ROSÉ

이전 글에서 살펴본 변분법의 기본 정리(직접법)는 공간이 반사적이거나 함수가 강압적일 때 최솟값이 존재한다는 것을 보장한다. 하지만 최솟값이 존재하지 않거나, 공간이 완비거리공간이지만 반사적이지 않은 경우에는 직접법을 사용할 수 없다. 이러한 상황에서 사용할 수 있는 도구가 에켈랜드 변분 원리이다. 이 원리는 비록 최솟값은 아닐지라도, 최솟값에 충분히 가까운 점이 최솟값과 유사한 성질을 가진다는 …

지난 글에서 “컴팩트 집합 위에서 정의된 하반연속 함수는 최솟값을 가진다”라는 일반화된 바이어슈트라스 정리를 살펴보았다. 그러나 무한차원 바나흐 공간에서는 유계이고 닫힌집합이 노름 위상에서 컴팩트가 아닐 수 있다. 따라서 기존의 방식으로는 최솟값의 존재를 보장할 수 없다. 이 난관을 돌파하는 열쇠는 바로 약위상(weak topology)이다. 힐베르트 공간이나 반사적 바나흐 공간에서 유계인 닫힌집합은 약컴팩트(weakly compact) …

미분방정식을 푼다는 것은 종종 어떤 에너지 범함수 \(J(u)\)를 최소화하는 함수 \(u\)를 찾는 문제(변분 문제)로 환원된다. 미적분학에서 미분가능한 함수의 극소점을 찾을 때 \(f'(x)=0\)을 살피듯이, 변분법에서도 먼저 범함수의 임계점 조건 \(J'(u)=0\)을 본다. 구체적인 적분형 범함수의 경우 이 조건은 오일러-라그랑주 방정식으로 나타난다. \(f\)가 미분 가능한 실함수일 때 \(f'(x)=0\)이라고 해서 반드시 \(f\)가 \(x\)에서 반드시 …

샤우더의 부동점 정리는 강력하지만, 편미분방정식 등 실제 응용 문제를 해결할 때 한 가지 큰 난관에 부딪힌다. 바로 연산자 \(T\)에 의하여 자기 자신에 대응되는 닫힌 볼록집합 \(K\)를 찾아내는 과정이다. (즉, \(T(K) \subset K\)인 닫힌 볼록집합 \(K\).) 이 집합 \(K\)를 구성하는 것이 매우 까다로울 수 있다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 등장한 것이 …

이전 글에서 유한차원 공간에서의 브라우어 부동점 정리를 살펴보았다. 그러나 무한차원 바나흐 공간에서는 닫힌 단위 공이 컴팩트 집합이 아니므로, 단순히 “유계이고 닫힌 볼록 집합”이라는 조건만으로는 부동점의 존재를 보장할 수 없다. 이 문제를 해결하기 위해 율리우스 샤우더(Julius Schauder)는 브라우어의 아이디어를 무한차원으로 확장했다. 핵심은 정의역 자체가 컴팩트 볼록집합인 경우이거나, 혹은 정의역은 닫힌 볼록집합이더라도 …

이전 글에서 살펴본 바나흐의 축소 사상 원리는 함수가 “거리를 줄인다”라는 강력한 조건 아래에서 해의 존재성과 유일성을 모두 보장했다. 그러나 실제 문제 상황에서는 함수가 단순히 연속이기만 하거나, 거리를 줄이지 않는 경우도 많다. 브라우어의 부동점 정리(Brouwer fixed point theorem)는 유한차원 공간에서 “공간의 형태(위상적 성질)”만으로 부동점의 존재를 보장하는 정리이다. 비록 해를 찾는 방법(알고리즘)이나 …

수학에서 많은 문제는 방정식 \(f(x) = y\)의 해 \(x\)를 찾는 문제로 귀결된다. 이 방정식을 \(x = T(x)\)의 형태로 변형하여 생각하면, 해를 찾는 문제는 연산자 \(T\)에 의해 변하지 않는 점, 즉 부동점(fixed point)을 찾는 문제가 된다. 부동점 이론은 이러한 관점에서 방정식의 해의 존재성을 다루는 비선형 함수해석학의 관심 분야이다. 그 중에서도 바나흐 …

이전 글에서 바나흐 공간에서의 미분을 정의하였다. 유한차원 미적분학에서 함수 \(f\)가 \(x\)에서 극값을 가질 필요조건이 \(f'(x) = 0\)인 것처럼, 무한차원 공간에서도 범함수 \(J\)가 \(y\)에서 극값을 가질 필요조건은 \(J'(y) = 0\)이다. 변분법(calculus of variations)은 이러한 원리를 바탕으로, 적분 형태로 표현된 범함수의 최솟값이나 최댓값을 찾는 수학 분야이다. 이 글에서는 변분법의 가장 기본이 되는 …

지난 글에서 우리는 바나흐 공간에서의 미분(프레셰 미분)을 정의하고, 이를 통해 비선형 함수를 국소적으로 선형 함수로 근사하는 방법을 살펴보았다. 이 글에서는 비선형 방정식의 해의 존재성과 유일성을 다루는 두 가지 중요한 정리인 역함수 정리(Inverse Function Theorem)와 음함수 정리(Implicit Function Theorem)를 증명할 것이다. 이 글에서 \(X,\, Y,\, Z\)는 바나흐 공간을 나타내며, \(U\)는 \(X\)의 …

일변수 미적분학에서 함수의 도함수 \(f’\)가 다시 미분가능하면 이계도함수 \(f”\)을 정의할 수 있다. 이와 마찬가지로, 바나흐 공간 사이의 함수 \(F : X \rightarrow Y\)에 대해서도 프레셰 도함수 \(F’ : X \rightarrow B(X, Y)\)가 다시 미분가능하다면 이계도함수를 정의할 수 있다. 이 글에서는 고계도함수의 정의를 살펴보고, 이것을 바탕으로 무한차원 공간에서의 테일러 정리(Taylor’s Theorem)를 …

지금까지 우리는 선형연산자 \(T : X \rightarrow Y\)를 주로 다루었다. 선형연산자는 공간의 구조를 보존하는 가장 기본적인 도구이다. 그러나 자연계의 많은 현상은 비선형 방정식으로 기술된다. 비선형 함수해석학(nonlinear functional analysis)은 이러한 비선형 문제를 해결하기 위한 방법을 연구한다. 미분적분학에서 곡선을 접선으로 근사하듯이, 무한차원 공간에서도 비선형 함수 \(F : X \rightarrow Y\)를 국소적으로(locally) 선형연산자로 …

연속형 자료를 일정한 폭으로 구간화하여 도수를 집계하고, 각 구간의 계급값(구간의 중앙값)을 대푯값으로 삼아 평균과 분산을 계산하는 방법은 도수분포표를 사용하여 평균과 분산을 구하는 잘 알려진 방법이다. 그러나 자료가 평균 부근에 집중되는 경우(예를 들어 정규분포) 구간의 가장자리에서는 조건부 평균(계급에 속한 자료의 평균)이 계급값보다 전체 평균 쪽으로 치우치게 되고, 이로 인해 분산이 과대추정된다. …