WikiDer > Девятнадцатая проблема Гильберта - Википедия

Девятнадцатая проблема Гильберта один из 23 Проблемы Гильберта, изложенного в списке, составленном в 1900 г. Дэвид Гильберт.^[1] Он спрашивает, всегда ли решения регулярных задач вариационного исчисления аналитический.^[2] Неформально и, возможно, менее прямо, поскольку гильбертовское понятие "регулярная вариационная задача"точно определяет вариационная задача чей Уравнение Эйлера – Лагранжа. является эллиптическое уравнение в частных производных с аналитическими коэффициентами,^[3] Девятнадцатая проблема Гильберта, несмотря на кажущуюся техническую формулировку, просто спрашивает, есть ли в этом классе уравнения в частных производных, любая функция решения наследует относительно простую и понятную структуру решенного уравнения. Девятнадцатая проблема Гильберта была независимо решена в конце 1950-х гг. Эннио Де Джорджи и Джон Форбс Нэш младший.

История

Истоки проблемы

Eine der begrifflich merkwürdigsten Thatsachen in den Elementen der Theorie der analytischen Funktionen erblicke ich darin, daß es Partielle Differentialgleichungen giebt, deren Integrale sämtlich notwendig analytische Funktionen der die unabelhängen.^[4]

— Дэвид Гильберт, (Гильберт 1900, п. 288).

Дэвид Гильберт представил девятнадцатую проблему Гильберта в своем выступлении на втором заседании. Международный конгресс математиков.^[5] В (Гильберт 1900, п. 288) он утверждает, что, по его мнению, одним из самых замечательных фактов теории аналитических функций является то, что существуют классы дифференциальных уравнений с частными производными, которые допускают только такие функции, как решения, приводящие к Уравнение Лапласа, Уравнение Лиувилля,^[6] то уравнение минимальной поверхности и класс линейных дифференциальных уравнений в частных производных, изученных Эмиль Пикар в качестве примеров.^[7] Затем он отмечает тот факт, что большинство дифференциальных уравнений в частных производных, обладающих этим свойством, представляют собой уравнение Эйлера – Лагранжа хорошо определенного типа вариационной задачи, обладающее следующими тремя свойствами:^[8]

(1)     ${ displaystyle { iint F (p, q, z; x, y) dxdy} = { text {Minimum}} qquad left [{ frac { partial z} { partial x}} = p quad; quad { frac { partial z} { partial y}} = q right]}$,

(2)     ${ displaystyle { frac { partial ^ {2} F} { partial ^ {2} p}} cdot { frac { partial ^ {2} F} { partial ^ {2} q}} - left ({ frac { partial ^ {2} F} {{ partial p} { partial q}}} right) ^ {2}> 0}$,

(3)      F является аналитической функцией всех своих аргументов п, q, z, Икс и у.

Гильберт называет такую ​​вариационную задачу "регулярная вариационная задача":^[9] свойство (1) означает, что такого рода вариационные задачи минимум проблем, свойство (2) это условие эллиптичности на уравнения Эйлера – Лагранжа, связанные с заданными функциональный, а свойство (3) является простым предположением регулярности функция F.^[10] Определив класс проблем, с которыми нужно иметь дело, он затем задает следующий вопрос: - "... каждое лагранжево уравнение в частных производных регулярной вариационной задачи обладает свойством допускать исключительно аналитические интегралы?"^[11] и спрашивает далее, так ли это, даже когда функция должна предполагать, как это происходит в задаче Дирихле на потенциальная функция, граничные значения, которые являются непрерывными, но не аналитическими.^[8]

Путь к законченному решению

Гильберт сформулировал свою девятнадцатую проблему как проблема регулярности для класса эллиптических уравнений в частных производных с аналитическими коэффициентами,^[8] поэтому первые усилия исследователей, пытавшихся ее решить, были направлены на изучение закономерности классические решения для уравнений этого класса. За C 3  решения На проблему Гильберта положительно ответили Сергей Бернштейн (1904) в своей диссертации: он показал, что C 3  решения нелинейных эллиптических аналитических уравнений с двумя переменными являются аналитическими. Результат Бернштейна был улучшен с годами несколькими авторами, такими как Петровский (1939), который снизил требования к дифференцируемости решения, необходимые для доказательства его аналитичности. С другой стороны, прямые методы вариационного исчисления показали, что существуют решения с очень слабыми свойствами дифференцируемости. В течение многих лет между этими результатами существовал разрыв: решения, которые можно было построить, были известны как имеющие квадратично интегрируемые вторые производные, которые были недостаточно сильными, чтобы их можно было использовать в аппарате, который мог бы доказать, что они являются аналитическими, что требовало непрерывности первых производных. . Этот пробел был восполнен независимо Эннио Де Джорджи (1956, 1957), и Джон Форбс Нэш (1957, 1958). Они смогли показать, что у решений есть первые производные, которые Гёльдер непрерывный, что согласно предыдущим результатам подразумевает, что решения являются аналитическими всякий раз, когда дифференциальное уравнение имеет аналитические коэффициенты, что завершает решение девятнадцатой проблемы Гильберта.

Контрпримеры к различным обобщениям проблемы.

Утвердительный ответ на девятнадцатую проблему Гильберта, данный Эннио Де Джорджи и Джоном Форбсом Нэшем, поставил вопрос о том, справедлив ли тот же вывод и для уравнений Эйлера-Лагранжа более общего вида. функционалы: в конце 1960-х гг. Мазья (1968),^[12] Де Джорджи (1968) и Джусти и Миранда (1968) построил независимо несколько контрпримеры,^[13] показывая, что в целом нет никакой надежды на доказательство такого рода результатов о регулярности без добавления дополнительных гипотез.

Именно так, Мазья (1968) привел несколько контрпримеров, включающих одно эллиптическое уравнение порядка больше двух с аналитическими коэффициентами:^[14] Для экспертов тот факт, что такого рода уравнения могут иметь неаналитические и даже негладкие решения, произвел фурор.^[15]

Де Джорджи (1968) и Джусти и Миранда (1968) привел контрпримеры, показывающие, что в случае, когда решение является векторным, а не скалярным, оно не обязательно должно быть аналитическим: пример Де Джорджи состоит из эллиптической системы с ограниченными коэффициентами, а пример Джусти и Миранды имеет аналитические коэффициенты. .^[16] Позже, Нечас (1977) предоставил другие, более изощренные примеры векторной задачи.^[17]

Теорема де Джорджи

Ключевая теорема, доказанная Де Джорджи, - это априорная оценка заявляя, что если ты является решением подходящего линейного строго эллиптического уравнения в частных производных второго порядка вида

${ Displaystyle D_ {я} (а ^ {ij} (х) , D_ {j} и) = 0}$

и ${ displaystyle u}$ имеет суммируемые с квадратом первые производные, то ${ displaystyle u}$ гёльдерово.

Применение теоремы Де Джорджи к проблеме Гильберта

Проблема Гильберта спрашивает, являются ли минимизаторы ${ displaystyle w}$ функционала энергии, такого как

${ Displaystyle int _ {U} L (Dw) , mathrm {d} x}$

аналитичны. Здесь ${ displaystyle w}$ функция на некотором компакте ${ displaystyle U}$ из р^п, ${ displaystyle Dw}$ это его градиент вектор и ${ displaystyle L}$ - лагранжиан, функция производных от ${ displaystyle w}$ удовлетворяющее определенным условиям роста, гладкости и выпуклости. Гладкость ${ displaystyle w}$ можно показать с помощью теорем Де Джорджи следующим образом. В Уравнение Эйлера – Лагранжа. для этой вариационной задачи является нелинейное уравнение

${ displaystyle sum limits _ {я = 1} ^ {n} (L_ {p_ {i}} (Dw)) _ {x_ {i}} = 0}$

и дифференцируя это относительно ${ displaystyle x_ {k}}$ дает

${ displaystyle sum limits _ {i = 1} ^ {n} (L_ {p_ {i} p_ {j}} (Dw) w_ {x_ {j} x_ {k}}) _ {x_ {i} } = 0}$

Это означает, что ${ displaystyle u = w_ {x_ {k}}}$ удовлетворяет линейному уравнению

${ displaystyle D_ {i} (a ^ {ij} (x) D_ {j} u) = 0}$

с

${ displaystyle a ^ {ij} = L_ {p_ {i} p_ {j}} (Dw)}$

так что по результату Де Джорджи решение ш имеет непрерывные по Гёльдеру первые производные, если матрица ${ displaystyle L_ {p_ {i} p_ {j}}}$ ограничено. Если это не так, необходим следующий шаг: нужно доказать, что решение ${ displaystyle w}$ липшицево, т.е. градиент ${ displaystyle Dw}$ является ${ Displaystyle L ^ { infty}}$ функция.

Один раз ш как известно, имеет непрерывность Гёльдера (п+1) st производные для некоторых п ≥ 1, то коэффициенты а^ij имеют непрерывную пth производных, поэтому из теоремы Шаудера следует, что (п+2) и производные также непрерывны по Гёльдеру, поэтому повторение этого бесконечно часто показывает, что решение ш гладко.

Теорема Нэша

Нэш дал оценку непрерывности решений параболического уравнения

${ Displaystyle D_ {i} (a ^ {ij} (x) D_ {j} u) = D_ {t} (u)}$

куда ты является ограниченной функцией от Икс₁,...,Икс_п, т определены для т ≥ 0. Из своей оценки Нэш смог вывести оценку непрерывности решений эллиптического уравнения

${ displaystyle D_ {i} (a ^ {ij} (x) D_ {j} u) = 0}$ рассматривая частный случай, когда ты не зависит от т.

Примечания

Рекомендации

• Бернштейн, С. (1904), "Sur la nature analytique des solutions des équations aux dérivées partielles du second ordre", Mathematische Annalen (На французском), 59 (1–2): 20–76, Дои:10.1007 / BF01444746, ISSN 0025-5831, JFM 35.0354.01, S2CID 121487650.
• Бомбьери, Энрико (1975), «Вариационные задачи и эллиптические уравнения», Труды Международного конгресса математиков, Ванкувер, Британская Колумбия, 1974, т. 1, ICM Proceedings, Монреаль: Канадский математический конгресс, стр. 53–63, МИСТЕР 0509259, Zbl 0344.49002, заархивировано из оригинал (PDF) 31 декабря 2013 г., получено 2011-01-29. Перепечатано в Бомбьери, Энрико (1976), "Вариационные задачи и эллиптические уравнения", в Браудер, Феликс Э. (ред.), Математические разработки, возникающие из проблем Гильберта, Труды симпозиумов по чистой математике, XXVIII, Провиденс, Род-Айленд: Американское математическое общество, стр. 525–535, ISBN 978-0-8218-1428-4, МИСТЕР 0425740, Zbl 0347.35032.
• Де Джорджи, Эннио (1956), "Аналитический анализ множества эстремалов дельи интегралы", Atti della Accademia Nazionale dei Lincei. Rendiconti. Classe di Scienze Fisiche, Matematiche e Naturali, Серия VIII (на итальянском языке), 20: 438–441, МИСТЕР 0082045, Zbl 0074.31503. "Об аналитичности экстремалей кратных интегралов"(Английский перевод названия) - это короткое сообщение об исследовании, результаты которого подробно описаны далее в (Де Джорджи 1957). Хотя, согласно Полный список научных публикаций Де Джорджи (De Giorgi 2006, п. 6), английский перевод должен быть включен в (Де Джорджи 2006), к сожалению, отсутствует.
• Де Джорджи, Эннио (1957), "Sulla Differencesiabilità e l'analiticità delle estremali degli integrationi multipli regolari", Memorie della Accademia delle Scienze di Torino. Classe di Scienze Fisiche, Matematicahe e Naturali, Серия III (на итальянском языке), 3: 25–43, МИСТЕР 0093649, Zbl 0084.31901. На английском языке переводится как "О дифференцируемости и аналитичности экстремалей регулярных кратных интегралов" в (Де Джорджи 2006С. 149–166).
• Де Джорджи, Эннио (1968), "Un esempio di estremali прекращает per un проблема variazionale di tipo ellittico", Bollettino dell'Unione Matematica Italiana, Серия IV (на итальянском языке), 1: 135–137, МИСТЕР 0227827, Zbl 0084.31901. На английском языке переводится как "Пример разрывных экстремалей для вариационной задачи эллиптического типа" в (Де Джорджи 2006С. 285–287).
• Де Джорджи, Эннио (2006), Амбросио, Луиджи; Даль Мазо, Джанни; Форти, Марко; Миранда, Марио; Спаньоло, Серджио (ред.), Избранные статьи, Сборник сочинений по математике Springer, Берлин – Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. x + 889, Дои:10.1007/978-3-642-41496-1, ISBN 978-3-540-26169-8, МИСТЕР 2229237, Zbl 1096.01015.
• Джакинта, Мариано (1983), Кратные интегралы в вариационном исчислении и нелинейных эллиптических системах, Анналы математических исследований, 105, Принстон, Нью-Джерси: Princeton University Press, стр. Vii + 297, ISBN 978-0-691-08330-8, МИСТЕР 0717034, Zbl 0516.49003.
• Гилбарг, Дэвид; Трудингер, Нил С. (2001) [1998], Эллиптические дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка, Classics in Mathematics (Revised 3-е издание 2-го изд.), Berlin - Heidelberg - New York: Springer Verlag, pp. Xiv + 517, ISBN 978-3-540-41160-4, МИСТЕР 1814364, Zbl 1042.35002.
• Джусти, Энрико (1994), Metodi diretti nel calcolo delle variazioni, Monografie Matematiche (на итальянском языке), Болонья: Unione Matematica Italiana, стр. VI + 422, МИСТЕР 1707291, Zbl 0942.49002, переводится на английский как Джусти, Энрико (2003), Прямые методы вариационного исчисления, Ривер Эдж, Нью-Джерси - Лондон - Сингапур: World Scientific Publishing, стр. Viii + 403, Дои:10.1142/9789812795557, ISBN 978-981-238-043-2, МИСТЕР 1962933, Zbl 1028.49001.
• Джусти, Энрико; Миранда, Марио (1968), «Un esempio di soluzioni discontinue per un problem di minimo relativo ad un integle regolare del calcolo delle variazioni», Bollettino dell'Unione Matematica Italiana, Серия IV (на итальянском языке), 2: 1–8, МИСТЕР 0232265, Zbl 0155.44501.
• Гохберг, Израиль (1999), «Владимир Мазья: друг и математик. Воспоминания», Россман, Юрген; Такач, Питер; Wildenhain, Günther (ред.), Юбилейный сборник "Мазья". Vol. 1: О работах Мазьи в области функционального анализа, уравнений в частных производных и приложений. По материалам выступлений на конференции, Росток, Германия, 31 августа - 4 сентября 1998 г., Теория операторов. Достижения и приложения, 109, Базель: Birkhäuser Verlag, стр. 1–5, ISBN 978-3-7643-6201-0, МИСТЕР 1747861, Zbl 0939.01018.
• Хедберг, Ларс Инге (1999), «О работах Мазьи в области теории потенциала и теории функциональных пространств», Россманн, Юрген; Такач, Питер; Wildenhain, Günther (ред.), Юбилейный сборник Мазьи. Том 1: О работах Мазьи в области функционального анализа, дифференциальных уравнений в частных производных и приложений, Теория операторов: достижения и приложения, 109, Базель: Birkhäuser Verlag, стр. 7–16, Дои:10.1007/978-3-0348-8675-8_2, ISBN 978-3-0348-9726-6, МИСТЕР 1747862, Zbl 0939.31001
• Гильберт, Дэвид (1900), "Математическая проблема", Nachrichten von der Königlichen Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen, Mathematisch-Physikalische Klasse (на немецком языке) (3): 253–297, JFM 31.0068.03.
  - Перепечатано как "Математическая проблема", Archiv der Mathematik und Physik, Дритте Райхе (на немецком языке), 1: 44–63 и 253–297, 1900, JFM 32.0084.05.
  - Переведено на английский язык Мэри Фрэнсис Уинстон Ньюсон в качестве Гильберт, Дэвид (1902 г.), «Математические проблемы», Бюллетень Американского математического общества, 8 (10): 437–479, Дои:10.1090 / S0002-9904-1902-00923-3, JFM 33.0976.07, МИСТЕР 1557926.
  - Перепечатано как Гильберт, Дэвид (2000), «Математические проблемы», Бюллетень Американского математического общества, Новая серия, 37 (4): 407–436, Дои:10.1090 / S0273-0979-00-00881-8, МИСТЕР 1779412, Zbl 0979.01028.
  - Переведено на французский М. Л. Лаугелем (с добавлением самого Гильберта) как Гильберт, Дэвид (1902), "Sur les problèmes futurs des Mathématiques", в Duporcq, E. (ред.), Compte Rendu du Deuxième Congrès International des Mathématiciens, tenu à Paris du 6 au 12 août 1900. Procès-Verbaux et Communications, ICM Proceedings, Paris: Gauthier-Villars, стр. 58–114, JFM 32.0084.06, заархивировано из оригинал (PDF) 31 декабря 2013 г., получено 2013-12-28.
  - Существует также более раннее (и более короткое) резюме оригинального выступления Гильберта, переведенное на французский язык и опубликованное как Гильберт, Д. (1900), "Problèmes mathématiques", L'Enseignement Mathématique (На французском), 2: 349–355, Дои:10.5169 / пломбы-3575, JFM 31.0905.03.
• Кристенсен, Ян; Мингионе, Джузеппе (Октябрь 2011 г.). Очерки теории регулярности ХХ века и работы Йиндржиха Нечаса (PDF) (Отчет). Оксфорд: Оксфордский центр нелинейных уравнений в частных производных. С. 1–30. ОксПДЭ-11/17. Архивировано из оригинал (PDF) на 2014-01-07..
• Мазья, В.Г. (1968), Примеры нерегулярных решений квазилинейных эллиптических систем с аналитическими факторами, Функциональный анализ и его приложения (на русском), 2 (3): 53–57, МИСТЕР 0237946.
  - Переведено на английский как Мазья, В.Г. (1968), «Примеры нерегулярных решений квазилинейных эллиптических уравнений с аналитическими коэффициентами», Функциональный анализ и его приложения, 2 (3): 230–234, Дои:10.1007 / BF01076124, S2CID 121038871, Zbl 0179.43601.
• Мингионе, Джузеппе (2006), «Регулярность минимумов: приглашение к темной стороне вариационного исчисления»., Приложения математики, 51 (4): 355–426, CiteSeerX 10.1.1.214.9183, Дои:10.1007 / s10778-006-0110-3, HDL:10338.dmlcz / 134645, МИСТЕР 2291779, S2CID 16385131, Zbl 1164.49324.
• Морри, Чарльз Б. (1966), Кратные интегралы в вариационном исчислении, Die Grundlehren der Mathematischen Wissenschaften, 130, Берлин – Гейдельберг – Нью-Йорк: Springer-Verlag, стр. Xii + 506, ISBN 978-3-540-69915-6, МИСТЕР 0202511, Zbl 0142.38701.
• Нэш, Джон (1957), «Параболические уравнения», Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки, 43 (8): 754–758, Bibcode:1957ПНАС ... 43..754Н, Дои:10.1073 / пнас.43.8.754, ISSN 0027-8424, JSTOR 89599, МИСТЕР 0089986, ЧВК 528534, PMID 16590082, Zbl 0078.08704.
• Нэш, Джон (1958), «Непрерывность решений параболических и эллиптических уравнений» (PDF), Американский журнал математики, 80 (4): 931–954, Bibcode:1958AmJM ... 80..931N, Дои:10.2307/2372841, HDL:10338.dmlcz / 101876, ISSN 0002-9327, JSTOR 2372841, МИСТЕР 0100158, Zbl 0096.06902.
• Некас, Йиндржих (1977), «Пример нерегулярного решения нелинейной эллиптической системы с аналитическими коэффициентами и условиями регулярности», у Клюге, Рейнхарда; Мюллер, Вольфдитрих (ред.), Теория нелинейных операторов: конструктивные аспекты. Материалы четвертой международной летней школы, проходившей в Берлине, ГДР, с 22 по 26 сентября 1975 г., Abhandlungen der Akademie der Wissenschaften der DDR, 1, Берлин: Akademie-Verlag, стр. 197–206, МИСТЕР 0509483, Zbl 0372.35031.
• Петровский, И. (1939), "Sur l'analyticité des solutions des systèmes d'équations différentielles", Recueil Mathématique (Математический сборник) (На французском), 5 (47): 3–70, JFM 65.0405.02, МИСТЕР 0001425, Zbl 0022.22601.