Teorema Lewy dan Buktinya

Batas sumber. Bagian ini mengikat cauchy_problem.tex baris 214-304 pada sumber beku.

Contoh Lewy

Teorema berikut memberikan contoh persamaan diferensial parsial yang tidak dapat memiliki solusi klasik jika asumsi analitik pada persamaan diferensial parsial tersebut dihilangkan. Teorema ini berasal dari Hans Lewy. Untuk teorema ini, kita meninjau fungsi-fungsi bernilai kompleks.

Teorema 3.2.1 (Lewy). Misalkan

L(x,y,D)=x+iy2i(x+iy)tL(x,y,\mathrm{D}) = \frac{\partial{}}{\partial x} + i \frac{\partial{}}{\partial y} - 2i(x+iy)\frac{\partial{}}{\partial t} dan misalkan f:f:\mathbb{R}\to \mathbb{R} suatu fungsi kontinu. Jika u:3\displaystyle u:\mathbb{R}^3\to \mathbb{C} merupakan solusi dari L(x,y,D)u=f(t)L(x,y,\mathrm{D})u = f(t) kelas C1\displaystyle C^1 di suatu lingkungan titik asal, maka ff analitik pada t=0t=0.

Bukti. Misalkan

v(r,θ,t)=eiθru(rcos(θ),rsin(θ),t)v(r,\theta,t) = - e^{i\theta} \sqrt{r} \, u(\sqrt{r}\cos(\theta) , \sqrt{r}\sin(\theta), t) untuk (r,θ,t)Ω1=]0,k[××]k,k[(r,\theta,t) \in \Omega_1 = ]0,k[\times \mathbb{R}\times ]-k,k[, dengan kk cukup kecil sehingga L(x,y,D)u=f(t)L(x,y,\mathrm{D})u = f(t) berlaku pada citra koordinat Ω1\Omega_1 di bawah substitusi yang digunakan berikut. Maka vC1(Ω1)\displaystyle v \in C^1(\Omega_1) dan

L(x,y,D)u=2vrirvθ+2ivt=f(t)L(x,y,\mathrm{D})u = -2 \frac{\partial{v}}{\partial r} - \frac{i}{r} \frac{\partial{v}}{\partial \theta} + 2i \frac{\partial{v}}{\partial t} = f(t) Identitas ini berlaku pada domain koordinat Ω1\Omega_1 setelah substitusi (x,y)=(rcos(θ),rsin(θ))(x,y) = (\sqrt{r} \cos(\theta), \sqrt{r} \sin(\theta)). Perhatikan bahwa L(x,y,D)L(x,y,\mathrm{D}) dalam koordinat r,θr,\theta yang diberikan oleh (x,y)=(rcos(θ),rsin(θ))(x,y) = (\sqrt{r} \cos(\theta), \sqrt{r} \sin(\theta)) adalah

L(r,θ,D)=2reiθr+ireiθθ2ireiθt.L(r,\theta,\mathrm{D}) = 2 \sqrt{r}\, e^{i\theta} \frac{\partial{}}{\partial r} + \frac{i}{\sqrt{r}} \, e^{i\theta} \frac{\partial{}}{\partial \theta} - 2 i \sqrt{r} \, e^{i\theta} \frac{\partial{}}{\partial t} \ .

Misalkan

V(t,r)=02πv(r,θ,t)dθV(t,r) = \int_0^{2\pi} v(r,\theta, t) \,\mathrm{d}{\theta} untuk (t,r)Ω2=]k,k[×]0,k[(t,r) \in \Omega_2 = ]-k,k[\times ]0,k[. Maka VC1(Ω2)\displaystyle V\in C^1(\Omega_2) dan

Vt(t,r)+iVr(t,r)=02π(ivr(r,θ,t)12rvθ(r,θ,t)+vt(r,θ,t))dθ=12i02πf(t)dθ=πif(t),\begin{aligned} \frac{\partial{V}}{\partial t}(t,r) + i \frac{\partial{V}}{\partial r}(t,r) &= \int_0^{2\pi} \left( i\frac{\partial{v}}{\partial r}(r,\theta,t) - \frac{1}{2r} \frac{\partial{v}}{\partial \theta}(r,\theta, t) + \frac{\partial{v}}{\partial t}(r,\theta,t) \right) \,\mathrm{d}{\theta} \\ &= \frac{1}{2i} \int_0^{2\pi} f(t) \,\mathrm{d}{\theta} = -\pi i f(t) \ , \end{aligned} di sini kita telah menggunakan fakta bahwa 02πvθ(r,θ,t)dθ=v(r,θ,t)|02π=0\displaystyle\int_0^{2\pi} \frac{\partial{v}}{\partial \theta}(r,\theta,t) \,\mathrm{d}{\theta} = v(r,\theta,t) \Big|_0^{2\pi} = 0 karena vv periodik dengan periode 2π2\pi.

Misalkan F(t)=0tf(s)ds\displaystyle F(t) = \int_0^t f(s)\,\mathrm{d}{s} dan W(t,r)=V(t,r)+πiF(t)W(t,r) = V(t,r) + \pi\, i F(t) untuk (t,r)Ω2(t,r) \in \Omega_2. Fungsi WW memenuhi persamaan Cauchy–Riemann

Wt+iWr=0\frac{\partial{W}}{\partial t} + i \frac{\partial{W}}{\partial r} = 0 pada Ω2\Omega_2. Dengan demikian, WW merupakan fungsi holomorfik sebagai fungsi dari w=t+riw = t+ r i untuk (t,r)Ω2(t,r) \in \Omega_2.

Kekontinuan uu di dekat titik asal menyiratkan bahwa vv meluas secara kontinu dari Ω1\Omega_1 ke batas r=0r=0, dengan v(0,θ,t)=0v(0,\theta,t)=0 untuk (θ,t)×]k,k[(\theta,t) \in \mathbb{R}\times ]-k,k[. Oleh karena itu, VV meluas secara kontinu dari Ω2\Omega_2 ke batas tersebut, dan V(t,0)=0V(t,0) = 0 untuk t]k,k[t \in ]-k,k[. Dengan demikian, WW kontinu pada Ω2\Omega_2, meluas secara kontinu ke batasnya, dan W(t,0)=πiF(t)W(t,0) = \pi\, i F(t) untuk t]k,k[t\in]-k,k[; yakni, ReW(t,0)=0\operatorname{Re}W(t,0) = 0 untuk t]k,k[t\in]-k,k[.

Dengan menerapkan prinsip refleksi Schwarz pada iWiW, fungsi

W̃(t,r)={iW(t,r)jikar0iW(t,r)¯jikar<0\tilde{W}(t,r) = \begin{cases} i W(t,r) & \quad \text{jika} \ r \geq 0 \\[0.5em] - i \overline{W(t,-r)} & \quad \text{jika} \ r < 0 \end{cases} mendefinisikan perluasan holomorfik pada ]k,k[×]k,k[]-k,k[\times ]-k,k[ dari iWi W. Dengan demikian, W̃(t,0)=πF(t)\tilde{W}(t,0) = - \pi F(t) analitik real pada t=0t = 0. Akibatnya, f=dFdt\displaystyle f = \frac{\mathrm{d}F}{\mathrm{d}{t}} analitik real pada t=0t=0. ◻

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