TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Mehmet ÖZCEYLAN TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN-EDEBİYAT FAKÜLTESİ MATEMATİK BÖLÜMÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ MATEMATİK ANABİLİM DALI 006 EDİRNE Tez Yöneticisi: Yard. Doç. Dr. Adem DALGIÇ

2 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR PARAMETRELİ LİE GRUPLARININ DİFERANSİYEL DENKLEMLERE UYGULANMASI Mehmet ÖZCEYLAN YÜKSEK LİSANS TEZİ MATEMATİK ANABİLİM DALI Tez Yöneticisi: Yard. Doç. Dr. Adem DALGIÇ 007 EDİRNE

3 TRAKYA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BİR PARAMETRELİ LİE GRUPLARININ DİFERANSİYEL DENKLEMLERE UYGULANMASI Mehmet ÖZCEYLAN YÜKSEK LİSANS TEZİ MATEMATİK ANABİLİM DALI Bu tez /0/007 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından kabul edilmişitr. Prof. Dr. Hasan AKBAŞ Üye Prof. Dr. Hülya İŞCAN Üye Yard. Doç. Dr. Adem DALGIÇ Danışman 3

4 ÖZET Diferansiyel denklemlerin bir parametreli Lie grubu dönüşümleri yardımı ile çözülmesinin anlatıldığı bu çalışma 6 bölümden oluşmaktadır. I. bölümde bir parametreli dönüşümlerin, Lie grup yapısı ile bu dönüşümlerden ortaya çıkan grup operatörü ve bu operatörün temel özellikleri, yörünge, invaryant noktalar, eğriler ve fonksiyonlar ile ilgili tanımlar verilmiştir. Bunun yanında değişken değiştirme ve kanonik değişkenlerin tanımlanması anlatılmış ve bölümün son konusunda tüm anlatılanlar 3 ve n değişkenli durumda tekrar özetlenmiştir. II. bölümde genişletilmiş dönüşüm grupları ve genişletilmiş grup operatörü tanımlanarak, birinci mertebeden diferansiyel denklemlerin altında invaryant oldukları grup operatörleri yardımı ile çözülmesi anlatılmıştır. III. bölümde genişletilmiş grup operatörü daha da genellenerek, ikinci mertebe diferansiyel denklemlerin verilen bir grup altında invaryant olması koşulları anlatılmış ve bu koşullar n inci mertebeden diferansiyel denklemler için de incelenmiştir. IV. bölümde, birinci mertebeden lineer kısmi diferansiyel denklemlerin tam sistem oluşturma koşulu incelenerek, bu denklemlerin altında invaryant oldukları operatörler ile tam sistem oluşturmasına dayanan bir çözüm metodu verilmiştir. V. bölümde ikinci mertebe adi diferansiyel denklemlerin bir veya iki grup operatörü altında invaryant olma koşulu incelenmiştir. VI. bölümde çalışılan konun genel değerlendirmesi ve tartışması yapılmıştır. EK-A ve EK-B de bölümlerde anlatılan metotların birer uygulaması yapılarak, EK-C de birinci mertebeden adi diferansiyel denklemleri, altında invaryant olduğu gruplara göre sınıflandıran bir tabloya yer verilmiştir. i 4

5 SUMMARY This study, which explains the solution of differantial equations with the help of one parameter Lie Group transformations, consists of six chapters. In chapter I, oneparameter transformations, the infinitesimal transformation obtained from these Lie Group structure transformations, and basic characteristics of these transformations and the definitions of orbit, invariant points, curves and functions are given. Besides this, the definitions of variable change and canonical variables are explained, and at the last part of this chapter, all the explained information is summarized again with 3 and n - variable structures. In Cahapter II, the concept of extended transformation groups and operators is introduced and the solution of the first order differantial equations with the help of the group operastors under which these equations are invariant is explained. In Chapter III, the concept of extended group operator is more generalized and the conditions of invariant structure of second order differantial equations with a given group operator are discussed, and these conditions are examined for th n order differantial equations. In Chapter IV, the condition of formation of a complete system from the first order linear partial differantial equations is discussed, and a method of solution depending on the formation of complete system with the operators under which these equations are invariant is given. In Chapter V, the condition in which the second order ordinary differantial equations become invariant under one or two group operator is discussed. In Chapter VI, a general evaluation and discussion of this study is given. In EK-A and EK-B, an application of the given methods are explained, and the first order ondinary differantial equations and the group operators under which they become invariant are listed in a table in EK-C. ii 5

6 ÖNSÖZ Bu çalışmanın en başından en sonuna kadar büyük katkılarından dolayı danışman hocam Yard. Doç. Dr Adem DALGIÇ a, en içten teşekkürlerimi sunuyorum. Mehmet ÖZCEYLAN iii 6

7 İÇİNDEKİLER ÖZET i SUMMARY ii ÖNSÖZ iii I. BÖLÜM / BİR PARAMETRELİ LİE GRUPLARI.... Giriş Dönüşümler Grubu Sonsuz Küçük Dönüşüm Lie Operatörü Lie Operatörünün Ürettiği Dönüşüm Grubu Lie Operatöründen Dönüşüm Grubunun Bulunmasında İkinci Yol İnvaryantlar Yörüngeler, İnvaryant Noktalar Ve İnvaryant Eğriler İnvaryant Eğriler Ailesi Değişkenlerin Değiştirilmesi Kanonik Form Ve Değişkenler İkiden Fazla Değişken İçeren Gruplar II. BÖLÜM / BİRİNCİ MERTEBEDEN DİFERANSİYEL DENKLEMLER İntegrasyon Çarpanı Genişletilmiş Lie operatörü Altında İnvaryant Diferansiyel Denklem Bir Diferansiyel Denklemin Verilen Bir Grup Altında İnvaryantlığı İçin İkinci Kriter İki İntegrasyon Çarpanı Bir Diferansiyel Denklemin İnvaryant Bırakan Grup Operatörü İçin Genel İfade

8 .6. Belirli Bir Grup Operatörü Altında İnvaryant Diferansiyel Denklemler Değişkenlerin Ayrılması.. 36 III. BÖLÜM / İKİ VE DAHA YÜKSEK MERTEBEDEN DİFERANSİYEL DENKLEMELER İki Kez Genişletilmiş, n Kez Genişletilmiş Grup Grup Operatörü Altında İnvaryant İkinci Mertebeden Diferansiyel Denklem Grup Operatörü Altında İnvaryant İkiden Yüksek Mertebeli Diferansiyel Denklem IV. BÖLÜM / BİRİNCİ MERTEBEDEN LİNEER KISMİ DİFERANSİYEL DENKLEMLER Tam Sistem Tam Sistemin Çözüm Metodu Çözümün İkinci Metodu Grup Operatörü Altında İnvaryant Lineer Kısmi Diferansiyel Denklem Grup Operatörü Altında İnvaryant Lineer Kısmi Diferansiyel Denklemin Çözüm Metodu Jacobi Özdeşliği İki Grup Operatörü Altında İnvaryant Lineer Kısmi Diferansiyel Denklem İki Grup Operatörü Altında İnvaryant Lineer Kısmı Diferansiyel Denklemin Çözüm Metotları.. 6 V. BÖLÜM / İKİNCİ MERTEBEDEN ADİ DİFERANSİYEL DENKLEMLER Grup Operatörü Altında İnvaryant İkinci Mertebeden Diferansiyel Denklem İki Grup Operatörü Altında İnvaryant İkinci Mertebeden Diferansiyel Denklem..67 8

9 5.3. İkinci Mertebeden Bir Diferansiyel Denklemi İnvaryant Bırakan Lineer Bağımsız Grup Operatörlerinin Sayısı VI. BÖLÜM Tartışma... 7 EKLER. 7 EK-A EK-B.. 79 EK-C.. 85 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ. 89 9

10 I. BÖLÜM BİR PARAMETRELİ LİE GRUPLARI. Giriş Burada anlatılan konulara genel bir bakış açısı sağlamak ve konu hakkında basitçe bir fikir edinmek için bu çalışmanın ana temasını oluşturan diferansiyel denklemler ve Lie Teorisi nin kronolojik gelişim süreci, genel çalışmaya bir giriş olarak aşağıda kısaca anlatılmıştır. Diferansiyel denklemlerin gelişimi ile matematiğin gelişimi birbirinden ayrılmaz parçalardır. Diferansiyel denklem konusu 7.yüzyılda İsaac Newton un (64 77) ve Wilhelm Leibniz in (646 76) çalışmalarına dayanır. Newton, uzayda hareket eden cisimlerin durumlarını matematiksel olarak betimlemek için kullandığı birinci mertebeden diferansiyel denklemleri dy / dx = f ( x), dy / dx f ( ( ) = ve dy / dx = f x, y formlarına göre sınıflandırmıştır. Leibniz, Newton dan çok kısa bir süre sonra bağımsız olarak çok temel sonuçlara ulaşmış, matematiksel gösterimleri daha kuvvetli biçimde kullanmıştır. Günümüzde kullanılan / dy dx ve f ( ) x dx gösterimleri ona aittir. Leibniz 69 de diferansiyel denklemlerin değişkenlere ayrılarak çözülmesi metodunu, homojen denklemlerin değişkenlerine ayrılabilir türe indirgenmesini ve lineer denklemlerin çözüm prosedürünü ortaya koymuştur. Jacob ( ) ve Johann ( ) Bernoulli kardeşler diferansiyel denklemlerin çözüm metotları konusunda çok daha ileri gelişimler sağlamışlar ve uygulama alanlarını genişletmişlerdir. Onlar, mekaniğin birçok problemini diferansiyel denklem olarak formüle ederek çözmüşler ve ilgili makalelerde modern anlamda integral terimini ilk defa kullanmışlardır. 8. yüzyılın en büyük matematikçisi hiç şüphesiz ki Leonhard Euler dir ( ) ve kendisi Johann Bernoulli nin öğrencisidir. Euler yıllarında birinci mertebeden diferansiyel denklemler için tamlık koşulunu tanımlamış

11 ve ilgili makalede integrasyon çarpanları teorisini geliştirmiştir. İlave olarak sabit katsayılı homojen lineer denklemler için genel çözüm metodunu vermiştir yılları arasında Joseph Louis Lagrange (736 83) n. mertebeden lineer homojen diferansiyel denklemin genel çözümünün n bağımsız çözümün bir lineer kombinasyonu olduğunu gösterir. 8. yüzyılın sonlarına kadar adi diferansiyel denklemlerin çözümü için birçok elemanter metot keşfedilmiştir. 9. yüzyılda ise bütün ilgi, varlık teklik gibi teorik sorular ile kuvvet serileri tabanlı çözüm yöntemlerine yöneldi. Bununla birlikte aynı yüzyılın sonlarına doğru, invaryant teorisi matematikteki en gösterişli araştırma alanlarından birisiydi. Sophus Lie (84 899), Felix Klein (849 95), David Hilbert, Elie Cartan (869 95) gibi birçok ünlü matematikçinin bu konunun gelişmesine büyük katkıları olmuştur. Gerçekten bu eski kavram günümüz matematiğinin hala çok güncel bir konusudur. İnvaryantlık kavramı yeterince karmaşık bir olgu olduğundan, yukarıda anılan yıllarda bu kelime birçok farklı anlamda kullanılmış ve birçok farklı objeye uygulanmıştır. Bizim konumuzun genel çerçevesinde invaryantlar bazı dönüşümler altında değişmez kalan objelerdir. Lie grupları, Norveçli Matematikçi Sophus Lie tarafından kendisinin geometri ve diferansiyel denklemlerin integrasyon metotları üzerindeki çalışmalarının bir sonucu olarak tanımlandı. Sophus Lie matematikçiler arasında Lie grupları olarak adlandırılan modern teorinin doğmasını sağlayan dönüşüm teorisinin kurucusu olarak bilinir. Lie grupları sürekli geometrilerin simetrileridir ve geniş olarak geometrik invaryantların inşasında kullanılır. Bu nedenle sonlu boyutlu durumda Lie teorisi lineer cebrin bir genellemesi olarak görülür. Bu çalışmada, bir parametreli Lie gruplarının sürekli dönüşümlerinden yola çıkılarak elde edilen infinitezimal dönüşüm operatörünün, invaryant eğriler ve fonksiyonlar kavramı ile bütünleşip nasıl birinci, ikinci ve daha yüksek mertebeden adi diferansiyel denklemler ile kısmi diferansiyel denklemlerin çözümünde kullanıldığı gösterilecektir. En genel ifade ile diferansiyel denklemi integre etme probleminin, denklemi değişmez bırakan bir parametreli grubun bulunması problemine indirgenmesi bu konunun omurgasını oluşturmaktadır. Bu çözüm metotlarının yanı sıra bu diferansiyel denklemler, altında invaryant oldukları dönüşümlere göre sınıflandırılacaklardır.

12 .. Dönüşümler Grubu G boş olmayan bir kümeyi ve sembolü de G üzerinde tanımlı bir ikili işlemi ifade etsin, ( G, ) ikilisine aşağıdaki koşulları sağlaması durumunda bir grup denir.. a, b G için a b G dir,. a, b, c G için ( a b) c = a ( b c) dir, 3. e G a G için a e = e a = a sağlanır, 4. a G için a G = = sağlanır. a a a a e Şimdi a R için, R { } R, : { a} φ : a ψ R R (..) fonksiyonları x, y değişkenleri ve a parametresinin iki analitik fonksiyonu olsun. olmak üzere T : R R a (,, ), ψ (,, ) φ x y a = x x y a = y (..) ( x, Ta ( x, = ( φ ( x,, ψ ( x, ) = ( x, y ) dönüşümü yazılarak aşağıdaki küme tanımlansın. { a } (..3) G = T a R (..4) Eğer (..4) kümesi üzerinde bir ikili işlem : G G G ile aşağıdaki koşulları (, ) Ta Tb Ta T b sağlıyorsa, bir parametreli Lie Grubu adını alır.. Ta ( x, = ( φ ( x, y, a), ψ ( x, y, a) ) ve Tb ( x, = ( φ ( x, y, b), ψ ( x, y, b) ) eşitlikleri ile yazılan T, T G için; a b ( Ta Tb )( x, = Ta Tb ( x, = Ta ( φ ( x, y, b), ψ ( x, y, b) ) = φ ( φ ( x, y, b), ψ ( x, y, b), a), ψ ( φ ( x, y, b), ψ ( x, y, b), a) ( ) 3

13 ( φ φ x, y, b, ψ x, y, b, a, ψ φ x, y, b, ψ x, y, b, a ) = Tc ( x, işlemi sonucunda, ( ( ) ( ) ) ( ( ) ( ) ) eşitliğine uyan c R olmak üzere Tc a b c G vardır.. T, T, T G için ( T T ) T = T ( T T ) dir. a b c a b c dir. 3. Öyle T G özdeşlik dönüşümü vardır ki, ( x, R için a0 a 0 (, ) = (, ) T x y x y 4. Ta G için T T = T T = T a a a a a0 sağlayan T G vardır. a Burada a parametre değeri değiştikçe, noktalarını φ ve ψ analitik fonksiyonları vasıtası ile, olacak şekilde (, ) T dönüşümleri düzlemdeki ( x, a x = φ( x, y, a), y = ψ ( x, y, a) (..4) x y noktalarına taşımaktadırlar. Bir parametreli Lie grubunu inşa eden φ ve ψ fonksiyonlarına grubun sonlu dönüşümleri denir. Parametrenin sonsuz küçük artımda değişmesi durumunda ( x, noktası da sonsuz küçük miktarda yer değiştirerek (, ) x y noktasına dönüşecektir. Geometrik açıdan bakıldığında, bu dönüşümlerin sürekliliği ( x, noktalarını bir takım eğriler üzerindeki çeşitli noktalara dönüştürecektir. Böyle eğrilere bir parametreli dönüşüm grubunun yörüngeleri denir. x ve y değişken, x 0 ve y0sabit olarak düşünüldüğünde, x = φ( x0, y0, a), y = ψ ( x0, y0, a) denklemlerinin, sabit ( x0, y0 ) noktasından geçen yörüngenin parametrik denklemleri olduğu açıktır. Sonuç olarak, herhangi ( x0, y 0 ) noktasına karşılık gelen yörünge denklemi (..3) deki iki denklemden a parametresinin yok edilmesi ile elde edilebilir. 4

14 .3. Sonsuz Küçük Dönüşüm Şimdi dönüşüm grubunun sonlu dönüşümleri olan φ ( x, y, a), ψ ( x, y, a) fonksiyonlarını Taylor serisine açalım. Bu durumda, φ x = φ( x, y, a0 ) + δ a +, a a0 elde edilir. φ ( x, y, a0 ) = x, ψ ( x, y, a0 ) = y olduğundan, ψ y = ψ ( x, y, a0 ) + δ a + (.3.) a a0 δφ x x = δ x = +, δ a a0 δψ y y = δ y = + (.3.) δ a a0 şeklinde olur. Elde edilen son ifadede a 0 sabit bir parametre değeri olduğundan φ a ψ a ve a 0 a 0 ifadelerinin değişkenleri x ve y dir. Burada, φ a a0 = ξ ( x, ve ψ a a0 = η( x, (.3.3) şeklinde yazıldığında dönüşüm, δ x = ξ ( x, δa +, δ y = η( x, δa + (.3.4) halini alır. Bu durumda x ve y de sonsuz küçük değişim üreten dönüşüm, δ x = ξ( x, δa, δ y = η( x, δa (.3.5) şeklini alır. Bu (.3.5 ) dönüşümü sonsuz küçük dönüşüm olarak adlandırılır..4. Lie Operatörü f ( x, x ve y nin analitik bir fonksiyonu olsun. Sonsuz küçük dönüşümü bu fonksiyona f ( x + ξδ a, y + ηδa) şeklinde uygulayarak Taylor serisine açalım. Bu durumda, f ( x + ξδ a, y + ηδa) = f ( x, + ξ + η δa + (.4.) ifadesi elde edilir. Bu ifadeyi, 5

15 f ( x + ξδ a, y + ηδa) f ( x, = ξ + η δa + (.4.) şeklinde yazıp (.4.) ifadesinde, δ f = f ( x + ξδ a, y + ηδ a) f ( x, (.4.3) ve Uf = ξ + η (.4.4) olarak aldığımızda, δ f = Ufδa + (.4.5) eşitliğine ulaşırız. Burada elde ettiğimiz U = ξ ( x, + η ( x, ifadesine Lie operatörü denir. Ayrıca sonsuz küçük operatör, grup operatörü, grup üreteci gibi terimler de bu operatör için kullanılır..5. Lie Operatörünün Ürettiği Dönüşüm Grubu Konu.3 de grubun sonsuz küçük dönüşümünün bulunması için bir metot kullanıldı. Bunun tersi de mümkündür, sonsuz küçük dönüşüm bilindiğinde bir parametreli grubun sonlu dönüşümleri elde edilebilir. Sonsuz küçük dönüşüm δ x = ξ ( x, δt, δ y = η( x, δt (.5.) ( x, noktasını, komşu ( x + ξδ t, y + ηδt) pozisyonuna taşır. Bu dönüşümün sonsuz defa tekrarlanması sonucu nokta tam olarak, ( x, noktasından geçen ve dx dt dy = ξ( x, ), = η( x, (.5.) dt y diferansiyel denklem sisteminin integral eğrisi olan bir eğri boyunca taşınır. Yukarıdaki işlemin belli bir aşamasında x ve y, x ve y e dönüşür ve dönüşüm formülü (.5.) nin veya bunlara denk olan, dx dy dt = = (.5.3) ξ x, y ) η ( x, y ) ( 6

16 denklem sisteminin çözümleri ile verilir ve burada t = 0 için x ve y sırasıyla x ve y e indirgenir. t = 0 iken x = x ve y = y olduğundan dolayı (.5.3) deki eşitliklerin t den bağımsız olan ilk ikisi, çözümü u x, y ) = sabit = u( x, ) (.5.4) ( y şeklinde yazılabilen bir diferansiyel denklem formuna girer. Bu da ( x, noktasına karşılık gelen yörünge denklemidir. u( x, y ) = c eşitliğini değişkenlerden birine göre çözdüğümüzde, örneğin x = w( y, ) elde edip η de yerine koyduğumuzda, elde edilen diferansiyel denklem c dy = dt η[ w( y, c), y ] şeklindedir. Son olarak x ve y e bağı c değeri yerine konulduğunda çözüm, formuna girer. v( x, y ) t = sbt. = v( x, (.5.5) Sonuçta (.5.) ve (.5.3) in çözümü olarak x, y değişkenlerinin belirlendiği ve t = 0 için x ve y ye indirgenen denklem sistemi, u( x, y ) = u( x, v( x, y ) = v( x, + t (.5.6) şeklinde elde edilir. Burada t nin bütün değerlerine karşılık gelen tüm (.5.6) dönüşümleri, Konu. de tanımlanan bir parametreli Lie grubu yapısı oluşturur. Bu grup ( ister (.5.6) formunda olsun, ister x ve y değişkenlerine göre çözülmüş olsun) Lie operatörü tarafından üretilen dönüşüm grubu olarak adlandırılır. 7

17 .6. Lie Operatöründen Dönüşüm Grubunun Bulunmasında İkinci Yol Bir parametreli Lie grubunun sonlu dönüşümleri aşağıda ele alındığı şekilde, herhangi bir integral alma işlemi yapılmaksızın da elde edilebilir. f ( x, fonksiyonunun analitik olduğu kabul edilirse, f x, y ) t ye bağlı ( olduğundan, bu fonksiyon t parametresinin kuvvetlerinde Maclaurin serisine açılabilir: burada, f t f = + + f t + (.6.) t 0 t! 0 f = f ( x,, f = f ( x, y ) (.6.) şeklindedir. Ayrıca, ve ξ dir. Sonuç olarak, dir. Devam edilirse, =, t η =, t U f = ξ + η t t (.6.3) ( ξ ) 0 = ξ, ( η ) = η, U f = Uf 0 ( ) 0 (.6.4) t = U f ve t = 0 Uf (.6.5) olur. Bu nedenle, f t = U t f = U U f U f (.6.6) elde edilir. Aynı şekilde, f t 0 = UUf = U f (.6.7) 3 f 3 t 0 = UUUf = işlem devam edecektir. Sonuç olarak 3 U f (.6.8) t f = f + Uft + U f + (.6.9)! 8

18 ifadesine ulaşılır. Bu son ifadede f yerine sadece x ve y değişkenleri konulduğunda, grubun sonlu dönüşümleri, elde edilir. tu t x = e x = x + Uxt + U x +! tu t y = e y = y + Uyt + U y! + (.6.0).7. İnvaryantlar Bir parametreli grubun dönüşümleri f ( x, fonksiyonu değişmez bırakıyorsa, bu fonksiyona grubun bir invaryantı ( veya grup altında invaryant fonksiyon) denir. Teorem: f ( x, nin bir parametreli grup altında invaryant olması için gerek ve yeter koşul Uf = 0 olmasıdır. Konu.6 da t f ( x, f ( x, = Uft + U f + (.7.)! olduğunu gördük. Burada t parametresinin bütün değerlerine karşılık x, y değerlerinin x ve y değerlerine dönüştüğü bir parametreli dönüşüm grubunda, bütün x, y değerleri için f x, y ) = f ( x, ) olması için, (.7.) eşitliğinin sağ tarafındaki ( y katsayıların sıfır olması gerek ve yeterdir. Özellikle, olması gerektir. Uf = ξ + η = 0 (.7.) İlave olarak, U f = UUf, U 3 = UU f, olduğundan, hemen söyleyebiliriz ki, tüm x, y ve t değerleri için (.7.) ifadesi f x, y ) = f ( x, ) olması için yeterdir. ( y İnvaryant fonksiyonu belirlemek için, 9

19 Uf = ξ + η = 0 (.7.3) diferansiyel denklemini çözmek gereklidir. Bu denkleme karşılık gelen adi diferansiyel denklem sistemi, olup, çözümü olur. dx dy df = = (.7.4) ξ η 0 f = sabit denklemin bir çözümüdür. Bunun yanında, eğer u ( x, = sabit şeklinde ise (.7.3) ün çözümü Lagrange metodu ile dx dy = denkleminin ξ η f = F(u) (.7.5).8. Yörüngeler, İnvaryant Noktalar Ve İnvaryant Eğriler Konu.5 te görüldüğü gibi, bir parametreli dönüşüm grubuna ait yörüngelerin diferansiyel denklemi, grubun sonsuz küçük dönüşümünden kolayca elde ediliyordu. Yani x ve y değişkenleri ile denklem, dy η = veya dx ξ şeklindedir. Bu denklemin genel çözümü olan dx dy = (.8.) ξ η u ( x, = sabit dönüşüm grubunun yörüngelerinin denklemidir. Burada u ( x, dönüşüm grubunun bir invaryantı olduğu için (Konu.7), bir yörüngesinin denklemi bir invaryantın bir sabiteye eşitlenmesi ile elde edilir. Üstelik bu özellik bir invaryantın karakteristik özelliğidir. Yani, bir fonksiyonun bir sabiteye eşitlenmesi bir yörüngenin denklemini veriyorsa, bu fonksiyon bir invaryant olmak zorundadır. Fakat bu, yörünge denkleminin ortaya çıktığı tek form değildir. Bir yörünge dönüşüm grubunun invaryant eğrisi olduğundan, bunun denklemi invaryant olmalıdır. Eğer f ( x, = 0 bir invaryant denklemi ise, f ( x, = 0 eşitliğini sağlayan x, y değerlerinden dönüşüm grubunun dönüşümleri ile elde edilen tüm x ve y değerlerinin de f x, y ) 0şartını sağlaması gerekir. Bir önceki konuda, ( = 0

20 t f ( x, = f ( x, + Uft + U f + (.8.)! olduğunu gördük. f ( x, = 0 için bu eşitliğin sağ tarafı t nin bütün değerleri için sıfır ise, bütün katsayıların sıfır olması gerek ve yeterdir. Özellikle, f ( x, = 0 iken, Uf = 0, (.8.3) olması gerektir, yani Uf bir çarpan olarak f ( x, yi içermelidir. Şöyle ki, Uf = ω( x, f ( x, ise (.8.4) U f UUf Uω f ωuf ( Uω ω ) f = = + = + (.8.5) olur; sonuç olarak U f de bir çarpan olarak f ( x, yi içerir. Aynı şekilde Uf bir çarpan olarak f ( x, yi içerdiği sürece (.7.) deki bütün katsayıların da bir çarpan olarak f ( x, yi içerdiği gösterilebilir, U n n+ n f = θ ( x, f ( x, ise U f = UU f = ( Uθ + θω) f. (.8.6) Bu yüzden, f ( x, = 0 ın bir invaryant denklemi olması için, f ( x, = 0 iken Uf in sıfır olması gerek ve yeter koşuldur. Tüm x, y değerleri için Uf = 0 olması durumunda yukarıdaki koşul sağlanır. Sonuç olarak burada sadece f ( x, = 0 bir yörünge denklemi değil, f ( x, = sabit de bir yörünge denklemidir. Uf = ξ + η ifadesinin bazen x, y değişkenlerinin belirli değerleri için ξ = 0 ve η = 0 olduğunda sıfır olabildiği belirtilmelidir. Genellikle bu iki denklem değişkenlerin sınırlı sayıdaki değerini belirler. ξ ve η nin anlamını hatırlandığında, değişkenlerin bu değerleri grubun bütün dönüşümleri tarafından değişmez kalır, öyle ki koordinat olarak bu değerleri alan noktalar invaryant noktalardır. Eğer ξ ve η ortak bir ω ( x, çarpanı içeriyorsa, ω ( x, = 0 üzerindeki bütün noktaların invaryant olduğu bir invaryant eğrisidir. Fakat bu invaryant eğriler dönüşüm grubunun yörüngeleri arasına dahil edilmez. Bütün bunların sonucu aşağıdaki teoremdir. Teorem: f ( x, fonksiyonun yinelenen çarpanlarının olmadığı kabul edilerek, f ( x, = 0 ifadesinin bir parametreli grup altında invaryant olması için gerek ve yeter koşul, f ( x, = 0 olmasını sağlayan tüm x, y değerleri için Uf = 0 olmasıdır.

21 Koordinatları ξ ( x, = 0 ve η ( x, = 0 şeklindeki iki denklemi sağlayan noktalar grup altında invaryant noktalardır. Eğer f ( x, = 0 iken ξ ( x, = 0 ve η ( x, = 0 ise bu eğri invaryant noktaların birleşimidir. Bu tipteki eğriler grubun yörüngeleri arasına dahil edilmez. Diğer tüm hallerde f ( x, = 0 bir yörünge denklemidir..9. İnvaryant Eğriler Ailesi Bir parametreli dönüşüm grubu her eğriyi yine o eğri ailesinden bir eğriye dönüştürüyorsa, bu eğri ailesine o grup altında invaryant eğri ailesi denir. Burada ele alınacak eğriler denklemleri tek bir parametre veya keyfi bir sabit içeren eğri aileleri olacaktır. Buna göre, f ( x, = c aile denklemi için [ ] f ( x, y ) = f φ( x, y, t), ψ ( x, y, t) = ω ( x, y, t) = c (.9.) denklemi keyfi sabitler c, c ve t nin bütün değerleri için aynı eğri ailesinin denklemi oluyorsa, f ( x, = c (.9.) şeklinde yazılan aile denklemine dönüşüm grubu altında invaryanttır denir. Keyfi sabit içeren bir denklem tarafından belirlenen eğri ailesi, tek bir birinci mertebeden bir diferansiyel denklem tarafından belirlenir ve bu keyfi sabit içeren denklem genel çözümdür. Eğer f ( x, = c ve ω ( x, y, t) = c aynı eğri ailesinin denklemleri ise, bu denklemler aynı birinci dereceden diferansiyel denklemin çözümü olmalıdır. Bu yüzden denklemlerden birinin sağ tarafı diğerinin fonksiyonu olmalıdır, yani; ω = F( f ). (.9.3) Konu.6 daki (.6. ) bağıntısına bir göz attığımızda, t f ( x, = f ( x, + Uft + U f + (.9.4)!

22 bu açılımdaki her katsayının yalnız ve yalnız f ( x, nin bir fonksiyonu olması durumunda, t nin bütün değerleri için f x, y ) ifadesi f ( x, nin bir fonksiyonu ( olacaktır. Özellikle Uf = F( f ) (.9.5) alınmalıdır. Eğer (.9.5) doğru ise U U f UUf UF f f in de f in bir fonksiyonu olacağını gösterelim. = = ( ) (.9. F( f ) F( f ) UF( f ) = + t t df( f ) df( f ) UF( f ) = + t df t df (.9.7) (.9.8) elde ederiz. şöyle ki; df( f ) UF( f ) = + df t t (.9.9) df( f ) UF( f ) = Uf olur ve ( 3 ) den (.9.0) df df( f ) U f = UF( f ) = F( f ) (.9.) df Aynı şekilde bu açılımdaki her katsayının f nin bir fonksiyonu olduğu görülür, n U f Sonuç olarak (.9.5), koşuldur. = Φ( f ) olarak alındığında, n+ n dφ( f ) U f = UU f = UΦ ( f ) = F( f ). (.9.) df f ( x, = c eğri ailesinin invaryant olması için gerek ve yeter Özel bir durum olarak, eğer x, y değerlerinin tümü için Uf = 0 oluyorsa, f ( x, = c her biri invaryant olan yörüngelerinin bir ailesidir, bu yüzden aile de invaryanttır. Bu özel aile, η dx ξdy = 0 diferansiyel denklemi ile ifade edilir. Verilen bir Lie operatörü ile bu operatörün ürettiği dönüşüm grubu altında invaryant tüm eğri ailelerini bulma problemi Konu.6 da başka bir formda ele alınacaktır. Böyle ailelerin genel tipi, f ( x, fonksiyonunun (.9.5) i sağlama 3

23 zorunluluğuna bakılarak elde edilebilir. Burada F ( f ) ifadesi f in fonksiyonudur. Zaten F ( f ), aşağıdan da anlaşılabileceği gibi, f fonksiyonunun uygun bir fonksiyonu olarak alınabilir. ( eğri ailesi kendisine denk olarak Φ [ f x, ] = sabit f x, = c ( şeklinde yazılabilir ve Φ ( f ) burada f fonksiyonunun holomorfik bir fonksiyonudur. Şimdi bu fonksiyona (.9.5) i uygulayalım: olur. yazdığımızda aradığımız fonksiyon, dφ dφ U Φ ( f ) = Uf = F( f ) (.9.3) df df dφ Ω ( f ) = F( f ) (.9.4) df Φ = Ω ( f ) ( f ) df (.9.5) F( f ) olacaktır. Yörüngeler bu işleme dahil edilmediğinden, F( f ) 0 dır. Sonuç olarak Φ bir integral ile elde edilebilir, şöyle ki; invaryant eğri ailesinin denklemi [ f x, y ] = sabit Φ ( ) şeklinde yazıldığı zaman, (.9.5) in sağ tarafı istenen Ω ( f ) formunda olacaktır..0. Değişkenlerin Değiştirilmesi Bir parametreli dönüşüm grubunun sonlu dönüşümlerinin formu, üzerinde işlemleri gerçekleştirdiğimiz değişkenlerin seçimine bağlıdır. Dik koordinat sisteminde dönme hareketinin bir parametreli grubuna ait sonlu dönüşümler, x = xcosa ysin a, y = xsin a y cosa (.0.) + şeklinde iken, polar koordinatlarda işlem yapıldığında durum ρ = ρ, θ = θ + a (.0.) şeklini alır ve bu yapı olarak x = x, y = y + a öteleme dönüşümüne özdeştir. 4

24 Bir parametreli grubun x = φ( x, y, ), y = ψ ( x, y, ) (.0.3) a a şeklindeki sonlu dönüşümlerinin yapısı üzerinde, ve aynı şekilde x = F( x,, y = Φ( x, (.0.4) = F( x, y ) x, y = Φ( x, y ) (.0.5) değişken dönüşümünü yapmak için x, y, x, y değişkenleri (.0.4), (.0.5), (.0.3) deki altı bağıntıdan yok edilerek, elde edilen iki bağıntı x ve y için çözülür. x = xcosa ysin a, y = xsin a y cosa dönüşümünde değişken değiştirme formülü ters form olan + x = ρ cosθ, y = ρ sinθ (.0.6) ρ x = cosθ, sinθ y = ρ (.0.7) şeklinde seçilecektir. Bu yeni değişkenleri dönüşümde yerine koyduğumuzda x = ρ cosθ cosa ρ sin sin a, y = ρ cosθ sin a + ρ sin cosa (.0.8) θ θ ρ cosθ = ρ cos( θ + a), ρ sinθ = ρ sin( θ + a) (.0.9) elde ederiz. Buradan ρ ve θ şeklinde elde edilir. olduğundan, ρ = ρ, θ = θ + a (.0.0) Sonsuz küçük dönüşümün yeni formu aşağıda bulunmuştur. ξ ( x, = a a 0 a0 a0 a0 (.0.) ξ( x, y ) = = + = ξ + η a a a (.0.) şeklinde yazılır. Sonuç olarak ξ( x, = Ux (.0.3) yazılabilir. Aynı şekilde η( x, = Uy olur. Yeni grup operatörü, U = Ux + Uy (.0.4) 5

25 şeklinde yazılır. Burada (.0.4) den yararlanılarak, Ux ve Uy ifadeleri x ve y terimleri ile ifade edilmiştir. (.0.4) deki formüle göre yeni değişkenleri aşağıdaki şekilde seçelim, ρ = + x + y, y η = tan (.0.5) x Bu durumda U = y + x şeklindeki grup operatörü ile, ξ = U x + y = yx xy = 0 (.0.6) x + y x + y y y η = U tan = x + = (.0.6) x y y + + x x elde edilir ve U f = ξ + η ρ θ (.0.7) formu U f = şeklini alır. θ.. Kanonik Form Ve Değişkenler Bir parametreli Lie grubunun operatörünü istenen bir yapıya indirgeyen değişken dönüşümünü bulmak teorik olarak her zaman mümkündür. Bu amaçla, operatörü U f = ξ + η (..) x y şeklindeki forma sokmak için, aşağıdaki denklemlerin bağımsız çözümlerinin uygun çifti, yeni x ve y değişkenleri olarak alınabilir. Ux = ξ ( x, + η( x, = ξ x y Uy = ξ ( x, + η( x, = η x y (, ) (, ) (..) 6

26 Özellikle, operatörü y ekseni doğrultusundaki ötelemelerden birine indirgemek için, yani operatör U = formunu aldığında, integrallenecek denklemler, ξ + = 0 x y y y ξ + = (..3) şeklinde olacaktır. Bu denklemlerden ilki Konu.7 da (.7.3) formülüdür ki, burada x bir parametreli gurubun u ( x, şeklindeki uygun bir invaryantı olarak alınabilir. İkinci denklemi çözmek için, Konu.5 deki (.5.3) formülünde olduğu gibi, dx dy d = = y (..4) ξ η adi diferansiyel denklem sistemi kullanılarak Lagrange metodu uygulanır. dx dy Burada = nin çözümü olan u( x, = sabit kullanılarak, yukarıdaki denklemden ξ η y elde edilebilir. U = formuna sahip Lie operatörüne, kanonik formdaki operatör ve operatörü y bu forma indirgeyen değişkenlere de kanonik değişkenler denir. Bu yukarıdaki sonuç şöyle ifade edilebilir: Her Lie operatörü U indirgenebilir. Kanonik değişkenleri bulmak için, = şeklindeki kanonik forma y dx dy = (..5) ξ η birinci dereceden diferansiyel denklemi çözmek ve bu çözüm yardımı ile (..3) ifadesindeki ikinci denklemi çözmek gerekir. 7

27 .. İkiden Fazla Değişken İçeren Bir Parametreli Dönüşüm Grupları Bu bölümde ikiden fazla değişken içeren bir-parametreli gruplar ele alınmaktadır. Sonlu dönüşümleri üç değişken içeren gruplar ile n değişken içerenler aynı özellikleri gösterir. Sonlu dönüşümleri φ ( x, y, z, a), ψ ( x, y, z, a), χ ( x, y, z, a) (..) şeklinde olan bir parametreli gruplar Konu. deki özelliklere sahip olması koşulu ile bir Lie grubu yapısı oluşturacaktır. Burada φ, ψ, χ fonksiyonları x, y, z değişkenlerinin ve a parametresnin analitik, bağımsız, reel fonksiyonları olarak kabul edilir: Bu grubun opertörü şeklinde yazılır. Burada Uf = ξ( x, y, z) + η( x, y, z) + ς ( x, y, z) z φ ξ = a a a 0, ψ η = a a şeklindedir. Eğer değişken sayısı n ise durum, şeklinde olacaktır. a 0, z χ ς = a a n a 0 (..) (..3) U = ξ + ξ + + ξn (..4) Grubun sonlu dönüşümleri grup operatöründen, = + + t +! = + + t +! = + + t +! x x Uxt U x y y Uyt U y z z Uzt U z şeklinde parametrenin kuvvet serileri biçiminde veya, (..5) dx dy dz dt ξ( x, y, z ) = η( x, y, z ) = ς ( x, y, z ) = (..6) şeklindeki diferansiyel denklemin çözümünden elde edilir. 8

28 Eğer u ( x, y, z ) = sabit ve u ( x, y, z ) = sabit ilk iki denklemin çözümü ( t yi içermeyen) ve v( x, y, z ) t = sabit sistemin diğer ikisinin bağımsız çözümü ise, u ( x, y, z ) = u ( x, y, z) u ( x, y, z ) = u ( x, y, z) v ( x, y, z ) = v ( x, y, z) + t grubun sonlu dönüşümlerini belirler. (..7) Eğer değişken sayısı n ise durum, sonlu dönüşümlerin seri açılım formu tamamen aynıdır. İkinci formu elde etmek için kullanılan diferansiyel denklem sistemi, şeklinde olup çözümleri, formunda olacaktır. dx dx dx dt = = = = (..8) ξ ξ ξ n n u ( x, x,, xn ) = u ( x, x, xn ) un ( x, x,, xn ) = un ( x, x, xn ) v( x, x, xn ) = v( x, x, xn ) + t (..9) Üç bağımsız değişkeni içeren bu denklemin iki bağımsız çözümü vardır. Bu yüzden üç değişkenli bir-parametreli grubun iki bağımsız invaryantı vardır. u ( x, y, z ) ve u ( x, y, z) adı geçen invaryantlar olduğundan, grubun bütün invaryantları u ve u nin bir fonksiyonudur. Koordinatları, ξ ( x, y, z) = 0, η ( x, y, z) = 0, ς ( x, y, z) = 0 (..0) eşitliklerini sağlayan noktalar bir parametreli dönüşüm grubu altında invaryant noktalardır. Genellikle, bu üç fonksiyonun bağımsız olması durumunda, bu invaryant noktalar sonlu sayıdadır. Fakat eğer sadece iki fonksiyon bağımsız ise, iki bağımsız denklem üzerindeki her noktanın invaryant olduğu bir eğrinin denklemleri olacaktır. Bir bağımsız denklem olması durumunda, bu üzerindeki her noktanın invaryant olduğu bir yüzey denklemidir. Yörüngelerin denklemi aşağıdaki şekillerde elde edilir:. Grubun dönüşümlerinden a parametresi yok edilerek,. Aşağıdaki adi diferansiyel denklem sistemi çözülerek, 9

29 dx dy dz = =. (..) ξ η ς Eğer değişken sayısı n ise, grubun her bir invaryantı u, u,, un şeklindeki n bağımsız fonksiyondan birinin fonksiyonudur. u Sonuç olarak, u ve u dönüşüm grubunun iki bağımsız invaryantı ise = sabit ve u u = sabit yörüngelerinin denklemleridir. = sabit ve u = sabit yüzeylerinin her biri invaryanttır, çünkü bu yüzeyler yörünge denklemlerindeki sabitelerden birini sabitleyip, diğerinin bunun üzerindeki bütün değerleri alması sağlanarak oluşturulur. Eğer değişken sayısı n ise, yörüngelerin diferansiyel denklemi dx dx dx = = = ξ ξ ξ olup, bunun sonlu çözümleri u u u,, un bağımsız invaryantlardır. n (..3) n = sabit, u = sabit,, u = n sabit şeklindedir. Burada Eğer f fonksiyonunun kendini tekrarlayan çarpanlarının olmaması koşulu ile f = 0 iken Uf = 0 (..4) oluyorsa, f ( x, y, z ) = 0 denklemi veya bunun temsil ettiği yüzey invaryanttır.( Eğer Uf, f = 0 iken ξ = 0, η = 0, ς = 0 olmasından dolayı sıfır oluyorsa, yüzey üzerindeki bütün noktalar invaryanttır.) Eğer f ve f fonksiyonlarının ortak bir çarpan içermeyen bağımsız fonksiyonlar olması ve tekrarlayan çarpanlarının olmaması şartıyla, f = 0 ve f = 0 iken Uf = 0 ve Uf = 0 (..5) oluyorsa, f ( x, y, z ) = 0, f (,, ) 0 x y z = eğrileri invaryant eğirlerdir. Bu son koşul bize z z (..6) matrisindeki x lik determinantların hiçbirinin, tüm x, y, z değerleri için sıfır olmadığını garanti etmektedir. 0

30 Bu teoremin üç boyutta bir eğri için kanıtlanmasında kullanılan argüman mevcut f ( x, y, z ) = 0 yüzeyindeki durumdan farklıdır. ( ikinci durumda, iki boyutta bir eğri için Konu.8 uygulanır) Formül (..9) kullanılarak yazılan, t f( x, y, z ) = f( x, y, z) + Uft + U f +, (..7)! t f ( x, y, z ) = f ( x, y, z) + Uft + U f + (..8)! için gereklilik koşulu daha önce görüldü. Eğer, t parametresinin bütün değerleri için f ( x, y, z ) ve f ( x, y, z ) fonksiyonlarının sıfır olduğu her durumda f( x, y, z ) ve f ( x, y, z ) de sıfırsa, f = 0 ve f = 0 için Uf = 0 veuf = 0 olması gereklidir. Uf Uf f f = ξ + η + ς f = z 0 f f = ξ + η + ς f = z 0 (..9) (..0) olduğu için f = 0 ve f = 0 eğrisi boyunca ξ, η, ς ifadelerinin tümü her bir ( x, y, z ) noktasında bu eğrinin tanjantının doğrultu kosinüslerine orantılıdır, yani bu eğri ( x, y, z ) noktasından geçen yörüngeleridir. Bu sebepten bunun yeterlilik koşulu olduğu hemen ortaya çıkar. Eğer f = 0 ve f = 0 için Uf = 0 veuf = 0 ise f = 0 ve f = 0 yüzeyleri bir birlerinden bağımsız olarak invaryanttır ve bunların kesişimleri de invaryanttır. Yukarıda incelenen durumla birlikte, böyle yüzeylerin özelliğine bakılmaksızın, (..5) invaryant eğri için koşuldur. Değişkenlerin x = F( x, y, z), y = Φ( x, y, z), z = Ψ( x, y, z) (..) şeklinde değiştirilmesi operatörün U = Ux + Uy + Uz z formunu almasına neden olur. Burada (..)

31 şeklindedir. Ux = ξ + η + ς = ξ ( x, y, z) (..3) z ((((Uy = ξ + η + ς = η x, y, z) (..4) z z z z ((((Uz = ξ + η + ς = ζ x, y, z) (..5) z Eğer ξ = 0, η = 0, ς = ise, grup operatörüne kanonik formdaki operatör denir. Eğer yörüngelerin denklemleri biliniyorsa, kanonik değişkenler tek bir integral ile bulunabilir.

32 II. BÖLÜM BİRİNCİ MERTEBEDEN DİFERANSİYEL DENKLEMLER.. İntegrasyon Çarpanı Konu.9 da φ ( x, = sbt. denklemi, operatörü U = ξ + η şeklinde olan bir parametreli grup altında bir invaryant eğriler ailesi ise, (..) Uφ = F( φ) (..) olduğunu gördük. Bundan başka Konu.9 da, eğer eğriler ailesi dönüşüm grubunun yörüngeleri değilse, aile denklemi (..) ün sağ tarafına φ nin herhangi istenilen fonksiyonu gelecek şekilde seçilebileceği ayrıca gösterilmişti. Özellikle bu denklemin sağ tarafının olarak seçilmesinde bir sakınca yoktur, çünkü belirli φ = sabit dφ şeklindeki bir tercihle F( φ) ye ulaşılıyorsa, Φ ( φ) = eşitliğini sağlayan F( φ) Φ ( φ) = sabit seçiminde de U Φ ( φ) = verecektir. olduğunu gösterelim: ( φ) dφ F( φ) Φ = için U ( ) Φ φ = (..3) Φ( φ) Φ( φ) dφ( φ) φ dφ( φ) φ U Φ ( φ) = ξ + η = ξ + η dφ dφ dφ( φ) φ φ U Φ ( φ) = ξ + η dφ dφ( φ) U Φ ( φ) = Uφ dφ 3

33 elde ederiz. Burada Uφ = F( φ) yazıldığından, U Φ φ = F( φ) = olur. F( φ) dφ( φ) d dφ = dφ dφ = olur ve (..) de F( φ) F( φ) Teorem: Eğer Mdx + Ndy = 0 diferansiyel denkleminin integral eğrileri ailesi dönüşüm grubunun U operatörü tarafından değişmez bırakılıyorsa, ifadesi diferansiyel denklemin integrasyon çarpanıdır. Bunun için diferansiyel denkleminin, ξ M + η N Mdx + Ndy = 0 (..4) φ ( x, = sabit (..5) şeklindeki integral eğrileri ailesinin, operatörü (..) olan bir parametreli dönüşüm grubu altında invaryant olduğunu kabul edelim ve grubun yörüngeleri, adı geçen integral eğrileri olmasın. φ öyle seçilsin ki, φ φ Uφ = ξ + η = olsun. (..5) burada (..4 ) nin çözümü olduğundan dolayı, φ φ dφ = dx + dy = 0 denklemi (..4) ile aynı denklem olmalıdır. Bu yüzden, veya olmalıdır. (..6) (..7) φ φ x = (..8) M N φ φ N M = 0 (..6) ve (..9) denklemlerinden φ M =, x ξ M + η N φ ve φ değerleri φ N = y ξ M + η N (..9) (..0) olarak kolayca bulunur. Buradan, (..) 4

34 elde edilir. dφ = Mdx + Ndy ξ M + η N (..) Bu teorem, (..5) deki eğrilerin bir parametreli dönüşüm grubunun yörüngeleri φ φ olması durumunda işlevini yitirir. Bu durumda ξ + η = 0 olacaktır, çünkü (..9) ile birlikte ξ M + η N = 0 olur. Zaten (..4) ifadesinin integral eğrileri olan (..5) eğrileri, Lie operatörü U = ρ( x, N ρ( x, N (..3) şeklinde olan her dönüşüm grubunun yörüngeleri olduğu aşikardır. Burada ρ( x, fonksiyonu x ve y nin analitik bir fonksiyonudur. Böyle gruplara aşikar gruplar denir... Genişletilmiş Lie operatörü Altında İnvaryant Diferansiyel Denklem x = φ( x, ), y = ψ ( x, ) (..) y y şeklindeki nokta dönüşümlerini kullanarak, ψ ψ dx + dy dy = (..) dx φ φ dx + dy veya ψ ψ + y y = = χ( x, y, y ) (..3) φ φ + y dy formülünü elde ederiz. Burada y = ve dx dy y = dir. χ burada sadece y, y dx bir fonksiyonu olduğundan, nokta dönüşümü x, y, y değişkenlerine bağlı, x, nün 5

35 ψ ψ + y x = φ( x,, y = ψ ( x,, y = = χ( x, y, y ) (..4) φ φ + y şeklindeki dönüşümü de gerektirir. Bu dönüşüme genişletilmiş nokta dönüşümü denir. Nokta dönüşümlerinin x = φ( x, y, a), y = ψ ( x, y, a) (..5) şeklindeki bir parametreli dönüşümleri ile başlayarak elde edilen ve bu dönüşüme karşılık gelen, dy x = φ( x, y, a), y = ψ ( x, y, a), y = = χ( x, y, y, a) (..6) dx şeklindeki genişletilmiş dönüşümler de x, y, y değişkenlerine bağlı bir parametreli grup oluşturur. Çünkü, genişletilmiş dönüşümün ilk iki denklemi tamamen bir nokta dönüşümünün denklemleridir ve üçüncü denklem de bu ikisi tarafından belirlenmektedir, (..5) in zaten grup özelliği olması, (..6) ye de grup özelliğinin varlığını konduracaktır. Bu yüzden (..6) bir parametreli Lie grubu oluşturur. Bu gruba (..5) e karşılık gelen bir kez genişletilmiş grup denir. Bir kez genişletilmiş grubun genişletilmiş Lie operatörü, U = ξ ( x, + η( x, + η ( x, y, y ) (..7) δ x δ y δ y δ dy şeklinde yazılır. Burada ξ =, η = ve η = = δ a δ a δ a δ a dx dir. Konu.5 de, uygun bir parametre seçimi ile, ξ = a a 0, η = a a 0 ve herhangi bir f fonksiyonu için δ f δ a = a a 0 olduğunu görmüştük. Burada δ yı diferansiyel operatör olarak aldığımızda, δ ile d değişmeli operatörlerdir, şöyle ki; δ δ x ( ) δ a a a δ a dx = dx = d = dξ = d a 0 a0 (..8) olur. Bu sebepten dolayı, 6

36 olur. δ δ δ y δ x ( d dy ( dx) d d δ dy a a a dy δ δ a η = δ δ = = δ a dx dx ( dx) dx dx dx dη dξ η = y (..9) dx dx Şu noktaya önemle dikkat çekilmelidir ki, y burada dy dx e eşit iken, η genellikle d η den farklıdır. dx (..5) ün sağ tarafı açıldığında η η ξ ξ dx + dy dx + dy dη dξ η η ξ ξ η = y = y = + y y + y dx dx dx dx η η ξ ξ η = + y y (..0) ξ elde ederiz. Burada η, 0 olduğunda y nün ikinci dereceden bir polinomu olduğuna dikkat edilmelidir. Şimdi, f ( x, y, y ) = 0 (..) şeklinde birinci dereceden bir diferansiyel denklem verilsin. Yukarıdaki (..5) dönüşümü, verilen diferansiyel denklemi (..5) dönüşümünün bir kez genişletilmişi olan (..6) ile dönüştürecektir. Eğer her integral eğrisi (..5) deki her dönüşüm tarafından yine aileden bir eğriye dönüştürüldüyse, (..6) nın integral eğrileri ailesi dönüşüm grubunun U operatörü altında invaryanttır. Bu yüzden (..6) deki her dönüşüm diferansiyel denklemi değişmez bırakacaktır. Bunun için (..4) de olduğu gibi, f ( x, y, y ) = 0 için, U f = ξ + η + η = 0 (..) koşulu yazılabilir. Teorem. Eğer f ( x, y, y ) = 0 için U f = 0 ise, f ( x, y, y ) = 0 diferansiyel denkleminin integral eğrileri ailesi ve diferansiyel denklemin kendisi dönüşüm grubunun U operatörü altında invaryanttır. 7

37 .3. Bir Diferansiyel Denklemin Verilen Bir Grup Operatörü Altında İnvaryantlığı İçin İkinci Kriter Burada bir diferansiyel denklemi değişmez bırakan dönüşüm grubu için koşul ifade eden ikinci bir forma ulaşacağız. Konu. de, eğer φ ( x, = sabit (.3.) denklemi, Mdx + Ndy = 0 (.3.) denkleminin çözümü ise φ φ φ Aφ = N M = 0 (.3.3) kısmi diferansiyel denkleminin bir çözümüdür. İlave olarak, eğer (.3.) operatörü U olan bir parametreli grup altında invaryant ise (yörünge olmaksızın), φ φ φ Uφ = ξ + η = (.3.5) şeklinde seçilebilir. Şimdi U ve A operatörlerinin komitatörünü yazalım, U, A f = UAf AUf = ( UN Aξ ) ( UM + Aη ) y. (.3.6) [ ] Komitatörün [ U, U ] f U ( U f ) U ( U f ) = (.3.7) özelliğini kullanarak (.3.3) ve (.3.5 ) dan [ ] U, A φ = U ( Aφ ) A( Uφ) = U (0) A() = 0 (.3.8) elde ederiz. Buradan sonuç olarak ( ) f UN Aξ ( UM + Aη ) = 0 (.3.9) bulunur. 8

38 φ ve φ ifadelerinin en az biri sıfırdan farklıdır, çünkü φ burada x ve y değişkenlerinden en az birinin bir fonksiyonudur. Bu yüzden (.3.9) un katsayıları (.3.3) dekilerle orantılı olmalıdır. Yani, veya UN Aξ UM + Aη = = λ( x,, (.3.0) N M UN Aξ = λ N, UM + Aη = λm (.3.) dir. Bu son elde etiklerimizi (.3.6) de yerine koyarsak U, A f = U Af A Uf = ( UN Aξ ) ( UM + Aη ) [ ] ( ) ( ) λn λm (.3.) f f U A f λ N M Af x λ = = λ [, ] [ ] (.3.3) U, A f = λ( x, Af. (.3.4) Bu yüzden (.3.4) burada (.3.) ün integral eğrilerinin U operatörü altında invaryant olması için gerek koşuldur. Tersine (.3.4) sağlanıyorsa, [ ] U, A φ = UAφ AUφ = λ Aφ = 0 (.3.5) olur ve bunun sebebi (.3.3) tür. Bu yüzden AUφ = 0 dır. Sonuç olarak (.3.3) ün her çözümü φ nin bir fonksiyonu olduğundan Uφ = F( φ) (.3.6) olur. Bu da (.3.) ailesinin U operatörü altında invaryant olma şartıdır (.9.5 ). Teorem: Mdx + Ndy = 0 diferansiyel denkleminin U operatörü altında invaryant olması için gerek ve yeter koşul, olmasıdır. [ ] Af = N M olarak alındığında U, A f = λ( x, Af (.3.7) Bu teoremden Konu. deki teoremin tersine ulaşılır. Eğer ξ ( x, ve η ( x, Mdx + Ndy = 0 (.3.8) 9

39 diferansiyel denkleminin integrasyon çarpanı olan µ = ξ M + η N ifadesinde yer almış iki fonksiyon ise, (.3.9) olur. İşlemler yapıldığında, N M = 0 x ξ M + η N y ξ M + η N N M ξ η M N ξ η ξ M ξ N MN N η N + ηm + M + MN y = ( ξ M + η N ) burada payın sıfır olması yeterli olduğundan, 0 N M ξ η M N ξ η ξ M ξ N MN N η N + ηm + M + MN = 0 olur. Şimdi bunu MN ile bölerek tekrar düzenleyelim, N N ξ ξ M η M η ξ M + ηm MN + M ξ N + N + η N MN =, MN MN N N ξ ξ M M η η ξ + η N + M ξ + η + N M =, N M (.3.0) UN Aξ UM + Aη = (.3.) N M elde ederiz. Sonuç olarak, µ ( x, Mdx + Ndy = 0 (.3.) diferansiyel denkleminin bir integrasyon çarpanı ve ξ ( x, ve η ( x, = ξ M + η N µ (.3.3) bağıntısını sağlayan değişkenlerin analitik fonksiyonu ise bu diferansiyel denklem U operatörü altında invaryanttır. ξ ve η (.3.3) koşuluna uyduğundan dolayı, bu fonksiyonlardan biri keyfi olarak seçilip, diğeri buna bağlı olarak tek şekilde belirlenebilir. Bu yüzden birinci dereceden bir diferansiyel denklemin integrasyon 30

40 çarpanından yola çıkarak, diferansiyel denklemi değişmez bırakma koşulunu sağlayan sonsuz sayıda grup operatörü bulunabilir. Böyle grupların genel ifadesinin iki keyfi fonksiyon içerdiği Konu.6 da görülecektir. Zaten, bu (.3.3) formundan da ayrıca görülebilir. Çünkü, µ eğer µ ( Mdx + Nd = du ifadesini veren bir integrasyon çarpanı ise, u nun herhangi bir F( u ) fonksiyonu için, µ F( u) da bir integrasyon çarpanı olacaktır. Bunu (.3.3) nün sağ tarafına eşitleyip ve ξ ( x, yi keyfi olarak seçtiğimizde Mξ ( x, = µ F( u) η = ξ M + η N N µ F( u) N bulunur. Buradan, (.3.5) elde edilir. U Mξ ( x, = ξ ( x, + N µ F( u) N (.3.6).4. İki İntegrasyon Çarpanı Bir diferansiyel denklemi değişmez bırakan bir grup operatörünün bilinmesi bize bir integrasyon çarpanı verir ve böylece diferansiyel denklemin çözülmesi problemi sadece bir integrale indirgenir. Farklı bir integrasyon çarpanını ortaya çıkaran ikinci bir operatörün araştırılması denklemin çözülmesi problemini daha da basitleştirecektir. Şöyle ki: µ ve µ farklı iki integrasyon çarpanı olsun. ( µ M ) ( µ N ) = 0, ( µ M ) ( µ N ) = 0 (.4.) µ M µ N M + µ N µ = 0, µ M µ N M + µ N µ = 0 M N µ µ µ µ = N M M N µ µ µ µ = N M x, 3

41 M N µ µ M N µ µ = N M, = N M µ µ eşitliklerinden, M N µ µ µ µ = N M = N M (.4.) µ µ elde ederiz. Buradan, µ µ µ µ N M = N M (.4.3) µ µ µ µ µ µ N M = N M µ µ µ µ (.4.4) µ µ µ µ N N = M M µ µ µ µ (.4.5) µ µ µ µ N = M ( ln µ ) ( ln µ ) ( ln µ ) ( ln µ ) µ µ µ µ (.4.6) ( ln µ ) ( ln µ ) ( ln µ ) ( ln µ ) N = M ( ln µ l n µ ) ( ln µ n µ ) N = µ µ N ln M ln = 0 µ µ M (.4.7) (.4.8) (.4.9) elde ederiz. Bu son elde ettiğimiz eşitlikten ln µ µ nin Af = N M = 0 (.4.0) 3

42 denkleminin integrali olduğunu görülür. Ayrıca µ ln c µ µ = olduğundan µ de (.3.3) in bir integralidir, bu yüzden, µ = sabit (.3.) ifadesinin bir çözümüdür. Sonuç olarak µ integrasyon çarpanlarının bilinmesi bize direkt diferansiyel denklemin çözümünü verir. Bir µ integrasyon çarpanını bilinirken, sonsuz sayıdaki diğerlerinin bulunabildiğini söyleyen teorem için verilen ispatta [ µ eğer µ ( Mdx + Nd = du ifadesini veren bir integrasyon çarpanı ise, u değişkeninin herhangi bir F( u ) fonksiyonu için, µ F( u) da bir integrasyon çarpanı olacaktır] tüm olası integrasyon çarpanları bulunabilir..5. Bir Diferansiyel Denklemi İnvaryant Bırakan Grup Operatörü İçin Genel İfade Bir önceki konuda, eğer U ve U (.3.) denklemini değişmez bırakan herhangi iki farklı grup operatörü ise, µ ξm + η N = µ ξ M + η N (.3. ) nin bir çözümü olduğunu gördük. Bu sebepten, ξm + η N = F( φ ) ξ M + η N (.5.) (.5.) dir, Burada φ ( x, = sabit (.3.) nin çözümünün herhangi seçilmiş bir formudur. (.5.) yi tekrar düzenleyelim; ξm + η N = F( φ ) ξ M + η N ( ) (.5.3) ξ M + η N = F( φ) ξ M + η N (.5.4) ξ M F( φ) ξ M = F( φ) η N η N (.5.5) ξ F( φ) ξ η F( φ) η = (.5.6) N M 33

43 orantı olarak alındığında, elde ederiz. Buradan, ξ F( φ) ξ η F( φ) η = = ρ( x, (.5.7) N M ξ = F( φ) ξ + ρ N, η = F( φ) η ρm (.5.8) bulunur. Burada elde ettiklerimizi U de yerine koyalım. ξ η U = + U = F + N + F M ( ( φ) ξ ρ ) ( ( φ) η ρ ) U = F( φ) ξ + ρ N + F( φ) η ρm U = F( φ) ξ + F( φ) η + ρm ρ N (.5.9) (.6.0) (.5.) (.5.) U = F( φ) ξ + η + ρ M N (.5.3) U = F( φ) U + ρ A (.5.4) Tersine, eğer U diferansiyel denklemi değişmez bırakıyorsa, (.5.4) ile verilen U için de aynı işlemler geçerlidir ve F( φ ) ve ρ( x, yoktur. Çünkü, (.3.7) yi kullanarak, elde ederiz. [ ] [ ] U, A f = λ Af ; U, A f = ( F( φ) U + ρ A, A) f = ( F( φ) U, A) f + ( ρ A, A) f [ ( φ) λ ρ] = F( φ)( UA) f AF( φ) U f + ρ ( AA) f AρAf = F( φ) λ Af Aρ Af v( x, = v( x, Af λ Af = F A Af 0 0 nun nasıl seçildiğinin önemi (.5.5) 34

44 Sonuç olarak diferansiyel denklemi değişmez bırakan her grup operatörü (.5.4) şeklindedir. F( φ ) bir sabit ise, elde edilen grup U ile aynı integrasyon çarpanını verir. Eğer F( φ ) sıfıra eşit ise, elde edilen grup aşikar gruptur (Konu.)..6. Belirli Bir Grup Operatörü Altında İnvaryant Diferansiyel Denklemler Genişletilmiş operatörün bir invaryantını keyfi bir sabiteye eşitleyerek elde edilen diferansiyel denklem invaryant diferansiyel denklemdir. Genişletilmiş operatörün invaryantının genel tipi, U f = ξ + η + η = 0 (.6.) diferansiyel denkleminin iki bağımsız çözümünün keyfi fonksiyonunun alınmasıyla elde edilir. Buna karşılık gelen adi diferansiyel denklem sistemini yazalım, buradaki ilk iki denklemden dx dy dy = = (.6.) ξ( x, η( x, η ( x, y, y ) u( x, = c (.6.3) elde edilir. İkinci bağımsız çözüm y nü içermelidir. Bunu da, G( x, y, y ) = sabit (.6.4) şeklinde yazdığımızda, (.6.) nın genel çözümü f ( u, u ) formunda olacaktır. Bunun keyfi bir sabiteye eşitlenmesi invaryant diferansiyel denklemin genel tipini verir. Bu genel ifadenin sıfıra eşitlenmesinde bir sakınca yoktur. Bu durumda invaryant denklemin genel tipi, olur. f ( u, u ) = 0 veya u = F( u) (.6.5) 35

45 .7. Değişkenlerin Ayrılması Ötelemeler grubunun U = operatörü altında invaryant diferansiyel y denklemlerin basit formu bize, bilinen bir grup operatörü altında invaryant diferansiyel denklemin çözümü için pratik bir metot olarak, kanonik değişkenlerin tanımlanmasını telkin eder (Konu.). Operatörün kanonik forma indirgenmesi de diferansiyel denklemi dy y = = F( x) dx şeklinde değişkenlerin ayrıldığı forma indirger. Çözüm (.7.) y = F( x) dx + c (.7.) şeklinde elde edilir. Sonuç için gerekli olan şey, orijinal değişkenlere geri dönmektir. U = operatörü altında invaryant diferansiyel denklem, y dy dx F( y ) = (.7.3) formunda olduğundan, altında bir diferansiyel denklemin invaryant olduğu bir U = ξ + η operatörünün bu forma indirgenmesi, yine o diferansiyel denklemdeki değişkenlerin ayrılmasını olanaklı kılar. Yukarıdaki iki dönüşüm de diferansiyel denklemi çok basit hale getirirken, diferansiyel denklemdeki kanonik değişkenlerin gerçek tanımı ve orijinal değişkenleri geri dönüş diğer değişkenlerdeki kadar kolay olmayabilir. Örneğin, diferansiyel denklemi değişmez bırakan ve ξ ifadesinin yalnız x in fonksiyonu olduğu U operatöründe, yeni değişkenlerin tanımlanması, operatörü x = x ve y = u( x, (.7.4) U = ξ( x) formuna indirger ve diferansiyel denklem değişkenlerin kolaylıkla ayrılabildiği, (.7.5) 36

46 ( ) F( ) ξ x y = y (.7.6) formunu alır. Bu değişkenler takımı, özellikle aşağıda iyi bilinen diferansiyel denklem sınıflarında iyi iş görür ve bunların çözülmesinde bildik metotlara ulaşılır: ) M ve N nin aynı derecede homojen olduğu Mdx + Ndy = 0 (.7.7) homojen denklem, bir U = ξ + η (.7.8) operatörü tarafından değişmez bırakılıyorsa yeni x = x ve y y = x (.8.9) değişkenleri, operatörü Uf = x (.7.0) formuna indirger ve diferansiyel denklem değişkenlerin ayrılabilir olduğu (.7.6) formunu alır. ) yf ( x dx + xf ( x dy = 0 (.8.) denklemi U = ξ + η operatörü tarafından değişmez bırakılıyorsa yeni (.7.) x = x ve y = xy (.7.3) değişkenleri, denklemi değişkenlerin ayrılabilir olduğu (.8.6) formuna indirger. Benzer biçimde, eğer η sadece y nin bir fonksiyonu ise, x = u( x, ve y = y (.7.3) şeklinde yeni değişkenlerin tanımlanması operatörü U = y (.7.4) formuna indirger. Burada diferansiyel denklem değişkenlerin ayrılabildiği 37

47 y = F( x) η( (.7.4) formunu alır. Daha genel olarak, eğer φ ( x) ve ψ ( yeni değişkenler olarak alınan iki ayrı kanonik değişken ise, elde edilen diferansiyel denklemin değişkenleri ayrılabilir olacaktır. Belirli durumlarda, böyle formlar bu fonksiyonlar için yeni değişkenlerin tanımlanmasında gerekli çalışmanın basitleştirilmesi için seçilebilir. Altında belirli bir birinci dereceden diferansiyel denklemin invaryant olduğu bir operatörün bilinmesi, bize bir integrasyon çarpanının (Konu.) ve dönüştürülmüş denklemde, ayrılabilir bir değişkenler takımının bulunmasını olanaklı kılar. Denklem dy dx e göre çözüldüğünde veya Mdx + Ndy = 0 formunda yazıldığında integrasyon çarpanı hemen yazılabilir. 38