Verze z 10. 10. 2016, 22:22

Zdrojový kód

%\wikiskriptum{01RMF}
 
 
\chapter{Zobecněné funkce}
V~této kapitole korektně zavedeme zobecněné funkce a~uvidíme, že naše předešlá definice je jen velmi speciálním případem zobecněné funkce. 
Zároveň budeme v~definici požadovat, aby náš nově definovaný objekt byl něco rozdílného od klasické funkce, ale zároveň se od ní příliš nelišil. 
Rádi bychom totiž využívali některá tvrzení a~některé věty, které již máme z~předchozího studia matematické analýzy dokázány. 
\section{Zavedení zobecněných funkcí}
\begin{define}
Nechť $f$ je lineární funkcionál nad $\D(G)$, tj, $f:\D \longrightarrow \mathbb{C}$ a~$f$ je lineární. Množinu všech lineárních a spojitých, 
tj. konvergenci zachovávajících, funkcionálů nad $\D(G)$ nazveme {\bf prostorem zobecněných funkcí}, označujme ji $\D'(G)$. 
Hodnotu funkcionálu $f$ na funkci $\phi$ označujme $\left( f, \ \phi \right)$ namísto $f(\phi)$. 
\end{define}
 
\begin{remark}
\begin{enumerate}
\item {\it Rovnost zobecněných funkcí} (tj. $f = g$ v $\D'$) nastává právě tehdy, když $\forall \phi \in \D $ platí, že $(f,\phi) = (g,\phi)$. 
\item $\D'$ je lineární vektorový prostor s~přirozeně definovanými operacemi sčítání a~násobení, tzn, $\forall f ,g \in \D'$ definujme sčítání
$$ (f+g,\phi) := (f,\phi) + (g,\phi) \: \forall  \phi \in \D $$
a pro $\alpha \in \mathbb{C}$ a pro $f\in \D'$ definujeme násobení
$$ (\alpha  \cdot f,\phi) := \alpha (f,\phi) \: \forall \phi \in \D. $$ 
\end{enumerate}
\end{remark}
 
Vidíme, že prostor zobecněných funkcí závisí na volbě konvergence v $\D$. Tímto pojmem bude $\D'$~značně ovlivněno 
(kvůli identifikaci lineárních a~především spojitých funkcionálů nad  $\D$). Z~toho důvodu nyní definujeme konvergenci 
v~$\D$. Ještě předtím ale zavedeme pojem multiindex a~zavedeme notaci derivací pomocí multiindexu. 
 
\begin{define}
{\bf Multiindexem} $\alpha$ v~n-dimenzionálním prostoru rozumíme  uspořádanou n-tici čísel $\left(\alpha_1, \ \alpha_2, \ \dots, \ \alpha_n \right)$ ze 
$\mathbb{Z}_+ ^n := \left(\mathbb{N}\cup\{0\}\right)^n$. 
 
Označme $\vert \alpha \vert = \displaystyle \sum_{k=1} ^n \alpha_k $. 
 
Definujme rovněž operátor 
$D^{\alpha} : = \displaystyle\frac{\partial^{\vert \alpha \vert}}{\partial^{\alpha_1}x_1 \partial^{\alpha_2}x_2 \dots \partial^{\alpha_n}x_n}$.
\end{define}
 
\begin{define}
Nechť $\{ \phi_n \}_{n \in \mathbb{N} }$ je posloupnost v $\D(G)$ a $\phi \in \D(G)$. Řekneme, že {\bf $\phi_n$ konverguje 
k~$\phi$ v $\D$}, označme $\phi \stackrel{\D}{\longrightarrow} \phi$, 
právě když 
\begin{enumerate}
\item nosiče $\phi_n $ jsou stejně (stejnoměrně) omezené, tj. \left( $\exists R>0 \right) \left(\forall n \in \mathbb{N} \right) \left(\nf \phi_n \subset B_R(0)\right)$;
\item $\forall \aplha \in \mathbb{Z}_+ ^n$ platí, že $D^\alpha \phi_n$ konverguje stejnoměrně na množině $G$ k~$D^\alpha \phi$, tedy $D^\alpha \phi_n \sk{G} D^\alpha \phi$. 
\end{enumerate}
\end{define}
 
\begin{remark}
Tato definice vyžaduje znalost limitní funkce $\phi$. Je ale možné definovat i~\uv{vlastnost konvergence} 
a~to za pomoci Bolzano-Cauchyovy podmínky pro stejnoměrnou konvergenci, 
která nám umožňuje nepsat ve druhé podmínce $D^\alpha \phi$. Pak můžeme tvrdit, že posloupnost funkcí 
$\{ \phi_n \}_{n \in \mathbb{N}}$ konverguje v~$\D$ a~tuto vlastnost zapisovat 
jako $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} $. 
\end{remark}
 
\begin{theorem}
Buď $\{ \phi_n \}_{n \in \mathbb{N}} \subset \D(G)$ a nechť $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} $. 
Pak existuje limitní funkce $\phi \in \D(G)$ taková, že $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} \phi$.
\begin{proof}
Důkaz nechť si čtenář provede sám jako cvičení. Při dokazování je vhodné najít kandidáta na funkci $\phi$ pomocí nulté derivace. 
Dále je vhodné si uvědomit, že kandidát musí být třídy $\Ci$ a~že $\nf \phi$ má být kompakt. 
\end{theorem}
 
\subsection{Příklad zobecněné funkce}
{\bf Diracova $\delta$-funkce}
 
S~touto funkcí jsme se setkali hned na začátku tohoto textu. Nyní ji korektně zavedeme a~dokážeme, že se jedná o~zobecněnou funkci. 
$$ \left(\forall \phi \in \D(R) \right) \ \mbox{definujeme } \left(\delta, \ \phi\right) := \phi(0) $$
Pro $\delta$ musíme tedy ověřit, že je to funkcionál nad~$\D$, že je lineární a~že je spojitý.
\begin{enumerate}
\item[{\it Funcionál:}] $\delta: \D \longrightarrow \mathbb{C}$. Jelikož je $\phi(0) < + \infty$, víme, že se tedy jedná o~funkcionál, 
neboť jeho definice dává dobrý smysl $\forall \phi \in \D$.
\item[{\it Linearita:}] Uvažujme $\phi, \psi \in  \D$ a $\alpha \in \mathbb{C}$. Pak 
$$( \delta, \underbrace{\phi + \alpha \psi}_{\eta \in \D} ) = \eta(0) = \left( \phi + \alpha \psi \right) (0) 
= \phi (0) + \alpha \psi(0) = \left( \delta, \phi \right) + \alpha \left( \delta, \psi\right)$$
\item[{\it Spojitost:}] Abychom dokázali spojitost námi definovaného funkcionálu, uvažujme konvergentní posloupnost 
$\{ \phi_n \}_{n \in \mathbb{N}} \subset \D$, která konverguje $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} \phi$. 
Chceme ukázat, že odtud plyne, že v~$\mathbb{C}$~konverguje číselná posloupnost$\left(\delta, \phi_n\right) \longrightarrow \left(\delta, \phi\right)$. 
Můžeme bez újmy na obecnosti uvažovat, že $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} 0$ \footnote{Pokud by $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} \phi$, 
pak víme, že funkce~$\phi$ je opět testovací funkcí a~můžeme přejít od~$\phi_n$ k~$\phi_n - \phi$, která již konverguje~k~0. Funkce $\phi_n - \phi$ 
je totiž testovací, neboť její nosič je pouze sjednocením nosičů funkcí $\phi_n$ a~$\phi$ a~rozdílem dvou hladkých funkcí je opět funkce hladká. }.
Pak v toho, že posloupnost konverguje plyne, že 
\begin{enumerate}
\item  $\left( $\exists R>0 \right) \left(\forall n \in \mathbb{N} \right) \left(\nf \phi_n \subset B_R(0)\right)$;
\item $\forall \aplha \in \mathbb{Z}_+ ^n$ platí, že $D^\alpha \phi_n \sk{\R^n} 0$. 
\end{enumerate}
 
Druhá podmínka platí pro všechny multiindexy, tedy speciálně i~pro nulový. Pak tedy dostáváme $\phi_n \sk{\R^n} 0 \Rightarrow \phi_n(x) \stackrel{\R^n}{\rightarrow} 0$ pro všechna $x\in \R^n$. 
Pokud nyní za $x$ volím 0, dostávám tvrzení, které jsem chtěl dokázat, neboť $\underbrace{\lim_{n\to\infty} \left(\delta, \phi_n \right)}_{\displaystyle\lim_{n\to\infty} \phi_n(0) = 0} = \left(\delta, 0 \right) = 0$, přičemž poslední rovnost plyne z linearity funkcionálu. 
\end{enumerate}
 
\noindent Tímto jsme tedy dokázali, že {\it Diracova $\delta$-funkce} je zobecněnou funkcí. Obdobně se dá ukázat, že i~{\it centrovaná Diracova $\delta$-funkce}\footnote{\left(\delta_{x_0}, \ \phi\right) := \phi(x_0)} je zobecněná. Důkaz je zcela totožný, až na poslední krok, kdy se místo 0 volí $x_0$. 
 
\subsection{Souvislost mezi klasickými funkcemi a zobecněnými funkcemi}
V následujícím odstavci bychom chtěli ukázat, že každé klasické funkci $f$ můžeme přiřadit jistou zobecněnou funkci $\tilde{f}$. Jako množinu funkcí $f$, ke které 
budeme vytvářet množinu zobecněných funkcí, vezměme lokálně integrabilní funkce na $\R^n$. Pro tyhle funkce jsme již ukázali, že  integrál 
$\displaystyle \int_{\R^n}f(x)\phi(x)\dd x$ konverguje pro každou $\phi \in \D(\R^n)$. Pro tuhle hezkou vlastnost budeme definovat zobecněnou funkci (tj. funkcionál)
následovně: 
$$\left(\tilde{f},\phi \right) := \displaystyle \int_{\R^n}f(x)\phi(x)\dd x.$$ 
Z konvergence nám okamžitě plyne fakt, že $\tilde{f}:\D \longrightarrow \mathbb{C}$ je funkcionál.
Nyní, podobně jako výše, dokážeme, že se jedná o zobecněnou funkci. 
\begin{enumerate}
\item[{\it Linearita:}] Buďte $\phi, \psi \in \D$ a $\alpha \in \mathbb{C}$. Pak 
$$\left( \tilde{f}, \phi + \alpha \psi \right) = \displaystyle \int_{\R^n}f(x)(\phi + \alpha \psi) (x) \dd x = \displaystyle \int_{\R^n}f(x)\phi(x) \dd x + 
\alpha \displaystyle \int_{\R^n}f(x)\psi(x) = \left(\tilde{f},\phi \right) + \alpha \left(\tilde{f},\psi \right). $$
\item[{\it Spojitost:}] Chceme ukázat, že $\phi_n \stackrel{\D}{\longrightarrow} 0 \Rightarrow \left( \tilde{f},\phi_n \right) \longrightarrow 0 \mbox{ pro } n \to +\infty$.
Tedy platí, že $\displaystyle \lim_{n \to + \infty} \left(\tilde{f},\phi \right) = \displaystyle \lim_{n \to + \infty} \displaystyle \int_{\R^n} f(x)\phi_n(x) \dd x= 0$?
Pokud by bylo možné zaměnit limitu a integrál, pak bychom měli $\displaystyle \int_{\R^n} \displaystyle \lim_{n \to + \infty} f(x) \phi_n (x) \dd x
\stackrel{\phi_n(x) \to 0}{=} \displaystyle \int_{\R^n} f(x)\cdot 0 \dd x  = 0$. Abychom mohli záměnu provést, je třeba ověřit podmínky věty o záměně, ale prakticky nám stačí nalézt 
integrabilní majorantu, která nezávisí na $n$. Tohle bude ukázáno na cvičení. 
\end{enumerate}
 
\begin{define}
O~zobencněné funkci $\tilde{f}$ řekneme, že je {\bf regulární zobecněnou funkcí}, ozn. $\tilde{f} \in \D'_{reg}$, pokud existuje klasická funkce~$f$~taková, 
že $(\tilde{f},\phi) := \displaystyle \int_{\R^n} f(x) \phi (x) \dd x \: \forall \phi \in \D  $. Klasickou funkci~$f$~pak nazýváme {\bf generátorem zobecněné funkce~$~\tilde{f}$}.
\end{define}
 
V následující části se budeme věnovat diskusi ohledně jednoznačnosti přiřazení klasické funkci zobecněnou regulární funkci, tj. bude nás zajímat, jestli je možné ke každé regulární 
zobecněné funkci $\tilde{f}$ najít klasickou funkci $f$. Obráceně to jde, jak je vidno z definice regulární zobecněné funkce. Vyslovíme obecnou větu, kterou nedokážeme v plné obecnosti. Dokážeme její důsledek ( ten je ale v~podstatě totožný s~tvrzením věty) a se zesílenými předpoklady. Zájemci o~důkaz věty v~plném znění jej naleznou ve skriptech prof. Šťovíčka. Než ale větu vyslovíme a dokážeme, 
připravíme si dvě lemmata a~jeden výsledek z~funkcionální analýzy, které pak pro její důkaz využijeme: 
 
\begin{lemma}[spojitost skalárního součinu]
\label{L1}
Buď $\H $ Hilbertův prostor a~nechť $\{x_n \} _{n\in\mathbb{N}} \subset \H$ taková, že $x_n \to x \in \H$. Pak 
$\langle x_n,y \rangle \to \langle x,y\rangle$ pro $n \to + \intfy$ pro všechna $y\in \H$.
\begin{proof}
Nejprve přepíšeme výraz $\langle x_n, y\rangle = \langle x_n - x +x ,y \rangle = \langle x_n - x,y \rangle + \langle x,y \rangle$. Využijeme konvergence posloupnosti, tzn. 
$x_n \to x \in \H \Leftrightarrow \Vert x_n - x \Vert \to 0 $ v $\mathbb{C}$. Pak na výraz $\langle x_n - x,y \rangle $ aplikujeme Schwarzovu nerovnost, tedy 
$\vert \langle x_n - x,y \rangle \vert \leq \Vert x_n-x\Vert \cdot \Vert y \Vert$. Jelikož je $\Vert y \Vert < + \infty$, máme lemma dokázáno, neboť limitním 
přechodem pro $n \to + \infty$ získáme $\langle x_n, y\rangle  \stackrel{n \to + \infty}{\longrightarrow} \langle x,y\rangle$. 
\end{proof}
\end{lemma}
 
\begin{lemma}
Nechť $\langle a,b\rangle = 0$ pro všechna $b\in M$, kde $\overline{M} = \H$. Pak $a=0$ v $\H$.
\begin{proof}
Důkaz provedeme pro dva případy:
\begin{enumerate}
\item $M=\H$, pak $\langle a,h \rangle = 0$ pro libovolné $h\in \H$ a~tedy i~pro $h=a$. Pak ale $\langle a,a \rangle = 0 \Rightarrow a =0 $ v $\H$ z positivní definitnosti skalárního součinu.
\item $M\subset \H, \ \overline {M} = \H$. Pak ale tato vlastnost implikuje, že pro libovolné $h \in \H$ existuje $\{b_n \}_{n\in\mathbb{N}} \subset M $ taková, že $b_n \to h \in \H$.
Pak $\forall n \in\mathbb{N} $ máme $0=\langle a,b_n\rangle \stackrel{\mbox{\scriptsize \ref{L1}}{\longrightarrow} \langle a, \lim b_n \rangle = \langle a,h \rangle$ pro libovolné $h\in \H$. 
Zde již využijeme první část a máme tvrzení dokázáno.  
\end{enumerate}
\end{proof}
\end{lemma}