fourier-分析在偏微分方程中的应用&nb(共34张PPT)

Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,11/7/2009,#,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,Fourier分析在偏微分方程中的应用,2008-01-02,上海交大数学系 王维克,第1页，共34页。,偏微分方程的研究对象是作为偏微分方程解的函数，什么是“知道”一个函数似乎是一个显而易见的问题，但事实上这是一个非常深刻并革命性地推动偏微分方程发展的重要问题。,从时空域“知道”一个函数（经典分析）；,从试验函数“知道”一个函数（广义函数）；,从频谱域“知道”一个函数（Fourier分析）;,更一般地，通过一个基底“知道”一个函数。,第2页，共34页。,即函数的微分与乘法对偶。,即函数的微分与乘法对偶。,微局部分析拟微分算子,基于Fourier变换的这一性质，将微分方程变为代数方程；,知道一个乐器或者一个人的声音只要知道相应的Fourier系数即可。,经典的偏微分方程是在 考虑，微局部分析则在 考虑。,粗略地讲，解可有估计：,分别是 高频占优，并确定它的正则性。,微局部分析仿微分算子,将线性Navier-Stoke方程组作Fourier变换，并解之得：,微局部分析拟微分算子,在研究非线性偏微分方程解的正则性时,会讨论,经典的偏微分方程是在 考虑，拟微分算子则要考虑他的对偶变量，故是在,直观地讲，多维空间定义的一个函数，在一个点附近的形态是局部的，但函数还与这点不同方向有关。,微局部分析拟微分算子,从Fourier分析谈起；,微局部分析：,拟微分算子；,仿微分算子；,微局部分析的一个应用,第3页，共34页。,从Fourier分析谈起,1822年Fourier发表了他,的名著热的解析理论。,自此我们有了Fourier级数、,Fourier积分，总之有了调,和分析。,调和分析是数学中一百,多年来为数不多地充满活,力向前发展并对科学产生,重大影响的数学分支。,(Joseph Fourier,17681830),第4页，共34页。,从Fourier分析谈起,Fourier在1807年就提交了第一篇关于热传导的论文。当时Laplace（17491827）和Lagrange（17361813）等人是评阅人；,Fourier在1811年呈上修改过的论文，并得到奖金，但未发表在当时科学院报告；,1922年Fourier发表了他的名著热的解析理论；,两年后Fourier成为科学院秘书，把1811年修改过的论文，发表在科学院报告。,第5页，共34页。,从Fourier分析谈起,Fourier在他的热的解析理论里研究了有限长杆上的热传导方程的混合初边值问题的解，并用今天熟知的分离变量法将解写成级数。,Fourier在他的热的解析理论的最后一部分讨论半无限长杆上的温度分布，得到Fourier积分，也就是我们后面讲到的Fourier变换。,Fourier的工作是偏微分方程及其重要的一大步。,Fourier的工作迫使对函数概念作一修改，即函数可以分段表示。,第6页，共34页。,从Fourier分析谈起,Fourier级数,：,在-，是连续函数，那么,或者用复形式,其中 ，称为 的Fourier系数，这里 和 分别形成一个正交基。,第7页，共34页。,从Fourier分析谈起,Fourier定理告诉我们：一个周期函数总可被正弦函数和余弦函数表出：,第8页，共34页。,从Fourier分析谈起,四个不同频率,的基本波复合,成一个波；,高频，低频；,第9页，共34页。,从Fourier分析谈起,示波器,第10页，共34页。,从Fourier分析谈起,小提琴师演奏的一段声乐是：,第11页，共34页。,从Fourier分析谈起,从频谱域知道一个乐音是远比从时域知道一个乐音要聪明的办法。,乐音是适当的简单的声音（即正弦波）组合而成，单音称为泛音。泛音中频率最低的称为基音，次低的称为第二泛音等等。,乐音有四要素，即音量、音调、音色和时值。,第12页，共34页。,从Fourier分析谈起,音量：,由振幅确定，粗略地说音量与振幅的平方成正比。,音调：,（即音的高低）由基音的频率确定，粗略地说频率增高到二倍，音调提高一个八度。,时值：,指振动延续的时间。,音色,：由声波的形状确定,第13页，共34页。,从Fourier分析谈起,知道一个乐器或者一个人的声音只要知道相应的Fourier系数即可。,正因为有对声音的数学研究，即Fourier分析的研究，人声辨识、电子音乐等等才成为可能。,第14页，共34页。,从Fourier分析谈起,Fourier变换,：,与Fourier 级数相对应的是Fourier变换，它是时频分析的重要技术，通常记,这里 相当于Fourier级数的 是频率变量。一个信号函数，既可以在时域内以给出，亦可以在频域内以给出，而且通过时频之间的变换与分析，可以得到很多有用的信息。,第15页，共34页。,从Fourier分析谈起,Fourier变换的性质：,即函数的微分与乘法对偶。具体说：一个函数的微分对其Fourier变换而言是一个乘法。,为方便，以后常用,第16页，共34页。,从Fourier分析谈起,基于Fourier变换的这一性质，将微分方程变为代数方程；将函数的光滑性变成其Fourier变换的有界性等；,.,Fourier变换成为一种十分具“诱惑力”的办法,但问题也接踵而来：,由一个函数的Fourier变换写不出原来的函数；,变系数的方程无法作Fourier变换；,.,第17页，共34页。,微局部分析,经典的偏微分方程是在 考虑，微局部分析则在 考虑。或者说在余切丛 考虑。从空间和频域两个侧面了解一个函数。,直观地讲，多维空间定义的一个函数，在一个点附近的形态是局部的，但函数还与这点不同方向有关。点与方向就是微局部。,第18页，共34页。,微局部分析拟微分算子,问题的提出：,一维空间的波算子的分解:,多维空间的波算子 的分解如何进行？,椭圆算子的逆算子如何定义？,第19页，共34页。,微局部分析拟微分算子,拟微分算子成为一种,系统理论是20世纪60年代,中期的事,集大成者当数,瑞典数学家,菲尔兹奖得主,Hormander.,拟微分算子的直接前身,是Calderon,Zygmund,所建立的奇异积分算子理,论。,第20页，共34页。,微局部分析拟微分算子,拟微分算子的形式定义：,其中 称为象征(symbol)。若,则其为通常的微分算子。但一般地可推广为有条件限制的光滑函数。例如算子 就不是微分算子，其象征是,第21页，共34页。,微局部分析拟微分算子,有了拟微分算子的定义，可以回答上面的问题：,同时，分数阶导、无理数阶导、负导数都有了定义。,第22页，共34页。,微局部分析拟微分算子,经典的偏微分方程是在 考虑，拟微分算子则要考虑他的对偶变量，故是在,上考虑。,拟微分算子理论的发展为解决线性偏微分方程的重大问题做出了重大贡献。例如：Cauchy问题解的唯一性、椭圆算子的指标问题（Atiyah-Singer指标定理）。,第23页，共34页。,微局部分析拟微分算子,以拟微分算子为代表的微局部分析是一个很大的理论体系，反映出微局部分析已超出偏微分方程的领域，成为现代分析的重要思想。,这方面最完整的概括是Hormander的四卷本巨著。,第24页，共34页。,微局部分析仿微分算子,问题的提出：,在研究非线性偏微分方程解的正则性时,会讨论,系数的正则性会影响解的正则性的讨论。这就催生新的工具。,第25页，共34页。,是Calderon,Zygmund,瑞典数学家,菲尔兹奖得主,即函数的微分与乘法对偶。,音调：（即音的高低）由基音的频率确定，粗略地说频率增高到二倍，音调提高一个八度。,中期的事,集大成者当数,问题的提出：,为方便，以后常用,从试验函数“知道”一个函数（广义函数）；,但一般地可推广为有条件限制的光滑函数。,上海交大数学系 王维克,基于Fourier变换的这一性质，将微分方程变为代数方程；,Yang,JDE,(2001),V173,410-450.,从Fourier分析谈起,微局部分析仿微分算子,J.M.Bony在上世纪80年代提出仿微分算子理论。,其工作基于上世纪30年代的Littlewood-Paley分解。,微局部分析的新的发展。,第26页，共34页。,微局部分析仿微分算子,其基本思想是分解：,其中：,分别是 高频占优，并确定它的正则性。,第27页，共34页。,微局部分析,拟微分算子和仿微分算子实际也在调和分析的范畴，微局部分析和调和分析实际很难有一个分界：,E.M.Stein的专著“Harmonic Analysis”有四章讲拟微分算子和Fourier积分算子；,拟微分算子的核表示就是一个奇异积分算子；,仿微分算子的基础L-P分解本身就是出自调和分析。,第28页，共34页。,微局部分析的一个应用,问题的提出：,线性Navier-Stoke方程组的基本解的估计,第29页，共34页。,微局部分析的一个应用,先看输送方程：,再看热传导方程：,第30页，共34页。,微局部分析的一个应用,将线性Navier-Stoke方程组作Fourier变换，并解之得：,第31页，共34页。,微局部分析的一个应用,关键思想,：解的衰减主要是由其低频部分确定。,办法,：先考虑低频部分，做零点的Taylor展示：,粗略地讲，解可有估计：,第32页，共34页。,微局部分析的一个应用,体现微局部考虑问题的优越性。,文章可参考：,【1】T.P.Liu&W.K.Wang,Comm.M.P.,(1998),V196,145-173.,【2】W.K.Wang&T.Yang,JDE,(2001),V173,410-450.,【3】S.J.Deng、W.K.Wang&S.H.Yu,(to appear in Comm.M.P.,(2008).,第33页，共34页。,谢谢！,第34页，共34页。,