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미분연산자와 심볼 📂편미분방정식

미분연산자와 심볼

정의1

자연수 mNm \in \mathbb{N}에 대해서 미분 연산자differential operator란, 다음과 같은 PP를 의미한다.

P=αmaα(x)Dα,x=(x1,,xn) \begin{equation} P = \sum\limits_{\left| \alpha \right| \le m} a_{\alpha}(x) D^{\alpha},\qquad x = (x_{1}, \dots, x_{n}) \end{equation}

이때 α=(α1,,αn)\alpha = (\alpha_{1}, \dots, \alpha_{n})멀티인덱스이다. DαD^{\alpha}는 다음과 같다.

Dα:=αx1α1xnαn=(x1)α1(x2)α2(xn)αn=x1α1xnαn \begin{align*} D^\alpha &:= \dfrac{\partial ^{|\alpha|} } {{\partial x_{1}}^{\alpha_{1}}\cdots {\partial x_{n}}^{\alpha_{n}}} \\ &= \left( \frac{ \partial }{ \partial x_{1}} \right)^{\alpha_{1}}\left( \frac{ \partial }{ \partial x_{2}} \right)^{\alpha_{2}}\cdots \left( \frac{ \partial }{ \partial x_{n}} \right)^{\alpha_{n}} \\ &= \partial^{\alpha_{1}}_{x_{1}}\cdots\partial^{\alpha_{n}}_{x_{n}} \end{align*}

설명

PP는 적당한 함수공간 XX, YY사이의 사상이다. 물론 XX의 원소들은 적어도 한 번 미분가능해야할 것이다.

P:XY P : X \to Y

심볼

(1)(1)DD를 변수 ξ=(ξ1,,ξn)\xi = (\xi_{1}, \dots, \xi_{n})으로 치환하여 얻는 다항식 ppPP토탈 심볼total symbol이라 하다.

p(x,ξ)=αmaα(x)ξα,ξα=ξ1αξnα p(x,\xi) = \sum\limits_{\left| \alpha \right| \le m} a_{\alpha}(x) \xi^{\alpha},\qquad \xi^{\alpha} = \xi^{\alpha}_{1} \dots \xi^{\alpha}_{n}

또한 다음의 다항식 σ(x,ξ)\sigma (x, \xi)PP프린시플 심볼principal symbol이라 한다.

σ(x,ξ)=α=maα(x)ξα \sigma (x, \xi) = \sum\limits_{\left| \alpha \right| = m} a_{\alpha}(x) \xi^{\alpha}

설명

토탈 심볼 pp는 정의에 의해 (2)(2)를 만족시키는데, 반대로 (2)(2)를 만족하는 다항식 ppPP의 토탈 심볼이라 정의해도 된다.

푸리에 변환과의 관계

푸리에변환성질에 의해 다음이 성립한다.

F[Df](ξ)=iξFf(ξ)    Df(x)=F1[iξFf(ξ)](x) \mathcal{F}[Df] (\xi) = i\xi \mathcal{F}f (\xi) \implies Df (x) = \mathcal{F}^{-1} \left[ i\xi \mathcal{F}f (\xi) \right] (x)

따라서 다음을 얻는다.

Pf(x)=F1[p(,iξ)f^(ξ)](x)=1(2π)nRnp(x,iξ)f^(ξ)eixξdξ \begin{align} P f(x) &= \mathcal{F}^{-1} \left[ p(\cdot, i\xi) \hat{f}(\xi) \right] (x) \nonumber \\ &= \dfrac{1}{(2 \pi)^{n}}\int_{\mathbb{R}^{n}} p(x,i\xi)\hat{f}(\xi) e^{i x \cdot \xi} d\xi \end{align}