ОПЕРАЦИОННОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ

Содержание статьи

• Теория операторов.
• Проблемы и приложения.

ОПЕРАЦИОННОЕ ИСЧИСЛЕНИЕ, раздел математики, занимающийся главным образом алгебраическими операциями, производимыми над символами операции (или преобразования).

Теория операторов.

Во многих задачах математического анализа рассматриваются ситуации, в которых каждая точка одного пространства ставится в соответствие некоторой точке другого (или того же) пространства. Пространства могут быть абстрактными, в которых «точки» в действительности являются функциями. Соответствие между двумя точками устанавливается с помощью преобразования или оператора. В задачу теории операторов входит подробное описание и классификация различных видов преобразований и их свойств, а также разработка символических методов, позволяющих минимизировать и упростить вычисления. Обычно теорию операторов применяют к пространствам, в которых допускается сложение или умножение точек, т.е. линейным пространствам, группам, кольцам, полям и т.д. См. также АЛГЕБРА АБСТРАКТНАЯ.

Проблемы и приложения.

Пусть D и R – действительные линейные или векторные пространства, необязательно различные. Их элементами являются векторы, поэтому сумма двух элементов и произведение элемента на скаляр определены и удовлетворяют обычным условиям, предъявляемым к векторам. Существование конечных базисов в D и R необязательно. Пусть r, вектор из R, соответствует вектору d из D. Обозначим это соответствие T(d) = r или Td = r. Тогда T называется оператором с областью определения D и областью значений R. Оператор T является дистрибутивным, если

где λ и λ' – любые действительные числа, а d и d' – любые элементы из D. Если D и R – топологические векторные пространства, в которых λd и d + d' – непрерывные операции, то дистрибутивный непрерывный оператор называется линейным оператором. Если Q содержит D и R, то T ²(d) определяется как T(T(d)) и аналогичным образом определяется Tⁿ(d), если все эти операции имеют смысл.

Операционное исчисление позволяет осуществить абстрактные постановки задач и обобщить такие разделы математического анализа, как теория дифференциальных и интегральных уравнений. Мощным стимулом для развития теории операторов стали современные проблемы квантовой теории. Наиболее полные результаты получены для дистрибутивных операторов в т.н. гильбертовом пространстве. Интерес к этой области во многом связан с представлением таких операторов интегральными преобразованиями.

Двумя важными дистрибутивными операторами являются операторы дифференцирования p и интегрирования p^–1. Элементами линейных пространств D и R в этом случае будут функции переменной x. Имеем

где m и n – неотрицательные целые числа. Так как интегрирование приводит к появлению произвольной постоянной, p^–1p необязательно является тождественной операцией p⁰. Формальные правила комбинирования таких операторов восходят к Дж.Булю (1815–1864); например,

по теореме Тейлора (см. также КОНЕЧНЫЕ РАЗНОСТИ).

В исчислении Хевисайда, разработанном О.Хевисайдом (1850–1925), пространство D ограничено областью определения функций f (x), тождественно равных нулю при отрицательных x. Главную роль играет функция 1(x), равная 0 при отрицательных x и 1 при неотрицательных x. Приведем некоторые «правила» исчисления Хевисайда:

Если n! заменить гамма-функцией Г(n + 1), то первое из правил останется в силе и при нецелых n (определение гамма-функции см. ФУНКЦИЯ).

Основным результатом операционного исчисления принято считать теорему о композиции, или свертке, согласно которой, если F₁(p)1(x) = f₁(x) и F₂(p)1(x) = f₂(x), то

Применяя теорему о свертке к p^a при a ≠ 0, –1, –2,..., можно определить интегрирование или дифференцирование дробного порядка. Например, рассмотрим выражение

где функция y(x) и ее первые n – 1 производных обращаются в нуль при x = 0. Пусть y(x) = Y(p)1(x), g(x) = G(p)1(x). Примем

Предположим, что f (x) = F(p)^–11(x). Тогда

Стандартные правила включают в себя различные алгоритмы, связанные с разложениями на элементарные дроби рациональных функций асимптотических рядов и т.д. На практике y(x) = Y(p)1(x) часто записывают в виде y(x) ~ Y(p) или .

К тем же общим результатам приводит и теория функций замкнутого цикла В.Вольтерры (1860–1940). Близкие теории были построены для других операторов, например для x(d/dx) и для более общих ситуаций с несколькими операциями, Вольтеррой, Пинкерле и др. Для прикладных математиков основное преимущество операционного исчисления Хевисайда заключается в сведении трансцендентных задач с независимой переменной x к алгебраическим задачам для функций, зависящих от p. Чаще всего метод Хевисайда применяется при решении дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, разностных уравнений и интегральных уравнений с ядром K(x, t) = K(x – t). В общем случае при распространении методов операционного исчисления на более сложные уравнения теряется характер «чистой алгебраизации».

Строгое обоснование соотношения F(p)1(x) = f (x) было дано с помощью интегральных преобразований Лапласа или Фурье, или абстрактно, в терминах операторов в некоторых линейных топологических пространствах, таких, как гильбертово пространство. Такой подход позволил установить условия применимости эвристических правил.