べっく日記

偏微分方程式を研究してるD1の日常

研究進捗2017/10/20

ドイツに来てだいぶ時間がたちました.ドイツといえばビールだなと思っていた私ですが,やらなきゃいけないことがたまっているためにビールを全く飲んでいません.悲しいなあ.

 

・Remainder terms の表示を求めた.先行研究と似た項が出てきているので,引用すれば解析がスムーズにいくと思う。

・もう少し解析を進めてから論文を書き始めようと思ったが,受け入れ先の指導教員に研究の進捗状況を伝えやすくするために論文を書き始めた.

 

<来週の目標>

・論文の3~6章を書き上げる.また,イントロに書くメインの定理も書く.

・ある面接用のスライドを作る.

 

ゆっくりビールが飲めるよう,しっかり仕事をこなしたいと思います.頑張ります.

研究進捗2017/10/13

衆院選が近いこともあって,昔インターネット投票について書いた記事のアクセスが少し伸びているようです.ありがとうございます.まあ,いま振り返るとなかなかひどい記事ですが,暇つぶしにはいいかもしれません(?)

 

・Bent space の解析を進めた.結局のところ,境界条件をあらかじめ split してから問題を考えるのが良さそうだ.

・Local solutions の構成を少しやった.なんとなくわかってきた気がする.あと頑張らなければならないのは Remainder terms の評価.

・時間局所適切性を示す際,Hanzawa 変換で問題を解くときに高さ関数に関する方程式に工夫が必要であることを指摘された.先生のレクチャーノートで,Lagrange 変換を用いた場合の方程式と Hanzawa 変換を用いた場合の方程式とではなぜ微妙に違うんだろうと思ったけど,その理由がわかった.

・去年までに出版された先生の論文が,数学的に良くないところが多々あることを言われた.先生の結果使うときは少し気をつけよう.また,先輩の論文ではそれが訂正されているようだ.

 

<来週の目標>

・来週からドイツにしばらく行くので,その生活に慣れる.

・Local solutions の解析を進める.

・その解析がある程度終わったら,論文を書き始める(まとめる).

 

 

今日,てっきり学振DCの発表日かなってどきどきしていたのですが,まだ発表されていないあたり,たぶん来週発表なのでしょう.期待してもプラスにはならないのに期待してしまうのはなぜなんでしょう.まあ,もしかしたらそんなこと気にせず研究しろというお告げかもしれません.頑張ります.

研究進捗2017/10/5

先日高校の同級生とオクトーバーフェストに行ってきました.

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ビールはやっぱおいしいですね.ビール飲みたい.

 

・先生と論文のチェックを行った.境界条件の訂正をした.最初, \nabla \rho\cdot\mathbf{n}_t の値は 0 とは限らないんじゃないなと思ったけど,境界の法線方向には energy flux (いわゆる heat flux)に含まれる "interstitial working" が機能しないと考えれば 0 になるのは自然だ.それだけでなく,通常の Fourier law と Gibbs-Thomson law がきちんと成り立つことが言える点からも自然である.また,これらのことは論文に盛り込んだ.

・論文を投稿した.また arXiv にもアップした(たぶん公開されるのは明日か明後日くらい).

・Bent space の解析を進めた.ゴールは見えてるけど,方程式の境界条件が少し足りなかったので直した.まだ細かいところがまだ書けていない.土日頑張れば終わると思う.

・Bent space で本質的な役割を果たす補題の「ありがたさ」がよくわからなかったが,先輩にそのありがたさを教えてもらった.先輩ありがとうございます.

・圧力消去のセクションが少し間違っていたので訂正した.たぶん,本研究では方程式の係数を丁寧に扱わないといけないみたいだ.

 

<来週までの目標>

・研究の進捗状況が予定より遅れているので,もう少し集中して計算する.

・Bent space のセクションは完成させて,その次のセクションもだいたい書く.少なくとも3週間後までには resolbent 問題の解析は終えたい.

 

最近,中本の北極を食べてない気がする.しばらくしたら(一時的に)東京を離れないといけないので,その前には食べに行きたいな.誰か一緒に行きましょう.では.

研究進捗2017/9/28

先日卒業式がありました。

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7割5分は留学生みたいです。で、人生6度目の1年生になりました。東京オリンピックまでに学位が取れるよう、より一層頑張りたいと思います。

 

・コンパクト作用素などのレクチャーノートをホームページに公開した。

・投稿する論文のイントロを再び直した。

・もっと楽にTeXのコードが書けるように新しくコマンドを定義し、いま下書き中の論文を全部それに置き換えた。

・bent spaceの解析を進めた。細かいところはまだチェックできてないけど、だいたいまとめた。

 

<来週までの目標>

・bent spaceの解析を完成させる。

・local solutionsの構成のアウトラインを確認する。

 

最近ラーメン食べてないなあと思って、日記を確認してみたらだいたい1週間に1回食べてることが判明しました。食べたことを忘れたわけじゃないけど、遠い昔のように感じるのはなぜだろう。もしかしたらボケてるのかな。

研究進捗2017/9/14

日本数学会秋季総合分科会に参加するため、山形に訪れた。駅ではこんな看板を見つけた。

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タイ語が混じってるのはなぜなんだろう。

 

一方、大学にあった看板。

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やはり看板はシンプルな方がかっこいいと思う。

 

そして現在帰りの新幹線の中。びっくりするくらい混んでいて、指定席取ればよかったなと後悔してる。私は運良く座ることができたけど、今のところ乗車率は100%を超えてる。

 

今日までの研究の進捗は、

・学会発表の準備をした。

・学会で発表した。

の2点。

 

9分という制限時間の中、我ながら納得のいく発表ができ、ホッとしてます。少し反省点をあげるとするならば、発表するときの目線をもっと意識するべきだったかなと思います。発表練習してて思ったのはトランプ大統領みたいに手を動かして話すのは思ったより話しやすいということですね。

 

学会の雰囲気が思ったより殺伐としていてびっくりした。特に、特別講演以外の一般講演の後に拍手ないのはびっくりした。個人的には、拍手されるために発表をしたわけではないけど、発表が終わった後に拍手がなかったのは少しさびしかった。ちなみに、駅ですれ違った他大の同級生曰く、他の分科会ではそんなことはないらしい。

 

さて、次の春の年会で発表するためには、11月中旬に参加の申し込み、すなわちアブストラクトの提出をしなければならない。アブストラクトを書く時間も考えると、来月中にはある程度まとまった結果を出さないといけない。

 

いま取り組んでいる問題はある程度道は見えてきたので、頑張って研究を進めて、次は線形の一般領域について発表できるよう頑張りたいと思います。

 

ただ、今回唯一残念なことは新幹線で筆箱をなくしてしまったことですね。駅に問い合わせても届いてないようだし、誰か持っていっちゃったのかもしれない。まあ、これを機に新しい筆箱を買おうと思うので、何かオススメがあったら教えてください。

 

では。

CIMEサマースクールに参加してきた。

イタリアのCetraroで行われた研究集会: "Mathematical Analysis of the Navier-Stokes Equations: Foundations Overview of Basic Open Problems" に参加してきた。つい先程帰国した。

 

この研究集会、というよりサマースクールは60年以上の歴史があり、第2次世界大戦後のイタリアの復興のためにスタートしたようだ。これまでの参加者は1万5000人を超えるらしい。また、これまでの講演者の中にはSobolev先生やZygmund先生など「歴史」を変えた人がたくさんいたようだ。

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今回の講演者は、Galdi先生、Hieber先生、小薗先生、Robinson先生の4人だった。いずれも難しいことを扱っていたが、去年までは10聞いて1わかるかどうかだったが、今回は10聞いて4わかる、という感じだったから、だいぶ進歩した気がする。小薗先生の話は、前期の講義とほとんど一緒だったので、いい復習になったし、理解を深めることができた(はず)。

 

今週は学会、来週は先生とのミーティングがあるから、少し忙しいけど、しっかり復習しておきたいと思う。ちなみに内容は、

Galdi先生: 剛体と流体の連成問題に対するスペクトル理論、

Hieber先生: H-infinity calculus を用いた最大正則性原理とその応用、

小薗先生: Besov空間とその応用、

Robinson先生: Partial regularityとそのナビエ・ストークス方程式への応用

であった。Robinson先生はおそらくイギリス人だが、英語がとても聞き取りづらかった。全体的に面白そうな話だったけれども、いずれもかなり研究が進んでるらしく、やはり競争は激しいんだなと感じた。

 

さて、研究集会の会場(泊まったホテル)はとても良かった。海がとてもきれいだった。

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ドイツから参加した人曰く、海に入りたいから参加したと言っていた。確かに、毎日海に入っていた気がする。

 

ドイツやポーランドから参加した人と話す機会があって、京都などについて色々聞かれた。私は京都に観光に行ったことないせいもあり、満足する回答ができなかった。もう少し日本の歴史や観光名所くらいは覚えようと思った。

 

長旅で疲れたけど、明後日からは学会に参加するため山形に行かないといけない。今回は自分が発表する時間もあるから、しっかり準備したいと思います。

 

最後に、研究集会に参加するにあたり、関係各方面の方々にお世話になり、また金銭的なサポートもいただきました。この場を借りて御礼申しげます。

 

《 おまけ 》

ホテルの玄関には犬がいた。

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とてもお利口だった。犬飼いたいと改めて思った。

 

よくわかる関数解析。

関数解析はよく「無限次元の線型代数」と呼ばれる.結論から言ってしまえばそうかもしれないけど,初学者にとっては意味不明な表現だと思う.

 

ここでは,関数解析とは何かということを大雑把に説明する.証明はめんどくさいのでしないし,定義もきちんと書くのはめんどくさいので書かない.関数解析のイントロと思ってください.

 

関数解析というのは勉強しなければならないことがたくさんあるために,葉ばかりを詳しく見て,森を見ないという状況に陥りがちだ.そして,その結果「迷子」になり,嫌になって勉強をやめてしまうという人は多いかと思う.この記事が,各々の今後の勉強の手助けとなれば幸いです.

 

 

◎ 関数解析の心
数学というのは「心」が大切だ.まずは関数解析の「心」をつかもう.関数解析というのは,線型代数をより一般にした内容を含んでいる.そこで,まず線型代数とはなんだったかを思い出そう.

 

線型代数の良さというのは,連立方程式を行列を用いることで,「見た目」は一次方程式になるということであった.もし,逆行列が存在するならば,両辺に逆行列をかければ連立方程式の解を一発で求められる.これは高校までの数学には(あまり)なかった斬新なアイディアだ.

 

一方,逆行列が存在しない場合は別の考察が必要だ.そこで線型代数では,固有値とか,行列の対角化とか,いろいろなテクニックを学ぶ.まあ結局のところ,これらは本質的には「行列」の性質を理解しようとしているといってもいい.さて,線型代数では行列の成分が定数だったが,成分が微分とかになった場合でも,線型代数と同様の理論が成り立つのか?というのが関数解析のモチベーションである.

 

具体的には,微分方程式 -\Delta u=f において  A=-\Delta とおいて, u=A^{-1}f と解けるのか?すなわち, u=(-\Delta)^{-1}f と書けるのか?という問いの答えを与えるのが関数解析である.まあ要は,「フィーリング」に沿った計算をいろいろやりたい,ということなのである.

 

 

◎ 線型代数関数解析の違い


線型代数は有限次元のベクトル空間を,関数解析では無限次元のベクトル空間を扱う.そもそも「次元」とはなんだったか.これは,基底(空間の「軸」)の数と思えばいい.次元が無限だと,そんな空間存在するのかよ,高校生は思ってしまうが,そもそも「空間」とはなんだったかを思い出してみよう.

 

そもそも空間とは「集合」であった.まあ,まずは簡単な具体例から始めよう.中学とかの美術でも習ったように,色は3原色(赤,緑,青)からなるとされる(少し正確ではないけど,そうだとしよう).これは何を意味してたかというと,色は,赤・緑・青の「混ぜ合わせ」で表現されるということであった.まあ配合によっていろんな色ができるわけだけれども,ここで大事なのは,必ず赤・緑・青の「混ぜ合わせ」で表現されるということと,一つの色が他の色の混ぜ合わせでは表現できないということである.これを式で表してみると,

色=(赤×□)+(緑×△)+(青×◇)

となる.ここで,□,△,◇ は配合した量を表す.このとき色は空間の元で,赤・緑・青はそれぞれ基底と見做せる.ところで,この色のとり方,すなわち基底の取り方は代えていいのか,という疑問が湧くかもしれない.それは線型代数の教科書をチェックしよう.

 

さて,「次元」のイメージはなんとなくわかったところで,「無限次元」を考えよう.無限次元のベクトル空間の簡単な例として,連続関数全体の集合を考えよう.閉区間 [ 0,1 ] 上の連続関数全体の集合を  C(I) とおく.このとき, C(I) は無限次元のベクトル空間である.これは実際, \alpha_0+\alpha_1 t+\cdots+\alpha_Nt^N+\cdots などを考えればすぐわかる.

 

大雑把に言ってしまえば,関数解析には線型代数にはなかった操作,例えば微分とかがあるために,線型代数では成り立っていたことが成り立たないという問題が起きてしまう.それを解決するのがコンパクトという概念である.微積分の授業や解析学の授業などで訳のわからなかった,アレが大活躍するのだ.

 

コンパクトというのはある意味「都合のいい性質」といえる.ただ,今まで何気なく使っていた「位相」が強すぎることがある.位相というのは,異なる2点がどのくらい近いのか遠いのかという「判断」を与えるものであった.今まで使っていた位相だとその「判断」が強すぎることがある.そこで登場するのが,「弱位相」である.弱位相はその名の通り,判断を「弱くする」のである.特に弱位相では弱収束などを学ぶ.

 

 

◎ Banach空間とは
関数解析を勉強していると,空間がBanach空間であるということを頻繁に仮定する.Banach空間とは,完備なノルム空間のことだが,なぜ「完備性」を仮定するのか.これは,完備性は非線形偏微分方程式の解の存在を保証するからである.もちろん,Banach空間ではない空間について学ぶことは大事だけれども,まあまずはBanach空間についての理論を理解しようということである.

 

 

◎ どの順で勉強するのか

以下,いま振り返ればこう勉強すれば良かったかな,ということを昔の自分宛に書く.あくまでも参考程度に考えてください.

 

1.Banach空間

「集合と位相」の授業でも扱ったが,Banach空間の具体例にたくさん触れたい.まずは数列空間( l^p 空間)についての理解と,そこで出てくる不等式の評価のテクニックを勉強したい.また,Minkowski(ミンコフスキー)の不等式や,Jensen(エンセン)の不等式をはじめとする「有名な不等式」は覚えておきたい.

 

2.ルベーグ空間

関数解析の教科書では,割と最初のほうにヒルベルト空間が出てくるが,それよりもまずはより一般的なルベーグ空間( L^p 空間)を勉強したい.ここでは測度論,というよりはルベーグ積分の知識が必要となる.これについては

watanabeckeiich.hatenablog.com

の記事を参照してほしい.このルベーグ空間はよく使われるが,その割には覚えることは少ない.ルベーグ空間の結果と数列空間の結果を比較する癖をつけておくと,より理解が深まる.

 

3.ヒルベルト空間

ヒルベルト空間はスペシャルな空間である.これは数列空間やルベーグ空間で p=2 とした場合に相当する.ヒルベルト空間の最大の特徴は内積を考えられるということである.内積が定義されるということは自然と直交も定義できる.この直交性がどのような「いい結果」をもたらすのか,ということに注目して勉強するとわかりやすいと思う.途中でフーリエ解析の知識を要求されるかもしれないが,そういうのはフーリエ解析を勉強してから勉強していいと思う.ヒルベルト空間は自己共役作用素などと関連があるけれども,まずはSchwartz(シュワルツ)の不等式の証明ができることをゴールに勉強を切り上げて,次のことを勉強するのがいいと思う.

 

4.線形作用素

ここではアルファベットがたくさん出てくる.かなり抽象的な話が先行することが多い.特に,作用素のノルムについて,有界性についてたくさん学ぶ.ここでのゴールはBarie(ベール)のカテゴリー定理と閉作用素を理解することである.抽象的でわかりにくいが,後でかなり役に立つ.具体例が考えられるようになれば,ぐっと理解が深まる.定理の証明を理解するよりも,まずは具体例を理解しよう.私のホームページにPDFファイルがあるので,そちらも参照してください.

リンク: Memo - Keiichi WATANABE

 

5.線形汎関数

汎関数は最初は理解できないが,具体例に触れていくうちになんとなくわかるようになる.わからないものはわからないと割り切って,くじけずに頑張って勉強しよう.ここで学ぶ重要なことはHahn-Banach(ハーン・バナッハの定理)と共役作用素である.これらは分野によってはあまり使わないかもしれない.勉強しててあんまり面白くなかったらあとで勉強しよう.

 

6.レゾルベントとスペクトル

ラムダがたくさん出てくる.何をやっているのか,何をやりたいのかわからないかもしれないが,レゾルベントとスペクトルの違いはわかるようになろう.ここでは,これまであまり出てこなかった「方程式」を解くためのテクニックの習得と思うといいかも知れない.スペクトルのイメージは固有値と思えばいい.この場合の具体例はかなりわかりやすいので,具体例にたくさん触れよう.微積分の計算が多々要求されるから計算はちょっと大変だけど頑張ろう.

 

7.フーリエ解析

フーリエ級数よりも,フーリエ変換について勉強しよう.特に,代表的な計算例を覚えよう.もし,留数定理を忘れていれば復習しておこう.微分多項式に変わるフィーリングをつかもう.ラプラス変換も関連して理解したい.数学の場合はラプラス変換の計算は必ずしも覚える必要はない.レゾルベントとラプラス変換の関連が見出せたらすばらしい.

 

8.コンパクト作用素

コンパクトががっつり出てくる.コンパクトの定義,Ascoli-Arzela(アスコリ・アルツェラ)の定理を忘れていたら復習しておこう.コンパクト作用素を導入したいモチベーションとしては Fractional integral を導入したいということが挙げられる.また,それと関連してSobolev(ソボレフ空間),特にSobolevの埋蔵定理を理解したい.証明は大変だから,結果をしっかり使えるようになろう.また,コンパクト性という非常に強い性質を考えているので,線型代数と似たような結果が出てくる.Riez-Schauder(リース・シャウダー)の定理まで頑張って理解しよう.

【追記(2017年9月19日)】

ホームページにコンパクト作用素についてのPDFを公開しました(ただしリース・シャウダーの理論は書いてません).

リンク: Memo - Keiichi WATANABE

【追記ここまで】

 

8.半群

必ずしも研究で使うわけではないが,熱半群ぐらいはマスターしたい.これまでに勉強したことがたくさん出てくる.もし忘れていたりしたらその都度しっかり復習しよう.ヒレ・吉田の定理と,解析半群は何かということスラスラ他人に説明できるようになろう.ここでも具体例をたくさん学んでおこう.半群についての和書の参考書は少ないけど,

*藤田・伊藤・黒田「関数解析」(岩波),

*田辺「発展方程式」(岩波),

*田辺「関数解析上」(実教),

*吉田・河田・岩村「位相解析の基礎」(岩波),

あたりをお薦めしたい.

【追記(2017年9月19日)】

溝畑先生の「偏微分方程式論」(岩波)も詳しく書いてありました.

【追記ここまで】

 

◎ 参考書

関数解析の参考書については

watanabeckeiich.hatenablog.com

などを参考にしてください.

 

オンラインで勉強したいという人は

watanabeckeiich.hatenablog.com

テレンス・タオ先生が無料でテキストを公開しているのでそれで勉強してください.ただし,英語です.

 

◎ 問題集

演習をたくさんつむには

Problems in Real and Functional Analysis (Graduate Studies in Mathematics)

Problems in Real and Functional Analysis (Graduate Studies in Mathematics)

 

がいいと思います.すべてにきちんとした(省略のない)解答がついてます.量が多いので,全部やらずにちょこちょこっとピックアップしてやるのがいいと思います.