$$ \newcommand{\pv}{\mbox{p.v.}} \newcommand{\nm}{\noalign{\smallskip}} %\newcommand{\qed}{ $\Box$} \newcommand{\ds}{\displaystyle} %\newcommand{\pf}{\noindent {\sl Proof}. \ } \newcommand{\p}{\partial} \newcommand{\pd}[2]{\frac {\p #1}{\p #2}} \newcommand{\eqnref}[1]{(\ref {#1})} \newcommand{\Abb}{\mathbb{A}} \newcommand{\Cbb}{\mathbb{C}} \newcommand{\Hbb}{\mathbb{H}} \newcommand{\Ibb}{\mathbb{I}} \newcommand{\Nbb}{\mathbb{N}} \newcommand{\Kbb}{\mathbb{K}} \newcommand{\Rbb}{\mathbb{R}} \newcommand{\Sbb}{\mathbb{S}} \renewcommand{\div}{\mbox{div}\,} \newcommand{\la}{\langle} \newcommand{\ra}{\rangle} \newcommand{\Acal}{\mathcal{A}} \newcommand{\Bcal}{\mathcal{B}} \newcommand{\Ccal}{\mathcal{C}} \newcommand{\Ecal}{\mathcal{E}} \newcommand{\Fcal}{\mathcal{F}} \newcommand{\Hcal}{\mathcal{H}} \newcommand{\Lcal}{\mathcal{L}} \newcommand{\Kcal}{\mathcal{K}} \newcommand{\Ncal}{\mathcal{N}} \newcommand{\Dcal}{\mathcal{D}} \newcommand{\Pcal}{\mathcal{P}} \newcommand{\Qcal}{\mathcal{Q}} \newcommand{\Rcal}{\mathcal{R}} \newcommand{\Scal}{\mathcal{S}} \newcommand{\Tcal}{\mathcal{T}} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % define bold face %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \def\Ba{{\bf a}} \def\Bb{{\bf b}} \def\Bc{{\bf c}} \def\Bd{{\bf d}} \def\Be{{\bf e}} \def\Bf{{\bf f}} \def\Bg{{\bf g}} \def\Bh{{\bf h}} \def\Bi{{\bf i}} \def\Bj{{\bf j}} \def\Bk{{\bf k}} \def\Bl{{\bf l}} \def\Bm{{\bf m}} \def\Bn{{\bf n}} \def\Bo{{\bf o}} \def\Bp{{\bf p}} \def\Bq{{\bf q}} \def\Br{{\bf r}} \def\Bs{{\bf s}} \def\Bt{{\bf t}} \def\Bu{{\bf u}} \def\Bv{{\bf v}} \def\Bw{{\bf w}} \def\Bx{{\bf x}} \def\By{{\bf y}} \def\Bz{{\bf z}} \def\BA{{\bf A}} \def\BB{{\bf B}} \def\BC{{\bf C}} \def\BD{{\bf D}} \def\BE{{\bf E}} \def\BF{{\bf F}} \def\BG{{\bf G}} \def\BH{{\bf H}} \def\BI{{\bf I}} \def\BJ{{\bf J}} \def\BK{{\bf K}} \def\BL{{\bf L}} \def\BM{{\bf M}} \def\BN{{\bf N}} \def\BO{{\bf O}} \def\BP{{\bf P}} \def\BQ{{\bf Q}} \def\BR{{\bf R}} \def\BS{{\bf S}} \def\BT{{\bf T}} \def\BU{{\bf U}} \def\BV{{\bf V}} \def\BW{{\bf W}} \def\BX{{\bf X}} \def\BY{{\bf Y}} \def\BZ{{\bf Z}} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Abbreviate definitions of greek symbols %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \newcommand{\Ga}{\alpha} \newcommand{\Gb}{\beta} \newcommand{\Gd}{\delta} \newcommand{\Ge}{\epsilon} \newcommand{\Gve}{\varepsilon} \newcommand{\Gf}{\Gvf} \newcommand{\Gvf}{\varphi} \newcommand{\Gg}{\gamma} \newcommand{\Gc}{\chi} \newcommand{\Gi}{\iota} \newcommand{\Gk}{\kappa} \newcommand{\Gvk}{\varkappa} \newcommand{\Gl}{\lambda} \newcommand{\Gn}{\eta} \newcommand{\Gm}{\mu} \newcommand{\Gv}{\nu} \newcommand{\Gp}{\pi} \newcommand{\Gt}{\theta} \newcommand{\Gvt}{\vartheta} \newcommand{\Gr}{\rho} \newcommand{\Gvr}{\varrho} \newcommand{\Gs}{\sigma} \newcommand{\Gvs}{\varsigma} \newcommand{\Gj}{\Phi^*} \newcommand{\Gu}{\upsilon} \newcommand{\Go}{\omega} \newcommand{\Gx}{\xi} \newcommand{\Gy}{\psi} \newcommand{\Gz}{\zeta} \newcommand{\GD}{\Delta} \newcommand{\GF}{\Phi} \newcommand{\GG}{\Gamma} \newcommand{\GL}{\Lambda} \newcommand{\GP}{\Pi} \newcommand{\GT}{\Theta} \newcommand{\GS}{\Sigma} \newcommand{\GU}{\Upsilon} \newcommand{\GO}{\Omega} \newcommand{\GX}{\Xi} \newcommand{\GY}{\Psi} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \newcommand{\BGG}{{\bf \GG}} \newcommand{\BGf}{\mbox{\boldmath $\Gf$}} \newcommand{\BGvf}{\mbox{\boldmath $\Gvf$}} \newcommand{\Bpsi}{\mbox{\boldmath $\Gy$}} \newcommand{\wBS}{\widetilde{\BS}} \newcommand{\wGl}{\widetilde{\Gl}} \newcommand{\wGm}{\widetilde{\Gm}} \newcommand{\wGv}{\widetilde{\Gv}} \newcommand{\wBU}{\widetilde{\BU}} %%%%%%%%%% \newcommand{\Jfrak}{\mathfrak{J}} %%%%%%%%%% \newcommand{\beq}{\begin{equation}} \newcommand{\eeq}{\end{equation}} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% \def\ol{\overline} \def\bs{\backslash} \def\wt{\widetilde} \newcommand{\hatna}{\widehat{\nabla}} \DeclareMathOperator{\Ker}{Ker} \DeclareMathOperator{\divergence}{div} \DeclareMathOperator{\Real}{Re} %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% $$ 楕円型作用素の随伴について

楕円型作用素の随伴について

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\(\GO\) を \(\Rbb^n\) の有界領域とし, その境界 \(\p \GO\) は十分滑らか (例えば \(C^2\) 級) であるとする. \(\GO\) 上の微分作用素 \(\Lcal\) を次で定義する: \[ \Lcal u := -\p_{x_i} (a_{ij} u_{x_j}) + a_i u_{x_i} + a u. \tag{1} \] ただし, 係数 \(a_{ij}\), \(a_i\) および \(a\) は以下の条件を満たすものとする.

  1. \(a_{ij}, a_i \in W^{1, \infty}(\GO)\), \(a \in L^\infty(\GO)\),
  2. 任意の \(i, j\) に対して \(a_{ij} = a_{ji}\),
  3. ある \(\Gm > 0\), \(\Gv > 0\) が存在して, 任意の \(\Gx = (\Gx_1, \ldots, \Gx_n) \in \Rbb^n\) に対して \[ \Gv |\Gx|^2 \leq a_{ij}(x) \Gx_i \Gx_j \leq \Gm |\Gx|^2 \] がほとんど至るところの \(x \in \GO\) について成り立つ.
このとき, 微分作用素 \(\Lcal\) は \(D(\Lcal) = H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) を定義域とする \(L^2(\GO)\) 上の非有界線型作用素と見なすことができる.

今, 微分作用素 \(\Lcal\) の形式的随伴作用素を \(\Lcal'\) とする. すなわち, \[ \Lcal' v := - \p_{x_j} (a_{ij} v_{x_i}) - \p_{x_i} (a_i v) + a v \tag{2} \] とする. 作用素 \(\Lcal\) と同様に, 作用素 \(\Lcal'\) も \(D(\Lcal') = H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) を定義域とする \(L^2(\GO)\) 上の非有界線型作用素と見なすことができる.

また, 微分作用素 \(\Lcal\) の随伴作用素 \(\Lcal^*\) は次のように定義される: \(v \in L^2(\GO)\) を1つ固定する. このとき, ある \(w \in L^2(\GO)\) が存在して, 任意の \(u \in D(\Lcal)\) に対して $$ (\Lcal u, v)_{L^2(\GO)} = (u, w)_{L^2(\GO)} $$ が成立するならば, \(v \in D(\Lcal^*)\) として, \(w = \Lcal^* v\) と定める. すなわち, 任意の \(u \in D(\Lcal)\), \(v \in D(\Lcal^*)\) に対して \[ (\Lcal u, v)_{L^2(\GO)} = (u, \Lcal^* v)_{L^2(\GO)} \tag{3} \] が成立するものとする.

上の作用素 \(\Lcal^*\) が well-defined であることを確かめる. ある \(w_1, w_2 \in L^2(\GO)\) が存在して, 任意の \(u \in D(\Lcal)\) に対して $$ (\Lcal u, v)_{L^2(\GO)} = (u, w_j)_{L^2(\GO)}, \quad j = 1, 2 $$ が成立したと仮定しよう. このとき, 辺々を引き算すれば, 任意の \(u \in H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) に対して $$ (u, w_1 - w_2)_{L^2(\GO)} = 0 $$ が成り立つ. \(H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) は \(L^2(\GO)\) で稠密であるから, 上の \(u\) として \(w_1 - w_2\) に \(L^2(\GO)\) の意味で収束する列を取れば \(\| w_1 - w_2 \|_{L^2(\GO)} = 0\) すなわち \(w_1 = w_2\) である. したがって, 作用素 \(\Lcal^*\) は well-defined である.

また, 内積の線型性から, 作用素 \(\Lcal^*\) の線型性が従う.

微分作用素 \(\Lcal^*\) の定義域 \(D(\Lcal^*)\) について考察する.

(1) で定義される微分作用素 \(\Lcal\) の係数 \(a_{ij}\), \(a_i\) および \(a\) は所与の仮定を満たすものとする. このとき, \(\Lcal\) の形式的随伴作用素 \(\Lcal'\) と随伴作用素 \(\Lcal^*\) は一致する. すなわち, $$ D(\Lcal^*) = D(\Lcal') = H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO) $$ であり, 任意の \(v \in H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) に対して \(\Lcal^* v = \Lcal' v\) が成り立つ.


定理1. の証明

定理1. の証明のために作用素 \(\Lcal\), \(\Lcal'\) および \(\Lcal^*\) の性質を調べておく.

微分作用素 \(\Lcal\) および \(\Lcal'\) はそれぞれ \(H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) から \(L^2(\GO)\) への全単射である.

微分作用素 \(\Lcal\) についてのみ命題を証明する. 微分作用素 \(\Lcal'\) についても同様に証明される.

\(f \in L^2(\GO)\) とし, 境界値問題 \[ \begin{cases} \Lcal u = f &\mbox{ in } \GO,\\ \tag{4} u|_{\p \GO} = 0 \end{cases} \] を考える. 係数 \(a_{ij}\) に対する仮定から弱形式に対して Lax-Milgram の定理が適用できて, 境界値問題 (4) は一意解 \(u \in H^1_0(\GO)\) を持つ. また, 係数 \(a_{ij}\) および境界 \(\p \GO\) の滑らかさに関する仮定から, 解 \(u\) は \(H^2(\GO)) に属する (詳しくは Ladyzhenskaya を参照すること). 以上により, 命題が証明された.

\(\Box\)

\(X\), \(Y\) を Hilbert 空間, \(A\) を \(X\) から \(Y\) への線型作用素とする. \(A\) の零空間 \(\Ncal(A)\) および像 \(\Rcal(A)\) を \begin{align*} \Ncal(A) :=& \{ x \in D(A) \mid Ax = 0 \},\\ \Rcal(A) :=& \{ y \in Y \mid \mbox{ある } x \in D(A) \mbox{ が存在して } y = Ax \} \end{align*} と定義する.

随伴作用素 \(\Lcal^*\) について, $$ \Ncal(\Lcal^*) = \{ 0 \} $$ が成り立つ.

\(\Rcal(\Lcal) = L^2(\GO)\) と \(\Ncal(\Lcal^*) = \Rcal(\Lcal)^\perp\) から結論が従う.

\(\Box\)

\(X\), \(Y\) を Hilbert 空間, \(S\), \(T\) を \(X\) から \(Y\) への線型作用素とする. \(T\) が \(S\) の拡大 (または \(S\) が \(T\) の縮小) であるとは, \(D(S) \subset D(T)\) かつ任意の \(x \in D(S)\) に対して \(Sx = Tx\) が成立することである. \(T\) が \(S\) の拡大であることを \(S \subset T\) と表す.

形式的随伴作用素 \(\Lcal'\) と随伴作用素 \(\Lcal^*\) について, \(\Lcal' \subset \Lcal^*\) が成り立つ.

\(v \in D(\Lcal') = H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) を1つ固定する. このとき, 形式的随伴作用素の定義と部分積分により $$ (\Lcal u, v)_{L^2(\GO)} = (u, \Lcal'v)_{L^2(\GO)} $$ が任意の \(u \in H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)\) に対して成り立つ. 随伴作用素 \(\Lcal^*\) の定義より, これは \(v \in D(\Lcal^*)\), \(\Lcal^* v = \Lcal' v\) を意味する. したがって, \(\Lcal' \subset \Lcal^*\) が成り立つ.

\(\Box\)

命題1. および 命題3. から, $$ \Lcal^*(H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)) = \Lcal'(H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO)) = L^2(\GO) $$ が成り立つ. 一方, 定義より \(\Rcal(\Lcal^*) = L^2(\GO)\) であるから, $$ D(\Lcal^*) = H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO) \cup \Ncal(\Lcal^*) $$ である. ところが, 命題2. より \(\Ncal(\Lcal^*) = \{ 0 \}\) である. したがって, $$ D(\Lcal^*) = H^2(\GO) \cap H^1_0(\GO) $$ である. 以上で 定理1. が証明された.


参考文献

  1. O. A. Ladyzhenskaya, The Boundary Value Problems of Mathematical Physics, Applied Mathematical Sciences 49, Springer-Verlag, New York (1985) (Original Russian edition published by Nauka, Moscow (1973)).