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Máster y doctorado

Operadores integrales de Fourier

Una singularidad puede viajar: un salto que empieza en x=1 puede aparecer después en x=7. Para describir ese movimiento necesitamos recordar posición y dirección de frecuencia. Los operadores integrales de Fourier, o FIO, organizan esa geometría con fases; empezaremos por el transporte y después veremos cambios de escala, cáusticas y propagadores.

1. La diagonal de un pseudodiferencial no describe un salto que cambia de sitio

La fase (x−y)·ξ de un pseudodiferencial tiene condición estacionaria en ξ: x=y.

Su relación microlocal básica enlaza la misma posición y el mismo covector de entrada y salida. Puede modificar o eliminar una singularidad sin transportarla a otra posición mediante esa relación.

El transporte mueve el salto de uno a siete sin cambiar su covector
c=3; de t=0 a t=2t=01t=27+ct=+6x=y+6; ξ=ηMisma escala horizontal en ambas filas.
Las dos filas usan la misma coordenada horizontal: cada unidad ocupa treinta y cinco unidades del dibujo. Arriba el perfil es cero antes de x uno y uno después. Abajo, tras dos unidades de tiempo con velocidad tres, el salto está en x siete. El valor exacto del escalón en su salto se deja sin fijar, pues no cambia la distribución. La relación canónica tiene x igual a y más seis y xi igual a eta; no se trata de un cambio de etiqueta manteniendo la singularidad en la diagonal.
El transporte T_tf(x)=f(x-ct) tiene núcleo δ(x−y−ct).
Enlaza y con x=y+ct.
Cuando ct≠0, esa relación ya no es la diagonal.

Un FIO permite este movimiento y otros en los que también cambia la dirección o el tamaño del covector.

Seguir el punto de salto

El perfil es cero antes de uno y uno después; c=3 y t=2.

  1. Desplazamiento

    ct=3·2=6.
  2. Nueva posición

    x=1+6=7.
  3. Perfil

    La salida es cero antes de siete y uno después: no cambia el tamaño del salto.

Resultado

El salto se mueve hacia la derecha seis unidades.

Lo comprobamos

El argumento inicial es x−6: para encontrar el nuevo salto resolvemos x−6=1.

Transportar una masa

Dato δ en y=−2, velocidad cuatro y tiempo tres.

  1. Trayectoria

    x=y+ct=−2+12=10.
  2. Distribución

    La traslación produce δ en diez.

  3. Covector

    El transporte conserva η como ξ porque la derivada espacial de la traslación es uno.

Resultado

La nueva posición es diez.

Lo comprobamos

La delta es una distribución; no se evalúa como una función de altura infinita.

2. La fase y la amplitud necesitan condiciones, no solo una exponencial

Un núcleo local se escribe como integral de e elevado a iΦ(x, y, θ) por una amplitud a(x, y, θ). En la teoría clásica, Φ es real, suave para θ≠0 y homogénea de grado uno en θ; la amplitud cumple cotas de símbolo a altas frecuencias.

Las constantes de 2π se declaran según la convención.

La integral suele ser oscilatoria y se define con recortes y límites distribucionales. También se controla el soporte para aplicar el operador. Al cambiar el número de variables auxiliares θ cambia la relación entre orden de amplitud y orden de operador. En el modelo de gráfica S(x, η)−y·η entre dimensiones iguales, una amplitud de orden m tiene la convención habitual de operador de orden m.

Escribir el transporte como integral

En una dimensión, usar Φ=(x−y−ct)η.

  1. Homogeneidad

    Multiplicar η por r>0 multiplica Φ por r.
  2. Amplitud

    La amplitud constante 1/(2π) tiene orden cero.

  3. Núcleo

    La integral oscilatoria en η es δ(x−y−ct).

Resultado

El modelo pertenece a la clase clásica de fases homogéneas.

Lo comprobamos

La integral de la exponencial no es absolutamente convergente.

No esconder el movimiento en un símbolo estándar

Reescribir formalmente la misma fase como (x−y)η y amplitud e elevado a −ictη.

  1. Valor

    El módulo de la nueva amplitud es uno.

  2. Derivar

    Su derivada en η tiene módulo |ct|, sin decrecer cuando |η| crece.

  3. Clase

    Si ct≠0, no cumple la cota de derivada O(⟨η⟩⁻¹) de un símbolo estándar de orden cero.

Resultado

Una amplitud acotada no hace pseudodiferencial estándar a cualquier núcleo.

Lo comprobamos

Importan las cotas de todas las derivadas y la geometría de la fase.

3. La no degeneración se comprueba en todas las variables de la fase

En el conjunto crítico \partial_\theta\Phi=0, las diferenciales d(\partial_{\theta_j}\Phi) deben ser linealmente independientes. Esto hace suave el conjunto crítico. Trabajamos en regiones con covectores de entrada y salida no nulos. La condición no exige que la Hessiana solo en θ sea invertible.

La relación canónica es C_\Phi=\{(x,\partial_x\Phi;y,-\partial_y\Phi):\partial_\theta\Phi=0\}. El signo menos de la entrada es esencial. La relación es lagrangiana para la diferencia de las formas simplécticas de salida y entrada: tiene media dimensión y esa diferencia se anula allí. No toda relación es globalmente una gráfica.

Comprobar el transporte sin una Hessiana en eta

Φ=(x−y−a)η, η≠0.

  1. Crítica

    ∂_ηΦ=x−y−a=0.
  2. Diferencial

    d(x−y−a)=dx−dy, que no es cero: hay rango uno.
  3. Covectores

    ∂_xΦ=η y −∂_yΦ=η; la relación es (y+a, η; y, η).
Resultado

Es una fase no degenerada aunque ∂²_ηΦ=0.

Lo comprobamos

La no degeneración usa variaciones en x e y, no solo en la variable auxiliar.

Una variable auxiliar redundante rompe la condición

Usar dos auxiliares θ₁, θ₂ pero Φ=(x−y)θ₁, independiente de θ₂.

  1. Ecuaciones

    Son x−y=0 y cero=0.
  2. Diferenciales

    La segunda es cero, así que las dos no son independientes.

  3. Reparación

    No se puede contar esa representación como fase no degenerada de dos auxiliares; hay que reducir la variable redundante o reformularla.

Resultado

El número de integrales no se añade sin comprobar rango.

Lo comprobamos

Una exponencial formal no garantiza las hipótesis geométricas.

4. Una función generadora permite calcular la gráfica de entrada a salida

Para Φ=S(x, η)−y·η, la condición crítica es y=\partial_\eta S y el covector de salida es ξ=\partial_x S. Si la matriz mixta ∂²S/∂x∂η es invertible, se puede resolver localmente x a partir de y, η. Así aparece una transformación canónica local.

En transporte S=(x−ct)η, esa matriz vale uno: y=x−ct y ξ=η.

Otro generador puede modificar simultáneamente posición y frecuencia. La condición canónica compensa esos cambios; no exige que cada coordenada permanezca fija.

Una dilatación cambia posición y covector en sentidos opuestos

S(x, η)=2xη.

  1. Entrada

    y=\partial_\eta S=2x, por lo que x=y/2.
  2. Salida

    ξ=\partial_x S=2η.
  3. Jacobiano

    El mapa (y, η)↦(y/2,2η) tiene determinante uno.

Resultado

La posición se comprime y el covector se duplica.

Lo comprobamos

El operador con amplitud uno es f↦f(2x), sin normalización unitaria todavía.

Volver desde la salida al dato inicial

En transporte, x=8, c=2 y t=3.

  1. Desplazamiento

    ct=6.
  2. Pie inicial

    y=x−ct=8−6=2.
  3. Interpretación

    El valor que vemos en ocho procede del perfil inicial en dos.

Resultado

Seguir el origen del dato usa la relación inversa.

Lo comprobamos

No se suma ct cuando ya estamos buscando la posición inicial.

5. El frente de onda guarda posición y dirección de falta de suavidad

Una distribución es suave microlocalmente en (y₀, η₀) si, tras multiplicar por un corte suave no nulo cerca de y₀, su Fourier decrece más rápido que cualquier potencia en un cono alrededor de η₀. El frente de onda WF reúne donde esa condición falla. No incluye covectores cero.

Para un FIO propiamente soportado cuya relación no contiene covectores nulos de entrada ni salida, \operatorname{WF}(Tu)\subset C\circ\operatorname{WF}(u). Se enlaza cada covector de entrada con los de salida permitidos por C. La inclusión puede ser estricta si la amplitud elimina una singularidad. En una traslación invertible se obtiene igualdad.

Una discontinuidad en el plano tiene direcciones normales

u(x₁, x₂)=H(x₂).

  1. Posiciones

    El salto está en x₂=0.
  2. Direcciones

    Las direcciones singulares son covectores (0, η₂), con η₂≠0.

  3. Separar

    La dirección tangente de variación en x₁ no produce la misma falta de suavidad microlocal.

Resultado

WF añade información que el conjunto de posiciones singulares no contiene.

Lo comprobamos

La afirmación se entiende con recortes suaves locales en ambas variables.

Una amplitud puede borrar en lugar de transportar

u=δ en uno y b suave compacta que coincide con x−1 cerca de uno.

  1. Producto

    b·δ₁=b(1)δ₁.
  2. Valor

    b(1)=0, así que la salida es cero.
  3. Frente de onda

    La salida tiene frente vacío aunque el dato no.

Resultado

La relación permite una posición; no obliga a que sobreviva.

Lo comprobamos

La igualdad de frentes necesita una hipótesis de invertibilidad microlocal o elipticidad, no solo la inclusión general.

6. La fase de un propagador sigue una ecuación de Hamilton–Jacobi

En un problema clásico de primer orden con principal real p homogéneo de grado uno a altas frecuencias, buscamos S(t, x, η) con S(0, x, η)=x·η. Para la evolución \partial_t u+iPu=0, cancelar el orden principal exige \partial_tS+p(x,\partial_xS)=0. Los siguientes términos dan ecuaciones de transporte para la amplitud.

El flujo correspondiente satisface \dot x=\partial_\xi p,\qquad\dot\xi=-\partial_xp. Resolver fase y amplitudes sucesivas construye una parametrix local del propagador, con error regularizante. Para otros órdenes y en el marco semiclasico se declara el parámetro y la clase adecuados; no se mantiene sin más la homogeneidad clásica.

Comprobar la fase con velocidad constante

p=cξ y S=(x−ct)η.

  1. Tiempo

    S_{t}=−cη.
  2. Espacio

    S_{x}=η, así que p(x, S_{x})=cη.
  3. Ecuación

    La suma es cero y S(0, x, η)=xη.
Resultado

El flujo es x=y+ct, ξ=η.

Lo comprobamos

La comprobación recupera u_{t}+c u_{x}=0 con P=cD.

La frecuencia también puede cambiar

Modelo local p=xξ, con S=e elevado a −t por xη.

  1. Hamilton

    x′=x y ξ′=−ξ.
  2. Solución

    x=eᵗy y ξ=e⁻ᵗη.
  3. Fase

    S_{t}=−e⁻ᵗxη y xS_x=e⁻ᵗxη: se cancelan.
Resultado

El perfil f(e⁻ᵗx) resuelve u_{t}+xu_x=0.

Lo comprobamos

El ejemplo se interpreta localmente en el cálculo clásico; el coeficiente x no tiene una cota uniforme global.

7. Una cáustica puede romper una descripción sin romper la relación geométrica

Al componer núcleos se integra también la variable intermedia. Las ecuaciones estacionarias identifican sus covectores. Para gráficas canónicas con soportes apropiados y composiciones transversales, el resultado sigue siendo un FIO y los órdenes se suman.

Una cáustica puede aparecer en la proyección sin singularizar la transformación canónica
Modelo geométrico semiclasicoκ(y,η)=(y²−η,y); det Dκ=1xξ0x=1: ξ=−1 o ξ=1La curva es suave; su proyección se pliega.
Se toma el modelo semiclasico no cónico kappa de y eta a x xi igual a y al cuadrado menos eta, y. Su jacobiano tiene determinante uno y preserva la forma simpléctica. La curva de entrada eta cero se transforma en x igual a y al cuadrado y xi igual a y: es una parábola suave en el plano x xi. La proyección sobre x tiene derivada cero en y cero y dos preimágenes en x uno, señaladas en rojo. El modelo ilustra el pliegue geométrico; no se presenta como relación clásica homogénea ni identifica una cáustica con falta de suavidad de la curva en el espacio de fases.

Fase estacionaria calcula las nuevas amplitudes y los factores de firma. Una proyección puede dejar de ser invertible y producir una cáustica aunque la relación en el espacio de fases siga suave. Hay que cambiar la representación o añadir variables auxiliares. Los cambios de fase se organizan globalmente mediante la estructura de Maslov; ignorarlos puede dar fases incorrectas.

Componer dos transportes

T_{a} f(x)=f(x−a), seguido de T_{b}.

  1. Sustituir

    T_{b}(T_{a} f)(x)=T_{a} f(x−b).
  2. Argumento

    Es f(x−b−a).

  3. Relación

    Los desplazamientos se suman: x=y+a+b y ξ=η.
Resultado

La composición de las gráficas coincide con la cuenta directa.

Lo comprobamos

En este modelo no aparece una cáustica.

Un modelo semiclasico de pliegue

κ(y, η)=(y²−η, y); restringir la curva inicial η=0.

  1. Mapa regular

    Su matriz tiene filas (2y,−1) y (1,0), con determinante uno; preserva la forma simpléctica.

  2. Curva salida

    Es x=y², ξ=y, una parábola suave.
  3. Proyección

    En x=1 hay dos puntos ξ=±1; en y=0 la derivada de x respecto de y es cero.

Resultado

La proyección se pliega aunque κ sea invertible y la curva suave.

Lo comprobamos

Es un modelo geométrico semiclasico no cónico, no una relación clásica homogénea de este mismo formato.

8. Orden cero controla L dos localmente, pero no significa unitario

Un FIO clásico de orden cero asociado a una gráfica canónica homogénea tiene acotación L² en las versiones localizadas con soporte apropiado.

En orden m, la aplicación es Hˢ→H elevado a s−m localmente.

Las relaciones más generales pueden requerir pérdidas adicionales; se revisan sus proyecciones.

Si T es elíptico en una gráfica κ, una inversa microlocal Q permite conjugar un pseudodiferencial A. El principal de QAT es a∘κ en la región de entrada, si a es el principal de A. Este es el contenido geométrico de Egorov: el observable sigue el mapa de posición y covector.

No afirma inversa global exacta ni unitariedad automática.

Una gráfica canónica sin normalización unitaria

Tf(x)=f(2x) en R.

  1. Norma

    ∫|f(2x)|²dx=(1/2)∫|f(y)|²dy.
  2. Raíz

    ‖Tf‖₂=‖f‖₂/√2: es acotado pero no conserva la norma.
  3. Normalizar

    Multiplicar T por √2 sí produce una isometría sobre L².

Resultado

La amplitud también interviene en la conservación de energía.

Lo comprobamos

La geometría canónica por sí sola no fija esa normalización.

Comprobar Egorov con un observable concreto

T_{a} f(x)=f(x−a), Q=T_{a}⁻¹, y A es multiplicación por x.

  1. Aplicar A

    AT_a f(x)=x f(x−a).
  2. Volver

    QAT_a f(y)=(y+a)f(y).
  3. Principal

    El observable x compuesto con κ(y, η)=(y+a, η) es y+a.
Resultado

La composición del símbolo tiene el sentido de entrada a salida correcto.

Lo comprobamos

Es una cuenta local sobre pruebas; el observable x no es un símbolo global uniformemente acotado.

9. Media onda y Schrödinger usan fases de clases distintas

El propagador de media onda e elevado a −it|D| tiene fase (x−y)·ξ−t|ξ| para ξ≠0. Es homogénea de grado uno. La condición estacionaria da x=y+tξ/|ξ|: el covector decide la dirección del rayo y la velocidad es uno.

Para Schrödinger aparece un término cuadrático en ξ, que no es homogéneo de grado uno. En el marco semiclasico usamos e elevado a iΦ/h y un frente de onda que observa frecuencias a escala h. Es otra noción que el frente clásico cónico a tiempo fijo.

La geometría sigue siendo útil, pero hay que declarar el marco antes de aplicar una regla de propagación.

Dos rayos de la media onda

En R², y=(0,0), t=3 y η=(0,2).

  1. Dirección

    η/|η|=(0,1).
  2. Posición

    x=y+3(0,1)=(0,3).
  3. Cambiar signo

    Para η=(0,−2), la posición sería (0,−3).
Resultado

La dirección frecuencial cambia hacia dónde viaja la singularidad.

Lo comprobamos

No se sustituye la dirección por la magnitud dos como velocidad.

El modelo semiclasico libre

p=ξ²/2 y S=xη−tη²/2.

  1. Ecuación

    S_{t}=−η²/2 y p(S_{x})=η²/2: suman cero.
  2. Gráfica

    y=S_{η}=x−tη y ξ=S_{x}=η, así que x=y+tη.
  3. Clase

    La fase contiene η² y no es de grado uno; se usa el cálculo semiclasico declarado.

Resultado

La velocidad de este modelo depende de η.

Lo comprobamos

No se convierte esa fórmula en una identidad del frente de onda clásico cónico sin revisar las hipótesis.

10. Dos fases pueden representar el mismo operador si se transforma la amplitud

La relación geométrica es más estable que una fórmula aislada de fase. Cambiar variables auxiliares obliga a incluir el jacobiano en la amplitud; otras equivalencias de fase necesitan las correcciones correspondientes. No basta conservar solo el conjunto crítico.

La construcción se empieza sobre datos que permitan las integrales indicadas y se extiende a distribuciones con soporte y continuidad apropiados. Para un perfil polinómico transportado, en cambio, podemos comprobar la ecuación directamente por derivación clásica. Una función suave y una masa requieren interpretaciones distintas aunque sigan la misma trayectoria.

Un cambio de variable conserva la delta solo con su jacobiano

En el núcleo de traslación, cambiar η=2σ.

  1. Fase

    (x−y−a)η se vuelve 2(x−y−a)σ.

  2. Medida

    dη=2dσ: la amplitud se multiplica por dos.
  3. Distribución

    La integral es 2δ(2(x−y−a))=δ(x−y−a).
Resultado

Cambiar la fase sin el factor dos cambiaría el operador.

Lo comprobamos

La identidad de escala de delta incluye el valor absoluto del factor.

Un polinomio se puede verificar sin integral ordinaria de Fourier

u₀(x)=x², c=2 y u(t, x)=(x−2t)².

  1. Tiempo

    u_{t}=−4(x−2t).
  2. Espacio

    2u_x=4(x−2t).
  3. Ecuación y dato

    La suma es cero y u(0, x)=x².
Resultado

La fórmula resuelve el transporte como función suave.

Lo comprobamos

El polinomio no tiene transformada de Fourier ordinaria integrable; no se ha fingido esa integral.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Seguir un perfil

Para u_t+2u_x=0 y u₀(x)=x², halla u(t,x).

  1. Ecuación

    u_{t}+2u_x=0 tiene velocidad c=2.
  2. Pie inicial

    El punto x a tiempo t procede de y=x−2t.
  3. Perfil

    u₀(y)=y².
  4. Sustituir

    u(t, x)=(x−2t)².
  5. Comprobar ecuación

    u_{t}=−4(x−2t) y 2u_x=4(x−2t); suman cero.
  6. Comprobar dato

    Para t=0 queda x².

    La verificación es clásica y no necesita una integral ordinaria de Fourier del polinomio.

Resultado

u(t,x)=(x−2t)².

Lo comprobamos

u_t=−4(x−2t) y 2u_x=4(x−2t), suma cero.

EJEMPLO RESUELTO 2

Mover una singularidad

Una singularidad inicial está en x=1 y c=3. ¿Dónde está en t=2?

  1. Datos

    La posición inicial es x₀=1, la velocidad c=3 y el tiempo t=2.
  2. Relación

    El transporte sigue x=x₀+ct.
  3. Desplazamiento

    ct=3·2=6.
  4. Sumar

    x=1+6=7.
  5. Dirección

    El desplazamiento es positivo, hacia la derecha.

  6. Comprobar

    El pie inicial del punto siete es 7−3·2=1, como debía ser.

Resultado

Está en x=7.

Lo comprobamos

El desplazamiento es hacia la derecha.

Los símbolos que hemos usado

X,Y
Variedades de salida y entrada; localmente se usan coordenadas x∈Rⁿ e y∈Rⁿ.
Φ(x,y,θ)
Fase real del núcleo oscilatorio, con θ variables auxiliares de frecuencia.
CΦ
Relación canónica {(x,∂ₓΦ;y,−∂ᵧΦ):∂θΦ=0}, bajo condiciones de no degeneración.
WF(u)
Frente de onda clásico: puntos y covectores no nulos donde falla el decaimiento rápido de Fourier tras localizar.
κ:T*Y→T*X
Transformación canónica, que preserva la forma simpléctica; su gráfica es un tipo de relación canónica.
S(t,x,η)
Función generadora de un flujo; la fase de un propagador local puede escribirse S(t,x,η)−y·η.
h
Parámetro semiclasico positivo que tiende a cero; en esa versión la oscilación es e^iΦ/h.
Hₚ
Campo hamiltoniano: dx/dt=∂ξp y dξ/dt=−∂ₓp con la convención usada aquí.

Ahora te toca a ti.

Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.

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