Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 634620)
Контекстум
.

Интегральные уравнения и задача Штурма-Лиувилля (220,00 руб.)

0   0
Первый авторГлушко Андрей Владимирович
АвторыПровоторов Вячеслав Васильевич, Рябенко Александр Сергеевич
ИздательствоИздательский дом ВГУ
Страниц139
ID437100
Аннотация Настоящее пособие основано на материале двух специальных курсов, призванных существенно углубить некоторые разделы фундаментального курса «Уравнения в частных производных» для студентов- математиков классических университетов, связанные прежде всего с вопросами приложений интегральных уравнений к задачам математической физики (анализ Фурье, начально-краевые задачи).
Кому рекомендованоРекомендовано студентам 3 – 4 курсов дневного отделенияи 2 курса магистратуры математического факультета
Глушко, А.В. Интегральные уравнения и задача Штурма-Лиувилля / В.В. Провоторов, А.С. Рябенко; А.В. Глушко .— Воронеж : Издательский дом ВГУ, 2015 .— 139 с. — 139 с. — URL: https://rucont.ru/efd/437100 (дата обращения: 20.04.2024)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.В. Глушко, В.В. Провоторов, А.С. Рябенко ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ЗАДАЧА ШТУРМА–ЛИУВИЛЛЯ Учебное пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2015 1 Утверждено научно-методическим советом математического факультета 28 мая 2015, протокол № 0500-05 Рецензент – д-р ф.-м.н., профессор И.Л. Батаронов Подготовлено на кафедре уравнений в частных производных и теории вероятностей математического факультета Воронежского государственного университета Рекомендовано студентам 3 – 4 курсов дневного отделения и 2 курса магистратуры математического факультета Для направлений 01.03.01 – Математика, 01.01.00 – Математика 2 СОДЕРЖАНИЕ Введение . <...> Регулярная краевая задача и задача Штурма–Лиувилля (предварительные сведения) . <...> Нормированное пространство X называется полным, если любая фундаментальная последовательность элементов этого 6 ε ε ε ε ε ε ε пространства сходится к элементу, принадлежащему этому пространству. странством. <...> Функциональное пространство CL , ]a b∞ [ Функцию, заданную на отрезке [ab, ] вещественной оси, будем обозначать символом ()f ⋅ или просто f , значение ее в точке x ab∈ [ , ]– символом ()f x . <...> Таким образом, сходимость в [ x ab∈ [ , ] и, следовательно, функциональная последовательность { n()} CL , ]a b∞ тического анализа, есть равномерная сходимость. <...> Очевидно, что ℜ ab, ] есть часть пространства p xp x C x = (): ( k k 0 (12) Линейное пространство ℜ ab, ] с нормой (12) обозначим через ; оно является частью CL , ]a b∞ довательность {}:( 1 k 0 p px xk= = сходится на отрезке [ m ! мерно к функции x ва ℜL , ]ab∞ Позже мы увидим, что процесс пополнения неполного пространст[ e (не принадлежащей [ℜ ab, ]) при m→∞. приводит к полному пространству CL , ]a b∞ [ . <...> Классификация линейных интегральных уравнений Рассмотрим на плоскости переменных (),t квадрат Qt a =≤≤ b, { () yt k t y d f t=+) () где ()  () (,() b a kt y d f t) – = интегральным <...>
_Интегральные_уравнения_и_задача_Штурма-Лиувилля_.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧЕРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А.В. Глушко, В.В. Провоторов, А.С. Рябенко ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ И ЗАДАЧА ШТУРМА–ЛИУВИЛЛЯ Учебное пособие Воронеж Издательский дом ВГУ 2015 1
Стр.1
СОДЕРЖАНИЕ Введение ............................................................................................................ 4 Раздел 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ПРОСТРАНСТВА И ОРТОГОНАЛЬНЫЕ РАЗЛОЖЕНИЯ ........................................... 5 § 1. Понятие нормированного пространства ................................................. 5 § 2. Функциональное пространство CL , ]a b∞ [ § 3. Функциональные пространства CL a b p [ ,,] ≤<∞ с метрикой 1 ............................................... 9 p уклонения в p -среднем .......................................................................... 12 Раздел 2. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ............................................... 17 § 1. Классификация линейных интегральных уравнений .......................... 17 § 2. Уравнение Фредгольма с вырожденным ядром ................................... 21 § 3. Теорема о разрешимости (общий случай) ............................................ 28 § 4. Альтернатива Фредгольма ...................................................................... 35 § 5. Метод последовательных приближений (метод итераций) ................ 37 § 6. Первоначальные сведения об операторах в нормированных и евклидовых пространствах .................................................................. 45 § 7. Самосопряженный интегральный оператор ......................................... 53 § 8. Билинейное разложение симметричного ядра и его итераций ........... 60 § 9. Разложение истокообразной функции (теорема Гильберта–Шмидта) ................................................................ 71 § 10. Билинейное разложение ядра и его итераций (продолжение) .......... 73 § 11. Интегральное уравнение с симметричным ядром ............................. 76 § 12. Заключительные замечания ................................................................... 80 Раздел 3. ЛИНЕЙНЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ВТОРОГО ПОРЯДКА (КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШЕНИЕ РЯДАМИ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ) ................................ 82 § 1. Линейный дифференциальный оператор второго порядка ................ 82 § 2. Регулярная краевая задача и задача Штурма–Лиувилля (предварительные сведения) .................................................................. 85 -функция, фундаментальное решение, функция Грина ................... 87 § 3. § 4. Эквивалентность задачи Штурма–Лиувилля интегральному уравнению. Теорема Стеклова ............................................................... 95 § 5. Общая краевая задача. Задача с параметром. Симметризуемые Задачи ..................................................................................................... 100 § 6. Уравнения с полиномиальными и рациональными коэффициентами. Обыкновенные и особые точки. Решение точками ........................... 103 § 7. Уравнения Гаусса, Бесселя. Цилиндрические функции .................... 113 § 8. О сингулярных краевых задачах .......................................................... 123 Библиографический список .......................................................................... 138 3 δ
Стр.3
Тогда сходимость последовательности элементов { }n 0 = f ⊂ X к f X∈ определяется следующим образом: последовательность элементов { }n > выполняется неравенство −< . При этом пишут lim X f =n→∞ fn f ⊂ X называется сходящейся к элементу f X∈ , если для любого > можно указать номер NN () такой, что приnN ff n или fn→f . X Определенная таким образом сходимость в X называется сходимостью по норме. Позже (см. замечание в конце параграфа) будут рассмотрены понятия метрического пространства и сходимости в нем. Нормированное пространство является метрическим пространством с метрикой (1). Поэтому мы будем называть сходимость по норме также сходимостью по метрике (1). Сходящаяся по норме последовательность обладает привычными свойствами: 1) сходящаяся в X последовательность может иметь только один предельный элемент; 2) всякая подпоследовательность сходящейся последовательности сходится, причем к тому же пределу; 3) сходящаяся в X последовательность ограничена по норме. Доказательства предложений 1 и 2 предоставляются в качестве упражнения читателю. Для примера докажем свойство 3. Из сходимости fn→f следует, что для X кой, что ffn 1−< при nN > получим nn nN n fn f = найдется номер N та1 если взять в качестве M максимальное из чисел 1 f M≤ полноты пространства X . Определение. Последовательность { }n = для всех n 1≥ . Это и означает, что последовательность { }n ff f=− + f ≤ −+ < + . Следовательно, ff f + , то f ог> . По неравенству треугольника при f f 1 ,..., N , 1 раничена (по норме). Важным понятием, связанным со сходимостью, является понятие ментальной в X (или сходящейся в себе), если для любого номер NN () такой, что как только >> , то nm 0 nN , mN ff f ⊂ X называется фунда> найдется −< . Определение. Нормированное пространство X называется полным, если любая фундаментальная последовательность элементов этого 6 ε ε ε ε ε ε ε
Стр.6
пространства сходится к элементу, принадлежащему этому пространству. странством. Полное нормированное пространство называется банаховым проНапомним, что с понятием полноты мы встречались в математическом анализе при построении теории вещественных чисел. Полезно оглянуться на эту теорию с новой точки зрения. Пусть Q обозначает множество рациональных чисел, R – множество вещественных чисел. Q (R) как линейное пространство, элементами которого являются рациональные (вещественные) числа, а скалярами – опять же рациональные (вещественные) числа. Q (R) становится нормированным пространством, если в качестве нормы числа брать его модуль. Нормированное таким образом пространство R – полное (т.е. банахово), а пространство Q неполно. В самом деле, в R любая фундаментальная последовательность имеет предел, а, например, последовательность 1,    + 1 n n n = 1,2,... фундаментальна в Q, но не имеет предела в Q (ее предел e – число ирраци-ональное). Пространство R можно рассматривать как результат «пополнения» Q. Процесс пополнения будет применен далее к неполным нормированным пространствам, элементами которых являются функции. Напомним еще, что числа («скаляры») в определении линейного нормированного пространства берутся либо вещественными, либо комплексными. В первом случае говорят, что X – вещественное нормированное пространство, во втором – комплексное нормированное пространство. различные нормы. Две нормы называются эквивалентными, если они порождают одну и ту же сходимость (т.е. последовательность { }n ⋅ и 2 ⋅ достаточно, чтобы их отношение было ограничено сверху и снизу, т.е. 1 R . Для элемента ()1 n ,..., x 1 = ,xi i=1 n (2) 7 <≤ f ≤ <∞ ∈ ≠ . Рассмотрим вещественное n -мерное координатное пространство n 0, , CCf 12 2 f X x xx R=∈ определим нормы n f 0 В одном и том же линейном пространстве X можно определить f ⊂ X , сходящаяся к элементу f X∈ по одной из норм, будет сходиться к f по другой и наоборот). Ясно, что для эквивалентности норм 1 α
Стр.7
x 2 =  ,xi 2 n (3) i=1 x ∞ = max i = 1,..., in x . ряет аксиомам нормы. Нормы 12 справедливы очевидные неравенства 3 max x xn x n2 max x 11 ii j == Норма 2 октаэдрической, норма x ∞ iii ij ≤≤ ≤ . 2 nn x называется евклидовой или сферической, норма – кубической. Справедливо следующее утверждение. Лемма. Любая норма ⋅ в n 1, 0, ..., 0 , x xe 1 =+ + x e . ... Так как ≤= , то, учитывая 1 1 x xx = ij j  n придем к неравенству 2 2 x ≤Cx (C n= ). 2 Обратное неравенство доказывается от противного. Предположим, что не найдется постоянной c , для которой x cx≤ 2 x mx> 2 y m = x x m m 2 вательность { } m С одной стороны, будем иметь yj y = и, следовательно, последоm 2 1 j -х координат ограничена. Тогда, пользуясь свойством 8 . (7) . Рассмотрим последовательность { }⊂ : mn yR . Тогда для любого натурального m можно указать элемент m mm x такой, что (6) n n x xe =+ + ≤ ... 11 ... + x e ++ =n x e x e ... + ee n, nn nn . тельно, любые две нормы эквивалентны между собой). Доказательство. Очевидно, что элементы образуют базис в n 1 ee e== = R и элемент ()1 0, 1, ..., 0 , ... x xx= ,..., n () () () 12 n 0, 0, ..., 1 имеет представление (5) Взяв норму ⋅ от обеих частей равенства (5) и пользуясь неравенством треугольника, получим 11 x 1 – R эквивалентна евклидовой (следоваx ,, (4) Легко проверить, что каждое из написанных выражений удовлетвоxx∞ эквивалентны. В самом деле,
Стр.8