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Gateaux导数

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数学上,Gâteaux导数微分学中的方向导数的概念的推广。它以R. Gâteaux命名,他是一位法国数学家,年青时便死于第一次世界大战。它定义于局部凸的拓扑向量空间上,可以和巴拿赫空间上的Fréchet导数作对比。二者都经常用于形式化泛函导数的概念,常见于物理学,特别是量子场论。和其他形式的导数不同,Gâteaux导数是非线性的。

目录

[编辑] 定义

假设XY是局部凸拓扑向量空间,(例如巴拿赫空间),U\subset X开,且

F:X\rightarrow Y.

Fu\in U点沿着\psi\in X方向的Gâteaux导数dF(u,ψ)定义为

dF(u,\psi)=\lim_{\tau\rightarrow 0}\frac{F(u+\tau \psi)-F(u)}{\tau}=\left.\frac{d}{d\tau}F(u+\tau \psi)\right|_{\tau=0}

如果极限存在。若极限对于所有\psi \in X存在,则称Fu\in U有Gâteaux导数。

F是在U连续可微的

dF:U\times X \rightarrow Y

连续的。

[编辑] 属性

若Gâteaux导数存在,则其为唯一。

对于每个u\in U,Gâteaux导数是一个算子dF:X\rightarrow Y.。 该算子是齐次的,使得

dF(u,\alpha\psi)=\alpha dF(u,\psi)\,,但是它通常不是可加的,并且,因此而不总是线性的,不象Fréchet导数。

[编辑] 例子

X为一个在欧氏空间RN中的勒贝格可测集Ω上的平方可积函数的希尔伯特空间。泛函

E:X\rightarrow \mathbb{R}

E(u)=\int_\Omega F\left( u(x) \right)dx

给出,其中F是一个实变量的值函数且F'=f\,u定义在Ω上取实值,则Gâteaux导数为

dE(u,\psi)=(f(u),\psi)\,.

实际上,

\frac{E(u+\tau\psi) - E(u)}{\tau} = \frac{1}{\tau} \left( \int_\Omega F(u+\tau\psi)dx - \int_\Omega F(u)dx \right)
\quad\quad =\frac{1}{\tau} \left( \int_\Omega\int_0^1 \frac{d}{ds} F(u+s\tau\psi) \,ds\,dx \right)
\quad \quad =\int_\Omega\int_0^1 f(u+s\tau\psi)\psi \,ds\,dx.

\tau\rightarrow 0 (并假设所有积分有定义),得到Gâteaux导数

\int_\Omega f(u(x))\psi(x) \,dx,

也就是,内积(f(u),\psi).\,

[编辑] 参看

  • 导数 (推广)
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