Преобразование Лежандра

Преобразование Лежандра для заданной функции  — это построение функции , двойственной ей по Юнгу. Если исходная функция была определена на векторном пространстве , её преобразованием Лежандра будет функция, определённая на сопряжённом пространстве , то есть на пространстве линейных функционалов на пространстве .

Мотивация

Возможная мотивация может быть выражена в виде менее общего определения. Преобразование Лежандра — это такая замена функции и переменной, при которой старая производная принимается за новую переменную, а старая переменная — за новую производную.

Выражение для дифференциала

в силу того, что , может быть записано в виде

Если теперь принять, что

что и является преобразованием Лежандра , тогда

При этом новая переменная равна старой производной, а старая переменная равна новой производной:

Определения могут отличаться знаком . Если исходных переменных больше, чем одна, преобразование Лежандра может быть осуществлено по любому подмножеству из них.

Определение

Аналитическое определение

Преобразованием Лежандра функции , заданной на подмножестве векторного пространства , называется функция , определенная на подмножестве сопряжённого пространства по формуле

где  — значение линейного функционала на векторе . В случае гильбертова пространства  — обычное скалярное произведение. В частном случае дифференцируемой функции, заданной в , переход к сопряженной функции осуществляется по формулам

причём нужно выразить через из второго уравнения.

Геометрический смысл

Для выпуклой функции её надграфик есть выпуклое замкнутое множество, границей которого является график функции . Множество опорных гиперплоскостей к надграфику функции есть естественная область определения её преобразованием Лежандра Если  — опорная гиперплоскость (в нашем случае касательная) к надграфику, она пересекает ось в некоторой единственной точке. Её -координата, взятая со знаком минус, и есть значение функции .

Соответствие определено однозначно в области, где функция дифференцируема. Тогда  — касательная гиперплоскость к графику в точке . Обратное соответствие определено однозначно тогда и только тогда, когда функция строго выпукла. В этом случае  — единственная точка касания опорной гиперплоскости с графиком функции

Если функция дифференцируема и строго выпукла, определено соответствие сопоставляющее гиперплоскости дифференциал функции в точке . Это соответствие взаимно однозначно и позволяет перенести область определения функции в пространство ковекторов которыми являются дифференциалы функции .

В общем случае произвольной невыпуклой функции геометрический смысл преобразования Лежандра сохраняется. В силу опорного принципа, выпуклая оболочка надграфика является пересечением полупространств, задаваемых всеми опорными гиперплоскостями, поэтому для преобразования Лежандра существенна лишь выпуклая оболочка надграфика . Таким образом, случай произвольной функции легко сводится к случаю выпуклой. Функция даже не обязана быть дифференцируемой или непрерывной, её преобразование Лежандра всё равно будет выпуклой полунепрерывной снизу функцией.

Свойства

  1. Теорема Фенхеля — Моро: для собственной выпуклой полунепрерывной снизу функции f, заданной на рефлексивном пространстве, преобразование Лежандра является инволютивным, то есть . Легко убедиться, что если выпуклым замыканием функции f является функция g, то f* = g*. Отсюда следует, что для невыпуклой функции, выпуклое замыкание которой — собственная функция,
    ,
    где  — выпуклое замыкание функции f.
  2. Непосредственно из аналитического определения следует неравенство Юнга — Фенхеля:
    , причём равенство достигается, только если p = F́(x).
    (Часто неравенством Юнга называют частный случай этого неравенства для функции , a > 1.)
  3. В вариационном исчислении (и основанной на нём лагранжевой механике) преобразование Лежандра обычно применяется к лагранжианам действия по переменной . Образом лагранжиана становится гамильтониан действия H(txp), а уравнения Эйлера — Лагранжа для оптимальных траекторий преобразуются в уравнения Гамильтона.
  4. Используя тот факт, что , легко показать, что .

Примеры

Степенная функция

Рассмотрим преобразование Лежандра функции , (, ), определённой на . В случае чётного n можно рассматривать .

Отсюда выражаем , получаем

Итого получаем преобразование Лежандра для степенной функции:

Легко проверить, что повторное преобразование Лежандра даёт исходную функцию .

Функция многих переменных

Рассмотрим функцию многих переменных, определённую на пространстве следующего вида:

действительная, положительно определённая матрица, константа. Прежде всего убедимся, что сопряженное пространство, на котором определено преобразование Лежандра, совпадает с . Для этого нам нужно убедиться в существовании экстремума функции .

В силу положительной определённости матрицы , мы получаем, что точка экстремума является максимумом. Таким образом для каждого существует супремум. Вычисление преобразования Лежандра проводится непосредственно:

Применения

Гамильтонова механика

В лагранжевой механике система описывается функцией Лагранжа. Для типичной задачи функция Лагранжа выглядит следующим образом:

, со стандартными евклидовым скалярным произведением. Матрица считается действительной, положительно определённой. В том случае, когда лагранжиан не вырожден по скоростям, то есть

можно сделать преобразование Лежандра по скоростям и получить новую функцию, называемую гамильтонианом:

Термодинамика

В термодинамике очень часто встречаются самые разные термодинамические функции, дифференциал которых выглядит в самом общем случае как

К примеру, дифференциал для внутренней энергии выглядит следующим образом:

Энергия тут представлена как функция переменных . Подобные переменные называются естественными. Например, свободная энергия получается как преобразования Лежандра внутренней энергии:

В общем случае, если мы хотим перейти от функции к функции , то следует сделать преобразование Лежандра:

Теория поля. Функциональное преобразование Лежандра

В квантовой теории поля очень часто используется функциональное преобразование Лежандра. Исходным объектом являются связные функции Грина, которые обозначаются , где  — некоторые внешние поля. Преобразованием Лежандра по полю А называют следующую функцию[1]:

Знак интегрирование обычно не пишут. определяется следующим выражением[1]:

означает вариационную производную. При помощи свойства вариационной производной несложно вывести следующее соотношение, связывающее и . Действительно:

Другими словами, функционалы и , с точностью до знака, являются обратными друг к другу. Символически это записывают следующим образом:

Примечания

  1. 1 2 Васильев А. Н. Функциональные методы в квантовой теории поля и статистике. — Ленинград, 1976. — С. 81. — 295 с.

Литература