이번 포스팅에서는 Hilbert space에 정의되는 미분을 간략히 소개할 것이다. 이하에서 정의되는 미분은 norm이 정의된 Banach space에서 정의되지만, Hilbert space는 Banach space의 일종이므로 여기에서 등장하는 norm은 inner product로부터 유도된 norm으로 해석하면 된다.
Gâteaux Derivative
미적분학에서 다변수 함수
에 대하여, 방향
로 정의된다.
Directional derivative를 Banach space로 일반화한 개념을 Gâteaux Derivative라고 한다.
Banach space
가 존재하는 경우, 이를
만약 모든
만약
미적분학에서 directional derivative는 linearlity를 만족한다.
그러나 무한차원에서 정의되는 Gâteaux Derivative는 directional derivative와는 달리, 위와 같은 linearlity를 반드시 만족하는 것은 아니다.
미적분학에서 자주 사용되는 chain rule은 Gâteaux derivative에서도 사용할 수 있다. Gâteaux differentiable한 함수
를 만족한다.
Fréchet Derivative
Gâteaux derivative를 directional derivative가 일반화된 개념이라고 한다면, 다변수함수의 differential(또는 gradient)가 일반화된 개념은 Fréchet derrivative이다.
Banach space
를 만족하는 bounded linear operator
만약
Fréchet derivative는 gradient와 마찬가지로 linearlity를 만족한다.
또한 Fréchet differentiable한 함수
함수
Example: Euler-Lagrange Equation
Lagrangian mechanics의 핵심이 되는 calculus of variation의 functional derivative는 Fréchet derivative로 정의된다. 다만, Fréchet differentiable이면 Gâteaux differentiable이므로, 본 포스팅에서는 이해하기 좀 더 간단한 Gâteaux derivative로 설명한다.
1차원 선상을 움직이는 입자의 움직임을 표현하기 위해서는 시간에 대한 위치 함수
의 2차 미분방정식으로 표현되고, 이 2차 미분방정식을 풀어서
가 최소가 값이 되는
이 때 Lagangian
Action
이다.
이제
두번째 항을 integration by parts를 이용해,
우리는
를 얻는다. 최소값을 찾기위해, 모든
을 만족해야 한다. 이 식을 Euler-Lagrange equation이라고 한다. Lagrangian과 Euler-Lagrange equation을 이용해 물체의 운동을 기술하는 것은 --classical, lagrangian--에서 자세히 다룬다.
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