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Rigidity of Fourier Multipliers for Universal Euler Convective Cancellations

A conservação de energia e a de helicidade na equação de Euler incompressível dizem que dois operadores, a identidade e o rotacional, são ortogonais ao termo convectivo (w⋅∇)w(w\cdot\nabla)w. O artigo estuda a recíproca no toro tridimensional: quais multiplicadores de Fourier são ortogonais a esse termo para todo campo trigonométrico real, de média zero e livre de divergência?

Sem supor localidade, isotropia, limitação, autoadjunção ou saída transversal, o artigo mostra que isso acontece se, e somente se, R=A+Bcurl⁡+curl⁡BR = A + B\operatorname{curl} + \operatorname{curl}B, com AA e BB matrizes reais simétricas constantes. Quando a saída também é livre de divergência, restam apenas R=cI+dcurl⁡R = cI + d\operatorname{curl}: nessa classe, energia e helicidade esgotam as possibilidades.

A prova combina polarização de tríades, propagação pela rede inteira e certificados de posto em aritmética exata, acompanhados de uma formalização em Lean 4. O trabalho não reivindica aplicação à regularidade ou à existência de soluções.

Abstract

We prove an operator-level rigidity theorem for universal Euler convective cancellations on the three-torus. Let R(k):kC⊥→C3R(k):k_{\mathbb{C}}^{\perp}\to\mathbb{C}^{3}, k∈Z3∖{0}k\in\mathbb{Z}^{3}\setminus\{0\}, be an arbitrary reality-compatible Fourier symbol, with no boundedness, locality, isotropy, self-adjointness, or range assumption. If ⟨Rw,(w⋅∇)w⟩L2=0\langle Rw,(w\cdot\nabla)w\rangle_{L^{2}}=0 for every real, mean-zero, divergence-free trigonometric polynomial ww, then, and only then, R=A+Bcurl⁡+curl⁡B,A,B∈Sym⁡(3,R).R=A+B\operatorname{curl}+\operatorname{curl}B,\qquad A,B\in\operatorname{Sym}(3,\mathbb{R}). Thus universal cancellation forces an arbitrary symbol to be the restriction of a constant-coefficient self-adjoint operator of order at most one. If the output is also divergence-free, the family reduces to R=cI+dcurl⁡R=cI+d\operatorname{curl}. The zero-mode block is invisible and remains arbitrary when constant fields are admitted. The proof combines phase-polarized triads, analytic propagation through Z3\mathbb{Z}^{3}, and exact finite rank certificates. We also obtain sharp finite test counts under explicit ordering hypotheses, identify the isosceles degeneracy caused by Leray projection, and pull the classification back to universal strain–vorticity cancellations. The certificates are reproduced by exact-arithmetic programs; the Lean 4 formalization and its compiler-trusted finite-rank dependency are documented separately. No application to PDE regularity or existence is claimed.

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doi:10.5281/zenodo.22819121 (Zenodo)
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Palavras-chave
Euler equations, Fourier multipliers, rigidity, exact arithmetic certificates, Lean 4, formal verification, energy and helicity