je zanedbatelné pro a , můžeme také definovat adjunkt operátoru T vztahem

Tento vzorec neexplicitně závisí na definici skalárního součinu. Proto se někdy používá jako definice sdruženého operátoru. Pokud se definuje tímto vzorcem, nazývá se formální adjunkt operátoru T.

(Formálně) samoadjungovaný operátor je operátor rovný své adjunkci.

Více proměnných[editovat | editovat zdroj]

Jestliže Ω je definiční obor v Rn a P je diferenciální operátor na Ω, pak adjunkt operátoru P je definovaný v L2(Ω) dualitou analogicky:

pro všechny hladké L2 funkce f, g. Protože hladké funkce jsou husté v L2, je takto definován adjunkt na husté podmnožině L2: P* je hustě definovaný operátor.

Příklad[editovat | editovat zdroj]

Sturmův–Liouvilleův operátor je dobře známým příkladem formálního samoadjungovaného operátoru. Tento lineární diferenciální operátor druhého řádu L lze zapsat ve tvaru

Tuto vlastnost lze dokázat pomocí definice formálního adjunktu uvedené výše.

Tento operátor je ústředním pojmem Sturmovy–Liouvilleovy teorie, která pracuje s vlastními funkcemi, což je obdoba vlastních vektorů.

Vlastnosti diferenciálních operátorů[editovat | editovat zdroj]

Derivování je lineární, tj.

kde a je konstanta a f a g jsou funkce.

Jakýkoli polynom v D s funkčními koeficienty je také diferenciální operátor. Diferenciální operátory můžeme také skládat podle pravidla

Přitom je nutné dávat pozor:

  • Za prvé, libovolné funkční koeficienty v operátoru D2 musí být diferencovatelné tolikrát, kolikrát vyžaduje aplikace operátoru D1. Abychom získali okruh takových operátorů, musíme předpokládat, že se používá derivace všech řádů koeficientů.
  • Za druhé, tento okruh nebude komutativní: operátor gD není obecně totéž jako Dg. Například v kvantové mechanice je základní následující vztah:

Podokruh operatorů, které jsou polynomy v D s konstantními koeficienty, naopak komutativní je. Může být charakterizován jinak: skládá se z translačně invariantních operátorů.

Pro diferenciální operátory platí věta o translaci (anglicky shift theorem).

Více proměnných[editovat | editovat zdroj]

Stejnou konstrukci můžeme uplatnit na parciální derivace, podle různých proměnných, čímž dostáváme operátory, které komutují (viz symetrie druhé derivace).

Okruh polynomiálních diferenciálních operátorů[editovat | editovat zdroj]

Okruh jednorozměrných polynomiálních diferenciálních operátorů[editovat | editovat zdroj]

Jestliže R je okruh, nechť je nekomutativní polynomiální okruh nad R v proměnná D a X a I oboustranný ideál generovaný DX-XD-1, pak okruh jednorozměrných polynomiálních diferenciálních operátorů nad R je podílový okruh . Což je nekomutativní jednoduchý okruh. Každý prvek lze jednoznačně zapsat jako R-lineární kombinaci jednočlenů tvaru . To podporuje analogii Eukleidova algoritmu pro dělení polynomů.

Diferenciální moduly nad (pro standardní derivaci) mohou být identifikovány s moduly nad .

Okruh vícerozměrných polynomiálních diferenciálních operátorů[editovat | editovat zdroj]

Jestliže R je okruh, nechť je nekomutativní polynomiální okruh nad R v proměnné a I oboustranný ideál generovaný prvky pro všechny kde je Kroneckerovo delta, pak okruh vícerozměrných polynomiálních diferenciálních operátorů nad R je podílový okruh .

Což je nekomutativní jednoduchý okruh. Každý prvek lze jednoznačně zapsat jako R-lineární kombinaci jednočlenů tvaru .


Vztah ke komutativní algebře[editovat | editovat zdroj]

Ekvivalentní, ale čistě algebraický popis lineárního diferenciálního operátoru je tento: R-lineární zobrazení P je lineární diferenciální operátor k-tého řádu, jestliže pro libovolnou k + 1 hladkou funkci máme

kde závorka je definována jako komutátor

Tato charakterizace lineárních diferenciálních operátorů ukazuje, že jsou jistými zobrazeními mezi moduly nad komutativní algebrou, dovolující koncept, aby byla chápána jako část komutativní algebry.

Příklady[editovat | editovat zdroj]

Tento přístup se také používá pro studium funkcí více komplexních proměnných a funkcí operátoru motor proměnná.

Historie[editovat | editovat zdroj]

Samostatný zápis diferenciálního operátoru začal používat Louis François Antoine Arbogast v roce 1800[2].

Související články[editovat | editovat zdroj]

Reference[editovat | editovat zdroj]

V tomto článku byl použit překlad textu z článku Differential operator na anglické Wikipedii.

  1. E. W. Weisstein. Theta Operator [online]. Dostupné online. 
  2. James Gasser (editor), Boole Anthology: Recent a klasický studuje v logický operátoru George Boole (2000), p. 169; Google Books.

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]