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note-math

一维可分离变量 ODE

𝑑𝑥𝑑𝑡=𝑓(𝑡)𝑔(𝑥)⟶1𝑔(𝑥)𝑑𝑥=𝑓(𝑡)𝑑𝑡⟶𝑥=𝐺−1(𝐹(𝑡))

where 𝐺=∫1𝑔(𝑥)𝑑𝑥,𝐹=∫𝑓(𝑡)𝑑𝑡, 初值未定

Example

  • 𝑓(𝑡)=𝑎,𝑔(𝑥)=𝑥. 𝑥(𝑡)=𝑥(0)exp(𝑎𝑡)
  • 𝑓(𝑡)=1,𝑔(𝑥)=𝑥2. 𝑥(𝑡)=11𝑥(0)−𝑡

exponential-of-vector-field_(tag) Question

let 𝑈 open in ℝ𝑛

向量场是解析函数 𝑣:𝑈→ℝ𝑛

由向量场 𝑣 生成的 exponential-of-vector-field (exp 𝑣)(𝑥) 应该是 invariant 的

∂𝑣(𝑥)(exp 𝑣)(𝑥)=𝑣(𝑓(𝑥))

向量场的 Taylor 级数

(exp 𝑣)(𝑥)=𝑥+𝑣(𝑥)+12!∂𝑣(𝑥)𝑣(𝑥)+13!∂𝑣(𝑥)(∂𝑣(𝑥)𝑣(𝑥))+⋯=𝑥+∑𝑛=0∞1(𝑛+1)!(∂𝑣(𝑥))𝑛𝑣(𝑥)

𝑛+1 polynomial like (∂𝜆𝑣(𝑥))𝑛𝜆𝑣(𝑥)=𝜆𝑛+1(∂𝑣(𝑥))𝑛𝑣(𝑥)

Example

compare to the result from separable ODE in 1 dimension

  • 𝑣(𝑥)=𝐴(𝑥),𝐴∈gl(𝑑,𝕂)

compare 𝑥̇=𝐴𝑥, expect (∑0..∞1𝑛!(𝐴𝑡)𝑛)(𝑥) with 𝑡=1

𝑑𝑣(𝑥)=𝐴, 𝑛≥2⟹𝑑𝑘𝑣(𝑥)=0

∂𝑣(𝑥)𝑣(𝑥)=𝐴(𝑣(𝑥))=𝐴2(𝑥)

(∂𝑣(𝑥))2𝑣(𝑥)=𝑑(𝐴2(𝑥))(𝑣(𝑥))=𝐴2(𝑣(𝑥))=𝐴3(𝑥)

…

(∂𝑣(𝑥))𝑛𝑣(𝑥)=𝐴𝑛+1(𝑥)

𝑓(𝑥)=(𝟙+𝐴+12!𝐴2+⋯)(𝑥)=(∑1𝑛!𝐴𝑛)(𝑥)=(exp 𝐴)(𝑥)

𝑑𝑓(𝑥)𝑣(𝑥)=(exp 𝐴)(𝐴(𝑥))=𝐴(exp(𝐴)(𝑥))=𝑣(𝑓(𝑥))

Example harmonic-oscillator_(tag)

谐振子 𝑥̈=∓𝜔2𝑥 一阶化

(𝑑𝑑𝑡𝑑𝑑𝑡)(𝑥𝑣)=(1∓𝜔2)(𝑥𝑣)

with 三角情况

exp 𝑡(1−𝜔2)=(cos 𝜔𝑡1𝜔 sin 𝜔𝑡−𝜔 sin 𝜔𝑡cos 𝜔𝑡)

从而

𝑥(𝑡)=𝑥0 cos 𝜔𝑡+𝑣0𝜔 sin 𝜔𝑡

或者写为复指数的形式

𝑥(𝑡)=12(𝑥0− i 𝑣0𝜔)𝑒i 𝜔𝑡+12(𝑥0+ i 𝑣0𝜔)𝑒− i 𝜔𝑡≕𝑎(𝜔, i)𝑒i 𝜔𝑡+𝑎(𝜔,−i)𝑒− i 𝜔𝑡

双曲情况类似

谐振子方程的特征多项式方程是 𝜉2±𝜔2=0 or 𝜉2=±𝜔2. 我们对三角情况 𝜉2+𝜔2=0 pr 𝜉=± i 𝜔 感兴趣, 其原型是 𝜉2=−1 or 𝜉2=± i

在谐振子 𝑥 是实数值的情况, 对于复指数形式, 为了维持在 ℝ, 当 𝑥0,𝑣0∈ℝ 时, 𝑒± i 𝜔𝑡 前面的系数互为复共轭 𝑥0±𝑣0i 𝜔

  • ℝ→ℝ, 𝑣(𝑥)=𝑥2

compare 𝑥̇=𝑥2, expect 11𝑥−𝑡 with 𝑡=1

∂𝑣(𝑥)𝑣(𝑥)=𝑣′(𝑥)𝑣(𝑥)=2⋅𝑥3

∂𝑣(𝑥)(∂𝑣(𝑥)𝑣(𝑥))=(2𝑥3)′𝑣(𝑥)=(2⋅3)⋅𝑥4

…

(∂𝑣(𝑥))𝑛𝑣(𝑥)=(𝑛+1)!⋅𝑥𝑛+2

𝑓(𝑥)=𝑥+∑𝑛=0∞1(𝑛+1)!(∂𝑣(𝑥))𝑛𝑣(𝑥)=∑𝑚=1∞𝑥𝑚=1−11−𝑥

𝑑𝑓(𝑥)𝑣(𝑥)=(11−𝑥)2𝑥2=(𝑥1−𝑥)2=𝑣(𝑓(𝑥))

Question

𝑓(0,𝑥)=𝑥,𝑓(1,𝑥)=𝑓(𝑥) 中间的 𝑓(𝑡,𝑥) 应该对应伸缩的向量场 𝑡⋅𝑣(𝑥) 的情况

单参数同态嵌入 𝑓(𝑡,𝑥):ℝ↪ Diff

−𝑣 和初值 𝑦=𝑓(𝑥) 给出 𝑓−1. 𝑓−1(𝑡,𝑦)=𝑓(−𝑡,𝑦)

𝑓(𝑡,𝑥) is called flow. exp 道路发射状坐标

vector-field-as-δ-diffeomorphism_(tag) 在 𝟙 附近, 向量场是微分同胚群的坐标 𝑣⇝ exp 𝑣, 类似于 #link(<geodesic-coordinate>)[]

ODE

𝑑𝑑𝑡(exp 𝑡𝑣)(𝑥)=𝑣((exp 𝑡𝑣)(𝑥))

wiki:Cauchy-Kovalevskaya_theorem, 收敛半径估计使用了特殊上界控制方法, 类似 #link(<inverse-analytic>)[] 中所作的

𝐹(𝑥,𝛾)=𝑐𝑥𝑥−𝛾, 𝑑𝑑𝑡𝛾=𝐹(𝑥,𝛾) ==> 𝛾(𝑡,𝑥)=𝑥−(𝑥2−2𝑐𝑡𝑥)12

integral-curve_(tag) ODE 解的 Picard 迭代 (wiki) 表示 or 积分曲线 e.g.

𝑥(𝑡)=∑𝑛=0..∞∫0𝑡𝑑𝑡𝑛∫0𝑡𝑛𝑑𝑡𝑛−1⋯∫0𝑡0𝑑𝑡1𝑓(𝑡𝑛,⋯𝑓(𝑡1,𝑥(0))⋯)

如果是线性 ODE 则 (alias Dyson 级数)

𝑥(𝑡)=∑𝑛=0..∞∫0𝑡𝑑𝑡𝑛∫0𝑡𝑛𝑑𝑡𝑛−1⋯∫0𝑡0𝑑𝑡1𝐴(𝑡𝑛)⋯𝐴(𝑡1)𝑥(0)

线性 ODE. 常系数 ODE 的解可以写出 by 转为一阶微分方程组 + Jordan normal form

Lie-bracket_(tag) Lie bracket

作为 #link(<conjugate-action>)[] of Diff 的生成元

Diff 的共轭作用 𝑔,𝑓⇝𝑓𝑔𝑓−1

微分 := ad(𝑣)(𝑤)=[𝑣,𝑤]

注意 𝑔,𝑓⇝𝑔𝑓𝑔−1 是不同的映射, 如果考虑 𝑔,𝑓 的顺序的话

[𝑣,𝑤](𝑥)=∂𝑣(𝑥)𝑤(𝑥)−∂𝑤(𝑥)𝑣(𝑥)

[𝑣,𝑤]=[𝑤,𝑣]

for GL,gl, [𝐴,𝐵]∼𝐴𝐵−𝐵𝐴

Lie-derivative_(tag) Lie derivative alias drag derivative

let 𝑣 生成单参数微分同胚 𝑡⇝𝑓𝑡∈ Diff

let 𝑤𝑡=𝑑𝑓𝑡−1(𝑓𝑡(𝑥): base,𝑤(𝑓𝑡(𝑥)): vector)

𝐿𝑣(𝑤)≔ lim 𝑡→01𝑡(𝑤𝑡−𝑤0)

𝐿𝑣(𝑤)=[𝑣,𝑤]

Jacobi identity 𝐿[𝑣,𝑤]=[𝐿𝑣,𝐿𝑤] or [𝑣1,[𝑣2,𝑤3]]+[𝑣3,[𝑣1,𝑣2]]+[𝑣2,[𝑣3,𝑣1]]=0

可以对 tensor field 也定义 Lie derivative …

linear-PDE-integrable-condition_(tag) 相关于二阶导数的对称性. 这个条件使得一阶线性 PDE 的解可以来自接连的 ODE 积分曲线, 且结果不依赖于道路的选取