Distribusi

Batas sumber. Bagian ini mengikat distributions.tex baris 155-403 pada sumber beku.

Distribusi

Distribusi pada Ω\Omega adalah fungsional linear kontinu pada 𝒟(Ω)\mathcal{D}(\Omega), dengan kontinuitas didefinisikan sebagai berikut. Pemetaan u:𝒟(Ω)→ℂu:\mathcal{D}(\Omega) \rightarrow \mathbb{C} kontinu di ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega) jika lim⁡j→∞|u(ϕj)−u(ϕ)|=0\displaystyle\lim_{j\rightarrow \infty}|u(\phi_j)-u(\phi)| = 0 untuk setiap barisan {ϕj}j=0∞\displaystyle\left\{ \phi_j\right\}_{j=0}^\infty di 𝒟(Ω)\mathcal{D}(\Omega) yang konvergen menuju ϕ\phi di 𝒟(Ω)\mathcal{D}(\Omega). Ruang semua distribusi pada Ω\Omega dinotasikan dengan 𝒟′(Ω)\mathcal{D}'(\Omega).

Misalkan KK himpunan bagian kompak dari ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n. Ruang 𝒟K\mathcal{D}_K didefinisikan oleh
𝒟K={u∈𝒟(ℝn):suppu⊂K}\displaystyle\mathcal{D}_K = \left\{ u \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) : \operatorname{supp}u \subset K \right\}.

Proposisi 6.3.1. Fungsional linear uu pada 𝒟(Ω)\mathcal{D}(\Omega) kontinu jika dan hanya jika untuk setiap himpunan kompak K⊂ΩK \subset \Omega terdapat konstanta CKC_K dan bilangan bulat NKN_K sedemikian sehingga |u(ϕ)|≤CKmax⁡|𝜶|≤NK∥D𝜶ϕ∥∞,K\displaystyle\left| u(\phi) \right| \leq C_K \max_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq N_K} \left\| \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi \right\|_{\infty,K} untuk semua ϕ∈𝒟K\phi \in \mathcal{D}_K.

Bukti hasil ini termasuk dalam bukti Teorema 6.8 di RuFA.

Catatan. Notasi berikut sering digunakan. Untuk u∈𝒟′(Ω)u \in \mathcal{D}'(\Omega) dan ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega), kita definisikan ⟨u,ϕ⟩\left\langle{u},{\phi}\right\rangle sebagai ⟨u,ϕ⟩=u(ϕ)\left\langle{u},{\phi}\right\rangle = u(\phi). Sesekali kita akan menggunakan notasi ini.

Contoh. Misalkan uu merupakan fungsi dalam Lloc1(ℝn)\displaystyle L^1_{loc}(\mathbb{R}^n). Fungsi uu mendefinisikan distribusi pada ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n melalui

⟨u,ϕ⟩=u(ϕ)=∫ℝnu(𝒙)ϕ(𝒙)d𝒙,ϕ∈𝒟(ℝn).\left\langle{u},{\phi}\right\rangle = u(\phi) = \int_{\mathbb{R}^n} u(\boldsymbol{x}) \phi(\boldsymbol{x}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \quad , \quad \phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) \ . Secara tradisional, huruf yang sama digunakan untuk menyatakan fungsi dan distribusinya. Konteks menentukan yang mana yang dimaksud.

Untuk memverifikasi pernyataan ini, kita harus menunjukkan bahwa u:𝒟(ℝn)→ℂ\displaystyle u:\mathcal{D}(\mathbb{R}^n)\rightarrow \mathbb{C} terdefinisi dengan baik, bahwa uu linear, dan bahwa uu kontinu.

Jika ϕ∈𝒟(ℝn)\displaystyle\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) dan K=supp⁡ϕK = \operatorname{supp}\phi, maka

|u(ϕ)|=|∫ℝnu(𝒙)ϕ(𝒙)d𝒙|≤∫K|u(𝒙)||ϕ(𝒙)|d𝒙≤∥ϕ(𝒙)∥∞,K∫K|u(𝒙)|d𝒙<∞\begin{aligned} \left|u(\phi)\right| &= \left| \int_{\mathbb{R}^n} u(\boldsymbol{x}) \phi(\boldsymbol{x}) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \right| \leq \int_{K} \left|u(\boldsymbol{x})\right|\, \left| \phi(\boldsymbol{x})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \leq \left\|\phi(\boldsymbol{x})\right\|_{\infty,K} \int_{K} \left| u(\boldsymbol{x})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} <\infty \end{aligned} karena ∥ϕ(𝒙)∥∞,K<∞\displaystyle\left\|\phi(\boldsymbol{x})\right\|_{\infty,K} < \infty sebab ϕ\phi kontinu pada himpunan kompak KK, dan ∫K|u(𝒙)|d𝒙\displaystyle\int_{K} \left| u(\boldsymbol{x})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} berhingga karena u∈Lloc1(ℝn)\displaystyle u\in L^1_{loc}(\mathbb{R}^n). Jadi, u:𝒟(ℝn)→ℂ\displaystyle u:\mathcal{D}(\mathbb{R}^n)\rightarrow \mathbb{C} terdefinisi dengan baik.

Pemetaan u:𝒟(ℝn)→ℂ\displaystyle u:\mathcal{D}(\mathbb{R}^n)\rightarrow \mathbb{C} linear karena integral adalah pemetaan linear.

Untuk menunjukkan bahwa u:𝒟(ℝn)→ℂ\displaystyle u:\mathcal{D}(\mathbb{R}^n)\rightarrow \mathbb{C} kontinu, ambil sembarang elemen ϕ\phi dari 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n) dan barisan {ϕj}j=0∞\displaystyle\left\{ \phi_j\right\}_{j=0}^\infty di 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n) yang konvergen menuju ϕ\phi di 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n). Menurut definisi konvergensi di 𝒟(ℝn)\displaystyle\mathcal{D}(\mathbb{R}^n), terdapat himpunan kompak K⊂ℝn\displaystyle K \subset \mathbb{R}^n sedemikian sehingga supp⁡ϕj⊂K\operatorname{supp}\phi_j \subset K untuk semua jj, supp⁡ϕ⊂K\operatorname{supp}\phi \subset K, dan

limj→∞∥D𝜶ϕj−D𝜶ϕ∥∞,K=0\lim_{j\rightarrow \infty} \left\| \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi_j - \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi \right\|_{\infty,K} = 0 untuk semua multiindeks 𝜶∈ℕn\displaystyle\boldsymbol{\alpha} \in \mathbb{N}^n. Khususnya, untuk 𝜶=𝟎\boldsymbol{\alpha} = \boldsymbol{0}, kita memperoleh

limj→∞∥ϕj−ϕ∥∞,K=0.\lim_{j\rightarrow \infty} \left\| \phi_j - \phi \right\|_{\infty,K} = 0 \ . Maka

|u(ϕj)−u(ϕ)|=|∫ℝnu(𝒙)(ϕj(𝒙)−ϕ(𝒙))d𝒙|≤∫K|u(𝒙)||ϕj(𝒙)−ϕ(𝒙)|d𝒙≤∥ϕj−ϕ∥∞,K∫K|u(𝒙)|d𝒙→0\begin{aligned} \left|u(\phi_j) - u(\phi)\right| &= \left| \int_{\mathbb{R}^n} u(\boldsymbol{x}) \left(\phi_j(\boldsymbol{x}) - \phi(\boldsymbol{x})\right) \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \right| \leq \int_K \left| u(\boldsymbol{x}) \right|\, \left|\phi_j(\boldsymbol{x}) - \phi(\boldsymbol{x})\right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \\ &\leq \left\| \phi_j - \phi \right\|_{\infty,K} \int_K \left| u(\boldsymbol{x}) \right|\ \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} \rightarrow 0 \end{aligned} saat j→∞j \to \infty. Perhatikan bahwa ∫K|u(𝒙)|d𝒙\displaystyle\int_K \left| u(\boldsymbol{x}) \right| \,\mathrm{d}{\boldsymbol{x}} berhingga karena u∈Lloc1(ℝn)\displaystyle u\in L^1_{loc}(\mathbb{R}^n).

Contoh. Fungsi delta Dirac adalah distribusi pada ℝn\displaystyle\mathbb{R}^n yang didefinisikan oleh

⟨δ,ϕ⟩=δ(ϕ)=ϕ(𝟎),ϕ∈𝒟(ℝn).\left\langle{\delta},{\phi}\right\rangle = \delta(\phi) = \phi(\boldsymbol{0}) \quad , \quad \phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}^n) \ .

Catatan. Fungsi delta Dirac sering diperkenalkan dalam buku teknik sebagai fungsi yang bernilai nol di mana-mana kecuali di titik asal dan memenuhi ∫−∞∞δ(x)f(x)dx=f(0)\displaystyle\int_{-\infty}^\infty \delta(x)f(x) \,\mathrm{d}{x} = f(0) untuk semua fungsi ff. Jelas bahwa hal ini tidak masuk akal. Namun, manipulasi formal yang dilakukan menggunakan “definisi” fungsi delta Dirac tersebut dapat dibuktikan secara ketat dengan definisi yang benar dari fungsi ini pada contoh sebelumnya.

Karena sebagian besar distribusi u∈𝒟′(ℝ)\displaystyle u \in \mathcal{D}'(\mathbb{R}) yang digunakan dalam teknik berasal dari fungsi terintegralkan, notasi integral ∫−∞∞u(x)ϕ(x)dx\displaystyle\int_{-\infty}^\infty u(x) \phi(x)\,\mathrm{d}{x} sering digunakan alih-alih u(ϕ)u(\phi) atau ⟨u,ϕ⟩\left\langle{u},{\phi}\right\rangle, bahkan ketika distribusi uu bukan fungsi terintegralkan, seperti pada fungsi delta Dirac. Dalam teks ini kita tidak akan menggunakan notasi tersebut.

Proposisi berikut menyatakan bahwa kita dapat mendefinisikan hasil kali dari u∈𝒟′(Ω)u \in \mathcal{D}'(\Omega) dan f∈C∞(Ω)\displaystyle f \in C^\infty(\Omega) sebagai distribusi fuf u yang didefinisikan oleh

(fu)(ϕ)=u(fϕ),ϕ∈𝒟(Ω).(f u)(\phi) = u(f \phi) \quad , \quad \phi \in \mathcal{D}(\Omega) \ .

Proposisi 6.3.6. Jika f∈C∞(Ω)\displaystyle f\in C^\infty(\Omega) dan u∈𝒟′(Ω)u \in \mathcal{D}'(\Omega), maka

v(ϕ)=u(fϕ),ϕ∈𝒟(Ω),v(\phi) = u(f \phi) \quad , \quad \phi \in \mathcal{D}(\Omega) \ , mendefinisikan distribusi pada Ω\Omega. Distribusi ini kita notasikan dengan fuf u, yaitu hasil kali fungsi ff dan distribusi uu.

Bukti. (i) (fu)(ϕ)(f u)(\phi) terdefinisi dengan baik untuk semua ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega) karena fϕ∈𝒟(Ω)f \phi \in \mathcal{D}(\Omega) untuk semua ϕ∈𝒟(Ω)\phi\in \mathcal{D}(\Omega).

(ii) Mudah ditunjukkan bahwa fuf u adalah fungsional linear.

(iii) Untuk membuktikan bahwa fuf u kontinu, kita menunjukkan bahwa fuf u memenuhi Proposisi 6.3.1.

Misalkan KK himpunan bagian kompak dari Ω\Omega. Karena u∈𝒟′(Ω)u\in \mathcal{D}'(\Omega), Proposisi 6.3.1 menyatakan bahwa terdapat konstanta CKC_K dan bilangan bulat NKN_K sedemikian sehingga |u(ϕ)|≤CKmax⁡|𝜶|≤NK∥D𝜶ϕ∥∞,K\displaystyle\left| u(\phi) \right| \leq C_K \max_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq N_K} \left\| \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi \right\|_{\infty,K} untuk semua ϕ∈𝒟K\phi \in \mathcal{D}_K. Menurut rumus Leibniz,

D𝜶(fϕ)=∑𝜷≤𝜶c𝜶,𝜷D𝜶−𝜷fD𝜷ϕ,\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} (f \phi) = \sum_{\boldsymbol{\beta} \leq \boldsymbol{\alpha}} c_{\boldsymbol{\alpha},\boldsymbol{\beta}} \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}-\boldsymbol{\beta}}f \,\mathrm{D}^{\boldsymbol{\beta}} \phi \ , dengan koefisien c𝜶,𝜷c_{\boldsymbol{\alpha},\boldsymbol{\beta}} berupa konstanta. Rumus ini serupa dengan rumus binomial. Jadi, terdapat konstanta CfC_f sedemikian sehingga

∥D𝜶(fϕ)∥∞,K≤Cfmax𝜷≤𝜶∥D𝜷ϕ∥∞,K\| \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} (f \phi) \|_{\infty,K} \leq C_f \max_{\boldsymbol{\beta}\leq\boldsymbol{\alpha}} \|\mathrm{D}^{\boldsymbol{\beta}} \phi\|_{\infty,K} untuk semua ϕ∈𝒟K\phi \in \mathcal{D}_K dan |𝜶|≤NK|\boldsymbol{\alpha}|\leq N_K. Konstanta CfC_f hanya bergantung pada ∥D𝜶−𝜷f∥∞,K\displaystyle\left\|\mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}-\boldsymbol{\beta}} f\right\|_{\infty,K} dan c𝜶,𝜷c_{\boldsymbol{\alpha},\boldsymbol{\beta}} untuk 𝜷≤𝜶\boldsymbol{\beta} \leq \boldsymbol{\alpha}. Akhirnya kita memperoleh

|(fu)(ϕ)|=|u(fϕ)|≤CKmax|𝜶|≤NK∥D𝜶(fϕ)∥∞,K≤CKCfmax|𝜶|≤NK∥D𝜶ϕ∥∞,K\left| (f u)(\phi) \right| = \left| u(f \phi) \right| \leq C_K \max_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq N_K} \left\| \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} (f \phi) \right\|_{\infty,K} \leq C_K C_f \max_{|\boldsymbol{\alpha}|\leq N_K} \left\| \mathrm{D}^{\boldsymbol{\alpha}} \phi \right\|_{\infty,K} untuk semua ϕ∈𝒟K\phi \in \mathcal{D}_K. ◻

Dukungan distribusi u∈𝒟′(Ω)u\in \mathcal{D}'(\Omega) adalah komplemen dari himpunan terbuka terbesar V⊂ΩV\subset \Omega sedemikian sehingga u(ϕ)=0u(\phi)=0 untuk semua ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega) dengan supp⁡ϕ⊂V\operatorname{supp}\phi \subset V. Ruang distribusi pada Ω\Omega yang berdukungan kompak dinotasikan dengan ℰ′(Ω)\mathcal{E}'(\Omega); dengan kata lain, ℰ′(Ω)={u∈𝒟′(Ω):suppu kompak}\displaystyle\mathcal{E}'(\Omega) = \left\{ u \in \mathcal{D}'(\Omega) : \operatorname{supp}u \text{ kompak} \right\}.

Ruang distribusi dilengkapi dengan topologi (lemah) berikut. Kita mengatakan bahwa barisan {uj}j=0∞\displaystyle\left\{ u_j\right\}_{j=0}^\infty distribusi pada Ω\Omega konvergen (secara lemah) menuju u∈𝒟′(Ω)u\in \mathcal{D}'(\Omega) jika
lim⁡j→∞|uj(ϕ)−u(ϕ)|=0\displaystyle\lim_{j\rightarrow \infty} \left|u_j(\phi) - u(\phi) \right| = 0 untuk semua ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega). Dalam arti tertentu, ruang distribusi pada Ω\Omega “lengkap” terhadap topologi ini.

Proposisi. Misalkan {uj}j=0∞\displaystyle\left\{ u_j \right\}_{j=0}^\infty barisan di 𝒟′(Ω)\mathcal{D}'(\Omega) sedemikian sehingga barisan bilangan kompleks {uj(ϕ)}j=0∞\displaystyle\left\{ u_j(\phi) \right\}_{j=0}^\infty konvergen untuk setiap ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega). Misalkan u:𝒟(Ω)→ℂu : \mathcal{D}(\Omega) \to \mathbb{C} adalah fungsi yang didefinisikan oleh u(ϕ)=lim⁡j→∞uj(ϕ)\displaystyle u(\phi) = \lim_{j\to \infty} u_j(\phi) untuk semua ϕ∈𝒟(Ω)\phi \in \mathcal{D}(\Omega). Maka u∈𝒟′(Ω)u\in \mathcal{D}'(\Omega) dan barisan {uj}j=0∞\displaystyle\left\{ u_j \right\}_{j=0}^\infty konvergen menuju uu di 𝒟′(Ω)\mathcal{D}'(\Omega).

Bukti hasil ini merupakan bagian dari bukti Teorema 6.17 dalam RuFA.

Contoh 6.3.8. Pertimbangkan fungsi

χa(x)={1/(2a)jika |x|<a0jika |x|≥a(a>0)\chi_a(x) = \begin{cases} 1/(2a) & \quad \text{jika } \ |x|<a \\ 0 & \quad \text{jika } \ |x| \geq a \end{cases} \qquad (a>0) Sering dinyatakan dalam buku teknik bahwa fungsi delta Dirac δ\delta adalah limit χa\chi_a ketika a→0a \to 0.

Pernyataan ini dapat dibuktikan secara ketat dalam kerangka teori kita. Fungsi χa\chi_a mendefinisikan distribusi pada ℝ\mathbb{R} melalui

χa(ϕ)=∫ℝχa(x)ϕ(x)dx\chi_a(\phi) = \int_{\mathbb{R}} \chi_a(x) \phi(x) \,\mathrm{d}{x} untuk semua ϕ∈𝒟(ℝ)\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}). Sekarang kita buktikan bahwa distribusi ini konvergen menuju δ\delta ketika a→0a \to 0.

Diberikan ϕ∈𝒟(ℝ)\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}), misalkan Φ(x)=∫0xϕ(t)dt\displaystyle\Phi(x) = \int_0^x \phi(t) \,\mathrm{d}{t}. Kita mempunyai

lima→0χa(ϕ)=lima→012a∫−aaϕ(x)dx=lima→012a(Φ(a)−Φ(−a))=Φ′(0)=ϕ(0)=δ(ϕ).\lim_{a\to 0} \chi_a(\phi) = \lim_{a\to 0}\frac{1}{2a} \int_{-a}^a \phi(x) \,\mathrm{d}{x} = \lim_{a\to 0}\frac{1}{2a} \left( \Phi(a) - \Phi(-a)\right) = \Phi'(0) = \phi(0) = \delta(\phi) \ . Karena ini berlaku untuk semua ϕ∈𝒟(ℝ)\phi \in \mathcal{D}(\mathbb{R}), kita memperoleh χa→δ\chi_a \to \delta di 𝒟′(ℝ)\mathcal{D}'(\mathbb{R}).

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