C0-सेमीग्रुप

गणित में एक सीओ-semigroup घातांक प्रकार्य का सामान्यीकरण है, जिसे दृढ़ता से निरंतर एक-परिधि अर्थसमूह के रूप में भी जाना जाता है। जैसे घातांक प्रकार्य रैखिक निरंतर गुणांक सामान्य अंतर समीकरणों के समाधान प्रदान करते हैं और दृढ़ता से निरंतर सेमीग्रुप बनच रिक्त स्थान में रैखिक निरंतर गुणांक साधारण अंतर समीकरणों के समाधान प्रदान करते हैं। बानाच स्थानों में इस तरह के अंतर समीकरण उदा से उत्पन्न होते हैं जैसे कि विलंब अवकल समीकरण और आंशिक अवकल समीकरण।

औपचारिक रूप से, एक दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह सेमीग्रुप (आर₊,+) कुछ बनच रिक्त स्थान एक्स पर जो मजबूत संचालक सीन विज्ञान में निरंतर है। इस प्रकार कड़ाई से बोलना एक दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह एक अर्धसमूह नहीं है, बल्कि एक विशेष अर्धसमूह का निरंतर प्रतिनिधित्व है।

औपचारिक परिभाषा

बनच स्थान पर एक दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह $X$ एक नक्शा है $T:\mathbb {R} _{+}\to L(X)$ जो ऐसा है कि

1. $T(0)=I$,   (पहचान ऑपरेटर चालू $X$)
2. $\forall t,s\geq 0:\ T(t+s)=T(t)T(s)$
3. $\forall x_{0}\in X:\ \|T(t)x_{0}-x_{0}\|\to 0$, जैसा $t\downarrow 0$.

पहले दो स्वयंसिद्ध बीजगणितीय हैं और यह बताएं $T$ अर्धसमूह का प्रतिनिधित्व है ${(\mathbb {R} _{+},+)}$ अंतिम है, और बताता है कि $T$ मजबूत संचालक सीन विज्ञान में निरंतरता (टोपोलॉजी) है।

अनंत जनरेटर

दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह टी के अत्यल्प जनरेटर ए द्वारा परिभाषित किया गया है:

$A\,x=\lim _{t\downarrow 0}{\frac {1}{t}}\,(T(t)-I)\,x$

A, D(A) का प्रांत x∈X का समुच्चय है और जिसके लिए यह सीमा मौजूद है; डी (ए) एक रैखिक उपसमष्टि है और ए इस डोमेन पर रैखिक है। ऑपरेटर ए बंद ऑपरेटर है, हालांकि आवश्यक रूप से बाध्य ऑपरेटर नहीं है, और डोमेन एक्स में सघन है। जेनरेटर ए के साथ दृढ़ता से निरंतर सेमीग्रुप टी को अक्सर प्रतीक द्वारा दर्शाया जाता है $e^{At}$ (या, समकक्ष, $\exp(At)$). यह संकेतन मैट्रिक्स घातीय के लिए और कार्यात्मक कलन (उदाहरण के लिए, वर्णक्रमीय प्रमेय के माध्यम से) के माध्यम से परिभाषित एक ऑपरेटर के कार्यों के लिए संगत है।

समान रूप से निरंतर अर्धसमूह

एक समान रूप से निरंतर सेमीग्रुप एक दृढ़ता से निरंतर सेमीग्रुप टी है जैसे कि

$\lim _{t\to 0^{+}}\|T(t)-I\|=0$

रखती है। इस स्थिति में, T का अत्यल्प जनरेटर A परिबद्ध है और हमारे पास है

${\mathcal {D}}(A)=X$

तथा

$T(t)=e^{At}:=\sum _{k=0}^{\infty }{\frac {A^{k}}{k!}}t^{k}.$

इसके विपरीत, कोई बाध्य ऑपरेटर

$A\colon X\to X$

द्वारा दिए गए समान रूप से निरंतर सेमीग्रुप का अतिसूक्ष्म जनरेटर है

$T(t):=e^{At}$.

इस प्रकार, एक रैखिक संकारक A एक समान रूप से निरंतर अर्धसमूह का अतिसूक्ष्म जनरेटर है यदि और केवल यदि A एक परिबद्ध रैखिक संचालिका है। यदि X एक परिमित-आयामी बैनच स्थान है, तो कोई भी दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह एक समान रूप से निरंतर अर्धसमूह है। एक दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह के लिए जो एक समान रूप से निरंतर अर्धसमूह नहीं है, अत्यल्प जनरेटर A बाध्य नहीं है। इस मामले में, $e^{At}$ जुटने की जरूरत नहीं है।

उदाहरण

गुणन अर्धसमूह

बनच स्थान पर विचार करें $C_{0}(\mathbb {R} ):=\{f:\mathbb {R} \rightarrow \mathbb {C} {\text{ continuous}}:\forall \epsilon >0~\exists c>0{\text{ such that }}\vert f(x)\vert \leq \epsilon ~\forall x\in \mathbb {R} \setminus [-c,c]\}$ अधिमान से संपन्न $\Vert f\Vert :={\text{sup}}_{x\in \mathbb {R} }\vert f(x)\vert$. होने देना $q:\mathbb {R} \rightarrow \mathbb {C}$ के साथ एक सतत कार्य करें ${\text{sup}}_{s\in \mathbb {R} }{\text{Re}}(q(s))<\infty$. परिचालक $M_{q}f:=q\cdot f$ डोमेन के साथ $D(M_{q}):=\{f\in C_{0}(\mathbb {R} ):q\cdot f\in C_{0}(\mathbb {R} )\}$ एक बंद सघन रूप से परिभाषित ऑपरेटर है और गुणन अर्धसमूह उत्पन्न करता है $(T_{q}(t))_{t\geq 0}$ कहाँ पे $T_{q}(t)f:=\mathrm {e} ^{qt}f.$ गुणन संचालकों को विकर्ण मैट्रिक्स के अनंत आयामी सामान्यीकरण और बहुत सारे गुणों के रूप में देखा जा सकता है $M_{q}$ के गुणों से प्राप्त किया जा सकता है $q$. उदाहरण के लिए $M_{q}$ पर आबद्ध है $C_{0}(\mathbb {R)}$ अगर और केवल अगर $q$ घिरा है।

अनुवाद सेमीग्रुप

होने देना $C_{ub}(\mathbb {R} )$ बंधी हुई जगह हो, एक समान निरंतरता कार्य करती है $\mathbb {R}$ अधिमान से संपन्न। (बाएं) अनुवाद अर्धसमूह $(T_{l}(t))_{t\geq 0}$ द्वारा दिया गया है $T_{l}(t)f(s):=f(s+t)\quad s,t\in \mathbb {R}$.

इसका जनक व्युत्पन्न है $Af:=f'$ डोमेन के साथ $D(A):=\{f\in C_{ub}(\mathbb {R} ):f{\text{ differentiable with }}f'\in C_{ub}(\mathbb {R} )\}$.

सार कॉची समस्याएं

सार कॉची समस्या पर विचार करें:

$u'(t)=Au(t),~~~u(0)=x,$

जहां ए बनच स्पेस एक्स और x∈X पर एक बंद ऑपरेटर है। इस समस्या के समाधान की दो अवधारणाएँ हैं:

• एक सतत अवकलनीय फलन u:[0,∞)→X को कॉशी समस्या का 'शास्त्रीय समाधान' कहा जाता है यदि u(t) ∈ D(A) सभी t > 0 के लिए और यह प्रारंभिक मूल्य समस्या को संतुष्ट करता है,
• एक सतत फलन u:[0,∞) → X को कॉची समस्या का 'हल्का समाधान' कहा जाता है यदि

$\int _{0}^{t}u(s)\,ds\in D(A){\text{ and }}A\int _{0}^{t}u(s)\,ds=u(t)-x.$

कोई शास्त्रीय समाधान हल्का समाधान है। एक हल्का समाधान एक शास्त्रीय समाधान है अगर और केवल अगर यह लगातार भिन्न होता है। निम्नलिखित प्रमेय सार कॉची समस्याओं और दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूहों को जोड़ता है।

प्रमेयबता दें कि 'ए' एक बैनच स्पेस 'एक्स' पर एक बंद ऑपरेटर है। निम्नलिखित दावे समतुल्य हैं:

1. सभी x∈X के लिए सार कॉची समस्या का एक अनूठा हल्का समाधान मौजूद है,
2. ऑपरेटर 'ए' एक जोरदार निरंतर अर्धसमूह उत्पन्न करता है,
3. A का विलायक सेट खाली नहीं है और सभी x ∈ D(A) के लिए कॉची समस्या का एक अनूठा शास्त्रीय समाधान मौजूद है।

जब ये दावे मान्य होते हैं, तो कॉची समस्या का समाधान u(t) = T(t)x के साथ T द्वारा दिया जाता है 'ए' द्वारा उत्पन्न दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह।

पीढ़ी प्रमेय

कॉची समस्याओं के संबंध में, आमतौर पर एक रैखिक संकारक A दिया जाता है और प्रश्न यह है कि क्या यह एक प्रबल सतत अर्धसमूह का जनक है। प्रमेय जो इस प्रश्न का उत्तर देते हैं उन्हें 'पीढ़ी प्रमेय' कहा जाता है। हिले-योसिडा प्रमेय द्वारा दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह उत्पन्न करने वाले ऑपरेटरों का एक पूर्ण लक्षण वर्णन दिया गया है। हालांकि अधिक व्यावहारिक महत्व लुमर-फिलिप्स प्रमेय द्वारा दी गई शर्तों को सत्यापित करना बहुत आसान है।

सेमीग्रुप्स की विशेष कक्षाएं

समान रूप से निरंतर अर्धसमूह

दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह टी को 'समान रूप से निरंतर' कहा जाता है यदि नक्शा टी → टी (टी) [0, ∞) से एल (एक्स) तक निरंतर है।

समान रूप से निरंतर सेमीग्रुप का जनरेटर एक परिबद्ध ऑपरेटर है।

विश्लेषणात्मक अर्धसमूह

Main article: analytic semigroup

संकुचन अर्धसमूह

Main article: contraction semigroup

अलग-अलग अर्धसमूह

एक दृढ़ता से निरंतर सेमीग्रुप टी को 'अंततः अलग-अलग' कहा जाता है यदि मौजूद है t₀ > 0 ऐसा है कि T(t₀)X⊂D(A) (समतुल्य: T(t)X ⊂ D(A) सभी के लिए t ≥ t₀) और T 'तत्काल अवकलनीय' है यदि T(t)X ⊂ D(A) सभी के लिए t > 0.

हर विश्लेषणात्मक अर्धसमूह तुरंत अलग-अलग होता है।

कॉची समस्याओं के संदर्भ में एक समतुल्य विशेषता निम्नलिखित है: ए द्वारा उत्पन्न दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह अंततः भिन्न होता है यदि और केवल तभी मौजूद होता है t₁ ≥ 0 ऐसा कि सभी के लिए x ∈ X अमूर्त कौशी समस्या का समाधान u अवकलनीय है (t₁, ∞). यदि टी हो तो सेमीग्रुप तुरंत भिन्न होता है₁ शून्य चुना जा सकता है।

कॉम्पैक्ट सेमीग्रुप्स

एक दृढ़ता से निरंतर सेमीग्रुप टी को 'अंततः कॉम्पैक्ट' कहा जाता है यदि कोई टी मौजूद है₀> 0 ऐसा कि टी(टी₀) एक कॉम्पैक्ट ऑपरेटर है (समकक्ष अगर टी(टी) सभी टी ≥ टी के लिए एक कॉम्पैक्ट ऑपरेटर है₀) . अगर T(t) सभी t > 0 के लिए एक कॉम्पैक्ट ऑपरेटर है, तो सेमीग्रुप को तुरंत कॉम्पैक्ट कहा जाता है।

सामान्य निरंतर अर्धसमूह

यदि एक 'टी' मौजूद है तो एक दृढ़ता से निरंतर अर्धसमूह को अंततः आदर्श निरंतर कहा जाता है₀≥ 0 ऐसा कि नक्शा t → T(t) से निरंतर है (टी₀, ∞) से एल(एक्स)। अर्धसमूह को 'तत्काल मानक निरंतर' कहा जाता है यदि टी₀ शून्य चुना जा सकता है।

ध्यान दें कि तत्काल मानक निरंतर सेमीग्रुप के लिए मैप t→ T(t) t = 0 में निरंतर नहीं हो सकता है (जो सेमीग्रुप को समान रूप से निरंतर बना देगा)।

विश्लेषणात्मक सेमीग्रुप्स, (अंततः) डिफरेंशियल सेमीग्रुप्स और (अंततः) कॉम्पैक्ट सेमीग्रुप्स सभी अंततः मानक निरंतर हैं।

स्थिरता

घातीय स्थिरता

सेमीग्रुप T का विकास स्थिरांक है

$\omega _{0}=\inf _{t>0}{\frac {1}{t}}\log \|T(t)\|.$

इसे इसलिए कहा जाता है क्योंकि यह संख्या सभी वास्तविक संख्याओं ω से भी कम होती है जैसे कि एक स्थिरांक M (≥ 1) मौजूद होता है

$\|T(t)\|\leq Me^{\omega t}$

सभी टी ≥ 0 के लिए।

निम्नलिखित समतुल्य हैं:

1. मौजूद M,ω>0 ऐसा है कि सभी t ≥ 0 के लिए: $\|T(t)\|\leq M{\rm {e}}^{-\omega t},$
2. विकास की सीमा ऋणात्मक है: ω₀<0,
3. सेमीग्रुप वर्दी ऑपरेटर टोपोलॉजी में शून्य में परिवर्तित हो जाता है: $\lim _{t\to \infty }\|T(t)\|=0$,
4. वहाँ एक टी मौजूद है₀> 0 ऐसा कि $\|T(t_{0})\|<1$,
5. वहाँ एक टी मौजूद है₁> 0 ऐसा है कि T(t₁) 1 से बिल्कुल छोटा है,
6. एक p ∈ [1, ∞) मौजूद है जैसे कि सभी x∈X के लिए: $\int _{0}^{\infty }\|T(t)x\|^{p}\,dt<\infty$,
7. सभी p ∈ [1, ∞) और सभी x∈ X के लिए: $\int _{0}^{\infty }\|T(t)x\|^{p}\,dt<\infty .$

एक अर्धसमूह जो इन समतुल्य शर्तों को पूरा करता है, उसे घातीय रूप से स्थिर या समान रूप से स्थिर कहा जाता है (उपरोक्त कथनों में से पहले तीन में से किसी एक को साहित्य के कुछ हिस्सों में परिभाषा के रूप में लिया जाता है)। वह एल^p स्थितियाँ चरघातांकी स्थिरता के समतुल्य होती हैं जिसे 'डाटको-पाज़ी प्रमेय' कहा जाता है।

यदि X एक हिल्बर्ट अंतरिक्ष है, तो एक और स्थिति है जो जनरेटर के विलायक ऑपरेटर के संदर्भ में घातीय स्थिरता के बराबर है: सकारात्मक वास्तविक भाग वाले सभी λ A के रिज़ॉल्वेंट सेट से संबंधित हैं और रिज़ॉल्वेंट ऑपरेटर समान रूप से दाहिने आधे विमान पर बंधा हुआ है, यानी (λI − A)⁻¹ हार्डी स्पेस से संबंधित है $H^{\infty }(\mathbb {C} _{+};L(X))$. इसे गियरहार्ट-प्रस प्रमेय कहा जाता है।

एक ऑपरेटर 'ए' की वर्णक्रमीय सीमा स्थिर है

$s(A):=\sup\{{\rm {Re}}\,\lambda :\lambda \in \sigma (A)\}$,

इस परंपरा के साथ कि s(A) = −∞ अगर A का स्पेक्ट्रम खाली है।

एक सेमीग्रुप की वृद्धि और उसके जनरेटर की वर्णक्रमीय सीमा से संबंधित हैं: एस (ए) ≤ω₀(टी)। उदाहरण हैं जहां एस(ए) < ω₀(टी)। यदि s(A) = ω₀(टी), तो टी को 'वर्णक्रमीय निर्धारित विकास की स्थिति' को संतुष्ट करने के लिए कहा जाता है। अंततः मानक-निरंतर अर्धसमूह वर्णक्रमीय निर्धारित वृद्धि की स्थिति को संतुष्ट करते हैं। यह इन सेमीग्रुप्स के लिए घातीय स्थिरता का एक और समकक्ष विशेषता देता है:

• अंततः मानक-निरंतर अर्धसमूह चरघातांकी रूप से स्थिर होता है यदि और केवल यदि s(A) < 0।

ध्यान दें कि अंततः कॉम्पैक्ट, अंततः अलग-अलग, विश्लेषणात्मक और समान रूप से निरंतर सेमिग्रुप अंततः मानक-निरंतर होते हैं ताकि वर्णक्रमीय निर्धारित विकास की स्थिति विशेष रूप से उन सेमीग्रुप के लिए हो।

मजबूत स्थिरता

यदि सभी x ∈ X के लिए एक अत्यधिक निरंतर अर्धसमूह T को 'दृढ़ता से स्थिर' या 'असामयिक रूप से स्थिर' कहा जाता है: $\lim _{t\to \infty }\|T(t)x\|=0$.

घातीय स्थिरता का तात्पर्य मजबूत स्थिरता से है, लेकिन अगर एक्स अनंत-आयामी है (यह एक्स परिमित-आयामी के लिए सच है) तो इसका विलोम आम तौर पर सच नहीं है।

मजबूत स्थिरता के लिए निम्नलिखित पर्याप्त स्थिति को 'अरेंड्ट-बैट्टी-ल्यूबिच-फोंग प्रमेय' कहा जाता है: मान लो की

1. T घिरा हुआ है: एक M ≥ 1 ऐसा मौजूद है $\|T(t)\|\leq M$,
2. ए में काल्पनिक अक्ष पर अवशिष्ट स्पेक्ट्रम नहीं है, और
3. काल्पनिक अक्ष पर स्थित A का स्पेक्ट्रम गणनीय है।

तब T दृढ़ता से स्थिर है।

यदि एक्स रिफ्लेक्सिव है तो स्थितियां सरल हो जाती हैं: यदि टी बाध्य है, ए में काल्पनिक धुरी पर कोई ईजेनवैल्यू नहीं है और काल्पनिक धुरी पर स्थित ए के स्पेक्ट्रम की गणना की जा सकती है, तो टी दृढ़ता से स्थिर है।

यह भी देखें

• हिल-योसिडा प्रमेय
• लुमर-फिलिप्स प्रमेय
• ट्रॉटर-काटो प्रमेय
• विश्लेषणात्मक सेमीग्रुप
• संकुचन अर्धसमूह
• मैट्रिक्स एक्सपोनेंशियल
• ऑपरेटरों का मजबूत निरंतर परिवार
• सार अंतर समीकरण

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• अंक शास्त्र
• आंशिक विभेदक समीकरण
• देरी अंतर समीकरण
• बनच स्थान
• परिबद्ध संचालिका
• कार्यात्मक गणना
• रैखिक ऑपरेटर
• वर्णक्रमीय त्रिज्या
• विश्लेषणात्मक अर्धसमूह

संदर्भ

• E Hille, R S Phillips: Functional Analysis and Semi-Groups. American Mathematical Society, 1975.
• R F Curtain, H J Zwart: An introduction to infinite dimensional linear systems theory. Springer Verlag, 1995.
• E.B. Davies: One-parameter semigroups (L.M.S. monographs), Academic Press, 1980, ISBN 0-12-206280-9.
• Engel, Klaus-Jochen; Nagel, Rainer (2000), One-parameter semigroups for linear evolution equations, Springer
• Arendt, Wolfgang; Batty, Charles; Hieber, Matthias; Neubrander, Frank (2001), Vector-valued Laplace Transforms and Cauchy Problems, Birkhauser
• Staffans, Olof (2005), Well-posed linear systems, Cambridge University Press
• Luo, Zheng-Hua; Guo, Bao-Zhu; Morgul, Omer (1999), Stability and Stabilization of Infinite Dimensional Systems with Applications, Springer
• Partington, Jonathan R. (2004), Linear operators and linear systems, London Mathematical Society Student Texts, Cambridge University Press, ISBN 0-521-54619-2