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--- 수학:범함수 [2017/07/11 19:01] – [예] minjae
+++ 수학:범함수 [2020/10/13 20:05] – [함께 보기] admin
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 $$\frac{df}{dx}=\lim_{\epsilon\rightarrow0}\frac{f(x+\epsilon)-f(x)}{\epsilon}$$
 함수의 미분법은 위의 식으로 설명하면 $x$가 조금 변할 때 함수 $f(x)$가 얼마나 변하는 것인지를 나타내는 표현이다. 이와 같은 방식으로 범함수의 미분법을 정의하면 다음과 같이 정의할 수 있다.
-$$\frac{\delta F}{\delta f(x)}=\lim_{\epsilon\rightarrow0}\frac{F[f(x^{\prime}+\epsilon\delta(x-x^{\prime})]-F[f(x^{\prime})]}{\epsilon}$$
+$$\frac{\delta F}{\delta f(x)}=\lim_{\epsilon\rightarrow0}\frac{F[f(x^{\prime})+\epsilon\delta(x-x^{\prime})]-F[f(x^{\prime})]}{\epsilon}$$
 위의 정의식은 함수 $f(x)$가 변하는 정도에 따라 범함수 $F$가 얼마나 변하는 것인지 정의하는 것이므로 $\epsilon$이 조금 변할 때 함수 $f(x)$가 변하고 그로 인해 범함수 $F$가 변하는 정도를 나타낸 것으로 이해할 수 있다. 함수 $f(x)$의 값이 아주 조금 변하는 것은 $\delta$함수로 표현한다.
-=====예=====
+=====자주 보는 예=====
 범함수 $J[f]=\int g(f^{\prime})dy$에 대한 미분법을 예로 들자. 여기서 $f^{\prime}$은 $f^{\prime}=\frac{df}{dy}$이다. 범함수 미분법의 정의식에 대입하면
 $$\frac{\delta J[f]}{\delta f(x)} = \lim_{\epsilon\rightarrow0}\frac{1}{\epsilon}\left[\int dyg\left(\frac{\partial}{\partial y}[f(y)+\epsilon\delta(y-x)]\right)-\int dyg\left(\frac{\partial f}{\partial y}\right)\right]$$
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 을 얻게 된다.
+=====또다른 예: 감쇠 오일러 방정식의 분석=====
+밀도장 $\rho(\vec{r},t)$와 퍼텐셜 $U(|\vec{r}-\vec{r}'|)$에 대해 $\Phi(\vec{r},t) \equiv \int \rho(\vec{r}',t) U(|\vec{r}-\vec{r}'|) d\vec{r}'$라고 정의하자. 다음과 같은 계를 고려하는데
+\begin{eqnarray*}
+\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho \vec{u}) &=& 0\\
+\frac{\partial \vec{u}}{\partial t} + (\vec{u} \cdot \nabla) \vec{u} &=& -\frac{1}{\rho} \nabla P - \nabla \Phi - \xi \vec{u}
+\end{eqnarray*}
+$P$는 일종의 압력, $\xi$는 감쇠 계수를 의미힌다. 그러면 아래의 리아푸노프 함수가 존재해서
+\[
+F[\rho,\vec{u}] = \int \rho \int^\rho \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho' d\vec{r} + \frac{1}{2} \int \rho \Phi d\vec{r} + \int \rho \frac{|\vec{u}|^2}{2} d\vec{r}
+\]
+그 시간 변화율이 언제나
+\[ \frac{dF}{dt} = - \int \xi \rho |\vec{u}|^2 d\vec{r} \le 0 \]
+임을 보일 수 있다.
+====첫 번째 항====
+표기를 약간 간단하게 하기 위해 $\Psi(\rho) \equiv \int^\rho \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho'$라 하자.
+\begin{eqnarray*}
+\frac{\delta}{\delta \rho(\vec{r})} \int \rho(\vec{r}') \Psi(\vec{r}') d\vec{r}'&=&
+\lim_{\epsilon \to 0} \frac{1}{\epsilon} \left\{ \int \left[ \rho(\vec{r}') + \epsilon \delta (\vec{r}'-\vec{r}) \right]
+\int^{\rho(\vec{r}') + \epsilon \delta (\vec{r}'-\vec{r})} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho' d\vec{r}'
+- \int \rho(\vec{r}') \int^{\rho(\vec{r}')} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho' d\vec{r}'
+\right\}\\
+&\approx&
+\lim_{\epsilon \to 0} \frac{1}{\epsilon} \left\{ \int \left[ \rho(\vec{r}') + \epsilon \delta (\vec{r}'-\vec{r}) \right]
+\left[ \int^{\rho(\vec{r}')} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho'
+ + \frac{P[\rho(\vec{r}')]}{\rho^2(\vec{r}')} \epsilon \delta (\vec{r}'-\vec{r})
+\right] d\vec{r}'
+- \int \rho(\vec{r}') \int^{\rho(\vec{r}')} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho' d\vec{r}'
+\right\}\\
+&\approx&
+\int \rho(\vec{r}') \frac{P[\rho(\vec{r}')]}{\rho^2(\vec{r}')} \delta(\vec{r}'-\vec{r}) d\vec{r}' + \int \delta(\vec{r}'-\vec{r}) \int^{\rho(\vec{r}')} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho'\\
+&=&
+\frac{P[\rho(\vec{r})]}{\rho(\vec{r})} + \int^{\rho(\vec{r})} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho'\\
+&=&
+\frac{P[\rho(\vec{r})]}{\rho(\vec{r})} + \Psi[\rho(\vec{r})]
+\end{eqnarray*}
+====두 번째 항====
+\begin{eqnarray*}
+\frac{\delta}{\delta \rho(\vec{r})} \int \rho(\vec{r}') \Phi(\vec{r}') d\vec{r}'
+&=& \frac{\delta}{\delta \rho(\vec{r})} \int \rho(\vec{r}') \int \rho(\vec{r}'') U(|\vec{r}'-\vec{r}''|) d\vec{r}'' d\vec{r}'\\
+&=& \lim_{\epsilon\to 0} \frac{1}{\epsilon} \left\{ \int \left[ \rho(\vec{r}') + \epsilon \delta(\vec{r}-\vec{r}') \right]
+\left[ \rho(\vec{r}'') + \epsilon \delta(\vec{r}-\vec{r}'') \right] U(|\vec{r}'-\vec{r}''|) d\vec{r}'' d\vec{r}'
+- \int \rho(\vec{r}') \int \rho(\vec{r}'') U(|\vec{r}'-\vec{r}''|) d\vec{r}'' d\vec{r}'
+\right\}\\
+&\approx&
+\int \rho(\vec{r}') \delta(\vec{r}-\vec{r}'') U(|\vec{r}'-\vec{r}''|) d\vec{r}'' d\vec{r}'
++\int \rho(\vec{r}'') \delta(\vec{r}-\vec{r}') U(|\vec{r}'-\vec{r}''|) d\vec{r}'' d\vec{r}'\\
+&=& \int \rho(\vec{r}') U(|\vec{r}'-\vec{r}|) d\vec{r}' + \int \rho(\vec{r}'') U(|\vec{r}''-\vec{r}|) d\vec{r}''\\
+&=& 2\Phi(\vec{r})
+\end{eqnarray*}
+====세 번째 항====
+이 계산이 가장 간단하다.
+\begin{eqnarray*}
+\frac{\delta}{\delta \rho(\vec{r})} \int \rho(\vec{r}') \frac{|\vec{u}(\vec{r}')|^2}{2} d\vec{r}' &=&
+\lim_{\epsilon\to 0} \frac{1}{\epsilon} \left\{ \int \left[ \rho(\vec{r}') + \epsilon \delta (\vec{r}-\vec{r}') \right] \frac{|\vec{u}(\vec{r}')|^2}{2} d\vec{r}'
+- \int \rho(\vec{r}') \frac{|\vec{u}(\vec{r}')|^2}{2} d\vec{r}'\right\}\\
+&=&
+\int \delta (\vec{r}-\vec{r}') \frac{|\vec{u}(\vec{r}')|^2}{2} d\vec{r}'\\
+&=& \frac{|\vec{u}(\vec{r})|^2}{2}
+\end{eqnarray*}
+====$F$의 미분====
+연쇄법칙(chain rule)에 의해
+\[ \frac{dF}{dt} = \int d\vec{r} \left( \frac{\delta F}{\delta \rho(\vec{r})} \frac{\partial \rho(\vec{r},t)}{\partial t}
++ \frac{\delta F}{\delta u_x(\vec{r})} \frac{\partial u_x(\vec{r},t)}{\partial t}
++ \frac{\delta F}{\delta u_y(\vec{r})} \frac{\partial u_y(\vec{r},t)}{\partial t}
++ \frac{\delta F}{\delta u_z(\vec{r})} \frac{\partial u_z(\vec{r},t)}{\partial t}
+\right). \]
+$\vec{u}$의 성분별로도 변분하는 과정이 필요하다. 예를 들어
+\begin{eqnarray*}
+\frac{\delta}{\delta u_x(\vec{r})} \int \rho(\vec{r}') \frac{u_x^2(\vec{r}') + u_y^2(\vec{r}') + u_z^2(\vec{r}')}{2} d\vec{r}' &=&
+\lim_{\epsilon \to 0} \frac{1}{\epsilon} \int \rho(\vec{r}') \frac{[u_x(\vec{r}') + \epsilon \delta(\vec{r}'-\vec{r})]^2 - u_x^2(\vec{r}')}{2} d\vec{r}'\\
+&\approx& \int \rho(\vec{r}') \delta(\vec{r}'-\vec{r}) u_x(\vec{r}') d\vec{r}' = \rho(\vec{r}) u_x(\vec{r}).
+\end{eqnarray*}
+====종합====
+앞의 결과들을 모두 모으면 다음과 같다:
+\begin{eqnarray*}
+\frac{dF}{dt} &=& \int \left( \Phi + \Psi + \frac{P}{\rho} + \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) \frac{\partial \rho}{\partial t} d\vec{r} + \int \rho \vec{u} \cdot \frac{\partial \vec{u}}{\partial t} d\vec{r}\\
+&=&
+\int \left( \Phi + \Psi + \frac{P}{\rho} + \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) \left[ -\nabla \cdot (\rho \vec{u}) \right] d\vec{r}
++ \int (\rho \vec{u}) \cdot \left[ -(\vec{u} \cdot \nabla) \vec{u} - \frac{1}{\rho} \nabla P - \nabla \Phi - \xi \vec{u} \right] d\vec{r}\\
+&=&
+\int \nabla \left( \Phi + \Psi + \frac{P}{\rho} + \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) \cdot (\rho \vec{u}) d\vec{r}
++ \int (\rho \vec{u}) \cdot \left[ -(\vec{u} \cdot \nabla) \vec{u} - \frac{1}{\rho} \nabla P - \nabla \Phi - \xi \vec{u} \right] d\vec{r}.
+\end{eqnarray*}
+마지막 줄로 넘어올 때에는 부분적분을 시행했다. 이제
+\begin{eqnarray*}
+\nabla \Psi &=& \nabla \int^{\rho(\vec{r})} \frac{P(\rho')}{\rho'^2} d\rho' = \frac{P(\rho)}{\rho^2} \nabla \rho\\
+\nabla \frac{P[\rho(\vec{r})]}{\rho(\vec{r})} &=& \frac{\nabla P}{\rho} - \frac{\nabla \rho}{\rho^2} P
+\end{eqnarray*}
+임을 이용할 것이다. 따라서
+\begin{eqnarray*}
+\frac{dF}{dt} &=& \int \left[ \nabla \Phi + \frac{P}{\rho^2} \nabla \rho + \frac{\nabla P}{\rho} - \frac{\nabla \rho}{\rho^2} P + \nabla \left( \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) \right] \cdot (\rho \vec{u}) d\vec{r}
++\int \left[ -(\vec{u}\cdot \nabla) \vec{u} - \frac{\nabla P}{\rho} - \nabla \Phi - \xi \vec{u} \right] \cdot (\rho \vec{u}) d\vec{r}\\
+&=& \int (\rho \vec{u}) \cdot \left[ \nabla \left( \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) - \xi \vec{u} - (\vec{u} \cdot \nabla) \vec{u} \right] d\vec{r}.
+\end{eqnarray*}
+그런데 Green의 벡터 항등식
+\[ \nabla^2 (\vec{A} \cdot \vec{B}) = \vec{A} \cdot \nabla^2 \vec{B} - \vec{B} \cdot \nabla^2 \vec{A} + 2\nabla \cdot [(\vec{B}\cdot \nabla) \vec{A} + \vec{B} \times (\nabla \times \vec{A})]\]
+을 활용하면
+\[ (\vec{u} \cdot \nabla) \vec{u} = \nabla \left( \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) -\vec{u}\times (\nabla \times \vec{u}) \]
+임을 보일 수 있다. 그러므로
+\begin{eqnarray*}
+\frac{dF}{dt} &=&
+\int (\rho \vec{u}) \cdot \left[ \nabla \left( \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) - \xi \vec{u} - \nabla \left( \frac{|\vec{u}|^2}{2} \right) + \vec{u} \times (\nabla \times \vec{u}) \right] d\vec{r}
+\end{eqnarray*}
+인데 $\vec{u} \times (\nabla \times \vec{u})$는 $\vec{u}$와 수직하므로 $(\rho \vec{u})$와 내적하면 사라진다. 따라서 다음 결과를 얻는다:
+\[ \frac{dF}{dt} = \int (\rho \vec{u}) \cdot (-\xi \vec{u}) d\vec{r} = - \int \rho \xi |\vec{u}|^2 d\vec{r} \le 0. \]
+======함께 보기======
+  *[[전산물리학:변분법]]
+  *[[전자기학:정전기학의 톰슨 정리]]
+  *[[물리:극소 곡면]]
 ======참고 문헌======
-* T. Lancaster and S. J. Blundell, //Quantum Field Theory for the Gited Amateur.// (Oxford Univerty Press, 2014)
+  * T. Lancaster and S. J. Blundell, //Quantum Field Theory for the Gited Amateur// (Oxford Univerty Press, 2014).
+  * P. H. Chavanis, Eur. Phys. J. B 62, 179 (2008) [[http://dx.doi.org/10.1140/epjb/e2008-00142-9|(link)]].