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¿Cómo se $\Delta f$ se comportan donde $f$ tiene discontinuidades de salto en primer orden de los parciales?

En la raíz de una pregunta anterior, me ha solidificado mi entendimiento de que para una función unidimensional $f(x)$, cuando su primera derivada tiene una discontinuidad de salto de altura$h$$x_0$, podemos considerar la segunda derivada (para el propósito de la eventual integración) como tener un $\delta(x-x_0)$ factor plus localmente función continua. Lo que si, como en mi anterior pregunta, una función continua es distinto de cero en todas partes fuera de la región acotada $\Omega \subset \mathbb{R}^2$, y su primer fin de parciales tiene discontinuidades de salto en el límite: ¿cómo entonces debemos derivar la forma de $\Delta f$ ?

Mi conjetura es que si definimos $\nabla f$, en el límite, al tomar el límite desde el interior de $\Omega$, entonces obtendremos algo parecido a $\Delta f = \delta(0) \| \nabla f \|$, en el límite, y $0$ lo contrario. O es posible que en la integración de las $\Delta f$ a través de una ruta de golpear a un único límite de punto de $x_0$, con la consiguiente "$\delta$-factor" depende de lo que la dirección de la ruta de éxitos $x_0$?

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user11867 Puntos 21

Deje $\Omega\subset\mathbb{R}^2$ ser un almacén de dominio con un $C^1$ límite. Deje $f$ cero fuera de $\Omega$ $C^2$ en el interior, con $f=0$$\partial\Omega$. Asimismo, se asume que todas las derivadas parciales de $f$ ampliar continuamente a $\partial\Omega$. Vamos a definir $$ g(x) = \begin{cases} \Delta f(x) &\text{if %#%#%},\\ 0 &\text{otherwise}. \end{casos} $$ Ahora, $x\in\Omega$ no es igual a $g$ sobre todo $\Delta f$. De hecho, $\mathbb{R}^2$ puede incluso no existir como una función en $\Delta f$. Pero existe como una distribución. Vamos a ver cómo se $\mathbb{R}^2$, la distribución, se compara con $\Delta f$.

Deje $g$ ser un suave función de prueba. Entonces $$ \langle\Delta f,\varphi\rangle = \langle f,\Delta\varphi\rangle = \int_{\mathbb{R}^2}f(x)\Delta\varphi(x)\,dx. $$ Desde $\varphi$ fuera de $f=0$, sólo tenemos que integrar sobre $\Omega$. A continuación, podemos utilizar el Verde de la segunda identidad para obtener $$ \int_\Omega f(x)\Delta\varphi(x)\,dx = \int_\Omega g(x)\varphi(x)\,dx + \int_{\partial\Omega} (f\partial_{\bf n}\varphi - \varphi\partial_{\bf n}f)\,d\sigma, $$ donde $\Omega$ es la derivada en la dirección de la normal hacia afuera, y $\partial_{\bf n}$ es el de la medida de superficie en $\sigma$. (Ya que estamos en el $\partial\Omega$, esto es sólo el arclength medida.) Desde $\mathbb{R}^2$$f=0$, obtenemos \begin{align*} \langle\Delta f,\varphi\rangle &= \int_\Omega g\varphi\,dx -\int_{\partial\Omega} (\partial_{\bf n}f)\varphi\,d\sigma\\ &= \int_{\mathbb{R}^2} g\varphi\,dx -\int_{\partial\Omega} (\partial_{\bf n}f)\varphi\,d\sigma\\ &= \langle g,\varphi\rangle -\int_{\partial\Omega} (\partial_{\bf n}f)\varphi\,d\sigma. \end{align*} Lo que esto demuestra es que el $\partial\Omega$ donde $\Delta f = g + \nu$ es la distribución que asigna $\nu$ a $$ \langle\nu,\varphi\rangle = -\int_{\partial\Omega} (\partial_{\bf n}f)\varphi\,d\sigma. $$ Por ejemplo, si $\varphi$ todos los $\partial_{\bf n}f(x)=-1$, $x\in\partial\Omega$ es sólo la superficie medida en $\nu$. Este es el caso en el ejemplo que di en mi respuesta a la otra pregunta. Y en ese caso, la superficie de la medida sobre el límite de $\partial\Omega$ $[0,\pi]$ está a sólo dos masas puntuales, uno en $\mathbb{R}$ y uno en $0$.

Por último, para abordar un comentario de la otra pregunta, el Laplaciano es todavía rotación invariable cuando se interpreta como una distribución de derivados. Para probar esto, aplicamos $\pi$ a facilitar la función de prueba, a continuación, mueva el Laplaciano a la función de prueba (donde actúa en la manera clásica) y, a continuación, utilizar la rotación de la invariancia de la clásica de Laplace.

Una breve y accesible de referencia para el templado de las distribuciones, que es gratis en internet, es el Capítulo 11 de los Análisis Aplicados por Cazador y Nachtergaele. También, hay un capítulo en el operador de Laplace en Folland.

Editar:

Para abordar la pregunta en los comentarios, el Radón transformar de una base de distribución se define por $\Delta f$. Más precisamente, es $\langle Rf,\varphi\rangle=\langle f,R^*\varphi\rangle$. El producto interior en el derecho es la costumbre $\langle Rf,\varphi\rangle_{S^1\times\mathbb{R}}=\langle f,R^*\varphi\rangle_{\mathbb{R}^2}$ producto interior en $L^2$; el producto interior de la izquierda se define por $$ \langle f,g\rangle_{S^1\times\mathbb{R}} = \frac1{2\pi}\int_0^{2\pi}\int_{\mathbb{R}} f(\theta,s)g(\theta,s)\,ds\,d\theta. $$ De ello se sigue que \begin{align*} \langle R(\Delta f),\varphi\rangle &= \langle \Delta f,R^*\varphi\rangle = \langle f,\Delta(R^*\varphi)\rangle\\ &= \langle f,R^*(\partial_s^2\varphi)\rangle = \langle Rf,\partial_s^2\varphi\rangle = \langle \partial_s^2(Rf),\varphi\rangle, \end{align*} y por lo $\mathbb{R}^2$, incluso en el sentido distributivo.

Lo que es relevante para tu otra pregunta es cómo calcular $R(\Delta f)=\partial_s^2(Rf)$. Mi conjetura es que usted está preguntando si $$ R\nu = -\sum_{x\in\partial\Omega\cap L}\partial_{\bf n}f(x). $$ La intuición detrás de esta fórmula no funciona, porque no tiene en cuenta el ángulo entre el $R\nu$ $L$ en el punto de intersección. Lo voy a dejar como un ejercicio para demostrar que si $\partial\Omega$ es el arclength medida en $\sigma$, es decir, si $$ \langle\sigma\varphi\rangle = \int_0^{2\pi}\varphi(e^{i\theta})\,d\theta, $$ entonces $$ R\sigma(\theta,s) = 2\frac1{\sqrt{1 - s^2}}\chi_{[-1,1]}(s). $$ El $S^1$ proviene de los dos puntos donde la línea cruza el círculo, y el factor de $2$ viene desde el ángulo de intersección. Si $|1-s^2|^{-1/2}$ es la línea correspondiente a $L$ $(\theta,s)$ es el ángulo con el que $\alpha(L)\in[0,\pi/2]$ intersecta $L$,$S^1$. Por tanto, tenemos $$ R\sigma(\theta,s) = 2\csc\alpha(L)\chi_{[-1,1]}(s). $$ El natural de la generalización de a $|s|=\cos\alpha(L)$ sería $$ R\nu(L) = -\sum_{x\in\partial\Omega\cap L} \partial_{\bf n}f(x)\csc\alpha(x), $$ donde, por $\nu$, definimos $x\in\partial\Omega\cap L$ a ser el ángulo de intersección entre el $\alpha(x)\in[0,\pi/2]$ y la línea tangente a $L$$\partial\Omega$.

3voto

Matthew Trevor Puntos 5277

Deje que el límite de $S=\partial \Omega$ ser bastante suave. La aplicación de la segunda Verde con la fórmula de la función de prueba de $\varphi$ tenemos $$ \int_{\mathbb R^n}(f\Delta \varphi -\Delta f\varphi)\mathrm dx= \int_{\Omega}(f\Delta \varphi -\Delta f\varphi)\mathrm dx= $$ $$ \int_{S}\left(f\frac{\partial \varphi}{\parcial\bar n}- \varphi\frac{\partial f}{\partial \bar n}\right)\mathrm dx= -\int_{S}\frac{\partial f}{\partial\bar n}\mathrm dx, $$ donde $\bar n$ es la unidad outword normal a $S$. Así, en el sentido de las distribuciones $\Delta f=\{\Delta f\}-\frac{\partial\Delta f^+}{\partial\bar n}\delta_S$ donde $\{\Delta f\}$ $\Delta f$ fuera de $S$. La derivada en el último término es el limite valores de $ \frac{\partial\Delta f}{\partial\bar n}$ dentro del dominio.

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