Solusi Fundamental dan Latihan yang Disarankan

Batas sumber. Bagian ini mengikat distributions.tex baris 1777-2397 pada sumber beku.

Solusi Fundamental

Penyajian kami didasarkan pada FoPDE dan menggunakan transformasi Fourier. Pendekatan ini bersifat analitik. Penyajian yang lebih elementer dan aljabar diberikan dalam Smo.

Misalkan Ω⊂ℝn\displaystyle\Omega \subset \mathbb{R}^n suatu himpunan terbuka dan tinjau persamaan diferensial parsial linear

L(𝒙,D)u=∑|𝜶|≤ma𝜶D𝜶u=fL(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u = f di mana u:Ω→ℂu:\Omega \rightarrow \mathbb{C}, fungsi f:Ω→ℂf:\Omega \rightarrow \mathbb{C} kontinu, dan a𝜶:Ω→ℂa_{\boldsymbol{\alpha}}:\Omega \rightarrow \mathbb{C} berkelas C|𝜶|\displaystyle C^{|\boldsymbol{\alpha}|} untuk setiap multiindeks yang muncul dalam penjumlahan tersebut.

Seperti pada pengantar bab ini, misalkan L*(𝒙,D)\displaystyle L^\ast(\boldsymbol{x}, \mathrm{D}) adalah adjoin dari L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x}, \mathrm{D}) yang didefinisikan oleh

L*(𝒙,D)ϕ=∑|𝜶|≤m(−1)|𝜶|D𝜶(a𝜶ϕ),ϕ∈𝒟(Ω).L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D})\phi = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} (-1)^{|\boldsymbol{\alpha}|} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \left(a_{\boldsymbol{\alpha}} \phi \right) \quad , \quad \phi \in \mathcal{D}(\Omega) \ . Suatu solusi kuat atau solusi dalam pengertian distribusi dari (6.7.1) adalah distribusi uu pada Ω\Omega sedemikian sehingga

⟨L(𝒙,D)u,ϕ⟩=⟨u,L*(𝒙,D)ϕ⟩=⟨f,ϕ⟩\left\langle{L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u},{\phi}\right\rangle = \left\langle{u},{L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D})\phi}\right\rangle = \left\langle{f},{\phi}\right\rangle untuk semua ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega).

Tinjau persamaan diferensial parsial linear berkoefisien konstan

L(𝒙,D)u=∑|𝜶|≤ma𝜶D𝜶u=f,L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u = f \ , di mana a𝜶∈ℝa_{\boldsymbol{\alpha}} \in \mathbb{R} untuk setiap multiindeks 𝜶\boldsymbol{\alpha} yang muncul dalam penjumlahan, u:ℝn→ℂ\displaystyle u:\mathbb{R}^n \rightarrow \mathbb{C}, dan f∈𝒟(ℝn)\displaystyle f \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n).

Kita mengandaikan bahwa koordinat dipilih sedemikian sehingga {𝒙∈ℝn:xn=0}\displaystyle\{ \boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n : x_n=0 \} bukan permukaan karakteristik. Hal ini mengakibatkan a(0,0,…,0,m)≠0a_{(0,0,\ldots,0,m)} \neq 0. Tanpa mengurangi keumuman, kita bahkan dapat mengandaikan bahwa a(0,0,…,0,m)=1a_{(0,0,\ldots,0,m)} = 1. Kita akan menunjukkan bahwa terdapat solusi u∈C∞(ℝn)\displaystyle u \in C^\infty(\mathbb{R}^n) untuk (6.7.2).

Dengan konvensi transformasi Fourier pada bagian sebelumnya, kita mempunyai L(𝒙,D)û(𝒚)=p(𝒚)û(𝒚)\displaystyle\widehat{L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u}(\boldsymbol{y}) = p(\boldsymbol{y})\hat{u}(\boldsymbol{y}), di mana

p(𝒚)=∑|𝜶|≤ma𝜶(i𝒚)𝜶.p(\boldsymbol{y}) = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} (i\boldsymbol{y})^{\boldsymbol{\alpha}} \ . Untuk setiap 𝒚̆∈ℝn−1\displaystyle\breve{\boldsymbol{y}}\in \mathbb{R}^{n-1}, misalkan λ1(𝒚̆)\lambda_1(\breve{\boldsymbol{y}}), λ2(𝒚̆)\lambda_2(\breve{\boldsymbol{y}}), …, λm(𝒚̆)\lambda_m(\breve{\boldsymbol{y}}) merupakan suatu penomoran terukur untuk akar-akar, dengan menghitung multiplisitas, dari g(z)=p(𝒚̆,z)\displaystyle g(z) = p(\breve{\boldsymbol{y}}, z). Koefisien polinom ini bergantung kontinu pada 𝒚̆\breve{\boldsymbol{y}}; Teorema Rouché menunjukkan bahwa akar-akarnya berubah secara kontinu sebagai multihimpunan, sehingga penomoran terukur semacam itu dapat dipilih.

Lema 6.7.1. Terdapat fungsi terukur κ:ℝn−1→[−m,m]\displaystyle\kappa:\mathbb{R}^{n-1}\rightarrow [-m,m] sedemikian sehingga, untuk setiap 𝒚̆∈ℝn−1\breve{\boldsymbol{y}} \in \mathbb{R}^{n-1},

min1≤j≤m{|κ(𝒚̆)−Imλj(𝒚̆)|}≥1.\min_{1\leq j \leq m} \left\{ \left|\kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) - \operatorname{Im}\lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}})\right| \right\} \geq 1 \ .

Bukti. Diberikan 𝒚̆∈ℝn−1\displaystyle\breve{\boldsymbol{y}} \in \mathbb{R}^{n-1}, terdapat sekurang-kurangnya satu interval terbuka Ik=(2k−m−1,2k−m+1)\displaystyle I_k = (2k-m-1, 2k-m+1) dengan 0≤k≤m0\leq k \leq m yang tidak memuat Im⁡λj(𝒚̆)\operatorname{Im}\lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}}) untuk semua jj. Memang, terdapat m+1m+1 interval terbuka yang saling lepas dan paling banyak mm akar. Definisikan

Vk={𝒚̆∈ℝn−1:Imλj(𝒚̆)∉Ikuntuk1≤j≤m}V_k = \left\{ \breve{\boldsymbol{y}} \in \mathbb{R}^{n-1} : \operatorname{Im}\lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}}) \not\in I_k \ \text{untuk} \ 1 \leq j \leq m \right\} untuk 0≤k≤m0 \leq k \leq m. Kita mempunyai ℝn−1=⋃0≤k≤mVk\displaystyle\mathbb{R}^{n-1} = \bigcup_{0\leq k \leq m} V_k, dan himpunan-himpunan VkV_k terukur karena

Vk=⋂1≤j≤mλj−1(ℂ\(ℝ+iIk))V_k = \bigcap_{1\leq j \leq m} \lambda_j^{-1}\big(\mathbb{C}\setminus (\mathbb{R}+ i\,I_k)\big) dan fungsi-fungsi λj\lambda_j terukur.

Fungsi κ\kappa didefinisikan oleh κ(𝒚̆)=2k−m\displaystyle\kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) = 2k-m jika 𝒚̆∈Vk\⋃0≤j<kVj\displaystyle\breve{\boldsymbol{y}} \in V_k \setminus \bigcup_{0\leq j<k} V_j. Fungsi ini terukur karena κ−1({2k−m})=Vk\⋃0≤j<kVj\displaystyle\kappa^{-1}\big(\{2k-m\}\big) = V_k \setminus \bigcup_{0\leq j<k} V_j adalah himpunan terukur. ◻

Lema 6.7.2. Misalkan q(z)=zm+g(z)\displaystyle q(z) = z^m + g(z), dengan gg suatu polinom berderajat kurang dari mm dan g(0)≠0g(0) \neq 0. Andaikan λ1\lambda_1, λ2\lambda_2, …, λm\lambda_m adalah akar-akar qq. Maka |q(0)|≥(λ2)m\displaystyle\left| q(0)\right| \geq \left(\frac{\lambda}{2}\right)^m, di mana λ=min⁡1≤j≤m|λj|\displaystyle\lambda = \min_{1\leq j\leq m} |\lambda_j|.

Bukti. Faktorisasi qq adalah q(z)=(z−λ1)(z−λ2)…(z−λm)\displaystyle q(z) = (z-\lambda_1)(z-\lambda_2)\ldots(z-\lambda_m). Oleh karena itu,

|q(0)|=|∏j=1mλj|=∏j=1m|λj|≥λm≥(λ2)m.▫\left| q(0) \right| = \left| \prod_{j=1}^m \lambda_j \right| = \prod_{j=1}^m \left| \lambda_j \right| \geq \lambda^m \geq \left(\frac{\lambda}{2}\right)^m \ . \square

Catatan. Suatu bukti yang lebih berliku tetapi menarik untuk lema sebelumnya diberikan dalam FoPDE. Faktorisasi qq adalah q(z)=(z−λ1)(z−λ2)…(z−λm)\displaystyle q(z) = (z-\lambda_1)(z-\lambda_2)\ldots(z-\lambda_m). Dengan demikian,

|q(z)q(0)|=∏j=1m|1−zλj|≤2m\left| \frac{q(z)}{q(0)} \right| = \prod_{j=1}^m \left| 1 - \frac{z}{\lambda_j} \right| \leq 2^m untuk |z|=λ|z|= \lambda karena |z/λj|=λ/|λj|≤1|z/\lambda_j| = \lambda/|\lambda_j| \leq 1, sehingga z/λj∈B1(0)¯⊂ℂz/\lambda_j \in \overline{B_1(0)} \subset \mathbb{C} dan |z/λj−1|≤2|z/\lambda_j - 1| \leq 2. Karena m!=q(m)(z)\displaystyle m! = q^{(m)}(z), Rumus Integral Cauchy memberikan

m!=|q(m)(0)|=|m!2πi∫|z|=λq(z)zm+1dz|=m!2π|∫02πq(λeiθ)(λeiθ)m+1λieiθdθ|≤m!2πλm∫02π|q(λeiθ)|dθ≤m!2m|q(0)|2πλm∫02πdθ=m!2m|q(0)|λm.\begin{aligned} m! & = |q^{(m)}(0)| = \left| \frac{m!}{2\pi i} \int_{|z|=\lambda} \frac{q(z)}{z^{m+1}} \,\mathrm{d}{z} \right| = \frac{m!}{2\pi} \left| \int_0^{2\pi} \frac{q(\lambda e^{i\theta})}{(\lambda e^{i\theta})^{m+1}} \lambda i e^{i\theta} \,\mathrm{d}{\theta}\right| \\ & \leq \frac{m!}{2\pi \lambda^m} \int_0^{2\pi} |q(\lambda e^{i\theta})| \,\mathrm{d}{\theta} \leq \frac{m!\, 2^m |q(0)|}{2\pi \lambda^m} \int_0^{2\pi} \,\mathrm{d}{\theta} = \frac{m!\, 2^m |q(0)|}{\lambda^m} \ . \end{aligned} Jadi, (λ2)m≤|q(0)|\displaystyle\left(\frac{\lambda}{2}\right)^m \leq |q(0)|.

Teorema 6.7.4. Terdapat solusi berkelas C∞\displaystyle C^\infty untuk (6.7.2).

Bukti. Misalkan

u(𝒙)=(2π)−n/2∫ℝn−1∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)p(𝒚)dynd𝒚̆u(\boldsymbol{x}) = (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \frac{\hat{f}(\boldsymbol{y})}{p(\boldsymbol{y})} \,\mathrm{d}{y_n}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} untuk 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n, dengan κ\kappa didefinisikan dalam Lema 6.7.1 dan pp didefinisikan dalam (6.7.3). Pada integral tersebut, kita memandang yn∈ℂy_n \in \mathbb{C}.

(i) Diberikan 𝒚=(𝒚̆,yn)∈ℝn−1×ℂ\displaystyle\boldsymbol{y}=(\breve{\boldsymbol{y}},y_n) \in \mathbb{R}^{n-1}\times\mathbb{C} dengan Im⁡yn=κ(𝒚̆)\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}}), mula-mula kita buktikan bahwa |p(𝒚)|≥2−m\displaystyle|p(\boldsymbol{y})| \geq 2^{-m}. Misalkan q(z)=i−mp(𝒚̆,yn+z)q(z) = i^{-m}p(\breve{\boldsymbol{y}}, y_n+z). Polinom qq monik, akar-akarnya sama dengan akar-akar p(𝒚̆,yn+z)p(\breve{\boldsymbol{y}},y_n+z), dan |q(0)|=|p(𝒚)||q(0)|=|p(\boldsymbol{y})|. Pemilihan κ\kappa memastikan bahwa yny_n bukan akar p(𝒚̆,⋅)p(\breve{\boldsymbol{y}},\,\cdot), sehingga q(0)≠0q(0)\neq0. Dari Lema 6.7.2, kita memperoleh

|p(𝒚)|=|q(0)|≥(λ2)m\left| p(\boldsymbol{y}) \right| = \left| q(0) \right| \geq \left(\frac{\lambda}{2}\right)^m di mana λ=min⁡1≤j≤m{|λj|:λjadalah akar dariq}\displaystyle \lambda = \min_{1\leq j\leq m} \left\{ \left|\lambda_j\right| : \lambda_j \ \text{adalah akar dari} \ q \right\}. Namun, akar-akar polinom qq ini adalah λj(𝒚̆)−yn\lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}}) - y_n, dengan λj(𝒚̆)\lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}}), untuk 1≤j≤m1\leq j \leq m, akar-akar polinom g(z)=p(𝒚̆,z)\displaystyle g(z) = p(\breve{\boldsymbol{y}}, z). Oleh karena itu, jika Im⁡yn=κ(𝒚̆)\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}}), Lema 6.7.1 memberikan

λ=min1≤j≤m|λj(𝒚̆)−yn|≥min1≤j≤m|Imλj(𝒚̆)−κ(𝒚̆)|≥1.\lambda = \min_{1\leq j \leq m} \left| \lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}}) - y_n \right| \geq \min_{1\leq j \leq m} \left|\operatorname{Im}\lambda_j(\breve{\boldsymbol{y}}) - \kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) \right| \geq 1 \ .

(ii) Menurut Proposisi 6.6.7, f̂\hat{f} meluruh cepat pada pita kompleks Sm={𝒚=(𝒚̆,yn)∈ℝn−1×ℂ:|Im⁡yn|≤m}\displaystyle S_m = \{\boldsymbol{y} = (\breve{\boldsymbol{y}},y_n) \in \mathbb{R}^{n-1}\times\mathbb{C}: |\operatorname{Im}y_n|\leq m\}. Pita tersebut memuat grafik integrasi

Γκ={𝒚=(𝒚̆,yn)∈ℝn−1×ℂ:Im⁡yn=κ(𝒚̆)}\Gamma_\kappa = \{\boldsymbol{y} = (\breve{\boldsymbol{y}}, y_n) \in \mathbb{R}^{n-1}\times \mathbb{C}: \operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) \} karena jangkauan κ\kappa adalah [−m,m][-m,m].

Dari (i) dan (ii), pemetaan 𝒚↦ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)p(𝒚)\displaystyle\boldsymbol{y} \mapsto e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \frac{\hat{f}(\boldsymbol{y})}{p(\boldsymbol{y})} terbatas dan meluruh cepat pada Γκ\Gamma_\kappa. Karena |Im⁡yn|≤m|\operatorname{Im}y_n|\leq m pada grafik integrasi, nilai mutlak faktor eksponensial dalam definisi uu dibatasi oleh em|xn|\displaystyle e^{m|x_n|}. Akibatnya, 𝒚↦D𝒙𝜶ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)p(𝒚)\displaystyle\boldsymbol{y} \mapsto \mathrm{D}_{\boldsymbol{x}}^{\boldsymbol{\alpha}} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \frac{\hat{f}(\boldsymbol{y})}{p(\boldsymbol{y})} meluruh cepat pada Γκ\Gamma_\kappa untuk setiap multiindeks 𝜶\boldsymbol{\alpha}. Karena itu, kita boleh mempertukarkan turunan dan integral dalam definisi uu. Jadi, uu berkelas C∞\displaystyle C^\infty.

Kita mempunyai

(L(𝒙,D)u)(𝒙)=(2π)−n/2∫ℝn−1∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)(L(𝒙,D)ei𝒙⋅𝒚)f̂(𝒚)p(𝒚)dynd𝒚̆=(2π)−n/2∫ℝn−1∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dynd𝒚̆\begin{aligned} (L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u)(\boldsymbol{x}) &= (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} \left( L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \right) \frac{\hat{f}(\boldsymbol{y})}{p(\boldsymbol{y})} \,\mathrm{d}{y_n}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} \\ &= (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} \end{aligned} untuk 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n.

Karena yn↦ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)\displaystyle y_n \mapsto e^{i\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) holomorfik di seluruh bidang kompleks, Teorema Cauchy untuk integral sepanjang lintasan tertutup memberikan

∫yn∈Γei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn=0,\int_{y_n \in \Gamma} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} = 0 \ , di mana Γ=Γ1+Γ2−Γ3−Γ4\Gamma = \Gamma_1 + \Gamma_2 - \Gamma_3 - \Gamma_4 dengan Γ1={r+0i:−R≤r≤R}\Gamma_1 = \{ r+ 0 i : -R \leq r \leq R \}, Γ2={R+sκ(𝒚̆)i:0≤s≤1}\Gamma_2 = \{ R+ s\kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) i : 0 \leq s \leq 1 \}, Γ3={r+κ(𝒚̆)i:−R≤r≤R}\Gamma_3 = \{ r+ \kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) i : -R \leq r \leq R \}, dan Γ4={−R+sκ(𝒚̆)i:0≤s≤1}\Gamma_4 = \{ -R+ s\kappa(\breve{\boldsymbol{y}}) i : 0 \leq s \leq 1 \} (Gambar 6.2). Kita mempunyai

∫yn∈Γ1ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn→∫−∞∞ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dynketikaR→∞\int_{y_n \in \Gamma_1} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \to \int_{-\infty}^{\infty} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \quad \text{ketika} \quad R \to \infty dan

∫yn∈Γ3ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn→∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dynketikaR→∞.\int_{y_n \in \Gamma_3} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \to \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \quad \text{ketika} \quad R \to \infty \ . Selain itu, karena 𝒚↦ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)\displaystyle\boldsymbol{y} \mapsto e^{i\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) meluruh cepat dalam arah real pada setiap pita dengan bagian imajiner terbatas, terdapat konstanta C>0C>0 sedemikian sehingga |ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)|≤C/(1+∥Re⁡𝒚∥22)\displaystyle\left| e^{i\boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \right| \leq C/(1+\|\operatorname{Re}\boldsymbol{y}\|_2^2) untuk semua 𝒚∈Sm\boldsymbol{y} \in S_m. Jadi, untuk R>0R>0, kita mempunyai

|∫yn∈Γ2ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn|≤C|κ(𝒚̆)|∫0111+∥𝒚̆∥22+R2ds≤Cm1+R2→0ketikaR→∞\begin{aligned} \left| \int_{y_n \in \Gamma_2} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \right| & \leq C |\kappa(\breve{\boldsymbol{y}})| \int_0^1 \frac{1}{1+\|\breve{\boldsymbol{y}}\|_2^2+R^2} \,\mathrm{d}{s} \\ & \leq \frac{Cm}{1+R^2} \to 0 \quad \text{ketika} \quad R \to \infty \end{aligned} dan, dengan cara serupa,

|∫yn∈Γ4ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn|≤C|κ(𝒚̆)|∫0111+∥𝒚̆∥22+R2ds≤Cm1+R2→0ketikaR→∞.\begin{aligned} \left| \int_{y_n \in \Gamma_4} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \right| &\leq C |\kappa(\breve{\boldsymbol{y}})| \int_0^1 \frac{1}{1+\|\breve{\boldsymbol{y}}\|_2^2+R^2} \,\mathrm{d}{s} \\ & \leq \frac{Cm}{1+R^2} \to 0 \quad \text{ketika} \quad R \to \infty \ . \end{aligned} Oleh karena itu,

∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn=∫−∞∞ei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dyn.\int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} = \int_{-\infty}^{\infty} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n} \ . Dari (6.7.4) diperoleh

(L(𝒙,D)u)(𝒙)=∫ℝnei𝒙⋅𝒚f̂(𝒚)dμ(𝒚)=f(𝒙)(L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u)(\boldsymbol{x}) = \int_{\mathbb{R}^n} e^{i\, \boldsymbol{x}\cdot\boldsymbol{y}} \hat{f}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{\mu(\boldsymbol{y})} = f(\boldsymbol{x}) untuk 𝒙∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^n, di mana kita telah menggunakan rumus inversi Fourier. ◻

Kontur persegi panjang kompleks untuk menggeser lintasan integrasi; sisi-sisinya diberi label Gamma_1 sampai Gamma_4.

Definisi. Suatu solusi fundamental bagi operator diferensial L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) yang didefinisikan dalam (6.7.2) adalah distribusi FF pada ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n sedemikian sehingga L(𝒙,D)F=δL(\boldsymbol{x},\mathrm{D})F = \delta.

Contoh. Misalkan R={𝒙∈ℝ2:xi>0untuki=1,2}\displaystyle R = \{\boldsymbol{x} \in \mathbb{R}^2 : x_i > 0 \ \text{untuk} \ i=1,2 \} dan L(𝒙,D)=D(1,1)=∂2∂x1∂x2\displaystyle L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) = \mathrm{D}^{(1,1)} = \frac{\displaystyle \partial^{2}{}}{\displaystyle \partial x_1^{} \partial x_2^{}}. Maka 𝒳R\mathcal{X}_R merupakan solusi fundamental bagi operator diferensial L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) karena

⟨L(𝒙,D)𝒳R,ϕ⟩=⟨𝒳R,D(1,1)ϕ⟩=∫0∞∫0∞∂2ϕ∂x1∂x2(x1,x2)dx2dx1=∫0∞(∂ϕ∂x1(x1,x2)|0∞)dx1=−∫0∞∂ϕ∂x1(x1,0)dx1=−ϕ(x1,0)|0∞=ϕ(0,0)=δ(ϕ)\begin{aligned} \left\langle{L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) \mathcal{X}_R},{\phi}\right\rangle &= \left\langle{\mathcal{X}_R},{\mathrm{D}^{(1,1)} \phi}\right\rangle \\ &= \int_0^\infty \int_0^\infty \frac{\displaystyle \partial^{2}{\phi}}{\displaystyle \partial x_1^{} \partial x_2^{}}(x_1,x_2) \,\mathrm{d}{x_2}\,\mathrm{d}{x_1} \\ &= \int_0^\infty \left( \frac{\partial{\phi}}{\partial x_1}(x_1,x_2) \bigg|_0^\infty\right)\,\mathrm{d}{x_1} \\ &= -\int_0^\infty \frac{\partial{\phi}}{\partial x_1}(x_1,0) \,\mathrm{d}{x_1} \\ &= -\phi(x_1,0) \bigg|_0^\infty = \phi(0,0) = \delta(\phi) \end{aligned} untuk semua ϕ∈𝒟(ℝ2)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^2).

Catatan. Jika F∈𝒟′(ℝn)\displaystyle F\in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) merupakan solusi fundamental bagi L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}), maka suatu solusi dari L(𝒙,D)u=fL(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u = f, dengan f∈𝒟(ℝn)\displaystyle f \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n), adalah distribusi u=F*fu = F \ast f karena

L(𝒙,D)u=L(𝒙,D)(F*f)=(L(𝒙,D)F)*f=δ*f=f.L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) u = L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})(F \ast f) = (L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) F) \ast f = \delta \ast f = f \ .

Teorema 6.7.8. Setiap operator diferensial linear dengan koefisien konstan

L(𝒙,D)=∑|𝜶|≤ma𝜶D𝜶L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} memiliki solusi fundamental pada ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n.

Bukti. Kita mendefinisikan suatu fungsional linear FF pada 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n) dengan

F(ϕ)=(2π)−n/2∫ℝn−1∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)ϕ̂∨(𝒚)p(𝒚)dynd𝒚̆,ϕ∈𝒟(ℝn),F(\phi) = (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} \frac{\hat{\phi}^\vee(\boldsymbol{y})}{p(\boldsymbol{y})}\,\mathrm{d}{y_n}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} \quad , \quad \phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) \ , di mana κ\kappa didefinisikan dalam Lema 6.7.1 dan pp didefinisikan dalam (6.7.3). Pada integral di atas, kita menganggap bahwa yn∈ℂy_n \in \mathbb{C}. Untuk membuktikan bahwa F∈𝒟′(ℝn)\displaystyle F \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n), kita harus menunjukkan bahwa FF kontinu pada 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n). Kita juga akan menunjukkan bahwa L(𝒙,D)F=δL(\boldsymbol{x},\mathrm{D})F = \delta.

(i) Misalkan K⊂ℝn\displaystyle K \subset \mathbb{R}^n adalah himpunan kompak. Kita akan mencari suatu konstanta CKC_K dan suatu bilangan bulat NKN_K sedemikian sehingga

|F(ϕ)|≤CK∑|𝜶|≤NK∥D𝜶ϕ∥∞,K\left|F(\phi)\right| \leq C_K \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq N_K} \|\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi\|_{\infty,K} untuk semua ϕ∈𝒟K\phi \in \mathcal{D}_K. Proposisi 6.3.1 kemudian menyiratkan bahwa FF kontinu pada 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n), sehingga F∈𝒟′(ℝn)\displaystyle F\in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n).

Seperti dalam bukti Teorema 6.7.4, kita dapat menggunakan Proposisi 6.6.7 untuk menyimpulkan bahwa ϕ̂\hat{\phi} meluruh cepat pada himpunan {𝒚∈ℂn:∥Im⁡𝒚∥2≤m}\displaystyle\{\boldsymbol{y} \in \mathbb{C}^n : \|\operatorname{Im}\boldsymbol{y}\|_2 \leq m \}. Selain itu, dalam bukti Teorema 6.7.4 telah kita tunjukkan bahwa |p(𝒚)|≥2−m\displaystyle\left|p(\boldsymbol{y})\right| \geq 2^{-m} untuk Im⁡yn=κ(𝒚̆)\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}}). Oleh karena itu,

|F(ϕ)|≤2m(2π)−n/2∫ℝn−1∫−∞∞|ϕ̂∨(𝒚̆,r+κ(𝒚̆)i)|drd𝒚̆≤2m(2π)−n/2∫ℝn−1∫−∞∞(1+∥𝒚̆∥2+r2)−n−1drd𝒚̆⏟=C2×sup∥Im⁡𝒚∥≤m{(1+∥𝒚∥2)n+1|ϕ̂∨(𝒚)|}=C2sup∥Im⁡𝒚∥≤m{(1+∥𝒚∥2)n+1|ϕ̂∨(𝒚)|}≤C3∑|𝜶|≤2(n+1)∥D𝜶ϕ∥∞\begin{aligned} &\left| F(\phi) \right| \leq 2^m(2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{-\infty}^\infty \left| \hat{\phi}^\vee(\breve{\boldsymbol{y}},r + \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})\,i) \right| \,\mathrm{d}{r}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} \\ &\quad\leq \underbrace{ 2^m(2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{-\infty}^\infty \left( 1+\|\breve{\boldsymbol{y}}\|^2 + r^2\right)^{-n-1} \,\mathrm{d}{r} \,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}}}_{=C_2} \\ &\qquad{}\times \sup_{\|\operatorname{Im}\boldsymbol{y}\| \leq m } \left\{ \left( 1+ \|\boldsymbol{y}\|^2 \right)^{n+1} \left| \hat{\phi}^\vee(\boldsymbol{y}) \right| \right\} \\ &\quad = C_2 \sup_{\|\operatorname{Im}\boldsymbol{y}\| \leq m} \left\{ \left( 1+\|\boldsymbol{y}\|^2 \right)^{n+1} \left| \hat{\phi}^\vee(\boldsymbol{y}) \right| \right\} \\ &\quad \leq C_3 \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq 2(n+1)} \|\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi\|_\infty \end{aligned} untuk semua ϕ∈𝒟K\phi \in \mathcal{D}_K dan suatu konstanta C3C_3. Ketaksamaan terakhir di atas dibuktikan dengan menggunakan hubungan

|𝒚𝜶ϕ̂(𝒚)|≤er∥Im⁡𝒚∥2∫ℝn|D𝜶ϕ(𝒙)|dμ(𝒙)\left| \boldsymbol{y}^{\boldsymbol{\alpha}} \hat{\phi}(\boldsymbol{y}) \right| \leq e^{r\|\operatorname{Im}\boldsymbol{y}\|_2}\,\int_{\mathbb{R}^n} \left|\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi(\boldsymbol{x})\right| \,\mathrm{d}{\mu(\boldsymbol{x})} untuk 𝒚∈ℂn\displaystyle\boldsymbol{y} \in \mathbb{C}^n dan 𝜶∈ℕn\displaystyle\boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n yang telah kita peroleh pada (6.6.4) dalam bukti Proposisi 6.6.7, di mana rr dipilih sedemikian sehingga K⊂Br(𝟎)K \subset B_r(\boldsymbol{0}). Dengan demikian, konstanta C3C_3 bergantung pada KK.

(ii) Kita mempunyai ⟨L(𝒙,D)F,ϕ⟩=⟨F,L*(𝒙,D)ϕ⟩\displaystyle\left\langle{L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) F},{\phi}\right\rangle = \left\langle{F},{L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) \phi}\right\rangle untuk ϕ∈𝒟(ℝn)\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n), di mana
L*(𝒙,D)=∑|𝜶|≤m(−1)|𝜶|a𝜶D𝜶\displaystyle L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} (-1)^{|\boldsymbol{\alpha}|} a_{\boldsymbol{\alpha}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}}. Misalkan p*(𝒚)=∑|𝜶|≤ma𝜶(−i𝒚)𝜶\displaystyle p^\ast(\boldsymbol{y}) = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} (-i \boldsymbol{y})^{\boldsymbol{\alpha}}. Maka

((L*(𝒙,D)ϕ))∧(−𝒚)=p*(−𝒚)ϕ̂(−𝒚)=p(𝒚)ϕ̂(−𝒚)((L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) \phi))^\wedge(-\boldsymbol{y}) = p^\ast(-\boldsymbol{y}) \hat{\phi}(-\boldsymbol{y}) = p(\boldsymbol{y}) \hat{\phi}(-\boldsymbol{y}) untuk 𝒚∈ℝn\displaystyle\boldsymbol{y}\in \mathbb{R}^n. Oleh karena itu,

⟨L(𝒙,D)F,ϕ⟩=⟨F,L*(𝒙,D)ϕ⟩=(2π)−n/2∫ℝn−1∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)(L*(𝒙,D)ϕ)∧(−𝒚)p(𝒚)dynd𝒚̆=(2π)−n/2∫ℝn−1∫Im⁡yn=κ(𝒚̆)ϕ̂(−𝒚)dynd𝒚̆=(2π)−n/2∫ℝnϕ̂(−𝒚)d𝒚=∫ℝnϕ̂(𝒚)dμ(𝒚)=ϕ(𝟎)=δ(ϕ)\begin{aligned} \left\langle{L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})F},{\phi}\right\rangle &= \left\langle{F},{L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D})\phi}\right\rangle \\ &= (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} \frac{(L^\ast(\boldsymbol{x},\mathrm{D})\phi)^\wedge(-\boldsymbol{y})}{p(\boldsymbol{y})} \,\mathrm{d}{y_n}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} \\ &= (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^{n-1}} \int_{\operatorname{Im}y_n = \kappa(\breve{\boldsymbol{y}})} \hat{\phi}(-\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{y_n}\,\mathrm{d}{\breve{\boldsymbol{y}}} \\ &= (2\pi)^{-n/2} \int_{\mathbb{R}^n} \hat{\phi}(-\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{y}} \\ &= \int_{\mathbb{R}^n} \hat{\phi}(\boldsymbol{y}) \,\mathrm{d}{\mu(\boldsymbol{y})} = \phi(\boldsymbol{0}) = \delta(\phi) \end{aligned} untuk semua ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n). Kesamaan keempat diperoleh dari teorema Cauchy untuk integral sepanjang lintasan tertutup, seperti yang telah kita gunakan, misalnya, dalam Teorema 6.7.4. Perhatikan bahwa ϕ̂\hat{\phi} merupakan restriksi dari suatu fungsi holomorfik di seluruh ruang kompleks yang meluruh cepat pada himpunan {𝒚∈ℂn:∥Im⁡𝒚∥2≤m}\displaystyle\{ \boldsymbol{y} \in \mathbb{C}^n : \|\operatorname{Im}\boldsymbol{y}\|_2 \leq m \} menurut Proposisi 6.6.7. Kesamaan kedua dari belakang merupakan akibat rumus inversi Fourier. ◻

Definisi. Misalkan Ω\Omega himpunan bagian terbuka dari ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n. Operator diferensial L(𝒙,D)u=∑|𝜶|≤ma𝜶D𝜶u\displaystyle L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u, dengan a𝜶∈C∞(Ω)\displaystyle a_{\boldsymbol{\alpha}}\in C^\infty(\Omega), disebut hipoeliptik jika L(𝒙,D)u∈C∞(Ω)\displaystyle L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u \in C^\infty(\Omega) mengakibatkan u∈C∞(Ω)\displaystyle u \in C^\infty(\Omega).

Ingat bahwa kita mengatakan u∈𝒟′(Ω)u \in \mathcal{D}'(\Omega) berkelas C∞(Ω)\displaystyle C^\infty(\Omega) dan menulis u∈C∞(Ω)\displaystyle u \in C^\infty(\Omega) jika terdapat fungsi f∈C∞(Ω)\displaystyle f \in C^\infty(\Omega) sedemikian sehingga u(ϕ)=∫Ωf(x)ϕ(x)dx\displaystyle u(\phi) = \int_{\Omega} f(x) \phi(x) \,\mathrm{d}{x} untuk setiap ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega).

Lema berikut akan digunakan untuk memberikan syarat cukup yang menentukan apakah suatu operator diferensial hipoeliptik.

Lema 6.7.10. Jika f∈𝒟′(ℝn)\displaystyle f \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}^n) memenuhi f∈C∞(ℝn\{𝟎})\displaystyle f\in C^\infty(\mathbb{R}^n\setminus \{\boldsymbol{0}\}) dan v∈ℰ′(ℝn)\displaystyle v \in \mathcal{E}'(\mathbb{R}^n), maka f*v∈C∞(ℝn\supp⁡v)\displaystyle f\ast v \in C^\infty(\mathbb{R}^n\setminus \operatorname{supp}v).

Bukti. Ambil 𝒛∉supp⁡v\boldsymbol{z} \not\in \operatorname{supp}v dan pilih ϵ>0\epsilon >0 sedemikian sehingga Bϵ(𝒛)∩supp⁡v=∅\displaystyle B_\epsilon(\boldsymbol{z}) \cap \operatorname{supp}v = \emptyset. Pilih ψ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\psi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) sedemikian sehingga ψ(𝒙)=1\psi(\boldsymbol{x}) = 1 untuk 𝒙∈Bϵ/4(𝟎)\displaystyle\boldsymbol{x} \in B_{\epsilon/4}(\boldsymbol{0}) dan supp⁡ψ⊂Bϵ/2(𝟎)\displaystyle\operatorname{supp}\psi \subset B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{0}).

Maka f*v=(ψf)*v+((1−ψ)f)*vf\ast v = (\psi f)\ast v + ( (1-\psi)f) \ast v, dengan ((1−ψ)f)*v∈C∞(ℝn)\displaystyle((1-\psi) f) \ast v \in C^\infty(\mathbb{R}^n) menurut butir (3) Proposisi 6.5.5 dan Proposisi 6.5.7, karena (1−ψ)f∈C∞(ℝn)\displaystyle(1-\psi) f \in C^\infty(\mathbb{R}^n). Selain itu,

supp⁡((ψf)*v)⊂D={𝒙+𝒚:𝒙∈suppψ,𝒚∈suppv}\operatorname{supp}\big( (\psi f)\ast v\big) \subset D = \left\{ \boldsymbol{x} + \boldsymbol{y} : \boldsymbol{x} \in \operatorname{supp}\psi \ , \ \boldsymbol{y} \in \operatorname{supp}v \right\} dan D∩Bϵ/2(𝒛)=∅\displaystyle D \cap B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z}) = \emptyset. Dengan demikian, ((ψf)*v)(ϕ)=0((\psi f)\ast v)(\phi) = 0 untuk setiap ϕ∈𝒟(Bϵ/2(𝒛))\displaystyle\phi \in \mathcal{D}\left(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})\right). Oleh karena itu, f*v=((1−ψ)f)*v\displaystyle f\ast v = ((1-\psi)f) \ast v pada 𝒟(Bϵ/2(𝒛))\displaystyle\mathcal{D}\left(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})\right), sehingga f*v∈C∞(Bϵ/2(𝒛))\displaystyle f\ast v \in C^\infty\left(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})\right).

Karena 𝒛∉supp⁡v\boldsymbol{z} \not\in \operatorname{supp}v sebarang, kita memperoleh f*v∈C∞(ℝn\supp⁡v)\displaystyle f\ast v \in C^\infty(\mathbb{R}^n\setminus \operatorname{supp}v). ◻

Teorema 6.7.11. Pertimbangkan operator diferensial

L(𝒙,D)u=∑|𝜶|≤ma𝜶D𝜶u,L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u = \sum_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq m} a_{\boldsymbol{\alpha}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} u \ , dengan a𝜶∈ℝa_{\boldsymbol{\alpha}} \in \mathbb{R} untuk setiap multiindeks 𝜶\boldsymbol{\alpha}. Pernyataan-pernyataan berikut ekuivalen.

  1. Terdapat solusi fundamental dari L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) yang berkelas C∞\displaystyle C^\infty pada ℝn\{𝟎}\displaystyle\mathbb{R}^n\setminus \{\boldsymbol{0}\}.

  2. Setiap solusi fundamental dari L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) berkelas C∞\displaystyle C^\infty pada ℝn\{𝟎}\displaystyle\mathbb{R}^n\setminus \{\boldsymbol{0}\}.

  3. L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) hipoeliptik.

Bukti. ((𝟑)⇒(𝟐)\mathbf{(3)\Rightarrow (2)}) Jika FF adalah solusi fundamental, maka L(𝒙,D)F=δ∈C∞(ℝn\{𝟎})\displaystyle L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})F = \delta \in C^\infty(\mathbb{R}^n \setminus \{\boldsymbol{0}\}), dan (3) mengakibatkan F∈C∞(ℝn\{𝟎})\displaystyle F \in C^\infty(\mathbb{R}^n \setminus \{\boldsymbol{0}\}).

((𝟐)⇒(𝟏)\mathbf{(2) \Rightarrow (1)}) Hal ini langsung mengikuti Teorema 6.7.8.

((𝟏)⇒(𝟑)\mathbf{(1) \Rightarrow (3)}) Misalkan F∈C∞(ℝn\{𝟎})\displaystyle F \in C^\infty(\mathbb{R}^n\setminus \{\boldsymbol{0}\}) merupakan solusi fundamental dari L(𝒙,D)L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}). Misalkan u∈𝒟′(Ω)u\in \mathcal{D}'(\Omega) sedemikian sehingga L(𝒙,D)u∈C∞(Ω)\displaystyle L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u \in C^\infty(\Omega).

Untuk 𝒛∈Ω\boldsymbol{z} \in \Omega dan ϵ>0\epsilon >0 sedemikian sehingga Bϵ(𝒛)⊂Ω\displaystyle B_\epsilon(\boldsymbol{z}) \subset \Omega, kita akan membuktikan bahwa u∈C∞(Bϵ/2(𝒛))\displaystyle u \in C^\infty(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})). Pilih ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) sedemikian sehingga supp⁡ϕ⊂Bϵ(𝒛)\displaystyle\operatorname{supp}\phi \subset B_\epsilon(\boldsymbol{z}) dan ϕ(𝒙)=1\phi(\boldsymbol{x})=1 untuk setiap 𝒙∈Bϵ/2(𝒛)\displaystyle\boldsymbol{x} \in B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z}).

Kita mempunyai

L(𝒙,D)(ϕu)=ϕL(𝒙,D)u+v,L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})(\phi u) = \phi\, L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u + v \ , di mana vv adalah ekspresi yang melibatkan turunan parsial dari ϕ\phi (tetapi bukan ϕ\phi itu sendiri) dan turunan parsial dari uu yang berorde kurang dari mm.

Menurut butir (1) Proposisi 6.5.5, F*(ϕL(𝒙,D)u)∈C∞(ℝn)\displaystyle F\ast (\phi \, L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u) \in C^\infty(\mathbb{R}^n) karena ϕL(𝒙,D)u∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi\,L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})u \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n).

Kita mempunyai v(η)=0v(\eta) = 0 untuk setiap η∈𝒟(ℝn)\displaystyle\eta \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) dengan supp⁡η⊂Bϵ/2(𝒛)¯∪(ℝn\Bϵ(𝒛))\displaystyle\operatorname{supp}\eta \subset \overline{B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})} \cup \left( \mathbb{R}^n \setminus B_\epsilon(\boldsymbol{z}) \right), karena ϕ(𝒙)=0\phi(\boldsymbol{x})=0 untuk 𝒙∉Bϵ(𝒛)\displaystyle\boldsymbol{x} \not\in B_\epsilon(\boldsymbol{z}) dan ϕ(𝒙)=1\phi(\boldsymbol{x})=1 untuk 𝒙∈Bϵ/2(𝒛)\displaystyle\boldsymbol{x} \in B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z}). Oleh karena itu, dari Lema 6.7.10, kita memperoleh F*v∈C∞(Bϵ/2(𝒛))\displaystyle F\ast v \in C^\infty(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})) karena supp⁡v⊂Bϵ(𝒛)¯\Bϵ/2(𝒛)\displaystyle\operatorname{supp}v \subset \overline{B_\epsilon(\boldsymbol{z})} \setminus B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z}).

Dengan demikian,

ϕu=δ*(ϕu)=(L(𝒙,D)F)*(ϕu)=F*(L(𝒙,D)(ϕu))=F*(ϕL(𝒙,D)u)+F*v∈C∞(Bϵ/2(𝒛))\begin{aligned} \phi u &= \delta \ast (\phi u) = \big(L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) F\big) \ast (\phi u) = F \ast \big( L(\boldsymbol{x},\mathrm{D})(\phi u) \big) \\ &= F \ast (\phi L(\boldsymbol{x},\mathrm{D}) u) + F\ast v \in C^\infty(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})) \end{aligned} dan, karena ϕ(𝒙)=1\phi(\boldsymbol{x}) = 1 untuk 𝒙∈Bϵ/2(𝒛)\displaystyle\boldsymbol{x} \in B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z}), kita memperoleh u∈C∞(Bϵ/2(𝒛))\displaystyle u \in C^\infty(B_{\epsilon/2}(\boldsymbol{z})). ◻

Latihan

Kami hanya menyarankan soal-soal elementer tentang distribusi dan transformasi Fourier fungsi. Untuk soal-soal yang lebih lanjut, khususnya yang berkaitan dengan transformasi Fourier distribusi, kami menyarankan ReeSim; RuFA.

Catatan yang dibuat dalam bagian latihan Bab 13 (rujukan ke bab mendatang) layak diulangi di sini. Beberapa soal di bawah merujuk kepada solusi lemah persamaan diferensial parsial, yang dalam buku ini berarti solusi dalam pengertian distribusi atau solusi kuat. Ungkapan “solusi lemah” dicadangkan untuk solusi dari masalah variasional yang akan kita pelajari dalam Bab 12 (rujukan ke bab mendatang).

Latihan yang disarankan:

Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne dilisensikan berdasarkan Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International. Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol, Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan. Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University of Ottawa.

← Kembali ke Program Matematika