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Un operador Diferencial.

¿Cuáles son las soluciones fundamentales para el operador $$\mathcal D=a{\partial^2\over\partial x_1^2}+b{\partial^2\over\partial x_2^2}$$ en $\Bbb R^2 $ con el estándar de cordinates $(x_1,x_2)$.

Aquí $a,b\in \Bbb R$.

Definición: distribución $E\in D'(R)$se llama una solución fundamental de un operador diferencial $P(D)$ si $$P(D)E= \delta(x).$$

Aquí $$P(D)=\sum_{|\alpha|\le m} a_\alpha D^\alpha.$$


Diferencial de operador en el problema anterior se ve como una especie de generalización de operador de Laplace. En realidad, no sé; hay alguna generalización del operador de Laplace? Pero si tomamos $a,b=1$ es el operador de Laplace y en este caso, tal vez podemos mostrar que $E=\frac1 {2\pi} log|x|, n=2$ es una solución fundamental...


Gracias.

27voto

Evan Anderson Puntos 118832

Si $a,b$ son positivos o negativos, al mismo tiempo, luego de escala va a hacer el truco. Deje $$x_1' = c x_1, x_2' = d x_2,$$ $$ \frac{\partial^2 u}{\partial x_1'^2} = \frac{1}{c^2}\frac{\partial^2 u}{\partial x_1^2}, \quad \frac{\partial^2 u}{\partial x_2'^2} = \frac{1}{d^2}\frac{\partial^2 u}{\partial x_2^2}. $$ Comparando con la ecuación tenemos $c = 1/\sqrt{a}$$d = 1/\sqrt{b}$, la solución fundamental a $$ un\frac{\partial^2 u}{\partial x_1^2}+ b\frac{\partial^2 u}{\partial x_2^2}= \frac{\partial^2 u}{\partial x_1'^2} + \frac{\partial^2 u}{\partial x_2'^2}= \delta_{(0,0)}(x_1,x_2) $$ es $$ E = \frac{1}{4\pi} \ln(x_1'^2 + x_2'^2) = \frac{1}{4\pi} \ln\left(\frac{x_1^2}{a} + \frac{x_2^2}{b}\right). $$ Para comprobar esto, aviso de tu operador $\mathcal{D}$ actuando $u$ es $$ \mathcal{D}u = \nabla \cdot (\nabla u) = \frac{\partial^2 u}{\partial x_1^2}+ b\frac{\partial^2 u}{\partial x_2^2}, \quad \text{ donde } A = \begin{pmatrix}a &0\\0&b\end{pmatrix}. $$ $\nabla$ es sólo $D$, e $\nabla \cdot $ es la divergencia del operador. Usted puede encontrar que $$ \nabla u = \frac{1}{4\pi}\left(\frac{2 b x_1}{b x_1^2+x_2^2}, \frac{2 ax_2}{b x_1^2+x_2^2}\right), $$ y actuando $A$ $\nabla u$ tenemos: $$ Un\nabla u = \frac{1}{4\pi}\left(\frac{2 ab x_1}{b x_1^2+x_2^2}, \frac{2 bx_2}{b x_1^2+x_2^2}\right). $$ Al $x_1,x_2\neq 0$, tomar divergencia: $$ \nabla \cdot (\nabla u) = \frac{\partial }{\partial x_1} \left(\frac{2 ab x_1}{b x_1^2+x_2^2}\right)+ \frac{\partial }{\partial x_2} \left(\frac{2 bx_2}{b x_1^2+x_2^2}\right) = 0. $$ Al $x_1,x_2 = 0$, puede hacer referencia a mi respuesta en esta pregunta: Verde del teorema y de flujo de y la divergencia es una delta de Dirac (para nosotros tienen un $1/(4\pi)$ factor).


Si $a,b$ tienen signos diferentes, entonces esto no es una elíptica operador más, pero 1D una ola de operador, la solución de onda plana será más bien dado en la fórmula de D'Alembert, y que la solución fundamental está dada por la función escalón unitario $H(x_2 -\sqrt{-b/a} x_1 )$.

3voto

carlfriedrich Puntos 21

Deje $r=\sqrt{ax^2+by^2}$ y supongamos que $u(r)$ satisface su ecuación. Tenga en cuenta que $$\frac{\partial u(r)}{\partial x}=\frac{au'(r)x}{r}$$

$$\frac{\partial^2 u(r)}{\partial x^2}=au'(r)\left(r-\frac{ax^2}{r}\right)\frac{1}{r^2}+\frac{a^2u''(r)x^2}{r^2}$$

Hemos análoga las fórmulas para las derivadas con respecto a $y$. Llegamos a la conclusión de que $$\frac{1}{a}\frac{\partial^2 u(r)}{\partial x^2}+\frac{1}{b}\frac{\partial^2 u(r)}{\partial y^2}=u''(r)+\frac{u'(r)}{r}=0$$

La última ecuación se puede rewriten para $r\neq 0$ $$(ru'(r))'=0$$

lo que implica mi comentario en el Op pregunta. Ahora queda por demostrar que esta es una solución fundamental. No sé si esto es cierto (supongo que lo es, si no voy a borrar esta respuesta, pero ahora no tengo tiempo para comprobarlo), pero el cálculo es el mismo para el caso de $a=b=1$. Usted puede encontrar este cálculo en cualquier buen libro de teoría potencial.

Comentario: Los casos de $ab=0$ debe ser considerado por separado.

Comentario 2: la lectura de @ShubhaoCao interesante respuesta, me doy cuenta de que mi argumento sólo funciona para los casos en que $ab>0$. En el caso de que $a>0$ $b>0$ no hay necesidad de adaptación en mi prueba. En el caso de que ellos son negativos, se multiplica la ecuación por $-1$ y entonces estamos en el caso positivo. Como @ShubhaoCao mostró este es el caso donde $u$ es una solución fundamental.

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