← 专著首页目录德麦国际专著第 70 号

第二十六章 退化定理

SDE数学解构导论 · 约 677 汉字

一、陈述

定理 26.1(退化定理). 设 J: [0,∞) → [0,∞) 有界、支撑在 [0,1] 内,记

M₂ = ∫ J(|w|) |w|² dw, M₄ = ∫ J(|w|) |w|⁴ dw,

二者均有限。令

c = M₂ / (2d).

则对任何 u ∈ C⁴(ℝᵈ) 且四阶导数有界,有

‖ℒ_r u − c·Δu‖∞ ≤ (M₄ / 24) · ‖D⁴u‖∞ · r² 对一切 r > 0.

特别地,ℒ_r u → c·Δu 一致收敛,收敛率 O(r²)。

二、证明

在 x 处展开 u(y),令 z = y − x:

u(x+z) − u(x) = ∇u(x)·z + ½ zᵀD²u(x) z + (1/6) D³u(x)[z,z,z] + R₄(z),

其中 |R₄(z)| ≤ (1/24)‖D⁴u‖∞ |z|⁴。

代入定义并作变量替换 z = r w(dz = rᵈ dw):

ℒ_r u(x) = ∫ r^(−d−2) J(|z|/r) (u(x+z) − u(x)) dz = ∫ r^(−2) J(|w|) (u(x+rw) −u(x)) dw.

一阶项. ∫ J(|w|) ∇u·(rw) dw · r^(−2) = r^(−1) ∇u · ∫ J(|w|) w dw = 0,因为 J径向对称故 w 的一次矩为零。

二阶项. r^(−2) · ½ ∫ J(|w|) (rw)ᵀ D²u (rw) dw = ½ ∫ J(|w|) wᵀ D²u w dw。由径向对称,

∫ J(|w|) w_i w_j dw = δ(ij) · (1/d) ∫ J(|w|)|w|² dw = δ(ij) M₂ / d,

故二阶项 = ½ · (M₂/d) · tr(D²u) = (M₂ / 2d) · Δu = c · Δu。三阶项. 被积函数是 w 的奇次齐次式,径向对称下积分为零。

余项. |r^(−2) ∫ J(|w|) R₄(rw) dw| ≤ r^(−2) · (1/24)‖D⁴u‖∞ · r⁴ ∫ J(|w|)|w|⁴ dw= (M₄/24)‖D⁴u‖∞ r²。∎

三、显式常数:以指示核为例

取 J = 𝟙[0,1](即在半径 r 的球内均匀加权)。记 σ(d) = 2π^(d/2)/Γ(d/2) 为单位球面面积,则

M₂ = σ(d) / (d+2), c = σ(d) / (2d(d+2)), M₄ = σ(d) / (d+4).

 维数                         c 的封闭形式                      数值
 d=1                        1/3                          0.333333333333
 d=2                        π/8                          0.392699081699
 d=3                        2π/15                        0.418879020479

四、验算一:精确乘子(解析)

取 d = 3、J = 𝟙[0,1]、u(x) = e^(i k·x)。由球内指数积分的闭式 ∫(|w|≤1) e^(iξ·w) dw = 4π(sin|ξ| − |ξ|cos|ξ|)/|ξ|³,得共振算子的乘子

m(r) = r^(−2) [ 4π(sin t − t cos t)/t³ − 4π/3 ], t = r|k|.

把 sin t − t cos t = t³/3 − t⁵/30 + t⁷/840 − ⋯ 代入并整理:

m(r) = −(2π/15)|k|² + (π/210) r²|k|⁴ − ⋯

第一项恰为 c·Δ 的乘子 −c|k|²,验证 c = 2π/15;第二项给出误差的精确首项 (π/210) r²|k|⁴。取 |k| = 2 计算:

 r            m(r)          −c|k|²        误差             预测         比值
 0.400        −1.63766      −1.67551      3.785e−0       3.830e−0   0.988234
              9             6             2              2
 0.200        −1.66597      −1.67551      9.546e−0       9.574e−0   0.997042
              0             6             3              3
 0.100        −1.67312      −1.67551      2.392e−0       2.394e−0   0.999260
              4             6             3              3
 0.050        −1.67491      −1.67551      5.983e−0       5.984e−0   0.999815
              8             6             4              4
 0.025        −1.67536      −1.67551      1.496e−0       1.496e−0   0.999951
              6             6             4              4
比值单调趋于 1,确认误差的阶与常数都对。同时可核对定理给出的上界:M₄/24 ·
‖D⁴u‖ 在此情形化为 (1/24)·(4π/35)|k|⁴ = (π/210)|k|⁴,与精确首项逐字相同——即
定理 26.1 的常数在指示核与指数函数上是紧的。

五、验算二:对偶蒙特卡罗(与验算一互不依赖)

取 d = 3、J = 𝟙[0,1]、u(x) = sin x₁ cos x₂ + x₃³、x = (0.3, 0.2, 0.1),用对偶采样 (z, −z)消去奇次项后直接数值积分(4×10⁶ 样本):

r             ℒ_r u         c·Δu          误差            收敛阶
0.400         0.01142896    0.00868798    2.741e−03     —
              8             9
0.200         0.00936516    0.00868798    6.772e−04     2.017
              9             9
0.100         0.00884634    0.00868798    1.584e−04     2.096
              6             9
0.050         0.00871646    0.00868798    2.847e−05     (抽样噪声
              1             9                           主导)

前两个收敛阶 2.017 与 2.096 独立确认 O(r²)。r 更小时误差已降到 10⁻⁵ 量级,蒙特卡罗噪声开始主导,此时的阶数不再可读——这一行保留在表中,是为了说明数值方法自身的有效范围,而不是为了充数。

[证据分级:定理 26.1 属第一层,证明不依赖任何计算。第三节的常数属第一层(封闭形式)。第四节属第一层(解析展开)。第五节属第三层(数值),其作用是独立佐证,不承重。]

六、推论:经典微积分是伞模型的一个极限

推论 26.2. 在 J 与正则性条件下,经典二阶微分算子是共振算子族 {ℒ_r} 在

r→0 时的极限,且差异为 O(r²)。

把它放回第 53 号的框架:那里说传统数学是 r→0、ω=1、v→∞ 的三重退化,本推论给出的是其中 r→0 那一重的定量版本——带条件、带显式常数、带 O(r²) 收敛率。另外两重(ω 与 v)本书未处理。

这句话的意义不在于"经典理论被包含了"——那只是一个包含关系,本身不产生任何新东西。意义在于它的逆用:

既然经典理论是 r→0 的那一层,那么在 r→0 中被抹去的一切,经典理论结

构性地看不见。

下一章处理的就是"被抹去的是什么"。

德麦国际专著第 70 号 · 王德生《SDE数学解构导论》