iωb = curl E. (Faraday s law) (2)

Transcript

1 Το φασματικό πρόβλημα σε μια διανισοτροπική κοιλότητα Ευτυχία Η. Αργυροπούλου, Ανδρέας Δ. Ιωαννίδης Εθνικό και Καποδιστριακό Πανεπιστήμιο Αθηνών Linnaeus University, Σουηδία EME 2013, Καρδίτσα Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

2 Ιντροδυςτιον Το σημείο εκκίνησης είναι το χρονικά αρμονικό σύστημα Maxwell χωρίς πηγές ( η χρονική εξάρτηση λαμβάνεται ως e iωt.) iωd = curl H, (Ampere s law) (1) iωb = curl E. (Faraday s law) (2) Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

3 Ιντροδυςτιον Το σημείο εκκίνησης είναι το χρονικά αρμονικό σύστημα Maxwell χωρίς πηγές ( η χρονική εξάρτηση λαμβάνεται ως e iωt.) iωd = curl H, (Ampere s law) (1) iωb = curl E. (Faraday s law) (2) E, H C 3, r Ω ω > 0 Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

4 Διατύπωση Εστω χωρίο Ω που καταλαμβάνεται από ένα διανισοτροπικό υλικό. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

5 Διατύπωση Εστω χωρίο Ω που καταλαμβάνεται από ένα διανισοτροπικό υλικό. Διανισοτροπικά υλικά: οπτικά ενεργά, με την έννοια ότι μπορούν να στρέψουν το πεδίο πόλωσης του φωτός είτε κατά τη μετάδοση είτε κατά τη διάθλαση. Αυτό είναι απόρροια του ότι το ηλεκτρικό πεδίο συμβάλλει στη μαγνητική διέγερση. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

6 Διατύπωση Εστω χωρίο Ω που καταλαμβάνεται από ένα διανισοτροπικό υλικό. Διανισοτροπικά υλικά: οπτικά ενεργά, με την έννοια ότι μπορούν να στρέψουν το πεδίο πόλωσης του φωτός είτε κατά τη μετάδοση είτε κατά τη διάθλαση. Αυτό είναι απόρροια του ότι το ηλεκτρικό πεδίο συμβάλλει στη μαγνητική διέγερση. Θεωρούμε την πλέον γενική περίπτωση ενός γραμμικού μέσου όπου οι καταστατικές εξισώσεις είναι D = εe + ξh, (3) B = ζe + µh. (4) Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

7 Διατύπωση Εστω χωρίο Ω που καταλαμβάνεται από ένα διανισοτροπικό υλικό. Διανισοτροπικά υλικά: οπτικά ενεργά, με την έννοια ότι μπορούν να στρέψουν το πεδίο πόλωσης του φωτός είτε κατά τη μετάδοση είτε κατά τη διάθλαση. Αυτό είναι απόρροια του ότι το ηλεκτρικό πεδίο συμβάλλει στη μαγνητική διέγερση. Θεωρούμε την πλέον γενική περίπτωση ενός γραμμικού μέσου όπου οι καταστατικές εξισώσεις είναι D = εe + ξh, (3) B = ζe + µh. (4) ε, ξ, ζ και µ: 3 3 πίνακες, με στοιχεία μιγαδικές συναρτήσεις των r και ω. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

8 Διατύπωση Με τον 6-διανυσματικό συμβολισμό, το πρόβλημα γράφεται ως εξής: [ ] [ ] ε ξ 0 curl iω e = e, (5) ζ µ curl 0 και μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα γενικευμένο πρόβλημα ιδιοτιμών, όπου το ω λειτουργεί ως ιδιοτιμή και το e := (E, H) T ως ιδιοδιάνυσμα. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

9 Διατύπωση Με τον 6-διανυσματικό συμβολισμό, το πρόβλημα γράφεται ως εξής: [ ] [ ] ε ξ 0 curl iω e = e, (5) ζ µ curl 0 και μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα γενικευμένο πρόβλημα ιδιοτιμών, όπου το ω λειτουργεί ως ιδιοτιμή και το e := (E, H) T ως ιδιοδιάνυσμα. Επισήμανση: Ο πίνακας στο αριστερό μέλος εξαρτάται από την ιδιοτιμή ω. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

10 Διατύπωση Το αρχικό φασματικό πρόβλημα μπορεί να γραφτεί ως Qe = ωm(ω)e. ( ) Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

11 Διατύπωση Το αρχικό φασματικό πρόβλημα μπορεί να γραφτεί ως Qe = ωm(ω)e. ( ) όπου είναι ο πίνακας υλικού και M = M(ω) := [ ] ε ξ, ζ µ Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

12 Διατύπωση Το αρχικό φασματικό πρόβλημα μπορεί να γραφτεί ως Qe = ωm(ω)e. ( ) όπου M = M(ω) := [ ] ε ξ, ζ µ είναι ο πίνακας υλικού και [ ] 0 curl Q := i curl 0 είναι ο τυπικός τελεστής Maxwell. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

13 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Θα διατυπώσουμε τώρα την εξίσωση ( ) σε ένα χώρο Hilbert εστιάζοντας στην περίπτωση της κοιλότητας. Πιο συγκεκριμένα, Υπόθεση 1 Ω είναι ένα Lipschitz χωρίο στον R 3. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

14 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Θα διατυπώσουμε τώρα την εξίσωση ( ) σε ένα χώρο Hilbert εστιάζοντας στην περίπτωση της κοιλότητας. Πιο συγκεκριμένα, Υπόθεση 1 Ω είναι ένα Lipschitz χωρίο στον R 3. Επιπλέον, υποθέτουμε ότι το σύνορο Γ := Ω είναι τέλεια αγώγιμο, Υπόθεση 2 ˆn E = 0 στο Γ. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

15 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το πεδίο ορισμού του Q είναι D(Q) := H 0 (curl ; Ω) H(curl ; Ω). και X := L 2 (Ω; C 3 ) L 2 (Ω; C 2 ). Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

16 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το πεδίο ορισμού του Q είναι D(Q) := H 0 (curl ; Ω) H(curl ; Ω). και X := L 2 (Ω; C 3 ) L 2 (Ω; C 2 ). Πρόταση 1 Ο Q είναι ένας αυτοσυζυγής τελεστής. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

17 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το πεδίο ορισμού του Q είναι D(Q) := H 0 (curl ; Ω) H(curl ; Ω). και X := L 2 (Ω; C 3 ) L 2 (Ω; C 2 ). Πρόταση 1 Ο Q είναι ένας αυτοσυζυγής τελεστής. Υπόθεση 3 Οι παράμετροι ε, ξ, ζ και µ είναι L (Ω) συναρτήσεις. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

18 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το πεδίο ορισμού του Q είναι D(Q) := H 0 (curl ; Ω) H(curl ; Ω). και X := L 2 (Ω; C 3 ) L 2 (Ω; C 2 ). Πρόταση 1 Ο Q είναι ένας αυτοσυζυγής τελεστής. Υπόθεση 3 Οι παράμετροι ε, ξ, ζ και µ είναι L (Ω) συναρτήσεις. Πόρισμα Ο M ορίζει ένα φραγμένο πολλαπλασιαστικό τελεστή στον X. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

19 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το πεδίο ορισμού του Q είναι D(Q) := H 0 (curl ; Ω) H(curl ; Ω). και X := L 2 (Ω; C 3 ) L 2 (Ω; C 2 ). Πρόταση 1 Ο Q είναι ένας αυτοσυζυγής τελεστής. Υπόθεση 3 Οι παράμετροι ε, ξ, ζ και µ είναι L (Ω) συναρτήσεις. Πόρισμα Ο M ορίζει ένα φραγμένο πολλαπλασιαστικό τελεστή στον X. Πρόταση 2 H 1 (Ω) L 2 (Ω) με συμπαγή εμφύτευση. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

20 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το φάσμα του Q είναι διακριτό και αποτελείται από μία ακολουθία ιδιοτιμών χωρίς σημείο συσσώρευσης. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

21 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το φάσμα του Q είναι διακριτό και αποτελείται από μία ακολουθία ιδιοτιμών χωρίς σημείο συσσώρευσης. Μάλιστα, οι μη μηδενικές ιδιοτιμές του Q, εμφανίζονται ως μια ακολουθία (ω 0 n) n Z. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

22 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το φάσμα του Q είναι διακριτό και αποτελείται από μία ακολουθία ιδιοτιμών χωρίς σημείο συσσώρευσης. Μάλιστα, οι μη μηδενικές ιδιοτιμές του Q, εμφανίζονται ως μια ακολουθία (ω 0 n) n Z. Η (ωn) 0 n N είναι μια αύξουσα ακολουθία θετικών αριθμών, που συγκλίνει στο άπειρο, και ω n 0 = ωn. 0 Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

23 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Το φάσμα του Q είναι διακριτό και αποτελείται από μία ακολουθία ιδιοτιμών χωρίς σημείο συσσώρευσης. Μάλιστα, οι μη μηδενικές ιδιοτιμές του Q, εμφανίζονται ως μια ακολουθία (ω 0 n) n Z. Η (ωn) 0 n N είναι μια αύξουσα ακολουθία θετικών αριθμών, που συγκλίνει στο άπειρο, και ω n 0 = ωn. 0 Κάθε ω 0 n, n 0, μετριέται τόσες φορές όσες η πολλαπλότητά του. Η ω0 0 := 0 είναι πάντα μια ιδιοτιμή αλλά χρειάζεται ειδική μεταχείριση εφόσον ο πυρήνας ker Q είναι άπειρης διάστασης. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

24 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Ας εστιάσουμε τώρα στα αντίστοιχα ιδιοδιανύσματα. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

25 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Ας εστιάσουμε τώρα στα αντίστοιχα ιδιοδιανύσματα. Σε κάθε ω 0 n, n = 1, 2,..., αντιστοιχεί ένα κανονικοποιημένο ιδιοδιάνυσμα e n := (E n, H n ) T, το οποίο προκύπτει λύνοντας ένα πρόβλημα για την αρνητική Λαπλασιανή. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

26 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Ας εστιάσουμε τώρα στα αντίστοιχα ιδιοδιανύσματα. Σε κάθε ω 0 n, n = 1, 2,..., αντιστοιχεί ένα κανονικοποιημένο ιδιοδιάνυσμα e n := (E n, H n ) T, το οποίο προκύπτει λύνοντας ένα πρόβλημα για την αρνητική Λαπλασιανή. Επισήμανση: Τα ιδιοδιανύσματα που αντιστοιχούν σε διαφορετικές ιδιοτιμές είναι κάθετα, οπότε η ακολουθία (en) 0 n Z μπορεί να επιλεγεί σαν μια ορθοκανονική ακολουθία. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

27 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Ας θεωρήσουμε τώρα, H := [..., e n,..., e 2, e 1, e 1, e 2,..., e n,...]. Ο περιορισμός του Q στον H θα συμβολίζεται με Q H. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

28 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Ας θεωρήσουμε τώρα, H := [..., e n,..., e 2, e 1, e 1, e 2,..., e n,...]. Ο περιορισμός του Q στον H θα συμβολίζεται με Q H. Πρόταση 3 Ο Q H είναι ένας αυτοσυζυγής τελεστής στον H και έχει συμπαγή αντίστροφο Q 1 H. Η ακολουθία των ιδιοτιμών του Q H είναι η (ωn) 0 n Z και η ακολουθία των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων είναι η (en) 0 n Z. Η τελευταία αποτελεί μια ορθοκανονική βάση για τον H. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

29 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Επομένως,η ( ) περιορισμένη στον H μπορεί να γραφτεί ως e = ωq 1 H M(ω)e. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

30 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Επομένως,η ( ) περιορισμένη στον H μπορεί να γραφτεί ως e = ωq 1 H M(ω)e. Αν θέσουμε τώρα F(ω) := ωq 1 H M(ω) καταλήγουμε στο πρόβλημα ιδιοτιμών για μια δέσμη τελεστών, δηλαδή (I F(ω))e = 0 (6) Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

31 Το Μαθηματικό Πρόβλημα Επομένως,η ( ) περιορισμένη στον H μπορεί να γραφτεί ως e = ωq 1 H M(ω)e. Αν θέσουμε τώρα F(ω) := ωq 1 H M(ω) καταλήγουμε στο πρόβλημα ιδιοτιμών για μια δέσμη τελεστών, δηλαδή (I F(ω))e = 0 (6) F(ω): είναι συμπαγής X. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

32 Τρόπος Επίλυσης Θεωρούμε ένα ανοιχτό και συνεκτικό χωρίο D C και μια συνάρτηση με τιμές τελεστές F : D B(X ). Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

33 Τρόπος Επίλυσης Θεωρούμε ένα ανοιχτό και συνεκτικό χωρίο D C και μια συνάρτηση με τιμές τελεστές F : D B(X ). Ορισμός Ενα ω ονομάζεται ιδιοτιμή της δέσμης τελεστών I F ( ) αν η εξίσωση F (ω)x = x έχει μη μηδενικές λύσεις. Μια μηδενική λύση F (ω)x = x ω S, ονομάζεται ιδιοδιάνυσμα της αντίστοιχης ιδιοτιμής ω και η γραμμική θήκη των ιδιοδιανυσμάτων λέγεται ιδιόχωρος που αντιστοιχεί στην ω. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

34 Τρόπος Επίλυσης Εχουμε το ακόλουθο σημαντικό αποτέλεσμα Πρόταση 4 (Analytic Fredholm Alternative) Εστω F αναλυτική και F (ω) K(X ) για όλα τα ω D. Τότε είτε α) I F (ω) δεν είναι 1-1 για κάθε ω D, είτε β) (I F (ω)) 1 B(X ) για όλα ω D\S, όπου S C είναι ένα αριθμήσιμο σύνολο χωρίς κανένα οριακό σημείο. Επισήμανση: Στην περίπτωση (β), η συνάρτηση (I F ( )) 1 είναι αναλυτική στον D\S, μερομορφική στον D και τα υπόλοιπα στους πόλους είναι τελεστές πεπερασμένης τάξης. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

35 Τρόπος Επίλυσης Ας εστιάσουμε τώρα στην ειδική περίπτωση F (ω) := AB(ω), ω D, όπου ο A είναι ένας συμπαγής αυτοσυζυγής τελεστής και B(ω) B(X ). Χειριζόμαστε την εξίσωση σε μια γενική βάση σε έναν τυχαίο διαχωρίσιμο χώρο Hilbert. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

36 Τρόπος Επίλυσης Ας εστιάσουμε τώρα στην ειδική περίπτωση F (ω) := AB(ω), ω D, όπου ο A είναι ένας συμπαγής αυτοσυζυγής τελεστής και B(ω) B(X ). Χειριζόμαστε την εξίσωση σε μια γενική βάση σε έναν τυχαίο διαχωρίσιμο χώρο Hilbert. Το φασματικό θεώρημα εξασφαλίζει ότι ο A μπορεί να γραφτεί Ax = n λ n x, e 0 n e 0 n, (7) όπου (λ n ) είναι η ακολουθία (μη αρνητικών πραγματικών) ιδιοτιμών του A, σε απόλυτα φθίνουσα σειρά, μετρούμενες τόσες φορές όσες η πολλαπλότητά τους, και (e 0 n) είναι η ακολουθία των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

37 Τρόπος Επίλυσης Ας εστιάσουμε τώρα στην ειδική περίπτωση F (ω) := AB(ω), ω D, όπου ο A είναι ένας συμπαγής αυτοσυζυγής τελεστής και B(ω) B(X ). Χειριζόμαστε την εξίσωση σε μια γενική βάση σε έναν τυχαίο διαχωρίσιμο χώρο Hilbert. Το φασματικό θεώρημα εξασφαλίζει ότι ο A μπορεί να γραφτεί Ax = n λ n x, e 0 n e 0 n, (7) όπου (λ n ) είναι η ακολουθία (μη αρνητικών πραγματικών) ιδιοτιμών του A, σε απόλυτα φθίνουσα σειρά, μετρούμενες τόσες φορές όσες η πολλαπλότητά τους, και (e 0 n) είναι η ακολουθία των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων. Η τελευταία αποτελεί μια ορθοκανονική βάση για R(A). Εδώ υποθέτουμε ότι ο A έχει άπειρες ιδιοτιμές και συνεπώς λ n 0. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

38 Τρόπος Επίλυσης Το πρόβλημα F (ω)x = x, πιο συγκεκριμένα AB(ω)x = x, εφόσον x R(A), μπορεί τώρα να γραφτεί Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

39 Τρόπος Επίλυσης Το πρόβλημα F (ω)x = x, πιο συγκεκριμένα AB(ω)x = x, εφόσον x R(A), μπορεί τώρα να γραφτεί x, e 0 n e 0 n, ή, ισοδύναμα, ως n λ n B(ω)x, e 0 n e 0 n = n Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

40 Τρόπος Επίλυσης Το πρόβλημα F (ω)x = x, πιο συγκεκριμένα AB(ω)x = x, εφόσον x R(A), μπορεί τώρα να γραφτεί ή, ισοδύναμα, ως λ n B(ω)x, e 0 n e 0 n = n n n x, e 0 n e 0 n, ( λ n x, B(ω) 1 ) I en 0 en 0 = 0. (8) λ n Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

41 Τρόπος Επίλυσης Το πρόβλημα F (ω)x = x, πιο συγκεκριμένα AB(ω)x = x, εφόσον x R(A), μπορεί τώρα να γραφτεί ή, ισοδύναμα, ως λ n B(ω)x, e 0 n e 0 n = n n Θέτουμε f n = f n (ω) := n x, e 0 n e 0 n, ( λ n x, B(ω) 1 ) I en 0 en 0 = 0. (8) λ n ( ) ( ) B(ω) 1 λ n I e 0 n = B(ω) 1 λ n I en. 0 Το αριστερό μέλος της (8) είναι ένας πολλαπλασιαστικός τελεστής S = S(ω) := n λ n, f n e 0 n, που αντιστοιχεί στις ακολουθίες (λ n ) R, (f n ) X, (e n ) X, όπου (λ n ) είναι φραγμένη, (f n ) είναι μια ακολουθία και (e n ) είναι μια ορθοκανονική βάση. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

42 Τρόπος Επίλυσης Πρόταση 5 Τα ακόλουθα είναι ισοδύναμα: α) ο S είναι 1-1, β) η (f n ) είναι μια πλήρης ακολουθία, δηλαδή [f 1, f 2,..., f n,...] = X, ς) x, f n = 0 για κάθε n, σημαίνει x = 0. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

43 Τρόπος Επίλυσης Πρόταση 5 Τα ακόλουθα είναι ισοδύναμα: α) ο S είναι 1-1, β) η (f n ) είναι μια πλήρης ακολουθία, δηλαδή [f 1, f 2,..., f n,...] = X, ς) x, f n = 0 για κάθε n, σημαίνει x = 0. Πόρισμα Η ω είναι μια ιδιοτιμή του I F ( ) αν και μόνο αν η ακολουθία (f n (ω)) δεν είναι πλήρης. Ο αντίστοιχος ιδιόχωρος είναι ο ker S(ω). Επιπλέον, ο x ker S(ω) αν και μόνο αν x, f n (ω) = 0 για κάθε n και, επομένως, ker S(ω) = [f 1 (ω), f 2 (ω),..., f n (ω),...]. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

44 Το αντίστροφο πρόβλημα Ας θεωρήσουμε τώρα το αντίστροφο πρόβλημα, το οποίο είναι να ανακατασκευάσουμε τον τελεστή B( ) γνωρίζοντας τα ιδιοστοιχεία του προβλήματος F (ω)x = x. Μάλιστα, ας θεωρήσουμε μια ιδιοτιμή ω και τον αντίστοιχο ιδιόχωρο ker S(ω). Τότε, ker S(ω) T = [f 1 (ω), f 2 (ω),..., f n (ω),...], και υποθέτουμε ότι υπάρχει ένας τρόπος να υπολογίσουμε την ακολουθία (f n (ω)). Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

45 Το αντίστροφο πρόβλημα Ας θεωρήσουμε τώρα το αντίστροφο πρόβλημα, το οποίο είναι να ανακατασκευάσουμε τον τελεστή B( ) γνωρίζοντας τα ιδιοστοιχεία του προβλήματος F (ω)x = x. Μάλιστα, ας θεωρήσουμε μια ιδιοτιμή ω και τον αντίστοιχο ιδιόχωρο ker S(ω). Τότε, ker S(ω) T = [f 1 (ω), f 2 (ω),..., f n (ω),...], και υποθέτουμε ότι υπάρχει ένας τρόπος να υπολογίσουμε την ακολουθία (f n (ω)). Η σχέση B(ω)e 0 n, e 0 m = e 0 n, f m (ω) + δ nm λ n, (9) (δ nm είναι το δέλτα του Kronecker) επιτρέπει την ανακατασκευή του B(ω). Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

46 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Ας επιστρέψουμε τώρα στο πρόβλημα όπου F(ω) := ωq 1 H M(ω). (I F(ω))e = 0 (10) Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

47 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Ας επιστρέψουμε τώρα στο πρόβλημα όπου F(ω) := ωq 1 H M(ω). Υπόθεση 4 (I F(ω))e = 0 (10) Η M είναι μια αναλυτική συνάρτηση D ω M(ω) B(X), όπου D είναι ένα χωρίο στο μιγαδικό επίπεδο, έτσι ώστε 0 D. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

48 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Ας επιστρέψουμε τώρα στο πρόβλημα όπου F(ω) := ωq 1 H M(ω). Υπόθεση 4 (I F(ω))e = 0 (10) Η M είναι μια αναλυτική συνάρτηση D ω M(ω) B(X), όπου D είναι ένα χωρίο στο μιγαδικό επίπεδο, έτσι ώστε 0 D. Επομένως, ο F ορίζει μια αναλυτική συνάρτηση D ω F(ω) K(X). Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

49 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Ας επιστρέψουμε τώρα στο πρόβλημα όπου F(ω) := ωq 1 H M(ω). Υπόθεση 4 (I F(ω))e = 0 (10) Η M είναι μια αναλυτική συνάρτηση D ω M(ω) B(X), όπου D είναι ένα χωρίο στο μιγαδικό επίπεδο, έτσι ώστε 0 D. Επομένως, ο F ορίζει μια αναλυτική συνάρτηση D ω F(ω) K(X). Επιπλέον, για ω 0 = 0, F(ω 0 ) = 0 και συνεπώς I F(ω 0 ) είναι αντιστρέψιμος. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

50 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Το θεώρημα Fredholm δίνει Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

51 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Το θεώρημα Fredholm δίνει Πρόταση 6 Η δέσμη I F( ) έχει αριθμήσιμο πλήθος ιδιοτιμών με πεπερασμένης διαστασης αντίστοιχους υπόχωρους. Οι ιδιοτιμές αυτές συνιστούν μια ακολουθία (ω n ) μη μηδενικών μιγαδικών αριθμών, που αποκλίνει στο άπειρο. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

52 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Το θεώρημα Fredholm δίνει Πρόταση 6 Η δέσμη I F( ) έχει αριθμήσιμο πλήθος ιδιοτιμών με πεπερασμένης διαστασης αντίστοιχους υπόχωρους. Οι ιδιοτιμές αυτές συνιστούν μια ακολουθία (ω n ) μη μηδενικών μιγαδικών αριθμών, που αποκλίνει στο άπειρο. ω n : ιδιοσυχνότητα της κοιλότητας Η παραπάνω πρόταση δείχνει ότι τέτοιες συχνότητες υπάρχουν και είναι άπειρες αλλά αριθμήσιμες το πλήθος. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

53 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Το θεώρημα Fredholm δίνει Πρόταση 6 Η δέσμη I F( ) έχει αριθμήσιμο πλήθος ιδιοτιμών με πεπερασμένης διαστασης αντίστοιχους υπόχωρους. Οι ιδιοτιμές αυτές συνιστούν μια ακολουθία (ω n ) μη μηδενικών μιγαδικών αριθμών, που αποκλίνει στο άπειρο. ω n : ιδιοσυχνότητα της κοιλότητας Η παραπάνω πρόταση δείχνει ότι τέτοιες συχνότητες υπάρχουν και είναι άπειρες αλλά αριθμήσιμες το πλήθος. Τα ιδιοδιανύσματα που αντιστοιχούν σε μια ιδιοσυχνότητα ω n λέγονται ρυθμοί διάδοσης.. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

54 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Εστω τώρα A := Q 1 H, B(ω) := ωm(ω). Οι ιδιοτιμές του A υπολογίζονται ως εξής λ n := 1 ω 0 n, n = ±1, ±2,..., και η ακολουθία των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων είναι η (e n ). Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

55 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Εστω τώρα A := Q 1 H, B(ω) := ωm(ω). Οι ιδιοτιμές του A υπολογίζονται ως εξής λ n := 1 ω 0 n, n = ±1, ±2,..., και η ακολουθία των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων είναι η (e n ). Επομένως, έχουμε Ax = λ n x, e 0 n e 0 n. n= Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

56 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Εστω τώρα A := Q 1 H, B(ω) := ωm(ω). Οι ιδιοτιμές του A υπολογίζονται ως εξής λ n := 1 ω 0 n, n = ±1, ±2,..., και η ακολουθία των αντίστοιχων ιδιοδιανυσμάτων είναι η (e n ). Επομένως, έχουμε Ax = n= λ n x, e 0 n e 0 n. Τώρα F(ω) = AB(ω) και το πρόβλημα μετασχηματίζεται ως εξής: Sx = S(ω)x := λ n x, f n e 0 n, όπου f n = f n (ω) := n= ( B(ω) 1 ) I e 0 n = ( ωm(ω) ω λ ni 0 ) e 0 n, n = ±1, ±2,... n Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

57 Ιδιοσυχνότητες και ρυθμοι της διανισοτροπικής κοιλότητας Πρόταση 7 Το ω 0 είναι μια ιδιοσυχνότητα της κοιλότητας αν και μόνο αν ο S(ω) δεν είναι 1-1 τελεστής, αν και μόνο αν (f n (ω) n Z δεν είναι πλήρης. Ο αντίστοιχος ιδιόχωρος των ρυθμών είναι πεπερασμένης διάστασης και δίνεται από ker S(ω) = [,..., f n (ω),..., f 2 (ω), f 1 (ω), f 1 (ω), f 2 (ω),..., f n (ω),...]. Επιπλέον, έχουμε M(ω)e 0 n, e 0 m = ω 0 n e 0 n, f m (ω) + δ nm, από την οποία μπορούμε να ανακατασκευάσουμε τον πίνακα υλικού. Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22

58 Σας ευχαριστώ! Ευτυχία Αργυροπούλου (ΕΚΠΑ) Το φασματικό πρόβλημα 8 10 Νοεμβρίου / 22