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关于导数算子转置推导中边界条件及分部积分项消失的疑问

关于导数算子转置推导中边界条件及分部积分项消失的疑问

嘿,我来帮你把这个问题理清楚!你提到的分部积分后边界项消失的情况,确实是依赖于常微分方程里的标准边界条件假设,咱们一步步拆解来看:

首先先回顾一阶项的分部积分过程:
对于$\int_{-\infty}^{\infty} f'(t)g(t)dt$,用分部积分公式$\int u dv = uv - \int v du$,这里取$u=g(t)$,$dv=f'(t)dt$,那么$du=g'(t)dt$,$v=f(t)$,代入后得到:
$$\int_{-\infty}^{\infty} f'(t)g(t)dt = \left.f(t)g(t)\right|{-\infty}^{\infty} - \int{-\infty}^{\infty} f(t)g'(t)dt$$

这里的边界项$\left.f(t)g(t)\right|_{-\infty}{\infty}$之所以消失,是因为在这类微分算子转置的推导中,我们默认研究的是**在无穷远处趋于0的函数空间**(比如平方可积的$L2(\mathbb{R})$空间,或者具有紧支集的函数——也就是只在有限区间内非零的函数)。对于这类函数,当$t\to\pm\infty$时,$f(t)$和$g(t)$都会趋近于0,所以这个边界项的结果就是$0 - 0 = 0$,于是就得到了你看到的$\int f'g = -\int fg'$。

接下来看二阶项$\int_{-\infty}^{\infty} f''(t)g(t)dt$,我们需要做两次分部积分:
第一次分部积分,取$u=g(t)$,$dv=f''(t)dt$,则$du=g'(t)dt$,$v=f'(t)$,代入后得到:
$$\int_{-\infty}^{\infty} f''(t)g(t)dt = \left.f'(t)g(t)\right|{-\infty}^{\infty} - \int{-\infty}^{\infty} f'(t)g'(t)dt$$
然后对右边的积分再做一次分部积分,取$u=g'(t)$,$dv=f'(t)dt$,则$du=g''(t)dt$,$v=f(t)$,代入后得到:
$$-\int_{-\infty}^{\infty} f'(t)g'(t)dt = -\left.f(t)g'(t)\right|{-\infty}^{\infty} + \int{-\infty}^{\infty} f(t)g''(t)dt$$

把这两步的结果合并起来,总积分就变成:
$$\int_{-\infty}^{\infty} f''(t)g(t)dt = \left.f'(t)g(t) - f(t)g'(t)\right|{-\infty}^{\infty} + \int{-\infty}^{\infty} f(t)g''(t)dt$$

同样的道理,因为我们假设$f$和$g$在无穷远处趋于0,它们的一阶导数在无穷远处也会趋于0(这是这类函数空间的基本性质),所以边界项$\left.f'(t)g(t) - f(t)g'(t)\right|_{-\infty}^{\infty}$的结果也是$0 - 0 = 0$,于是就得到了$\int f''g = \int fg''$。

回到你最开始的算子转置推导,把上面这两个分部积分的结果代入,就能顺利得到$D^T = \frac{d2}{dt2} - B \frac{d}{dt} + C$的结论啦。

简单总结一下:你并没有漏掉什么,只是这个推导默认了函数在无穷远处衰减到0的常规边界条件——这是处理这类微分算子转置时的标准设定,目的就是让分部积分产生的交叉边界项消失,从而得到简洁的转置算子形式。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Lynette

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