stringtranslate.com

Производные Виртингера

В комплексном анализе одной и нескольких комплексных переменных производные Виртингера (иногда также называемые операторами Виртингера [1] ), названные в честь Вильгельма Виртингера, который ввел их в 1927 году в ходе своих исследований по теории функций многих комплексных переменных , являются частными дифференциальными операторами первого порядка, которые ведут себя очень похоже на обычные производные по одной действительной переменной , когда применяются к голоморфным функциям , антиголоморфным функциям или просто дифференцируемым функциям на комплексных областях . Эти операторы позволяют построить дифференциальное исчисление для таких функций, которое полностью аналогично обычному дифференциальному исчислению для функций действительных переменных . [2]

Исторические заметки

Ранние годы (1899–1911): творчество Анри Пуанкаре

Производные Виртингера использовались в комплексном анализе по крайней мере еще в статье (Пуанкаре 1899), как кратко отмечено Черри и Йе (2001, стр. 31) и Реммертом (1991, стр. 66–67). [3] В третьем абзаце своей статьи 1899 года [4] Анри Пуанкаре впервые определяет комплексную переменную в и ее комплексно сопряженную следующим образом

Затем он записывает уравнение, определяющее функции, которые он называет бигармоническими [5], ранее записанные с использованием частных производных по действительным переменным в диапазоне от 1 до , а именно следующим образом [6]

Это подразумевает, что он неявно использовал определение 2 ниже: чтобы увидеть это, достаточно сравнить уравнения 2 и 2' из (Пуанкаре 1899, стр. 112). По-видимому, эта статья не была замечена ранними исследователями теории функций многих комплексных переменных : в работах Леви-Чивиты (1905), Леви (1910) (и Леви 1911) и Аморозо (1912) все фундаментальные частные дифференциальные операторы теории выражаются непосредственно с помощью частных производных относительно действительных и мнимых частей вовлеченных комплексных переменных . В большой обзорной статье Осгуда (1966) (впервые опубликованной в 1913 году) [7] частные производные по каждой комплексной переменной голоморфной функции нескольких комплексных переменных, по-видимому, подразумеваются как формальные производные : по сути, когда Осгуд выражает плюригармонический оператор [8] и оператор Леви, он следует устоявшейся практике Аморозо , Леви и Леви-Чивиты .

Творчество Димитрия Помпея в 1912 и 1913 годах: новая формулировка

По мнению Хенрици (1993, стр. 294), новый шаг в определении концепции был сделан Димитрием Помпейу : в статье (Pompeiu 1912) для заданной комплекснозначной дифференцируемой функции (в смысле действительного анализа ) одной комплексной переменной, определенной в окрестности заданной точки, он определяет ареолярную производную как следующий предел

где — граница круга радиуса , полностью содержащегося в области определения , т.е. его ограничивающей окружности . [9] Очевидно, это альтернативное определение производной Виртингера относительно комплексно сопряженной переменной : [10] оно является более общим, поскольку, как отметил Хенричи (1993, стр. 294), предел может существовать для функций, которые даже не дифференцируемы в [11] Согласно Фикере (1969, стр. 28), первым, кто определил ареолярную производную как слабую производную в смысле Соболева, был Илья Векуа . [12] В своей следующей статье Помпейу (1913) использует это новое определенное понятие для того, чтобы ввести свое обобщение интегральной формулы Коши , теперь называемой формулой Коши–Помпейу .

Работа Вильгельма Виртингера

Первое систематическое введение производных Виртингера, по-видимому, принадлежит Вильгельму Виртингеру в статье Wirtinger 1927 года с целью упрощения вычислений величин, встречающихся в теории функций многих комплексных переменных : в результате введения этих дифференциальных операторов форма всех дифференциальных операторов, обычно используемых в теории, таких как оператор Леви и оператор Коши–Римана , значительно упрощается и, следовательно, становится более удобной для работы. Статья намеренно написана с формальной точки зрения, т. е. без приведения строгого вывода выведенных свойств.

Формальное определение

Несмотря на их повсеместное использование, [13] кажется, что не существует текста, перечисляющего все свойства производных Виртингера: однако, достаточно полными ссылками являются краткий курс по многомерному комплексному анализу Андреотти (1976, стр. 3–5), [14], монография Ганнинга и Росси (1965, стр. 3–6), [15] и монография Каупа и Каупа (1983, стр. 2,4) [16] , которые используются в качестве общих ссылок в этом и следующих разделах.

Функции одной комплексной переменной

Определение 1. Рассмотрим комплексную плоскость (в смысле выражения комплексного числа для действительных чисел и ). Производные Виртингера определяются как следующие линейные частные дифференциальные операторы первого порядка:

Очевидно, что естественной областью определения этих частных дифференциальных операторов является пространство функций на области , но поскольку эти операторы линейны и имеют постоянные коэффициенты , их можно легко расширить на любое пространство обобщенных функций .

Функциин> 1 комплексных переменных

Определение 2. Рассмотрим евклидово пространство на комплексном поле. Производные Виртингера определяются как следующие линейные частные дифференциальные операторы первого порядка:

Что касается производных Виртингера для функций одной комплексной переменной, то естественной областью определения этих частных дифференциальных операторов снова является пространство функций на области определения , и снова, поскольку эти операторы линейны и имеют постоянные коэффициенты , их можно легко распространить на любое пространство обобщенных функций .

Связь со сложной дифференциацией

Когда функция комплексно дифференцируема в точке, производная Виртингера совпадает с комплексной производной . Это следует из уравнений Коши-Римана . Для комплексной функции , которая комплексно дифференцируема

где третье равенство использует уравнения Коши-Римана .

Вторая производная Виртингера также связана с комплексным дифференцированием; эквивалентна уравнениям Коши-Римана в комплексной форме.

Основные свойства

В настоящем и последующих разделах предполагается, что — комплексный вектор и что где — действительные векторы , причем n  ≥ 1: также предполагается, что подмножество можно рассматривать как область в действительном евклидовом пространстве или в его изоморфном комплексном аналоге. Все доказательства являются простыми следствиями определений 1 и 2 и соответствующих свойств производных ( обычных или частных ).

Линейность

Лемма 1. Если и — комплексные числа , то для справедливы равенства

Правило продукта

Лемма 2. Если тогда для произведения выполняется правило

Это свойство подразумевает, что производные Виртингера являются производными с точки зрения абстрактной алгебры , точно так же, как и обычные производные .

Правило цепочки

Это свойство принимает две различные формы соответственно для функций одной и нескольких комплексных переменных : для случая n  > 1, чтобы выразить цепное правило в его полной общности, необходимо рассмотреть две области и и две карты и имеющие естественные требования гладкости . [17]

Функции одной комплексной переменной

Лемма 3.1 Если и то выполняется цепное правило

Функциин> 1 комплексных переменных

Лемма 3.2 Если и тогда для следующей формы цепного правила выполняется

Спряжение

Лемма 4. Если тогда для справедливы следующие равенства

Смотрите также

Примечания

  1. ^ См. ссылки Fichera 1986, с. 62 и Крахт и Крейциг 1988, с. 10.
  2. ^ Некоторые из основных свойств производных Виртингера совпадают со свойствами, характеризующими обычные (или частные) производные и используемыми для построения обычного дифференциального исчисления .
  3. ^ Ссылка на работу Анри Пуанкаре «Пуанкаре 1899» точно указана Черри и Йе (2001), в то время как Рейнхольд Реммерт не приводит никаких ссылок в поддержку своего утверждения.
  4. См. ссылку (Пуанкаре 1899, стр. 111–114)
  5. ^ Эти функции являются в точности плюригармоническими функциями , а линейный дифференциальный оператор , определяющий их, т.е. оператор в уравнении 2 (Пуанкаре 1899, стр. 112), является в точности n -мерным плюригармоническим оператором.
  6. ^ См. (Пуанкаре, 1899, стр. 112), уравнение 2': обратите внимание, что на протяжении всей статьи символ используется для обозначения частной дифференциации по заданной переменной вместо общепринятого сейчас символа ∂.
  7. ^ Исправленное издание Дувра (Осгуд, 1966) статьи Осгуда 1913 года содержит много важной исторической информации о раннем развитии теории функций многих комплексных переменных и поэтому является полезным источником.
  8. См. Осгуд (1966, стр. 23–24): любопытно, что он называет этот набор уравнений уравнениями Коши–Римана .
  9. ^ Это определение, данное Хенрици (1993, стр. 294) в его подходе к работе Помпея : как замечает Фикера (1969, стр. 27), оригинальное определение Помпея (1912) не требует, чтобы область интегрирования была окружностью . См. запись ареолярная производная для получения дополнительной информации.
  10. ^ См. раздел «Формальное определение» этой записи.
  11. ^ См. задачу 2 в Henrici 1993, стр. 294 для примера такой функции.
  12. ^ См. также прекрасную книгу Векуа (1962, стр. 55), Теорема 1.31: Если обобщенная производная , p > 1, то функция почти всюду имеет производную в смысле Помпейю , причем последняя равна обобщенной производной в смысле Соболева .
  13. ^ С указанием или без указания авторства концепции Вильгельму Виртингеру : см., например, известную монографию Hörmander 1990, стр. 1,23.
  14. ^ В лекциях этого курса Альдо Андреотти использует свойства производных Виртингера, чтобы доказать замкнутость алгебры голоморфных функций относительно определенных операций : эта цель является общей для всех ссылок, цитируемых в этом разделе .
  15. ^ Это классическая работа по теории функций многих комплексных переменных, посвященная в основном аспектам теории пучков : однако во вводных разделах вводятся производные Виртингера и некоторые другие аналитические инструменты, а также описывается их применение в теории.
  16. ^ В этой работе авторы доказывают некоторые свойства производных Виртингера также для общего случая функций : в этом отдельном аспекте их подход отличается от подхода, принятого другими авторами, цитируемыми в этом разделе, и, возможно, является более полным.
  17. ^ См. Kaup & Kaup 1983, стр. 4, а также Gunning 1990, стр. 5: Gunning рассматривает общий случай функций, но только для p  = 1. Ссылки Andreotti 1976, стр. 5 и Gunning & Rossi 1965, стр. 6, как уже указывалось, рассматривают только голоморфные отображения с p  = 1: однако полученные формулы формально очень похожи.

Ссылки

Исторические справки

Научные ссылки