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Máster y doctorado

Ecuaciones estocásticas en derivadas parciales

Ahora la incógnita es un campo: hay un valor para cada posición del espacio. El calor conecta posiciones y el ruido añade fluctuaciones. Empezaremos con senos y unos pocos coeficientes; después veremos qué condición permite sumar infinitos modos sin inventar una función que no exista.

1. Un campo requiere indicar dónde vive y cómo entra el ruido

Una EDE tiene finitas coordenadas; una EDP estocástica describe u(t,x) para posiciones x de un dominio.

La escritura du=Δu dt+dW no fija por sí sola el problema.

Necesitamos dominio, frontera, dato inicial, covarianza del ruido y espacio donde interpretaremos u.

Usaremos calor con ruido aditivo en D=(0,π)ᵈ, frontera de Dirichlet y H=L²(D). El ruido puede actuar solo en unos modos, tener covarianza de traza finita o ser cilíndrico. Esas opciones cambian la regularidad y no son variantes puramente tipográficas. Esta es una introducción al modelo parabólico, no un teorema para cualquier EDP con ruido.

Pasar de un número a un perfil

En una dimensión, u(t,x)=a₁(t)e₁(x).

  1. Posición

    x recorre el intervalo (0,π).

  2. Amplitud

    Un solo número a₁(t) modifica todo el perfil espacial e₁.

  3. Ruido

    Si solo ese coeficiente recibe ruido, los valores de distintas posiciones comparten la misma fluctuación.

Resultado

Un campo con ruido no implica ruidos independientes en cada punto.

Lo comprobamos

En posiciones donde e₁ es distinto de cero, los valores están ligados por el mismo a₁.

La frontera cambia qué modos pueden existir

Comparar Dirichlet cero y frontera periódica.

  1. Dirichlet

    El modo constante no nulo incumple u=0 en los extremos.

  2. Periodicidad

    El modo constante sí está permitido y su laplaciano es cero.

  3. Consecuencia

    Un ruido en ese modo no se amortigua con el calor.

Resultado

No podemos trasladar una conclusión de equilibrio sin revisar la frontera.

Lo comprobamos

Más adelante separaremos la dificultad del autovalor cero.

2. Los senos convierten derivadas espaciales en multiplicaciones

En una dimensión, e_k(x)=\sqrt{2/\pi}\sin(kx) para k≥1 forman una base ortonormal de L²(0,π), cumplen la frontera y −Δeₖ=k²eₖ. En la caja de dimensión d se toman productos normalizados, con k∈Nᵈ positivo y λₖ=|k|².

Los modos de seno convierten el operador espacial en números
eₖ(x)=√(2/π) sin(kx)1230π−Δeₖ=k²eₖCalor: e⁻ᵏ²ᵗ por modoFrecuencia alta: mayor amortiguación.
Primeros tres modos ortonormales del laplaciano de Dirichlet en el intervalo cero pi. Cada panel usa los mismos ejes espaciales y la misma escala de amplitud; las líneas base se separan para facilitar la lectura. Los modos son raíz de dos sobre pi por seno de k x y sus autovalores positivos son k al cuadrado. No son tres muestras de ruido. El semigrupo multiplica el modo k por exp menos k cuadrado t, amortiguando los modos altos más deprisa. La normalización permite sumar energías mediante Parseval sin factores espaciales adicionales.

Para A=Δ con Dirichlet, S(t)eₖ=e^{-\lambda_k t}eₖ, es decir el factor es exp(−λₖt). Los modos altos se amortiguan más deprisa. A es no acotado: no todo dato de H admite Au como otro elemento de H. El semigrupo permite evolucionar sin exigir dos derivadas clásicas del dato.

Calor sin ruido en el primer modo

u₀=e₁ en una dimensión.

  1. Autovalor

    λ₁=1²=1.
  2. Amortiguar

    u(t)=e⁻ᵗe₁.
  3. Comprobar

    u_{t}=−e⁻ᵗe₁ y Δu=−e⁻ᵗe₁.
Resultado

El perfil conserva su forma y pierde amplitud.

Lo comprobamos

El valor en los extremos sigue siendo cero.

Comparar dos velocidades

Mismos coeficientes iniciales en los modos uno y tres.

  1. Primer modo

    Su amplitud se multiplica por e⁻ᵗ.

  2. Tercer modo

    Su amplitud se multiplica por e⁻⁹ᵗ.

  3. Comparación

    En t=log2, los factores son 1/2 y 1/512.
Resultado

Las frecuencias altas se disipan mucho más deprisa.

Lo comprobamos

No usamos e⁻³ᵗ: el autovalor es k².

3. Una serie de ruidos no define automáticamente un ruido con valores en L²

Si Qeₖ=qₖeₖ con qₖ≥0, las truncaciones WQ,N(t)=Σ√qₖBₖ(t)eₖ tienen segundo momento tΣqₖ. Si TrQ=Σqₖ<∞, convergen en media cuadrática en H y definen un Wiener con valores en H.

Con qₖ=1, la identidad en dimensión infinita no tiene traza finita. Una gaussiana con valores en Hilbert requiere covarianza de traza finita; no basta declarar la serie como una función. El Wiener cilíndrico sí tiene proyecciones finitas y admite realización en espacios más débiles. El ruido blanco espacio-temporal es su derivada temporal formal y se define rigurosamente por acción sobre pruebas, con covarianza Eξ(φ)ξ(ψ)=∫φψ.

Un ruido que sí tiene energía espacial media finita

En una dimensión, qₖ=1/k².

  1. Suma

    TrQ=Σ1/k²=π²/6.
  2. Segundo momento

    E||WQ(t)||²=tπ²/6.
  3. Conclusión

    La serie define un ruido con valores en L².

Resultado

La disminución de las amplitudes √qₖ=1/k hace sumable la energía.

Lo comprobamos

No se suman √qₖ para este criterio: se suman qₖ.

Muchos modos blancos

qₖ=1 en cada uno de N modos.

  1. Truncación

    E||W_{N}(t)||²=tN.
  2. Límite

    Para t>0 no hay cota uniforme de traza.
  3. Interpretación

    El objeto infinito se trata como cilíndrico o en un espacio de distribuciones, no como el Wiener gaussiano de H.

Resultado

Cada proyección es válida aunque la serie completa no tenga valores en H.

Lo comprobamos

La necesidad de traza finita es una propiedad de gaussianas en Hilbert; no se deduce solo de una media divergente para variables arbitrarias.

4. La solución mild deja que el calor actúe sobre cada aporte de ruido

Para du=Au dt+Q¹ᐟ²dW, donde W es cilíndrico, u(t)=S(t)u_0+Z(t),\qquad Z(t)=\int_0^t S(t-s)Q^{1/2}\,dW(s).

Se llama solución mild. Un aporte ocurrido en s se amortigua durante t−s; cerca del tiempo final ha tenido menos tiempo para suavizarse.

La isometría de Itô en Hilbert da \mathbb E\|Z(t)\|_H^2=\int_0^t\|S(t-s)Q^{1/2}\|_{HS}^2\,ds.

En la base diagonal vale Σqₖ(1−e^{-2\lambda_k t})/(2λₖ), con exponente −2λₖt. Su finitud caracteriza la construcción gaussiana en media cuadrática de H en ese tiempo. Continuidad de caminos en una topología dada requiere estimaciones temporales adicionales.

Ruido blanco regularizado por el calor en 1D

qₖ=1 y λₖ=k², con inicio cero.

  1. Varianza por modo

    vₖ(t)=(1−e⁻²ᵏ²ᵗ)/(2k²).
  2. Cota

    0≤vₖ(t)≤1/(2k²).
  3. Sumar

    La energía media es como máximo π²/12.

Resultado

El campo puede estar en L² aunque el ruido cilíndrico no lo esté.

Lo comprobamos

La regularización procede del semigrupo dentro de la integral.

Un ruido concentrado en el segundo modo

q₂=4 y los demás qₖ son cero.

  1. Autovalor

    λ₂=4.
  2. Integrar

    La varianza de Z₂ es 4(1−e⁻⁸ᵗ)/8.

  3. Energía

    E||Z(t)||²=(1−e⁻⁸ᵗ)/2.
Resultado

La fórmula infinita se reduce aquí a un único término.

Lo comprobamos

La varianza límite es un medio, no cuatro.

5. Débil en el espacio y fuerte en probabilidad responden a preguntas distintas

Probar con v del dominio del adjunto da \langle u(t),v\rangle=\langle u_0,v\rangle+\int_0^t\langle u(s),Av\rangle ds+\int_0^t\langle Q^{1/2}dW(s),v\rangle. La formulación débil espacial mueve la derivada a la prueba. Con integrabilidad adecuada de u, coincide con la formulación mild del problema lineal.

En el marco variacional usamos H₀¹⊂L²⊂H⁻¹ y ⟨Δu,v⟩=−∫∇u·∇v.

Ruido de traza finita y dato L² cuadrado-integrable permiten el balance energético correspondiente. Ruido más irregular puede requerir otros espacios. Fuerte analíticamente pide regularidad para Au; fuerte probabilísticamente pide construcción con el ruido dado. Una solución mild puede ser fuerte probabilísticamente sin derivadas espaciales clásicas.

Mover una derivada a la prueba

u,v suaves que se anulan en la frontera del intervalo.

  1. Integrar por partes

    ∫u″v=[u′v]₀π−∫u′v′.
  2. Frontera

    El término [u′v] desaparece porque v=0 en los extremos.
  3. Extender

    −∫u′v′ tiene sentido para u,v∈H₀¹ aunque u″ no sea una función L².

Resultado

La prueba permite interpretar un operador con menor regularidad.

Lo comprobamos

No se afirma que desaparezcan todos los requisitos de integrabilidad.

Un campo mild con ruido blanco en 1D

Datos cero y λₖ=k².

  1. Campo

    La suma de varianzas es finita, así que hay construcción en media cuadrática de L².

  2. Gradiente

    La suma de k²vₖ(t) diverge para t>0.
  3. Vocabulario

    La construcción usa el ruido dado, pero no satisface ese control energético de H₀¹.

Resultado

Fuerte probabilístico no implica fuerte analítico.

Lo comprobamos

No se aplica sin más el balance variacional de traza finita a este ruido blanco.

6. Cada modo satisface una ecuación de Ornstein–Uhlenbeck

Al probar con eₖ y escribir aₖ=⟨u,eₖ⟩, obtenemos da_k=-\lambda_ka_k\,dt+\sqrt{q_k}\,dB_k. El factor integrante e^{\lambda_k t}, con exponente λₖt, cancela la deriva. Con dato determinista, la media es e^{-\lambda_k t}aₖ(0) y la varianza vₖ=qₖ(1−e^{-2\lambda_k t})/(2λₖ).

Resolver una coordenada es un problema finito. Reconstruir u añade la exigencia de sumar segundos momentos. La positividad λₖ>0 de Dirichlet amortigua cada modo, pero no garantiza por sí sola que la suma infinita tenga energía finita.

Un modo con restauración y ruido

λ=3, q=12 y a₀=2.

  1. Media

    E a(t)=2e⁻³ᵗ.
  2. Varianza

    v(t)=12(1−e⁻⁶ᵗ)/6=2(1−e⁻⁶ᵗ).
  3. Segundo momento

    E a(t)²=4e⁻⁶ᵗ+2(1−e⁻⁶ᵗ).
Resultado

El segundo momento suma varianza y cuadrado de la media.

Lo comprobamos

En t=0 vale cuatro, como a₀².

Apagar solo el ruido de un modo

λ=4, q=0 y a₀=3.

  1. Ecuación

    da=−4a dt.
  2. Solución

    a(t)=3e⁻⁴ᵗ determinista.
  3. Varianza

    Es cero; el segundo momento es 9e⁻⁸ᵗ.

Resultado

Sin ruido no hay varianza, aunque el valor no sea cero.

Lo comprobamos

Si además a₀=0, el modo queda en cero.

7. Parseval convierte la convergencia del campo en una pregunta sobre colas

Enumeramos una base de modos; en dimensión mayor, el índice incluye multiplicidades de autovalores.

Para u_{N}=Σₖ≤Naₖeₖ, ortonormalidad da ||u_{N}||²=Σ|aₖ|² en cada realización.
Por eso E||u_{N}||²=Σ(|E aₖ|²+Var aₖ).

No hace falta independencia para eliminar productos espaciales cruzados; la ortogonalidad basta.

Una cota de la cola permite pasar de modos finitos a un campo
Energía estacionaria en 1D112Eₙ=Σₖ≤ₙ 1/(2k²)Límite: π²/12Cola ≤1/(2N)
Calor estocástico con ruido blanco aditivo en el intervalo cero pi y frontera de Dirichlet. Cada modo estacionario tiene varianza uno sobre dos k al cuadrado. Se muestran las primeras doce sumas de energía esperada, con escala vertical común y línea límite pi al cuadrado sobre doce. La cola después del modo N está entre 1/[2(N+1)] y 1/(2N), por comparación con la integral de uno sobre dos x al cuadrado. Para dato inicial cero y tiempo finito la cola es aún menor. No se confunde este control de L dos con un control de gradiente: la energía estacionaria de cada derivada aporta un medio y su suma diverge.

Si las truncaciones usan los mismos ruidos y datos en sus modos comunes, E||u_{M}−u_{N}||² es exactamente la suma de segundos momentos de la cola. La suma finita total permite completar en L²(Ω;H). Una truncación bien resuelta sin control uniforme de cola no justifica el límite infinito.

Energía de dos modos con medias no nulas

Medias uno y dos, varianzas tres y cuatro, modos ortonormales.

  1. Primer modo

    E a₁²=1²+3=4.
  2. Segundo modo

    E a₂²=2²+4=8.
  3. Parseval

    E||u₂||²=4+8=12.
Resultado

Sumar solo las varianzas daría siete y olvidaría las medias.

Lo comprobamos

La independencia de a₁ y a₂ no es necesaria para esta identidad espacial.

Una cola controlada de ruido blanco 1D

Inicio cero; conservar los primeros N modos.

  1. Cota por modo

    vₖ(t)≤1/(2k²).
  2. Comparar integral

    Σₖ>N1/(2k²)≤∫_N∞dx/(2x²)=1/(2N).
  3. Error

    E||u−u_{N}||²≤1/(2N), por lo que el error L² de probabilidad es como máximo 1/√(2N).

Resultado

El número de modos permite una cota verificable del error.

Lo comprobamos

La cota no es un máximo determinista para todos los caminos.

8. La dimensión decide qué regularidad puede sumar el ruido blanco

Definimos la escala espectral \|u\|_{\mathcal H^s}^2=\sum_k\lambda_k^s|a_k|^2; λₖ>0. Con ruido blanco y t>0, vₖ es comparable a 1/(2λₖ) en frecuencias altas. En dimensión d, la suma se comporta como Σ|k|²ˢ⁻² y el recuento por capas lleva a ∫₁∞rᵈ⁻¹⁺²ˢ⁻²dr.

Converge exactamente si s<1−d/2; en el umbral crítico diverge logarítmicamente.

En 1D admite s<1/2, en 2D s<0 y en 3D s<−1/2.
Con qₖ comparable a (1+λₖ)⁻ʳ para r≥0, el umbral pasa a s<1+r−d/2.

Esta escala incluye la frontera; su identificación con otras convenciones de Sobolev requiere comprobar el dominio.

La diferencia entre una y dos dimensiones

Buscar energía L² media finita: s=0.

  1. En 1D

    0<1−1/2: cumple el criterio.
  2. En 2D

    Se exige 0<0, que es falso; estamos en el borde crítico.

  3. Interpretación

    En 2D blanco, el campo se construye en órdenes espaciales negativos, no en L².

Resultado

No basta que todos los modos individuales tengan varianza finita.

Lo comprobamos

Para la gaussiana infinita, la condición de traza en el espacio elegido también caracteriza si es una variable con valores allí.

Suavizar el ruido puede cambiar el espacio de solución

d=2 y qₖ comparable a (1+λₖ)⁻¹ᐟ².

  1. Parámetro

    r=1/2.
  2. Umbral

    s<1+1/2−1=1/2; en particular s=0 sirve.
  3. Ruido frente a campo

    TrQ todavía diverge en 2D, pero el calor hace finita la energía L² del campo.

Resultado

La solución puede ser una función L² sin que WQ lo sea.

Lo comprobamos

La traza del ruido exigiría r>d/2=1, una condición más fuerte.

9. El balance de energía y el equilibrio necesitan sumas distintas

Con TrQ<∞ y E||u₀||²<∞, el calor lineal satisface \mathbb E\|u(t)\|^2+2\mathbb E\int_0^t\|\nabla u(s)\|^2ds=\mathbb E\|u_0\|^2+t\operatorname{Tr}Q. La corrección de Itô inyecta qₖ por modo y la deriva retira 2λₖE|aₖ|². Con ruido blanco, cada truncación inyecta N: no se separan infinitos términos divergentes para obtener un balance inválido.

Las varianzas límite son qₖ/(2λₖ). Si Σqₖ/λₖ<∞, definen una gaussiana invariante en H; desde un punto, el calor de Dirichlet converge en ley hacia ella. En 1D blanco hay equilibrio de energía L² finita, pero energía media de gradiente infinita. Un modo constante λ=0 excitado por ruido, permitido en otras fronteras, tiene varianza creciente y rompe ese equilibrio global.

Equilibrio de dos modos

λ₁=1, q₁=2; λ₂=4, q₂=8.

  1. Varianzas límite

    q₁/(2λ₁)=1 y q₂/(2λ₂)=1.
  2. Energía

    La energía media estacionaria total es dos.

  3. Balance

    La disipación es 2(1·1+4·1)=10, igual a q₁+q₂=10.
Resultado

En equilibrio la energía media no crece aunque ruido y disipación sigan actuando.

Lo comprobamos

El balance compara tasas, no afirma que una trayectoria sea constante.

El modo que no se restaura

En un toro, modo constante normalizado con q₀=3 y λ₀=0.

  1. Ecuación

    da₀=√3dB₀.
  2. Varianza

    Desde dato determinista, Var a₀(t)=3t.
  3. Consecuencia

    No hay la misma gaussiana de varianza finita estacionaria para todo el campo sin separar ese modo.

Resultado

Antes de hablar de equilibrio hay que revisar todos los modos no amortiguados.

Lo comprobamos

No se usa q₀/(2λ₀), pues divide por cero.

10. Una no linealidad debe estar definida en el espacio donde vive el campo

Para du=(Au+F(u))dt+Q¹ᐟ²dW, mild añade ∫S(t−s)F(u(s))ds.

Con F globalmente Lipschitz de H en H, Q de traza finita y datos H apropiados, punto fijo y estimaciones dan solución mild global única. Ruido multiplicativo requiere además operadores de Hilbert–Schmidt adecuados y controles de continuidad y crecimiento.

El cubo no es automáticamente una aplicación de L² en L²; para campos distribucionales puede ni siquiera tener producto ordinario. Como ejemplo separado, en el toro 2D con masa positiva, un modelo Φ⁴₂ regularizado usa un cubo de Wick uε³−3Cεuε, con Cε la varianza del campo gaussiano lineal regularizado bajo la normalización fijada.

Su construcción y convergencia requieren teoremas propios. No es una receta universal ni se traslada sin cambios a dimensión tres o a otra frontera.

Una función L² cuyo cubo no es L²

En (0,1), f(x)=x⁻¹ᐟ⁴.

  1. Cuadrado

    ∫₀¹|f|²dx=∫₀¹x⁻¹ᐟ²dx=2, finita.
  2. Cubo en L²

    Haría falta ∫₀¹|f³|²dx=∫₀¹x⁻³ᐟ²dx, que diverge.
  3. Fallo

    La operación f↦f³ no envía todo L² a L².

Resultado

Primero se comprueba el dominio de la no linealidad.

Lo comprobamos

El ejemplo es una función ordinaria; un campo distribucional puede presentar aún más dificultad.

Por qué aparece el coeficiente tres en el cubo de Wick

G normal centrada de varianza C finita.

  1. Momentos

    E G²=C y E G⁴=3C².
  2. Quitar la componente lineal

    E[(G³−aG)G]=3C²−aC.
  3. Elegir

    Con a=3C esa covarianza es cero: G³−3CG es el cubo de Wick gaussiano.

Resultado

Esta cuenta explica una corrección algebraica; no demuestra el límite de una EDP singular.

Lo comprobamos

Cuando la varianza regularizada diverge, la definición del campo renormalizado exige un argumento espacial y temporal adicional.

Ahora lo resolvemos de principio a fin.

EJEMPLO RESUELTO 1

Un modo amortiguado

Con λ=2,σ=2,a₀=0, calcula la varianza límite del modo.

  1. Modo

    da=−2a dt+2dB y a₀=0.
  2. Ruido

    q=σ²=4.
  3. Varianza temporal

    v(t)=q(1−e⁻²ˡᵗ)/(2λ), con λ=2.
  4. Sustituir

    v(t)=4(1−e⁻⁴ᵗ)/4=1−e⁻⁴ᵗ.
  5. Límite

    Al aumentar t, e⁻⁴ᵗ tiende a cero y v tiende a uno.

  6. Interpretar

    El modo mantiene una fluctuación equilibrada de varianza uno; no se vuelve determinista.

Resultado

La varianza límite es 1.

Lo comprobamos

El modo no se vuelve determinista: alcanza una fluctuación equilibrada.

EJEMPLO RESUELTO 2

Dos modos independientes

Si dos modos ortonormales independientes tienen varianzas 1 y 3 y media cero, calcula E||u||₂².

  1. Truncación

    u=a₁e₁+a₂e₂ con dos modos ortonormales.
  2. Norma

    Parseval da ||u||²=|a₁|²+|a₂|².
  3. Esperanza

    E||u||²=E|a₁|²+E|a₂|².
  4. Medias

    Como ambas son cero, cada segundo momento es su varianza.

  5. Sumar

    La energía media es 1+3=4.
  6. Alcance

    Es una truncación de dos modos; para infinitos se comprueba convergencia de la serie. La ortogonalidad basta para la identidad espacial.

Resultado

La energía media es 4.

Lo comprobamos

Se ha fijado una truncación de dos modos.

Los símbolos que hemos usado

D y H=L²(D)
Dominio espacial y espacio de campos de energía cuadrática finita; inicialmente D=(0,π)ᵈ con contorno de Dirichlet.
A=ΔD
Laplaciano con condición u=0 en la frontera; genera el semigrupo del calor S(t)=e^{tA}.
eₖ, λₖ>0
Base ortonormal de autofunciones y autovalores de−A:−Aeₖ=λₖeₖ.
Bₖ
Brownianos reales independientes que impulsan las distintas coordenadas del ruido.
Qeₖ=qₖeₖ, qₖ=σₖ²
Covarianza espacial diagonal; qₖ≥0 mide intensidad de ruido en el modo k.
WQ(t)=Σₖ√qₖBₖ(t)eₖ
Serie de ruido; es H-valuada en media cuadrática si Σqₖ<∞, y puede ser solo formal si no.
Z(t)
Convolución estocástica∫₀ᵗS(t−s)Q¹ᐟ²dW(s), donde W es un Wiener cilíndrico.
||R||HS²
Norma de Hilbert–Schmidt al cuadrado, Σₖ||Reₖ||H², independiente de la base.
𝓗ˢ
Escala de Sobolev espectral con norma al cuadrado Σₖ(1+λₖ)ˢ|⟨u,eₖ⟩|².
Ruido blanco espacio-temporal
Distribución gaussiana ξ con covarianza E[ξ(φ)ξ(ψ)]=∫φ(t,x)ψ(t,x)dtdx para funciones de prueba reales.

Ahora te toca a ti.

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

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