Кіріспе

Функциялар ұғымын кеңейтетін нысандар. Математикада, жалпыланған функциялар – функциялар ұғымын кеңейтетін объектілер. Бірнеше мойындалған теория бар, мысалы, үлестірулер теориясы. Жалпыланған функциялар үздіксіз емес функцияларды тегіс функцияларға жақындату және нүктелік зарядтар сияқты дискретті физикалық құбылыстарды сипаттау үшін ерекше пайдалы. Олар, әсіресе физика және инженерия салаларында кеңінен қолданылады. Кейбір тәсілдердің ортақ ерекшелігі – олар күнделікті сандық функциялардың операторлық аспектілеріне негізделгендігі. Олардың бастапқы тарихы операциялық есептеуге байланысты, ал кейбір бағыттардағы қазіргі заманғы дамулар Микио Сатоның алгебралық талдау деп аталатын идеяларымен тығыз байланысты. Бұл саланың қалыптасуына ықпал еткен маңызды факторлар – дербес дифференциалдық теңдеулер теориясының техникалық талаптары және топтардың өкілдік теориясы.

Ертедегі тарихы

Тоғызыншы ғасырдағы математикада жалпыланған функциялар теориясының түрлі аспектілері пайда болды, мысалы, Грин функциясының анықтамасы, Лаплас түрлендіруі және Риманның тригонометриялық қатарлар теориясы, бұл қатарлар міндетті түрде интегралданатын функциялардың Фурье қатарлары емес еді. Бұл математикалық талдаудың сол кездегі байланыссыз аспектілері болды. Инженерлік саласында Лаплас түрлендіруін кеңінен қолдану, операциялық есептеу деп аталатын символдық әдістерді тәжірибелік түрде пайдалануға әкелді. Осы әдістердің негіздемесі жинақталмайтын қатарларға сүйенгендіктен, таза математика тұрғысынан олардың беделі төмен болды. Бұл жалпыланған функциялар әдістерін кейінірек қолданудың классикалық мысалы. Операциялық есептеулер саласындағы маңызды еңбек – Оливер Хевисайдтың 1899 жылғы «Электромагниттік теориясы». Лебег интегралы енгізілген кезде, математикада жалпыланған функция туралы түсінік алғаш рет пайда болды. Лебег теориясында интегралданатын функция, дерлік барлық жерде бірдей болатын кез келген басқа функциямен эквивалентті болады. Яғни, оның белгілі бір нүктедегі мәні (бір қарарға келсек) оның ең маңызды қасиеті емес. Функционалдық талдауда интегралданатын функцияның маңызды қасиеті – оның басқа функцияларға қатысты сызықтық функционалды қалай анықтайтыны нақты түрде көрсетіледі. Бұл әлсіз туындыны анықтауға мүмкіндік береді. 1920-ші жылдардың соңы мен 1930-шы жылдары болашақ зерттеулердің негізін қалайтын маңызды қадамдар жасалды. Поль Дирак (оның ғылыми формализмінің бір бөлігі ретінде) Дирак дельта-функциясын батыл түрде анықтады; бұл өлшемдерді (мысалы, заряд тығыздығы сияқты) нақты функцияларға ұқсас қарастыруға мүмкіндік берді. Сергей Соболев, дербес дифференциалдық теңдеулер теориясында жұмыс істей отырып, дербес дифференциалдық теңдеулердің әлсіз шешімдерімен жұмыс істеу үшін математикалық тұрғыдан алғашқы жетілдірілген жалпыланған функциялар теориясын құрды. Сол кезде осыған ұқсас теорияларды ұсынғандардың қатарында Соломон Бохнер және Курт Фридрихс болды. Соболевтің еңбегін Лоран Шварц одан әрі кеңейтіп дамытты.

Шварц үлестірімі

Көптеген мақсаттар үшін анықтама ретінде қабылданатын мұндай тұжырымдаманың іске асырылуы – Лоран Шварц дамытқан үлестірулер теориясы болды. Оны топологиялық векторлық кеңістіктер үшін дуалдық теорияға негізделген принциптік теория деп атауға болады. Қолданбалы математикада оның басты бәсекелесі – тегіс жуықтаулар тізбегін пайдалану (ол «Джеймс Лайтхилл» түсіндірмесімен белгілі), бұл көбінесе ad hoc тәсіл. Бұл теория қазір молификаторлар теориясы ретінде қарастырылады. Бұл теория өте табысты болды және әлі де кеңінен қолданылады, бірақ тек сызықтық операцияларды ғана рұқсат ететін маңызды кемшілігі бар. Яғни, үлестірулерді көбейтуге болмайды (өте ерекше жағдайларды қоспағанда): көптеген классикалық функциялық кеңістіктерден айырмашылығы, олар алгебра емес. Мысалы, Дирак дельта-функциясын квадраттаудың мағынасы жоқ. Шварцтың 1954 жылғы жұмысы бұл мәселенің ішкі қиындық екенін көрсетті. Көбейту мәселесіне қатысты бірнеше шешім ұсынылды. Бірі – Ю.В. Егоровтың берген өте қарапайым және интуитивті анықтамасы (төмендегі кітап тізіміндегі Демидовтың кітабындағы мақаласын қараңыз), ол жалпыланған функциялардың арасында кез келген операцияларды жүргізуге мүмкіндік береді. Көбейту мәселесінің тағы бір шешімі кванттық механиканың жол интегралы формуласымен диктатталған. Ол координаталық түрлендірулерге қатысты инвариантты болатын кванттық механиканың Шредингер теориясына эквивалентті болуы керек болғандықтан, бұл қасиет жол интегралдарына да тән болуы тиіс. Бұл Х. Клейнерт пен А. Червяков көрсеткендей, жалпыланған функциялардың барлық көбейтінділерін анықтайды. Нәтиже өлшемдік реттеу арқылы алынған нәтижеге тең.

Жалпыланған функциялар алгебрасы

Жалпыланған функциялар алгебрасының бірнеше құрылымдары ұсынылған, соның ішінде Ю.М. Широковтың, сондай-ақ Е. Розингердің, Я. Егоровтың және Р. Робинсонның еңбектері. Бірінші жағдайда көбейту жалпыланған функцияны реттеу арқылы анықталады. Екінші жағдайда алгебра таралымдардың көбейтілуі арқылы құрылады. Екі жағдай да төменде талқыланады.

Бөлінулерді көбейту

Үлестірулерді көбейту мәселесі, Шварц үлестіру теориясының шектеуі, сызықсыз есептер үшін өте маңызды болады. Бүгінде түрлі тәсілдер қолданылады. Ең қарапайымы Ю.В. Егоров берген жалпыланған функцияның анықтамасына негізделген. Ассоциативтік дифференциалдық алгебраларды құрудың тағы бір тәсілі J.F. Colombeau құрылысына негізделген: Colombeau алгебрасына қараңыз. Бұл – «орташа» функциялар желілерінің «мардымсыз» желілерге қатысты факторлық кеңістіктері, мұнда «орташалық» және «мардымсыздық» отбасы индексіне қатысты өсуді білдіреді.

Қалпақ құрылымы

Егер (E,P) – X топологиялық кеңістіктегі жартылай нормаланған алгебралардың (pre) шоғыры болса, онда Gs(E,P) да осы қасиетке ие болады. Бұл, шектеу ұғымы анықталады дегенді білдіреді, ол w.r.t. субшоғырға, атап айтқанда, жалпыланған функцияның қолдауын анықтауға мүмкіндік береді: {0} субшоғыры үшін, функцияның нөлге тең болатын ең үлкен ашық жиынның толықтырылуы түріндегі әдеттегі қолдау алынады. E субшоғыры (каноникалық (тұрақты) енгізу арқылы енгізілгенде) сингулярлық қолдау деп аталатын нәрсені береді, яғни, шамамен айтқанда, жалпыланған функция тегіс функция болып табылмайтын жиынның жабылуын (E = C∞ үшін) білдіреді.

Микролокалды талдау

Фурье түрлендіруі, жинақты қолдауға ие жалпыланған функциялар үшін (компоненттік тұрғыдан) дұрыс анықталғандықтан, таралымдар үшін қолданылатын бірдей құрылымды қолдануға болады және Ларс Хёрмандердің толқын фронты жиынын жалпыланған функциялар үшін де анықтауға болады. Бұл ерекшеліктердің таралуын талдауда ерекше маңызды қолданысқа ие.

Басқа теориялар

Бұларға мыналар жатады: Ян Микусинскидің конволюциялық алгебралардың интегралды домендердегі бөлшектеріне негізделген конволюциялық бөлу теориясы; және гиперфункциялар теориясы, (олардың бастапқы түсінігінде) аналитикалық функциялардың шекаралық мәндеріне негізделген, ал қазір шеке теориясын пайдаланады.

Топологиялық топтар

Брухат тест функцияларының класын енгізді, қазір Шварц–Брухат функциялары деп белгілі, бұл функциялар әдеттегі функция домендері болып табылатын көптеген жергілікті компактты топтар класына қолданылады. Олардың қолданылу аймағы көбінесе сандар теориясы, әсіресе аделикалық алгебралық топтар саласында. Андре Вейль Тейттің диссертациясын осы тілде қайта жазып, идеалдық топтағы зета функциясының таралуын сипаттады; сондай-ақ оны L-функциясының ашық формуласына қолданды.

Жалпыланған бөлім

Теорияның тағы бір кеңейтілу жолы – тегіс векторлық бундельдің жалпыланған қималары арқылы. Бұл Шварц үлгісіне сәйкес, сынақ объектілеріне дуалды объектілерді, яғни шектеулі таяу орналасқан тегіс қималарды құрастыруды қамтиды. Ең дамыған теория – де Рам ағындары, дифференциалдық формаларға дуалды. Олар гомологиялық сипатқа ие, дифференциалдық формалар Де Рам когомологиясын тудырғандай. Оларды өте жалпы Стокс теоремасын формулирлеу үшін қолдануға болады.