Введение
Объекты, расширяющие понятие функций
В математике обобщённые функции — это объекты, расширяющие понятие функции. Существует несколько признанных теорий, например, теория распределений. Обобщённые функции особенно полезны для преобразования разрывных функций в более гладкие и описания дискретных физических явлений, таких как точечные заряды. Они широко применяются, особенно в физике и инженерии. Общей чертой некоторых подходов является то, что они опираются на операторные аспекты обычных численных функций. Ранняя история связана с идеями операционного исчисления, а более современные разработки в определенных направлениях тесно связаны с идеями Микио Сато, в частности, с его алгебраическим анализом. Важным влиянием на развитие этой области стали технические требования теорий частных дифференциальных уравнений и теории представлений групп.
In mathematics, generalized functions are objects extending the notion of functions. There is more than one recognized theory, for example the theory of distributions. Generalized functions are especially useful in making discontinuous functions more like smooth functions, and describing discrete physical phenomena such as point charges. They are applied extensively, especially in physics and engineering. A common feature of some of the approaches is that they build on operator aspects of everyday, numerical functions. The early history is connected with some ideas on operational calculus, and more contemporary developments in certain directions are closely related to ideas of Mikio Sato, on what he calls algebraic analysis. Important influences on the subject have been the technical requirements of theories of partial differential equations, and group representation theory.
Некоторые ранние истории
В математике девятнадцатого века появились аспекты обобщённой теории функций, например, в определении функции Грина, в преобразовании Лапласа и в теории тригонометрических рядов Римана, которые не обязательно являлись рядами Фурье интегрируемой функции. Это были разрозненные аспекты математического анализа в то время. Интенсивное использование преобразования Лапласа в инженерной практике привело к эвристическому использованию символических методов, называемых операционным исчислением. Поскольку для обоснования использовались расходящиеся ряды, эти методы имели плохую репутацию с точки зрения чистой математики. Они типичны для последующего применения методов обобщённых функций. Влиятельной книгой по оперативному исчислению стала «Электромагнитная теория» Оливера Хевисайда, опубликованная в 1899 году. С появлением интеграла Лебега возникло понятие обобщённой функции, центральное для математики. Интегрируемая функция в теории Лебега эквивалентна любой другой, совпадающей с ней почти всюду. Это означает, что её значение в данной точке (в определённом смысле) не является её наиболее важной характеристикой. В функциональном анализе даётся чёткая формулировка существенной характеристики интегрируемой функции, а именно способа, которым она определяет линейный функционал на других функциях. Это позволяет определить обобщённое производное. В конце 1920-х и 1930-х годов были сделаны дальнейшие шаги, имеющие основополагающее значение для будущих исследований. Дельта-функция Дирака была смело определена Полем Дираком (как часть его научного формализма); это было сделано для того, чтобы рассматривать меры, понимаемые как плотности (например, плотность заряда), как настоящие функции. Сергей Соболев, работая в теории дифференциальных уравнений в частных производных, разработал первую адекватную с математической точки зрения теорию обобщённых функций, чтобы работать со слабыми решениями дифференциальных уравнений в частных производных. Другими исследователями, предлагавшими схожие теории в то время, были Соломон Бохнер и Курт Фридрихс. Работа Соболева была далее развита в расширенном виде Лораном Шварцем.
Распределения Шварца
Реализацией такой концепции, которая должна была стать общепринятой как определяющая для многих целей, была теория обобщённых функций, разработанная Лораном Шварцем. Её можно назвать принципиальной теорией, основанной на теории двойственности для топологических векторных пространств. Её главный конкурент в прикладной математике – использование последовательностей гладких приближений (как объяснял Джеймс Лайтхилл), которое носит более ad hoc характер. Теперь это входит в теорию как теория регуляризации. Эта теория оказалась очень успешной и до сих пор широко используется, но страдает от существенного недостатка: она позволяет только линейные операции. Иными словами, обобщённые функции нельзя перемножать (за исключением некоторых частных случаев): в отличие от большинства классических функциональных пространств, они не образуют алгебру. Например, бессмысленно возводить в квадрат дельта-функцию Дирака. Работы Шварца, начиная примерно с 1954 года, показали, что это является принципиальной трудностью. Были предложены различные решения проблемы умножения. Одно из них основано на очень простом и интуитивно понятном определении обобщённой функции, предложенном Ю. В. Егоровым (см. также его статью в книге Демидова в списке литературы ниже), которое допускает произвольные операции над обобщёнными функциями и между ними. Другое решение задачи умножения диктуется интегральным представлением в квантовой механике. Поскольку оно должно быть эквивалентно теории Шрёдингера квантовой механики, которая инвариантна относительно преобразований координат, это свойство должно быть присуще и интегральным представлениям. Это однозначно определяет все произведения обобщённых функций, как показали Х. Кляйнерт и А. Червяков. Полученный результат эквивалентен тому, что можно получить с помощью размерной регуляризации.
as shown by H. Kleinert and A. Chervyakov. The result is equivalent to what can be derived from
dimensional regularization.
Алгебры обобщенных функций
Было предложено несколько построений алгебр обобщенных функций, в частности, работы Ю. М. Широкова, а также Э. Розингера, Я. Егорова и Р. Робинсона. В первом случае умножение определяется с использованием некоторой регуляризации обобщенной функции. Во втором случае алгебра строится как умножение распределений. Оба случая рассматриваются ниже.
and those by E. Rosinger, Y. Egorov, and R. Robinson. In the first case, the multiplication is determined with some regularization of generalized function. In the second case, the algebra is constructed as multiplication of distributions. Both cases are discussed below.
Умножение распределений
Проблема умножения распределений, являющаяся ограничением теории распределений Шварца, становится существенной для нелинейных задач. В настоящее время используются различные подходы. Наиболее простой из них основан на определении обобщенной функции, предложенном Ю. В. Егоровым. Другой подход к построению ассоциативных дифференциальных алгебр базируется на конструкции Дж. Ф. Коломбо: см. алгебру Коломбо. Это фактор-пространства, представляющие собой отношение между "умеренными" и "пренебрежимо малыми" семействами функций, где "умеренность" и "пренебрежимость" относятся к росту относительно индекса семейства.
of "moderate" modulo "negligible" nets of functions, where "moderateness" and "negligibility" refers to growth with respect to the index of the family.
Структура снопа
Если (E,P) является (пред)пучком полунормированных алгебр на некотором топологическом пространстве X, то Gs(E,P) также будет обладать этим свойством. Это означает, что понятие ограничения будет определено, что позволяет определить поддержку обобщенной функции относительно подпучка, в частности: для подпучка {0} получается обычная поддержка (дополнение наибольшего открытого подмножества, где функция равна нулю). Для подпучка E (встроенного с помощью канонического (постоянного) вложения) получается так называемая сингулярная поддержка, то есть, грубо говоря, замыкание множества, где обобщенная функция не является гладкой (для E = C∞).
For the subsheaf {0}, one gets the usual support (complement of the largest open subset where the function is zero). For the subsheaf E (embedded using the canonical (constant) injection), one gets what is called the singular support, i. e., roughly speaking, the closure of the set where the generalized function is not a smooth function (for E = C∞).
Микролокальный анализ
Преобразование Фурье, будучи (хорошо) определенным для обобщенных функций с компактным носителем (покомпонентно), позволяет применить ту же конструкцию, что и для распределений, и определить волновой фронт Ларса Хёрмандера также для обобщенных функций. Это имеет особенно важное применение в анализе распространения особых точек.
Другие теории
К ним относятся: теория частного свертки Яна Микусинского, основанная на поле частных сверточных алгебр, являющихся целостными областями; и теории гиперфункций, изначально основанные на граничных значениях аналитических функций, а в настоящее время использующие теорию пучков.
Топологические группы
Брухат ввёл класс тестовых функций, ныне известных как функции Шварца — Брухата, для класса локально компактных групп, выходящего за рамки типичных областей определения функций, представляющих собой многообразия. Основные применения – в теории чисел, в частности, к аделическим алгебраическим группам. Андре Вейль переписал диссертацию Тейта на этом языке, характеризуя распределение дзета-функции на группе иделей, и также применил его к явному представлению L-функции.
Общая часть
Дальнейшее развитие теории связано с обобщенными сечениями гладкого векторного расслоения. Это строится по образцу Шварца, создавая объекты, двойственные к тестовым функциям – гладкие сечения расслоения с компактным носителем. Наиболее разработанной теорией является теория токов де Рама, двойственных к дифференциальным формам. Они имеют гомологическую природу, подобно тому, как дифференциальные формы порождают когомологии Де Рама. Их можно использовать для формулировки весьма общей теоремы Стокса.