一條處處連續卻處處不可微(換言之具有分形性質)的函數曲線是否存在一種更廣義的導數?


謝邀,我覺得下次提問,最好說明自己的數學水平,不然我都不知道要寫到什麼水平。其實這和分形真的沒什麼關係。也遠遠超越了微積分,進入了泛函分析的領域

  • 這個問題其實涉及到所謂的「廣義函數」(distribution),一個連續函數肯定有廣義函數意義下的導數,定義方式為:設D_i=frac{1}{i}frac{partial }{partial x_i},C^infty_c(Omega)Omega上光滑而且非零點是一個其中的有界閉集所有函數構成的集合。 如果f是一般意義上的光滑,那麼下面的積分公式成立。

int_{Omega} D_if(x)varphi(x)dx=-int_{Omega} f(x)D_ivarphi(x)dx, quad varphiin C^infty_c(Omega)

對於一般的連續(可積甚至更差的函數都可以),我們定義其導數為一個「泛函」,也就說可以把一個C^infty_c(Omega)上的函數映射成一個數的連續線性運算元,具體表達式為

(D_if(x),varphi):=-int_{Omega} f(x)D_ivarphi(x)dx, quad varphiin C^infty_c(Omega).

舉一個栗子, 設Omega=mathbb{R}和設f(x)定義為在[a,b]定義為1,在別的地方為0,那麼這個不連續的函數的導數為(f.這個泛函已經不是一般意義上的函數了,因為它沒有局部的定義。

  • 如果一個函數是足夠好的,它的廣義導數和古典導數是一摸一樣的。
  • 對於一維的情況,可以通過學習絕對連續函數來刻畫。還有如果它的廣義導數剛好是可積的函數,那麼這個函數就是所謂的索博列夫函數。
  • 徹底明白上述內容涉及到泛函分析,一般是數學系三年級的內容了。
  • 這些廣義導數不是無意義的數學概念,物理上的狄拉克運算元就是一個泛函,而量子力學裡面泛函無處不在。
  • 如果要學習泛函分析的童鞋可以進我的專欄文章,裡面有教材的推薦和學習的基本思路。


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