Operatore differenziale: differenze tra le versioni

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In [[matematica]] un '''operatore differenziale''' è un [[operatore]],Operatore solitamente [[trasformazione lineare(matematica)|lineareoperatore]], definito come una funzione dell'operatore di [[derivata|differenziazionederivazione]].

Nel seguito si trattano operatori differenziali [[trasformazione lineare|lineari]], che sono i maggiormente diffusi, sebbene esistano anche diversi operatori differenziali non lineari.

==Notazioni==

Il più comune operatore differenziale è la derivata. Comuni notazioni sono <math>{d \over dx}</math>, <math>D</math> quando la variabile di differenziazione non necessita di essere esplicitata, e <math>D_x</math> quando la variabile è dichiarata esplicitamente. Per le derivate successive si usa rispettivamente <math>d^n \over dx^n</math>, <math>D^n</math> e <math>D^n_x</math>. La notazione ''D'' è accreditata a [[Oliver Heaviside]], che considerava gli operatori differenziali della forma:

Il più comunesemplice operatore differenziale è la [[derivata]]. ComuniUna notazioninotazione sonocomune è <math>{d \over dx}</math>, o <math>DD_x</math>, mentre quando la variabile di differenziazione non necessita di essere esplicitata, esi usa solo <math>D_xD</math> quando la variabile è dichiarata esplicitamente. Per le derivate successive si usa rispettivamente <math>d^n \over dx^n</math>, <math>D^n</math> e <math>D^n_x</math>. La notazione ''<math>D''</math> è accreditata a [[Oliver Heaviside]], che considerava gli operatori differenziali della forma: <math>\sum_{k=0}^n c_k D^k</math> nello studio delle [[equazione differenziale|equazioni differenziali]].

:<math>\sum_{k=0}^n c_k D^k</math>

nello studio delle [[equazione differenziale|equazioni differenziali]]. Uno dei più frequenti operatori differenziali è il [[laplaciano]], definito come:

:<math>\Delta=\nabla^{2}=\sum_{k=1}^n {\partial^2\over \partial x_k^2}</math>

Un altro operatore differenziale è l'operatore <math>\Theta</math>, definito come:

:<math>\Theta = z {d \over dz}.</math>

==Operatori differenziali lineari==

Un operatore differenziale lineare è un particolare operatore differenziale che agisce come una [[trasformazione lineare]], cioè conserva le operazioni di somma e prodotto. Le nozioni che valgono per gli operatori lineari sono validivalide particolarmente per gli operatori differenziali lineari che sono una parte importante degli operatori lineari. Un operatore differenziale lineare può essere scritto nella forma più generale:

:<math>A = \sum_{n=0}^{N} c_n (x) \frac{d^n}{dx^n},</math>

che applicato ada un elemento dello [[spazio funzionale]] <math>f(x)</math>:

:<math>A f(x)= \sum_{n=0}^{N} c_n (x) \frac{d^n f(x)}{dx^n}.</math>

In generale un operatore è rappresentato da una [[matrice quadrata]] e il prodotto scalare <math>\langle g|Af \rangle</math> è un elemento della matrice.

===Proprietà===

Valgono leLe proprietà della somma e del prodotto per un numero sono identiche a quelle vettoriali. Le loro proprietà sono:

# :<math>(A+B) f = Af + Bf \qquad (A \cdot B) f = A(Bf) \qquad (AB)C = A(BC) \qquad A(B+C) = AB + AC.</math>

# <math>(A \cdot B) f = A(Bf)</math>

# <math>(AB)C = A(BC)</math>

# <math>A(B+C) = AB + AC</math>

Come nel caso delle matrici in generale il prodotto tra operatori differenziali lineari non è commutativo:

:<math>AB \ne BA.</math>

Definendo [[commutatore (matematica)|commutatore]]:

:<math>AB - BA = [A,B]</math>

possiamosi può dire che due operatori commutano [[se e solo se]]: <math>[A,B]=0</math>.

===Polinomi===

Ogni polinomiale[[polinomio]] in ''<math>D''</math> con coefficienti funzionali è ancora un operatore differenziale. Si possono comporre operatori differenziali con la regola:

# :<math>(AD_1 \cdotcirc BD_2) (f) = AD_1 [D_2(Bff)].</math>

:(''D''₁o''D''₂)(f) = ''D''₁ [''D''₂(''f'')].

Ogni coefficiente funzionale dell'operatore ''D''<submath>2D_2</submath> deve essere [[differenziabile]] tante volte quanto l'operatore ''D''<submath>1D_1</submath> richiede. Per ottenere un [[anello (algebra)|anello]] di tali operatori bisogna assumere che siano usate derivate di ogni ordine. Inoltre, questo anello non è [[commutativo]]: poiché un operatore ''<math>gD''</math> non è in generale uguale a ''<math>Dg''</math>. Per esempio, si veda la relazione semplice in [[meccanica quantistica]]:

:<math>Dx -xD = 1 \ .</math>

Il sottoanello didegli operatori che sono polinomialipolinomi in ''<math>D''</math> con [[coefficienti costanti]] è invece commutativo. Può essere caratterizzato in un altro modo: esso consiste negli operatori invarianti per traslazione.

===Potenza e funzione di operatore===

Definiamo '''potenza ennesima''' di un operatore, l'operatore:

:<math>F(A) ^n= \sum_{n=0}^underbrace{ A\infty}cdot F_nA \cdots A^ }_{n}.</math>

seSe la funzione <math>F(At)</math> è sviluppabile in [[serie di potenze]] di Mc Laurin:

:<math>F(t) = \sum_{n=0}^{\infty} F_n t^n,</math>

allora si definisce la funzione <math>F(A)</math> come:

:<math>F(A)=\sum_{n=0}^{+\infty}F_n A^n.</math>

==Operatore aggiunto==

{{vedi anche|Operatore aggiunto}}

Dato un operatore lineare differenziale:

: <math>Tu = \sum_{k=0}^n a_k(x) D^k u</math>

l' '''[[operatore aggiunto|aggiunto]]''' di tale operatore è definito come l'operatore <math>T^*</math> tale che

: <math>\langle u,Tv \rangle = \langle T^*u, v \rangle</math>

dove la notazione <math>\langle,\rangle</math> indica il [[prodotto scalare]] o [[prodotto interno]]. La definizione di aggiunto dipende quindi dalla definizionne di prodotto scalare.

l' '''[[operatore aggiunto|aggiunto]]''' di tale operatore è definito come l'operatore <math>T^*</math> tale che:

Nello spazio funzionale delle [[funzione a quadrato sommabile|funzioni a quadrato sommabile]], il prodotto scalare è definito da:

: <math>\langle f, g \rangle = \int_a^b \overline{f(x)} \, g(x) \,dx. </math>

Se a questo aggiungiamo la condizione che ''f'' e ''g'' tendono a zero per <math>x \to a</math> e <math>x \to b</math>, è allora possibile definire l'aggiunto come:

: <math>T^*\langle u,Tv \rangle = \sum_{k=0}^nlangle (-1)T^k*u, D^kv [a_k(x)u]\rangle,</math>.

Questa formula non dipende esplicitamente dalla definizione di prodotto scalare ed è talvolta utilizzata direttamente come definizione di operatore aggiunto, nel qual caso di parla più propriamente di '''operatore aggiunto formale'''.

dove la notazione <math>\langle,\rangle</math> indica il [[prodotto scalare]] o [[prodotto interno]]. La definizione di aggiunto dipende quindi dalla definizionnedefinizione di prodotto scalare. Nello spazio funzionale delle [[funzione a quadrato sommabile|funzioni a quadrato sommabile]], il prodotto scalare è definito da:

L'operatore di [[Teoria di Sturm-Liouville|Sturm-Liouville]] è un esempio ben conosciuto di operatore formale [[operatore autoaggiunto|autoaggiunto]]. L'operatore differenziale del secondo ordine ''L'' può essere scritto nella forma:

: <math>Lu\langle =f, g \rangle -(pu')'+qu=-(pu''+p'u')+qu=-pu''-p'u'+qu=(-p) D\int_a^2b u +\overline{f(-p'x)} D u +\, g(qx)u \;,dx .</math>

Se a questo aggiungiamo la condizione che ''<math>f''</math> e ''<math>g''</math> tendono a zero per <math>x \to a</math> e <math>x \to b</math>, è allora possibile definire l'aggiunto come:

: <math>T^*u = \sum_{k=0}^n c_k(-1)^k D^k [a_k(x)u].</math>

Questa formula non dipende esplicitamente dalla definizione di prodotto scalare ed è talvolta utilizzata direttamente come definizione di operatore aggiunto, nel qual caso di parla più propriamente di '''operatore aggiunto formale'''.

L'operatore di [[Teoria di Sturm-Liouville|Sturm-Liouville]] è un esempio ben conosciuto di operatore formale [[operatore autoaggiunto|autoaggiunto]]. L'operatore differenziale del secondo ordine ''<math>L''</math> può essere scritto nella forma:

: <math>Lu = -(pu')'+qu=-(pu''+p'u')+qu=-pu''-p'u'+qu=(-p) D^2 u +(-p') D u + (q)u.</math>

Che tale operatore sia effettivamente un operatore formale autoaggiunto può essere provato verificando come segue la definizione data sopra:

: <math>\begin{matrixalign}

L^*u &=& (-1)^2 D^2 [(-p)u] + (-1)^1 D [(-p')u] + (-1)^0 (qu) \\

&=& -D^2(pu) + D(p'u)+qu \\

&=& -(pu)''+(p'u)'+qu \\

&=& -p''u-2p'u'-pu''+p''u+p'u'+qu \\

&=& -p'u'-pu''+qu \\

&=& -(pu')'+qu \\

&=& Lu\\

\end{matrixalign}</math>

Questo operatore gioca un ruolo fondamentale nella [[Teoriateoria di Sturm-Liouville]] dove vengono esaminate le [[autofunzione|autofunzioni]] di questo operatore (analoghe agli [[Autovettore e autovalore|autovettori]])

==Più variabiliEsempi==

nello studio delle [[equazione differenziale|equazioni differenziali]]. Uno dei più frequenti operatori differenziali è il [[laplaciano]], definito come:

La stessa costruzione può essere usata con le [[derivata parziale|derivate parziali]].

:<math>\Delta=\nabla^{2}=\sum_{k=1}^n {\partial^2\over \partial x_k^2}.</math>

==Voci correlate==

* [[Operatore ellittico]]

Un altro operatore differenziale è l'operatore <math>\Theta</math>, definito come:

* [[Operatore parabolico]]

* [[Operatore iperbolico]]

:<math>\Theta = z {d \over dz}.</math>

== Bibliografia ==

*{{Cita libro | cognome=Evans | nome=Lawrence C. | titolo=Partial differential equations | annooriginale=1998 | url=https://www.ams.org/journals/bull/2000-37-03/S0273-0979-00-00868-5/S0273-0979-00-00868-5.pdf | editore=[[American Mathematical Society]] | città=Providence, R.I. | edizione=2nd |serie=Graduate Studies in Mathematics | anno=2010 | volume=19| id={{MathSciNet | id = 2597943}} }}

* A. D. Polyanin, ''Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists'', Chapman & Hall/CRC Press, Boca Raton, 2002. ISBN 1-58488-299-9

*Rozhdestvenskii, B.L., in Hazewinkel, Michiel, [[Encyclopedia of Mathematics]], Springer, 2001 ISBN 978-1556080104

== Voci correlate ==

* [[Derivata]]

* [[Derivata parziale]]

* [[OperatoreEquazione differenzialedelle lineareonde]]

* [[Equazione differenziale alle derivate parziali iperbolica]]

* [[Equazione differenziale alle derivate parziali ellittica]]

* [[Equazione differenziale alle derivate parziali parabolica]]

* [[Operatore ellitticoaggiunto]]

* [[Operatore parabolicoautoaggiunto]]

* [[Trasformazione lineare]]

* [[Notazione per la differenziazione]]

== Collegamenti esterni ==

* {{Collegamenti esterni}}

{{Controllo di autorità}}

{{Portale|matematica}}

[[Categoria:CalcoloOperatori adifferenziali| più variabili]]

[[Categoria:Operatori differenziali]]

[[ca:Operador diferencial]]

[[de:Differentialoperator]]

[[en:Differential operator]]

[[es:Operador diferencial]]

[[et:Diferentsiaaloperaator]]

[[fa:عملگر دیفرانسیلی]]

[[fi:Differentiaalioperaattori]]

[[fr:Opérateur différentiel]]

[[ko:미분 연산자]]

[[nl:Differentiaaloperator]]

[[pl:Operator różniczkowy]]

[[pt:Operador diferencial]]

[[ru:Дифференциальный оператор]]

[[uk:Диференціальний оператор]]

[[zh:微分算子]]