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超関数の微分 📂シュワルツ超函数

超関数の微分

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配布物超関数は、その定義域が関数空間であるため、実数空間で定義された関数のように微分することはできません。しかし、正則超関数の場合には、対応する局所的に積分可能な関数uLloc1u\in L_{\mathrm{loc}}^{1}が存在し、以下のように表されます。

Tu(ϕ)=u(x)ϕ(x)dx,ϕD T_{u}(\phi) =\int u(x)\phi (x) dx,\quad \phi \in \mathcal{D}

したがって、uuに対するある作用SSによってSu=uSu=u^{\prime}を得ることができるだろうが、uu^{\prime}が依然として局所的に積分可能な関数であるならば、それに対応する超関数TuT_{u^{\prime}}が存在します。したがって、uuに対する作用SSを、TuT_{u}に対する作用であるかのように考えるわけです。このようなアイデアを超関数全体に拡張して、超関数の微分を定義しようとしています。

3.PNG

以下では、uCu\in C^{\infty}と仮定していますが、必ずしもそうする必要はありません。uCnu \in C^{n}とし、nn階の導関数まで話してもかまいません。

あるスムーズ関数uCu\in C^{\infty}が与えられたとしましょう。テスト関数ϕ\phiコンパクトサポートを持つので、テスト関数のサポートを含むあるコンパクトな集合KK上でuuが定義されていると考えても問題ありません。コンパクトな集合上でのスムーズな関数は局所的に積分可能なので、uuに対応する正規超関数TuT_{u}を考えることができます。

一方、uuはスムーズな関数なので微分可能であり、uu^{\prime}も局所的に積分可能なので、対応する正則超関数TuT_{u^{\prime}}が存在します。すると、テスト関数ϕD\phi \in \mathcal{D}に対して部分積分法を使って以下のように表現できます。

Tu(ϕ)=u(x)ϕ(x)dx=[u(x)ϕ(x)]u(x)ϕ(x)dx \begin{align*} T_{u^{\prime}}(\phi) &= \int u^{\prime}(x)\phi (x)dx \\ &= \left[ u(x) \phi (x) \right]_{-\infty}^{\infty} -\int u(x)\phi ^{\prime} (x) dx \end{align*}

ここで、ϕ\phiはコンパクトサポートを持っているので、第一項は00です。したがって、次のことを得ます。

Tu(ϕ)=u(x)ϕ(x)dx=Tu(ϕ) T_{u^{\prime}}(\phi)=-\int u(x)\phi ^{\prime} (x) dx=-T_{u}(\phi^{\prime})

定義1

超関数TTの導関数を、以下のように定義します。

(DT)(ϕ):=T(Dϕ) (DT)(\phi):= -T(D\phi)

ここで、DDは微分演算子です。マルチインデックスα\alphaについては、次のようになります。

(DαT)(ϕ):=1αT(Dαϕ) (D^{\alpha}T)(\phi):= \left| -1 \right|^{\left| \alpha \right| } T(D^{\alpha}\phi)


テスト関数の導関数もテスト関数であることから、定義域に問題はなく、その点を除けば、単に定数項1α\left| -1 \right|^{\left| \alpha \right|}が乗じられたことに過ぎず、したがってDαTD^{\alpha}Tもまた超関数になることを知ることができます。もちろん、超関数の定義を利用して証明することができますが、必ずしもそうする必要はありません。


  1. Gerald B. Folland, Fourier Analysis and Its Applications (1992), p308-309 ↩︎