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調和ちょうわ関数かんすう

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調和ちょうわ函数かんすうから転送てんそう
たまきたいうえ定義ていぎされた調和ちょうわ関数かんすう

数学すうがくにおける調和ちょうわ関数かんすう(ちょうわかんすう、えい: harmonic function)は、ラプラス方程式ほうていしき満足まんぞくするかい連続れんぞくてき微分びぶん可能かのう関数かんすうのことをいう。

調和ちょうわ関数かんすうかんする重要じゅうよう問題もんだいディリクレ問題もんだいである。ディリクレ問題もんだい解決かいけつ方法ほうほうにはいくつかあるが、そのなかでも重要じゅうよう一般いっぱんてき方法ほうほうディリクレの原理げんりである。

20世紀せいきには、ウィリアム・ホッジジョルジュ・ド・ラーム小平こだいら邦彦くにひこらが調和ちょうわ積分せきぶんろん発展はってん中心ちゅうしんてき役割やくわりたした。

導入どうにゅう

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物理ぶつりがくにおいてしょうじる調和ちょうわ函数かんすうは、その特異とくいてんと(ディリクレ境界きょうかい条件じょうけんノイマン境界きょうかい条件じょうけんなどの)境界きょうかい条件じょうけんによって決定けっていされる。さらに、境界きょうかいのない領域りょういきじょうでは任意にんいせい函数かんすうじつまたはきょおな特異とくいてん調和ちょうわ函数かんすうあたえるから、この場合ばあい調和ちょうわ函数かんすうをその特異とくいてんのみで決定けっていすることはできないが、物理ぶつりがくてき要請ようせいとしてかい無限むげんとおにおいてえるものと仮定かていすれば、やはり一意的いちいてきかいることができる(この一意いちいせいリウヴィルの定理ていりによる)。

このような調和ちょうわ函数かんすう特異とくいてんは、電気でんき力学りきがく言葉ことばえば「電荷でんか」や「電荷でんか密度みつど」として解釈かいしゃくすることができて、対応たいおうする調和ちょうわ函数かんすうはこの電荷でんか分布ぶんぷしたが電位でんい比例ひれいするものと理解りかいすることができる。またそのような函数かんすう定数ていすうばいしたり、回転かいてんしたり、定数ていすうくわえたりしても調和ちょうわ函数かんすうあたえる。調和ちょうわ函数かんすう反転はんてん英語えいごばんもまた調和ちょうわ函数かんすうだが、特異とくいてんはもとの函数かんすうの(球面きゅうめんかんする)「かがみぞう」にうつる。ふたつの調和ちょうわ函数かんすう調和ちょうわ函数かんすうである。

定義ていぎといくつかの事実じじつ

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関数かんすう f: Cn (resp. Rn) → C (resp. R)ラプラス作用素さようそ

たいし、Δでるたf = 0たすとき、関数かんすう f調和ちょうわ (harmonic) である、あるいは f調和ちょうわ関数かんすうであるという。

  • あたえられた領域りょういき U うえ調和ちょうわ函数かんすう全体ぜんたい集合しゅうごうラプラス作用素さようそ Δでるたかくであり、したがってベクトル空間くうかんとなる。すなわち、調和ちょうわ函数かんすう・スカラーばいはまた調和ちょうわ函数かんすうになる。
  • 領域りょういき U うえ調和ちょうわ函数かんすう fたいし、f任意にんいへんしるべ函数かんすうはまた U うえ調和ちょうわ函数かんすうである。ラプラス作用素さようそ Δでるたへん微分びぶん作用素さようそ 調和ちょうわ函数かんすうのクラスのうえではかわになる。
  • いくつかの意味いみにおいて、調和ちょうわ函数かんすう正則せいそく函数かんすうじつ解析かいせきにおける対応たいおうぶつかんがえることができる。任意にんい調和ちょうわ函数かんすう解析かいせきてきである(つまり局所きょくしょてきべき級数きゅうすうによってあらわされる)。これは楕円だえんがた作用素さようそ(ラプラス作用素さようそはそのれいとしてよくられている)にかんする一般いっぱんてき事実じじつである。
  • 調和ちょうわ函数かんすう一様いちよう極限きょくげん函数かんすうはまた調和ちょうわ函数かんすうである。これはちゅうあいだ性質せいしつをもつ任意にんい連続れんぞく函数かんすう調和ちょうわであることからかる。(−∞, 0) × R うえはこ数列すうれつfn(x,y) = exp(nx)cos(ny)/nさだめればこれは一様いちようれい函数かんすう収束しゅうそくするが、注意ちゅういすべきはこれらのへんしるべ函数かんすうれつは(れい函数かんすうしるべ函数かんすうとしての)れい函数かんすうには一様いちよう収束しゅうそくしないことである。つまり、極限きょくげん調和ちょうわであるというためには連続れんぞくせい中間なかま性質せいしつ両方りょうほう満足まんぞくすることが重要じゅうようであることをしめしている。

性質せいしつ

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以下いかでは i虚数きょすう単位たんいとしてもちいる。

複素ふくそ関数かんすうと2次元じげん調和ちょうわ関数かんすう

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複素数ふくそすう z = x + iy (x, yR)変数へんすうとする複素ふくそ 1 変数へんすう複素ふくそ関数かんすう f (z) について、これをじつ 2 変数へんすう関数かんすうとしてなおすことができる。じつ 2 変数へんすう複素ふくそ関数かんすう w(x, y) = f(z) を、きょ分解ぶんかいすると w(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) (u, vR), きょ対応たいおうするじつ 2 変数へんすうじつ関数かんすうとして u(x, y)v(x, y)られる。このとき、w複素ふくそ微分びぶん可能かのうであれば u(x, y), v(x, y)じつ 2 変数へんすう調和ちょうわ関数かんすうとなる。 コーシー・リーマンの関係かんけいしきより、2 つの関数かんすう u(x, y), v(x, y)

たすが、これをベクトル解析かいせき言葉ことばなおせば grad u(x, y) = (∂y, −∂x)Tv(x, y) となり、この div grad u(x, y) = Δでるた u(x, y) はゼロなので、関数かんすう u(x, y) は 2 次元じげんのラプラス方程式ほうていしきたす調和ちょうわ関数かんすうであることがかる。同様どうよう方法ほうほうでまた v(x, y)調和ちょうわ関数かんすうであることがみちびかれる。すなわち、正則せいそく複素ふくそ関数かんすうきょじつ調和ちょうわ関数かんすうとなる。

ぎゃくに、2 つのじつ調和ちょうわ関数かんすうコーシー・リーマンの関係かんけいしきたすとき、それらは共役きょうやくであるといい、共役きょうやくじつ調和ちょうわ関数かんすうたいu(x, y), v(x, y)あたえられると、z = x + iy変数へんすうとする正則せいそく関数かんすうf(z) = u(x, y) + iv(x, y) られる。たん連結れんけつ領域りょういきうえじつ調和ちょうわ関数かんすう共役きょうやく調和ちょうわ関数かんすうつ(すなわち正則せいそく関数かんすうじつあるいはきょである)。

平均へいきん性質せいしつ

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φふぁい(x)Rn うち領域りょういき U定義ていぎされた調和ちょうわ関数かんすうとする。このとき、あるてん x ∈ U における φふぁい(x) は、てん x中心ちゅうしんとして Uふくまれる任意にんい半径はんけい r (n − 1)-次元じげん球面きゅうめん ∂B(x,r) うえでの φふぁい平均へいきんひとしい[1]。すなわち、

つ。ただし、ωおめが(n)

あたえられる n − 1 次元じげん単位たんい球面きゅうめん面積めんせきである。これは調和ちょうわ関数かんすう平均へいきん性質せいしつ (mean value property)、あるいはガウスの平均へいきん定理ていり (Gauss' mean value theorem)、またはたん調和ちょうわ関数かんすうかんする平均へいきん定理ていり (mean value theorem for harmonic functions)ばれる。この結果けっかから調和ちょうわ関数かんすう φふぁい(x)てん x中心ちゅうしんとして Uふくまれる任意にんい半径はんけい r n-次元じげん球体きゅうたい B(x,r) での平均へいきんにも一致いっちする。すなわち、

つ。ただし、αあるふぁ(n)

あたえられる n-次元じげん単位たんいだま体積たいせきである。

ぎゃくφふぁい ∈ C2(U)は、φふぁい(x)Uうち任意にんい球面きゅうめん∂ B(x,r)うえ平均へいきん一致いっちするならば、φふぁい調和ちょうわ関数かんすうとなる[2]

ディリクレ問題もんだいとランダムウォーカー

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平均へいきん性質せいしつから、てん x における調和ちょうわ関数かんすう φふぁい(x) は、てん x から出発しゅっぱつしたランダムウォーカーが領域りょういき U境界きょうかい ∂U到達とうたつしたとき、到達とうたつしたてんでの調和ちょうわ関数かんすう境界きょうかいφふぁい(y∂U)期待きたい対応たいおうしていることがかる。ぎゃくに、任意にんいディリクレ境界きょうかい条件じょうけんたいして、任意にんいてん x調和ちょうわ関数かんすう φふぁい(x)見積みつもるには、x出発しゅっぱつして到達とうたつしたてんでの境界きょうかい算術さんじゅつ平均へいきんをとればよい。

最大さいだい原理げんり

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調和ちょうわ関数かんすう平均へいきん性質せいしつは、最大さいだい最小さいしょう)につよ制約せいやくすため、調和ちょうわ関数かんすう領域りょういき境界きょうかい最大さいだい最小さいしょう)をとる[3]正確せいかくには、URn有界ゆうかいひらき集合しゅうごうとし、φふぁいU うえ調和ちょうわ関数かんすうで、φふぁい境界きょうかい連続れんぞく拡張かくちょうできるならば、

つ。この性質せいしつ調和ちょうわ関数かんすう最大さいだい原理げんりぶ。U連結れんけつひらけ集合しゅうごうである場合ばあいに、存在そんざいすれば、φふぁい定数ていすう関数かんすうとなる。この性質せいしつ調和ちょうわ関数かんすうつよ最大さいだい原理げんりぶ。

最大さいだい原理げんり直接的ちょくせつてき応用おうようとしては、ポアソン方程式ほうていしき境界きょうかい問題もんだいにおけるかい一意いちいせい証明しょうめいがある。Rn有界ゆうかいひらき集合しゅうごうU とその境界きょうかい ∂U において、fC(U)gC(∂U)あたえ、ポアソン方程式ほうていしき境界きょうかい問題もんだいかんがえる。この境界きょうかい問題もんだいふたつのかいたいし、ったものは調和ちょうわ関数かんすうであり、最大さいだい原理げんりより、その最大さいだい最小さいしょうはゼロとなる。すなわち、ふたつのかい一致いっちする。

正則せいそくせい

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調和ちょうわ関数かんすう2かい連続れんぞく微分びぶん可能かのうせいのみを仮定かていしているにかかわらず、無限むげんかい微分びぶん可能かのうである[4]。これは調和ちょうわ関数かんすうたま対称たいしょう軟化なんか作用さようさせたものが、平均へいきん性質せいしつから調和ちょうわ関数かんすう自身じしん一致いっちすることからしめされる。この性質せいしつは、より一般いっぱんてき条件じょうけんしたワイルの補題ほだいとしてられる。さらに、調和ちょうわ関数かんすう解析かいせきてきである[5]

リウヴィルの定理ていり

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ちょんRn うえ定義ていぎされた有界ゆうかい調和ちょうわ関数かんすう定数ていすう関数かんすうとなる[6]。この定理ていりは、ぜん複素ふくそ平面へいめん正則せいそく複素ふくそ関数かんすうせい関数かんすう)が有界ゆうかいならば定数ていすう関数かんすうであるという、関数かんすうろんにおけるリウヴィルの定理ていり類似るいじあたえている。

ハルナックの不等式ふとうしき

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一般いっぱん

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じゃく調和ちょうわ函数かんすう

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函数かんすう(あるいはより一般いっぱんシュヴァルツちょう函数かんすう)がラプラス方程式ほうていしき Δでるたf = 0じゃくかい(シュヴァルツちょう函数かんすう意味いみでのかい)となるときじゃく調和ちょうわ英語えいごばんであるという。

じゃく調和ちょうわ函数かんすうほとんいたところしん調和ちょうわ函数かんすう一致いっちし、とくなめらかである。じゃく調和ちょうわちょう函数かんすうとは、しん調和ちょうわ函数かんすう同伴どうはんするシュヴァルツちょう函数かんすうのことであり、したがってこれもまたなめらかである。これラプラス方程式ほうていしきかんするワイルの補題ほだいという。

このほかにもラプラス方程式ほうていしきじゃくバージョン有用ゆうようなものがたくさんある。そういったもののひとつはディリクレの原理げんりで、これはソボレフ空間くうかん H1(Ωおめが)ぞくする調和ちょうわ函数かんすうディリクレエネルギー積分せきぶん

局所きょくしょへんぶんかんして最小さいしょうするものとして表現ひょうげんする。すなわち、調和ちょうわ函数かんすう uH1(Ωおめが) は、任意にんいvC
c
(Ωおめが)
たいして(あるいはおなじことだが vH1
0
(Ωおめが)
たいして J(u) ≤ J(u + v)たす。

多様たようたいじょう調和ちょうわ函数かんすう

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任意にんいリーマン多様たようたいうえ調和ちょうわ函数かんすうは、ラプラス・ベルトラミ作用素さようそ英語えいごばん Δでるたもちいて定義ていぎすることができる。すなわち、この文脈ぶんみゃくにおける函数かんすう調和ちょうわであるとはラプラス・ベルトラミ作用素さようそかんする方程式ほうていしき Δでるたf = 0満足まんぞくすることをう。

すでべたユークリッド空間くうかんない領域りょういきじょう定義ていぎされた調和ちょうわ函数かんすうおおくの性質せいしつは、このより一般いっぱん状況じょうきょういても満足まんぞくされ、たとえば (測地そくちてき球体きゅうたいじょうの)平均へいきん定理ていり最大さいだい原理げんり、ハルナックの不等式ふとうしきなどが成立せいりつする。平均へいきん定理ていりのぞけば、これらはかい線型せんけい楕円だえんがたへん微分びぶん方程式ほうていしき一般いっぱんたいする対応たいおうする結果けっか簡単かんたん帰結きけつである。

れつ調和ちょうわ函数かんすう

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ラプラス方程式ほうていしきわりに、Δでるたf ≥ 0満足まんぞくする C2-きゅう函数かんすうれつ調和ちょうわであるとう。この条件じょうけんのもとでも最大さいだい原理げんり保証ほしょうされるが、調和ちょうわ函数かんすうほか性質せいしつたされるとはかぎらない。より一般いっぱんに、れつ調和ちょうわ函数かんすうとなるための必要ひつようじゅうふん条件じょうけんは、定義ていぎ域内いきない任意にんい球体きゅうたい内部ないぶにおいてその函数かんすうのグラフがその球体きゅうたい境界きょうかい補間ほかんする調和ちょうわ函数かんすうのグラフのしたにあることである。

調和ちょうわ形式けいしき

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調和ちょうわ函数かんすうかんする研究けんきゅう一般いっぱんするもののひとつとして、リーマン多様たようたいうえ調和ちょうわ形式けいしきおよびそれに関連かんれんしたコホモロジーろんがある(同様どうようにベクトル調和ちょうわ函数かんすうふたつのリーマン多様たようたいあいだ調和ちょうわ写像しゃぞうなども定義ていぎできる)。たとえば、リーマン多様たよう体内たいない曲線きょくせん(つまり、実数じっすう直線ちょくせん R うち区間くかんからリーマン多様たようたいへの写像しゃぞう)が調和ちょうわとなるための必要ひつようじゅうふん条件じょうけんはそれが測地そくちてきであることである。

なめらかな計量けいりょう可能かのうなコンパクト多様たようたい M うえ微分びぶん作用素さようそド・ラムふくたい

(ここで Ωおめがk次数じすう kなめらかな微分びぶん形式けいしきそうdkΩおめがk(M) うえそと微分びぶんである)にたいして、ベクトル空間くうかん系列けいれつ

はド・ラムコホモロジーとばれる。M計量けいりょう誘導ゆうどうする内積ないせきかんして、そと微分びぶん dたいする形式けいしきてき随伴ずいはん作用素さようそとして微分びぶん δでるた定義ていぎすることができる。

このとき、微分びぶん形式けいしきじょうのラプラス作用素さようそΔでるた = dδでるた + δでるたd定義ていぎされ、調和ちょうわ形式けいしき空間くうかん

定義ていぎされる。 であるから自然しぜん写像しゃぞう

存在そんざいするが、ホッジの定理ていりだい一部いちぶはこの φふぁい がベクトル空間くうかん同型どうけいとなることをべる。すなわち、M うえかくド・ラムコホモロジーるいたいし、その代表だいひょうもととして調和ちょうわ形式けいしき一意的いちいてきれる。

同様どうようのことは、コンパクト多様たようたいじょう楕円だえんがたふくたいたいしてべられる。すなわち、楕円だえんがたふくたいのコホモロジーは調和ちょうわ切断せつだん空間くうかん自然しぜん同型どうけいであり、かくコホモロジーるい調和ちょうわ代表だいひょうもと一意いちいつ。

多様たようたいあいだ調和ちょうわ写像しゃぞう

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ふたつのリーマン多様たようたい M, Nたいし、調和ちょうわ写像しゃぞう u: MN は、一般いっぱんディリクレエネルギーひろし函数かんすう

臨界りんかいてんとして定義ていぎされる。ここで du: TMTNu微分びぶんであり、ノルムは M および N距離きょりから誘導ゆうどうされるテンソルせきたば T*Mu−1 TN うえのノルムである。

上述じょうじゅつのように、これに特別とくべつ場合ばあいとして調和ちょうわ函数かんすうふくまれることはディリクレの原理げんりならない。

多様たようたいあいだ調和ちょうわ写像しゃぞう特別とくべつ場合ばあいとして重要じゅうようなものに極小きょくしょう曲面きょくめんがある。これは曲面きょくめんさん次元じげんユークリッド空間くうかんへの調和ちょうわはめみ (harmonic immersion) に一致いっちする(より一般いっぱんに、極小きょくしょう部分ぶぶん多様たようたい多様たようたいからべつ多様たようたいへの調和ちょうわはめみになる)。調和ちょうわ座標ざひょうけい英語えいごばん とは、多様たようたいからおな次元じげんのユークリッド空間くうかんひらき部分ぶぶん集合しゅうごうへの調和ちょうわ微分びぶん同相どうしょう写像しゃぞうのことである。

脚注きゃくちゅう

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  1. ^ Evans 2010, Theorem 2 (Mean-value formulas for Laplace's equation).
  2. ^ Evans 2010, Theorem 3 (Converse to mean-value property).
  3. ^ Evans 2010, Theorem 4 (Strong maximum principle).
  4. ^ Evans 2010, Theorem 6 (Smoothness).
  5. ^ Evans 2010, Theorem 10 (Analyticity).
  6. ^ Evans 2010, Theorem 8 (Liouville's Theorem).

参考さんこう文献ぶんけん

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  • Evans, Lawrence C. (2010). Partial Differential Equations. Graduate Students in Mathematics. 19 (2nd ed.). American Mathematical Society. ISBN 978-0-8218-4974-3. https://books.google.co.jp/books?id=Xnu0o_EJrCQC&pg=PA20 

関連かんれん項目こうもく

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外部がいぶリンク

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