方向導數與拉普拉斯算子的旋轉不變性

一、方向導數

  在探討拉普拉斯算子的旋轉不變性之前,先來說說方向導數,定義如下:

  考慮函數 f(x,y)\small f(x,y)f\small f 在點 P0(x0,y0)\small P_0(x_0,y_0) 的某鄰域 U(P0)\small U(P_0) 內有定義. 對於給定的方向向量 l=(cosl,x,sinl,x)\small l=(\cos\langle l,x\rangle,\sin\langle l,x\rangle) (l,x\langle l,x\rangle 表示 llxx 軸之間的夾角),P\small P 爲鄰域中一點,且 P0P=ρl\small \overrightarrow{P_0P}=\rho\,lρ>0\rho>0,表示 P\small PP0\small P_0 兩點間的距離. 若極限
limρ0+f(P)f(P0)ρ \lim_{\rho\to0^+}\frac{f(P)-f(P_0)}{\rho}

存在,則稱此極限爲函數 f\small f 在點 P0\small P_0 沿方向 ll方向導數,記作
flP0  or  fl(P0) \frac{\partial f}{\partial l}\Big|_{P_0} \,\,or\,\,f_l(P_0)

方向導數與偏導數

  直覺性較強的讀者應該能夠看出:若 llxx 軸正向,方向導數就是 fx(P0)\small f_x(P_0);若 llyy 軸正向,方向導數就是 fy(P0)\small f_y(P_0).

  那能否通過偏導數 fx(P0),fy(P0)\small f_x(P_0),f_y(P_0) 來表示方向導數呢?

  答案是肯定的,有如下定理:

  設 f\small f 在點 P0(x0,y0)\small P_0(x_0,y_0) 處可微,則 f\small f 在點 P0\small P_0 沿任一方向 l=(cosl,x,sinl,x)\small l=(\cos\langle l,x\rangle,\sin\langle l,x\rangle) 的方向導數均存在,且滿足
fl=fxcosl,x+fysinl,x \frac{\partial f}{\partial l}=\frac{\partial f}{\partial x}\cos\langle l,x\rangle+\frac{\partial f}{\partial y}\sin\langle l,x\rangle

  這個定理的證明有兩種思路,不知客官喜歡哪一種?

證法 1: 根據定義

  設 P(x,y)\small P(x,y) 位於鄰域中,且滿足 P0P=ρl,ρ>0\small \overrightarrow{P_0P}=\rho\,l,\,\rho>0,於是
{xx0=Δx=ρcosl,xyy0=Δy=ρsinl,x(*) \begin{cases} x-x_0=\Delta x=\rho\cos\langle l,x \rangle\\ y-y_0=\Delta y=\rho\sin\langle l,x \rangle \tag{*} \end{cases}

ff 在點 P0\small P_0 處可微,知

f(P)f(P0)=fx(P0)Δx+fy(P0)Δy+o(ρ) f(P)-f(P_0)=f_x(P_0)\Delta x+f_y(P_0)\Delta y+o(\rho)

兩邊同除 ρ\rho,並根據 ()(*) 式,得

f(P)f(P0)ρ=fx(P0)Δxρ+fy(P0)Δyρ+o(ρ)ρ=fx(P0)cosl,x+fy(P0)sinl,x+o(ρ)ρ \begin{aligned} \frac{f(P)-f(P_0)}{\rho}&= f_x(P_0)\frac{\Delta x}{\rho}+f_y(P_0)\frac{\Delta y}{\rho}+\frac{o(\rho)}{\rho}\\&= f_x(P_0)\cos\langle l,x \rangle+f_y(P_0)\sin\langle l,x \rangle+\frac{o(\rho)}{\rho} \end{aligned}

兩邊取極限 ρ0+\rho\to 0^+,則
fl(P0)=limρ0+f(P)f(P0)ρ=fx(P0)cosl,x+fy(P0)sinl,x f_l(P_0)=\lim_{\rho\to0^+}\frac{f(P)-f(P_0)}{\rho}=f_x(P_0)\cos\langle l,x \rangle+f_y(P_0)\sin\langle l,x \rangle


證法 2: 根據座標旋轉變換

  將原座標系 xOy\small xOy 旋轉角度 ϕ\phi 得到新座標系 xOy\small x'Oy',考慮點 P\small P. 向量 OP\small \overrightarrow{OP} 長度爲 rr,與 x,xx,x' 軸的夾角分別爲 θ,θ\small \theta,\theta',顯然有
θ=θϕ \theta'=\theta-\phi

則點 P\small P 在原座標系下的座標爲
{x=rcosθy=rsinθ \begin{cases}x=r\cos\theta\\y=r\sin\theta\end{cases}

在新座標系下的座標爲
{x=rcosθ=  rcos(θϕ)=r(cosθcosϕ+sinθsinϕ)=xcosϕ+ysinϕy=rsinθ=  rsin(θϕ)=r(sinθcosϕcosθsinϕ)=xsinϕ+ycosϕ \begin{cases} \begin{aligned} x'=r\cos\theta'=&\,\,r\cos(\theta-\phi)=r(\cos\theta\cos\phi+\sin\theta\sin\phi)=x\cos\phi+y\sin\phi\\ y'=r\sin\theta'=&\,\,r\sin(\theta-\phi)=r(\sin\theta\cos\phi-\cos\theta\sin\phi)=-x\sin\phi+y\cos\phi \end{aligned} \end{cases}

化爲矩陣形式
(xy)=(cosϕsinϕsinϕcosϕ)(xy) \begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}= \begin{pmatrix} \cos\phi & \sin\phi\\ -\sin\phi & \cos\phi \end{pmatrix} \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}

同理可推出(或者兩邊左乘旋轉矩陣的逆),可得
(xy)=(cosϕsinϕsinϕcosϕ)(xy) \begin{pmatrix}x\\y\end{pmatrix}= \begin{pmatrix} \cos\phi & -\sin\phi\\ \sin\phi & \cos\phi \end{pmatrix} \begin{pmatrix}x'\\y'\end{pmatrix}

所以
xx=cosϕ,  yx=sinϕ \frac{\partial x}{\partial x'}=\cos\phi,\,\,\frac{\partial y}{\partial x'}=\sin\phi
考慮函數 f(x,y)\small f(x,y) 沿 xx' 方向的方向導數,由鏈式法則
fx=fxxx+fyyx=fxcosϕ+fysinϕ \begin{aligned} \frac{\partial f}{\partial x'}&= \frac{\partial f}{\partial x}\frac{\partial x}{\partial x'}+\frac{\partial f}{\partial y}\frac{\partial y}{\partial x'}\\ &=\frac{\partial f}{\partial x}\cos\phi+\frac{\partial f}{\partial y}\sin\phi \end{aligned} 同理可得函數 f\small f 沿 yy' 方向的方向導數
fy=fxsinϕ+fycosϕ \frac{\partial f}{\partial y'}=-\frac{\partial f}{\partial x}\sin\phi+\frac{\partial f}{\partial y}\cos\phi

f/y\partial f/\partial y' 進行變形
fy=fxcos(ϕ+π/2)+fysin(ϕ+π/2) \frac{\partial f}{\partial y'}=\frac{\partial f}{\partial x}\cos(\phi+\pi/2)+\frac{\partial f}{\partial y}\sin(\phi+\pi/2)
其中 (ϕ+π/2)(\phi+\pi/2)yy' 軸與 xx 軸之間的夾角,與定理結論相符.

  有人會有這樣的疑問:假如 x,yx',y' 是原座標系先旋轉後平移或者先平移後旋轉得到的,結果是否不變?

  答案是肯定的,因爲
d(x+a)dx=1=d(y+b)y \frac{d(x'+a)}{dx'}=1=\frac{d(y'+b)}{y'} (a,ba,b 爲常數),不改變鏈式法則的結果.


二、拉普拉斯算子的旋轉不變性

拉普拉斯算子
f=Δ2f=2fx2+2fy2 \nabla f= \Delta^2 f=\frac{\partial^2f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2f}{\partial y^2}
拉普拉斯算子具有旋轉不變性,emm,這該怎麼理解呢?

先說下我的看法:

  將原座標系 xOy\small xOy 進行旋轉,得到新的座標系 xOy\small x'Oy',則在新座標系下的拉普拉斯算子與原來的相同,即
2fx2+2fy2=2fx2+2fy2 \frac{\partial^2f}{\partial x'^2}+\frac{\partial^2f}{\partial y'^2} = \frac{\partial^2f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2f}{\partial y^2} 稱之爲拉普拉斯算子的 旋轉不變性.

  其實一般算子的旋轉不變性也是這樣定義的,比如我們可以自己造一個算子,叫作模長算子,容易驗證,它也具有旋轉不變性.

  就算寫到這裏,我對拉普拉斯算子的 旋轉不變性 仍表示懷疑,因爲還沒有自己把它證出來,下面就讓我們試着證一下!

已知
gx=gxcosϕ+gysinϕ(1) \frac{\partial g}{\partial x'}= \frac{\partial g}{\partial x}\cos\phi+\frac{\partial g} {\partial y}\sin\phi \tag{1} gy=gxsinϕ+gycosϕ(2) \frac{\partial g}{\partial y'}= -\frac{\partial g}{\partial x}\sin\phi+\frac{\partial g}{\partial y}\cos\phi \tag{2}

g=fx\displaystyle g=\frac{\partial f}{\partial x'} 代入 (1)\small (1) 式,得

2fx2=x(fx)=x(fx)cosϕ+y(fx)sinϕ \frac{\partial^2 f}{\partial x'^2}= \frac{\partial}{\partial x'}(\frac{\partial f}{\partial x'})= \frac{\partial}{\partial x}(\frac{\partial f}{\partial x'})\cos\phi+\frac{\partial}{\partial y}(\frac{\partial f}{\partial x'})\sin\phi

(1)\small (1) 式中的 ff 換成 gg 代入上式,有
2fx2=x(fxcosϕ+fysinϕ)cosϕ+y(fxcosϕ+fysinϕ)sinϕ=2fx2cos2ϕ+22fxysinϕcosϕ+2fy2sin2ϕ \begin{aligned} \frac{\partial^2 f}{\partial x'^2}&= \frac{\partial}{\partial x}\big(\frac{\partial f}{\partial x}\cos\phi+\frac{\partial f}{\partial y}\sin\phi\big)\cos\phi+ \frac{\partial}{\partial y}\big(\frac{\partial f}{\partial x}\cos\phi+\frac{\partial f}{\partial y}\sin\phi\big)\sin\phi\\&= \frac{\partial^2f}{\partial x^2}\cos^2\phi+2\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}\sin\phi\cos\phi+\frac{\partial^2f}{\partial y^2}\sin^2\phi \end{aligned} 同理
2fy2=y(fy)=x(fy)sinϕ+y(fy)cosϕ=x(fxsinϕ+fycosϕ)sinϕ+y(fxsinϕ+fycosϕ)cosϕ=2fx2sin2ϕ22fxysinϕcosϕ+2fy2cos2ϕ \begin{aligned} \frac{\partial^2 f}{\partial y'^2}&= \frac{\partial}{\partial y'}(\frac{\partial f}{\partial y'})\\&= -\frac{\partial}{\partial x}(\frac{\partial f}{\partial y'})\sin\phi+\frac{\partial}{\partial y}(\frac{\partial f}{\partial y'})\cos\phi\\&= -\frac{\partial}{\partial x}\big(-\frac{\partial f}{\partial x}\sin\phi+\frac{\partial f}{\partial y}\cos\phi\big)\sin\phi+\frac{\partial}{\partial y}\big(-\frac{\partial f}{\partial x}\sin\phi+\frac{\partial f}{\partial y}\cos\phi\big)\cos\phi\\&= \frac{\partial^2f}{\partial x^2}\sin^2\phi-2\frac{\partial^2f}{\partial x\partial y}\sin\phi\cos\phi+\frac{\partial^2f}{\partial y^2}\cos^2\phi \end{aligned}

所以
2fx2+2fy2=2fx2(cos2ϕ+sin2ϕ)+2fy2(sin2ϕ+cos2ϕ)=2fx2+2fy2 \begin{aligned} \frac{\partial^2f}{\partial x'^2}+\frac{\partial^2f}{\partial y'^2} &= \frac{\partial^2f}{\partial x^2}(\cos^2\phi+\sin^2\phi)+\frac{\partial^2f}{\partial y^2}(\sin^2\phi+\cos^2\phi) \\&= \frac{\partial^2f}{\partial x^2}+\frac{\partial^2f}{\partial y^2} \end{aligned} 拉普拉斯算子具有方向不變性這一結論成立.

哈哈,這下我信了!



鳴謝!

參考文獻:華東師範大學數學系. 數學分析(下冊)[M]. 第四版. 北京:高等教育出版社,2010.

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