Методы математической физики. Конспект лекций

74

Upload: phamliem

Post on 08-Dec-2016

226 views

Category:

Documents


12 download

TRANSCRIPT

Page 1: Методы математической физики. Конспект лекций

Êîíñïåêò ëåêöèé ïî ìàòåìàòè÷åñêîé ôèçèêåÔÒÔ, îñåííèé ñåìåñòð

Page 2: Методы математической физики. Конспект лекций

Ïëàí ñåìåñòðà1. Ñèíãóëÿðíàÿ çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ

2. Ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà

3. Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ

4. Âàðèàöèîííîå èñ÷èñëåíèå

Ðåêîìåíäóåìàÿ ëèòåðàòóðà1. Á.Ì. Ëåâèòàí, È.Ñ. Ñàðãñÿí. Çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ

2. Ý.Ò. Òèò÷ìàðø. Ðàçëîæåíèå ïî ñîáñòâåííûì ôóíêöèÿì, ñâÿçàííûì ñ äèôôåðåíöèàëüíûìèóðàâíåíèÿìè 2-îãî ïîðÿäêà (òîì 1)

3. Ì.À. Ëàâðåíòüåâ, Á.Â. Øàáàò. Ìåòîäû òåîðèè ôóíêöèé êîìïëåêñíîãî ïåðåìåííîãî

4. È.Ã. Ïåòðîâñêèé. Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ

5. Â.È. Ñìèðíîâ. Êóðñ âûñøåé ìàòåìàòèêè, ò. IV

6. Â.Ñ. Áóñëàåâ. Âàðèàöèîííîå èñ÷èñëåíèå

7. Ýëüñãîëüö. Äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ è âàðèàöèîííîå èñ÷èñëåíèå

Äîïîëíèòåëüíî ïîòðåáóåòñÿ1. Èíòåãðàë Ñòèëòüåñà

2. Òåîðåìû Õåëëè (î ïðåäåëüíîì ïåðåõîäå â èíòåãðàëå Ñòèëòüåñà)

1

Page 3: Методы математической физики. Конспект лекций

Ãëàâà 1

Ñèíãóëÿðíàÿ çàäà÷àØòóðìà-Ëèóâèëëÿ

Ïóñòü f(x) óäîâëåòâîðÿåò óñëîâèÿì Äèðèõëå, òîãäà ñóùåñòâóåò èíòåãðàë :

f(ν) =

∞∫

−∞f(x)eiνxdx,

è èìååòñÿ ôîðìóëà îáðàùåíèÿ :

f(x) =12π

∞∫

−∞f(ν)e−iνxdν.

Ðàññìîòðèì óðàâíåíèåy′′ + λy = 0, −l < y < l

ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìèy(−l) = y(l) è y′(−l) = y′(l).

Ðåøåíèå ýòîé ñèñòåìû :λ = 0 y0(x) = 1

λn =π2n2

l2y(1)

n = ei√

λnx è y(2)n = e−i

√λnx,

ñèñòåìà ýòèõ ôóíêöèé îáëàäàåò ñâîéñòâîì ïîëíîòû.Âûïîëíèì ïðåäåëüíûé ïåðåõîä l → ∞, ïðè ýòîì óðàâíåíèå ñîõðàíèòñÿ, âìåñòî ãðàíè÷íûõ

óñëîâèé ïîòðåáóåì |y(x)| < ∞, òîãäà ïîëó÷èì íàáîð ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé

yλ(x) = ei√

λx

Îäíàêî òàêèå ôóíêöèè íå ÿâëÿþòñÿ áàçèñîì â ãèëüáåðòîâîì ïðîñòðàíñòâå, ïîýòîìó ïðîñòîå îáîá-ùåíèå çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ íà ñèíãóëÿðíûé ñëó÷àé íå ïîëó÷àåòñÿ.

Ìû óâèäèì, ÷òî ñèíãóëÿðíûå çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ïðèâîäÿò ê èíòåãðàëüíûì ïðåîáðàçî-âàíèÿì.

1.1 Ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ íà ïîëóîñèÐàññìîòðèì äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå è ãðàíè÷íîå óñëîâèå 3-åãî ðîäà ïðè x = 0

y′′ + (λ− q(x))y = 0, 0 < x < ∞

y(0) cos α + y′(0) sin α = 0

Íàðÿäó ñ ýòîé çàäà÷åé ðàññìîòðèì ðåãóëÿðíóþ

y′′ + (λ− q(x))y = 0, 0 < x < b

2

Page 4: Методы математической физики. Конспект лекций

y(0) cos α + y′(0) sin α = 0,y(b) cos β + y′(b) sin β = 0

Òàêàÿ çàäà÷à îáëàäàåò ñ÷åòíûì íàáîðîì ñîáñòâåííûõ ÷èñåë λn,b è ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé yn,b.Âîçüìåì ôóíêöèþ f(x) ∈ L2(0, b), ïóñòü

fn =

b∫

0

f(x)yn,b(x)dx

/

b∫

0

y2n,b(x)dx

1/2

=

b∫

0

f(x)yn,b(x)dx

/Nn,b

Èìååò ìåñòî ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ

b∫

0

f(x)2dx =∞∑

n=1

f2n =

∞∑n=1

1N2

n,b

b∫

0

f(x)yn,b(x)dx

Ââåäåì ôóíêöèþ (ñì. ðèñ. 1.1)

ρb(λ) =

− ∑λ<λn,b<0

1N2

n,b, λ ≤ 0

∑λ>λn,b>0

1N2

n,b, λ > 0

r(l)b

l

Ðèñ. 1.1:

Ðàññìîòðèì Fb(λ) =b∫0

f(x)y(x, λ)dx, ãäå y(x, λ) ðåøåíèå íà÷àëüíîé çàäà÷è

y′′ + (λ− q(x))y = 0,y(0) = sin α,

y′(0) = − cosα

Òîãäàb∫

0

f2(x)dx =

∞∫

−∞F 2

b (λ)dρb(λ),

â ñàìîì äåëå, âû÷èñëÿÿ èíòåãðàë Ñòèëòüåñà∞∫

−∞F 2

b (λ)dρb(λ) =∑

n

F 2(λn)[ρ(λn + 0)− ρ(λn − 0)] =∑

n

(∫ b

0

f(x)yn,b(x)dx

)1

N2n,b

.

Áóäåì äîêàçûâàòü, ÷òî äëÿ âñÿêîé f(x) ∈ L2(0,∞) åñòü ðàâåíñòâî∞∫

0

f2(x)dx =

∞∫

−∞F 2(λ)dρ(λ),

3

Page 5: Методы математической физики. Конспект лекций

2

2

b

p2

24

b

p2

29

b

p2

216

b

p2

225

b

p

llrp2)( =

)

)(lr)

l

Ðèñ. 1.2:

ãäå ôóíêöèè F è ρ ïîëó÷àþòñÿ èç Fb è ρb ïðåäåëüíûì ïåðåõîäîì b →∞ (ðèñ. 1.2).Ïðèìåð

y′′ + λy = 0, 0 < x < b

y′(0) = 0,y′(b) = 0

Ïîòðåáóåì äîïîëíèòåëüíî∫ b

0ydx = 0, òîãäà èìååì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ñîáñòâåííûõ ÷èñåë

λn =π2n2

b2,

yn = cosπnx

b,

êâàäðàò íîðìû N2n = b/2. Ëåãêî âèäåòü, ÷òî ρ(λ) = 2

π

√λ íå çàâèñèò îò b. Òîãäà ââåäåì

F (λ) =2π

∫ ∞

0

cos√

λf(x)dx,

íåïîñðåäñòâåííî âû÷èñëÿÿ èíòåãðàë∫ ∞

0

F 2(λ)d(2π

√λ) =

∫f2(x)dx.

êîíåö ïðèìåðàÄëÿ äîêàçàòåëüñòâà ðàññìîòðèì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü fn(x) ∈ C2(O, b), fn(x) ≡ 0 äëÿ âñÿêîãî

x > n, n < b è ïóñòü fn(x) óäîâëåòâîðÿåò ãðàíè÷íîìó óñëîâèþ fn(0) cos α + f ′n(0) sin α = 0Äîïðåäåëüíàÿ ôîðìà ðàâåíñòâà Ïàðñåâàëÿ

∫ b

0

f2(x)dx =∫ ∞

−∞F 2

b (λ)dρ(λ), (A)

ïîäñòàâèâ f = fn(x) èìååì ∫ n

0

f2n(x)dx =

∫ ∞

−∞F 2

b,n(λ)dρ(λ),

è Fb,n(λ) =∫ n

0fn(x)y(x, λ)x.

Ïîñêîëüêó y′′ + (λ− q(x))y = 0

Fb,n(λ) = − 1λ

∫ n

0

fn(x)[y′′ − qy]dx = − 1λ

fn(x)y′|n0 +1λ

yf ′n|n0 −1λ

∫ n

0

(f ′′n − qfn)y(x, λ)dx =

− 1λ

∫ n

0

(f ′′n − qfn)y(x, λ)dx

4

Page 6: Методы математической физики. Конспект лекций

Îöåíèì õâîñòû èíòåãðàëîâ â (A)∫

|λ|>M

F 2b,ndρb(λ) =

|λ|>M

1λ2

(∫ n

0

(f ′′n − qfn)y(x, λ)dx

)2

dρb(λ) ≤

1M2

|λ|>M

(∫ n

0

(f ′′n − qfn)y(x, λ)dx

)2

dρb(λ) ≤ 1M2

∞∫

−∞

(∫ n

0

(f ′′n − qfn)y(x, λ)dx

)2

dρb(λ) =

(âîñïîëüçîâàâøèñü ðàâåíñòâîì Ïàðñåâàëÿ â îáðàòíóþ ñòîðîíó)

=1

M2

∫ n

0

(f ′′n − qfn)2dx,

òàêèì îáðàçîì ∫

|λ|>M

F 2b,ndρb(λ) ≤ 1

M2

∫ n

0

(f ′′n − qfn)2dx.

Òîãäà ∣∣∣∣∣∫ ∞

0

f2ndx−

∫ M

−M

F 2b,nλdρb(λ)

∣∣∣∣∣ ≤1

M2

∫ n

0

(f ′′n − qfn)2dx.

Äàëåå ñëåäóåò âûïîëíèòü ïðåäåëüíûé ïåðåõîä b → ∞ (îöåíêè äëÿ ïðåäåëüíîãî ïåðåõîäà ïîâòîðîé òåîðåìå Õåëëè îïóùåíû), ôóíêöèè ρb(λ) → ρ(λ) (ρ-ïðåäåëüíàÿ ôóíêöèÿ - ïîëó÷àåòñÿ ïîòåîðåìå Õåëëè). (Ïîäðîáíîñòè - ñì. À.Í. Êîëìîãîðîâ, Ñ.Â. Ôîìèí "Ýëåìåíòû òåîðèè ôóíêöèé èôóíêöèîíàëüíîãî àíàëèçà".) Òàêèì îáðàçîì èìååì

∣∣∣∣∣∫ ∞

0

f2ndx−

∫ M

−M

F 2b,nλdρ(λ)

∣∣∣∣∣ ≤1

M2

∫ n

0

(f ′′n − qfn)2dx.

âûïîëíèì ïðåäåëüíûé ïåðåõîä M →∞, ñëåäîâàòåëüíî

∫f2

ndx =

∞∫

−∞F 2

ndρ(λ). (A′)

Äëÿ çàâåðøåíèÿ äîêàçàòåëüñòâà âîñïîëüçóåìñÿ òåì, ÷òî ìíîæåñòâî ôóíêöèé fn âñþäó ïëîòíîâ L2(0,∞) :

∀f(x) ∈ L2(0,∞)∃fn :∫ ∞

0

(f(x)− fn(x))2dx → 0, n →∞,

ïðè÷åì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü fn ñõîäèòñÿ â ñåáå, ò. å.∫∞0

(fn − fm)2dx →∞ ïðè n,m →∞.

Òîãäà ñîãëàñíî (A')∞∫−∞

(Fn − Fm)2dρ(λ) =∞∫0

(fn − fm)2dx → 0, ïðè n,m → ∞, ñëåäîâàòåëü-

íî ïîñëåäîâàòåëüíîñòü Fn(λ) ñõîäèòñÿ â ñåáå, à â ñèëó ïîëíîòû ïðîñòðàíñòâà L2(0,∞, ρ) ýòàïîñëåäîâàòåëüíîñòü ê ïðåäåëüíîé F (λ), çíà÷èò

∞∫

0

f2(x)dx =

∞∫

−∞F 2(λ)dρ(λ). (B)

Çàìå÷àíèå. Âòîðîå ãðàíè÷íîå óñëîâèå äëÿ çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ íå ïîëóîîñè íå ñòàâèòñÿ,ò.ê. óñëîâèå îãðàíè÷åííîñòè ñëèøêîì ñèëüíî îãðàíè÷èâàåò êëàññ ðåøåíèé, à óñëîâèå ïðèíàäëåæ-íîñòè ðåøåíèÿ ê L2(0,∞) ìîæåò è íå âûïîëíÿòüñÿ, ïîýòîìó çàäà÷à íà (0,∞) ðàññìàòðèâàåòñÿ êàêïðåäåë çàäà÷ íà (0, b).

5

Page 7: Методы математической физики. Конспект лекций

1.2 Îáîáùåííîå ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ. Òåîðåìà ðàçëîæåíèÿÐàññìîòðèì ïðîèçâîëüíûå ôóíêöèè f(x), g(x) ∈ L2(0,∞).Ñîãëàñíî ðåçóëüòàòàì ïàðàãðàôà ??, èìååì

∞∫

0

(f + g)2dx =

∞∫

−∞(F (λ) + G(λ))2dρ(λ)

∞∫

0

(f − g)2dx =

∞∫

−∞(F (λ)−G(λ))2dρ(λ)

Âû÷èòàÿ èç ïåðâîãî ðàâåíñòâà âòîðîå èìååì∞∫

0

fgdx =

∞∫

−∞F (λ)G(λ)dρ(λ)

Ïîëó÷åííîå ñîîòíîøåíèå íîñèò íàçâàíèå îáîáùåííîãî ðàâåíñòâà Ïàðñåâàëÿ.Ïðåæäå ÷åì ïðèñòóïèòü ê äîêàçàòåëüñòâó òåîðåìû ðàçëîæåíèÿ, äîêàæåì ñëåäóþùóþ âàæíóþ

ëåììó.

Ëåììà 1.2.1 (Ëàãðàíæà) Ïóñòü äëÿ ∀g(x) ∈ C(a, b),∫ b

af(x)g(x)dx = 0. Òîãäà f ≡ 0.

ÄîêàçàòåëüñòâîÏóñòü â íåêîòîðîé òî÷êå ξ ôóíêöèÿ f(ξ) > 0. Ñëåäîâàòåëüíî ∃ε > 0 : ∀x ∈ (ξ − ε, ξ + ε), f(x) > 0

âîçüìåì g(x) =

(x− ξ + ε)(x− ξ − ε), êîãäà |x− ξ| < ε0 èíà÷å

Î÷åâèäíî, ÷òî òàêàÿ g(x) ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíîé ôóíêöèåé, è èíòåãðàë∫ b

af(x)g(x)dx > 0. Òàêèì

îáðàçîì ìû ïðèõîäèì ê ïðîòèâîðå÷èþ, ñëåäîâàòåëüíî ëåììà äîêàçàíà.

Ïåðåéäåì, íàêîíåö ê äîêàçàòåëüñòâó îñíîâíîé òåîðåìû äàííîãî ïàðàãðàôà.

Òåîðåìà 1.2.2 (ðàçëîæåíèÿ) Ðàññìîòðèì f(x) ∈ C(0,∞) è ïóñòü∞∫−∞

F (λ)y(x, λ)dρ(λ) - ñõî-

äèòñÿ ðàâíîìåðíî ïî x.Òîãäà f(x) =

∞∫−∞

F (λ)y(x, λ)dρ(λ)

ÄîêàçàòåëüñòâîÐàññìîòðèì ôóíêöèþ g(x) ∈ C(0, n) òàêóþ ÷òî g(x) = 0, x > n.

Òîãäà∫ n

0f(x)g(x)dx =

+∞∫−∞

F (λ)(∫ n

0g(x)y(x, λ)dx)dρ(λ) =

Ìåíÿÿ ïîðÿäîê èíòåãðèðîâàíèÿ, â ñèëó ðàâíîìåðíîé ñõîäèìîñòè, è ïðîäîëæàÿ ðàâåíñòâî èìå-åì =

∫ n

0dxg(x)

+∞∫−∞

F (λ)dρ(λ). Èç çà ïðîèçâîëüíîñòè âûáîðà g(x), ïî ëåììå Ëàãðàíæà ïîëó÷àåì

f(x) =∞∫−∞

F (λ)y(x, λ)dρ(λ), ÷òî è òðåáîâàëîñü

ÏðèìåðÂîçüìåì, êàê è â ïðåäûäóùåì ïðèìåðå, ρ(λ) = 2

π

√λ è y(x, λ) = cos

√λx . Òîãäà ðàçëîæåíèå ôóíê-

öèè áóäåò âûãëÿäåòü ñëåäóþùèì îáðàçîì f(x) = 2π

+∞∫−∞

F (λ) cos√

λxd√

λ, ãäå F (λ) =∞∫0

f(x) cos√

λxdx .

Ñäåëàåì çàìåíó s =√

λ , F (s2) = f(s) ,òîãäà

f(x) = 2π

+∞∫−∞

f(s) cos sxds

f(s) =∞∫0

f(x) cos sxdx

Òî åñòü ìû ïîëó÷èëè îáû÷íîå ðàçëîæåíèå â èíòåãðàë Ôóðüå.

6

Page 8: Методы математической физики. Конспект лекций

1.3 Êðóã è òî÷êà Âåéëÿ ïðåäûäóùèõ ïàðàãðàôàõ áûëî ïîêàçàíî, ÷òî ïðè èçâåñòíîé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè, äëÿ ëþáîéäîñòàòî÷íî õîðîøåé ôóíêöèè ñóùåñòâóåò ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ è òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ. Îäíàêîîñòàëñÿ íåðåøåííûì âîïðîñ î íàõîæäåíèè ñàìîé ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè äëÿ äàííîãî óðàâíåíèÿ.Ýòîìó âîïðîñó è áóäóò ïîñâÿùåíû òðè ñëåäóþùèõ ïàðàãðàôà.

Äëÿ íà÷àëà âûâåäåì îäíî ïîëåçíîå ñîîòíîøåíèå.Ðàññìîòðèì äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå y′′(x) + (λ − q(x))y(x) = 0, 0 < x < b (î ãðàíè÷íûõóñëîâèÿõ ðå÷è íå èäåò).Ïóñòü F (x) è G(x) - ðåøåíèÿ ýòîãî óðàâíåíèÿ ñ λ è λ′ ñîîòâåòñòâåííî. Òî åñòü,

F ′′ + (λ− q)F = 0G′′ + (λ′ − q)G = 0

Äîìíîæàÿ ïåðâîå èç ýòèõ óðàâíåíèé íà G, âòîðîå íà F , âû÷èòàÿ èç ïåðâîãî âòîðîå è èíòåãðèðóÿïîëó÷èâøååñÿ óðàâíåíèå ïî ïðîìåæóòêó (0, b), èìååì

∫ b

0(F ′′G−G′′F )dx + (λ− λ′)

∫ b

0FGdx = 0

Ïðîèçâîäÿ â ïåðâîì ñëàãàåìîì èíòåãðèðîâàíèå ïî ÷àñòÿì è çàìåòèâ, ÷òî âíåèíòåãðàëüíûé ÷ëåíñîâïàäàåò ñ âðîíñêèàíîì ôóíêöèé F è G ïîëó÷èì WF, G0 −WF, Gb = (λ′ − λ)

∫ b

0FGdx

Ðàññìîòðèì, â ÷àñòíîñòè, λ′ = λ . Òîãäà, â ñèëó ýðìèòîâîñòè èñõîäíîãî óðàâíåíèÿ, G = F .Îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì èñêîìîå ñîîòíîøåíèå

2Imλ

∫ b

0

|F |2dx = iWF, F0 − iWF, Fb (1.1)

Ïðèñîåäèíèì ê ðàññìàòðèâàåìîìó äèôôåðåíöèàëüíîìó óðàâíåíèþ êðàåâîå óñëîâèå y(0) cos α +y′(0) sin α = 0.Ðàññìîòðèì òàêæå ôóíêöèþ φ(x, λ), ÿâëÿþùóþñÿ ðåøåíèåì çàäà÷è Êîøè ñ íà÷àëüíûìè óñëîâèÿ-ìè φ(0, λ) = sin α; φ′(0, λ) = − cos α. Ýòà ôóíêöèÿ, î÷åâèäíî, óäîâëåòâîðÿåò ââåäåííîìó êðàåâî-ìó óñëîâèþ. Òàêàÿ ôóíêöèÿ φ(x, λ) íàçûâàåòñÿ ïåðâûì êàíîíè÷åñêèì ðåøåíèåì èñõîäíîé çàäà÷è.Ðàññìîòðèì íàðÿäó ñ ôóíêöèåé φ, ôóíêöèþ θ(x, λ) òàêóþ, ÷òî θ(0, λ) = cos α; θ′(0, λ) = sin α .Òàêàÿ ôóíêöèÿ íàçûâàåòñÿ âòîðûì êàíîíè÷åñêèì ðåøåíèåì. Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî Wφ, θ = 1 ,ñëåäîâàòåëüíî φ è θ ëèíåéíî íåçàâèñèìû, à çíà÷èò îáùèé èíòåãðàë óðàâíåíèÿ ìîæíî ïðåäñòàâèòü,ñ òî÷íîñòüþ äî ïîñòîÿííîãî ìíîæèòåëÿ, â âèäå θ(x, λ) + lφ(x, λ).Ðàññìîòðèì òåïåðü âòîðîå êðàåâîå óñëîâèå y(b) cos β + y′(b) sin β = 0. Ïîäñòàâëÿÿ âûðàæåíèå äëÿîáùåãî ðåøåíèÿ, ïîëó÷èì (θ(b) + lφ(b)) cos β + (θ′(b) + lφ′(b)) sin β = 0èëè,l = − θ(b)ctgβ+θ′(b)

φ(b)ctgβ+φ′(b) . Îáîçíà÷èâ ctgβ = z, ïîëó÷èì îêîí÷àòåëüíî l = − θ(b)z+θ′(b)φ(b)z+φ′(b) . Ïðè òàêîì

îòîáðàæåíèè z → l âåùåñòâåííàÿ îñü êîìïëåêñíîé ïëîñêîñòè z ïåðåéäåò â íåêîòîðóþ îêðóæíîñòü,ÿâëÿþùóþñÿ ãðàíèöåé íåêîòîðîãî êðóãà Cb íà ïëîñêîñòè l (ðèñ. 1.3). Ìîæíî ïîêàçàòü (ñì.[1]), ÷òîðàäèóñ ïîëó÷èâøåãîñÿ êðóãà rb = 1

2|Imλ| R b0 |φ|2dx

. Îêàçûâàåòñÿ òàêæå, ÷òî óñëîâèå ïðèíàäëåæíîñòèêðóãó çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

iWbθ + lφ, θ + lφ > 0 êîãäà Imλ > 0iWbθ + lφ, θ + lφ < 0 êîãäà Imλ < 0

br

l(z)zÞ

Cb

Ðèñ. 1.3:

Âîñïîëüçóåìñÿ òåïåðü ïîëó÷åííûì â íà÷àëå ïàðàãðàôà ñîîòíîøåíèåì (1.1)äëÿ ôóíêöèè ψ =θ + lφ, ãäå l ïðèíàäëåæèò Cb. Èìååì: 2Imλ

∫ b

0|ψ(x, λ)|2dx = iWψ, ψ0 − iWψ, ψb

Òàê êàê Imλ è iWψ, ψ îäíîãî çíàêà ïîëó÷èì 2∫ b

0|ψ(xλ)|2dx < iWψ,ψ

Imλ . Äàëåå,

Wψ, ψ = Wθ, θ+ Wφ, φ+ lWφ, θ+ lWθ, φ =

 ñèëó äåéñòâèòåëüíûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé íà ôóíêöèè θ è φ ïåðâûå äâà ñëàãàåìûõ ðàâíû íóëþ,òîãäà, ïðîäîëæàÿ ðàâåíñòâî,

= l − l = 2iImλ

7

Page 9: Методы математической физики. Конспект лекций

Îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì ∫ b

0

|ψ(x, λ)|2dx < − Iml

Imλ(1.2)

Ðàññìîòðèì òåïåðü b′ > b è l ∈ Cb′ . Òîãäà∫ b

0|ψ(x, λ)|2dx <

∫ b′

0|ψ(x, λ)|2dx < − Iml

Imλ . Òî åñòül ∈ Cb, ñëåäîâàòåëüíî Cb′ ⊂ Cb. Óñòðåìèì òåïåðü b ê áåñêîíå÷íîñòè. Òîãäà âîçìîæíû âîçìîæíûäâà ñëó÷àÿ - êðóãè Cb áóäóò ñõîäèòñÿ ê íåêîòîðîìó êðóãó èëè â íåêîòóðóþ òî÷êó. Ïîëó÷èâøååñÿìíîæåñòâî íàçûâàåòñÿ ïðåäåëüíûì êðóãîì Âåéëÿ èëè ïðåäåëüíîé òî÷êîé Âåéëÿ ñîîòâåòñòâåííî.Ïóñòü äàëåå m - ïðåäåëüíàÿ òî÷êà èëè ëþáàÿ òî÷êà ïðåäåëüíîãî êðóãà. Ðàññìîòðèì ïðåäåëüíîåðåøåíèå ψ(x, λ) = θ(x, λ) + mφ(x, λ) . Òîãäà ïåðåõîäÿ â íåðàâåíñòâå (1.2) ê ïðåäåëó, ïîëó÷èì

∞∫

0

|ψ(x, λ)|2dx < −Imm

Imλ(1.3)

Òî åñòü ìû ïîëó÷èëè, ÷òî âíå äåéñòâèòåëüíîé îñè λ ñóùåñòâóåò êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìîå ðåøå-íèå. Ýòî ðåøåíèå íàçûâàåòñÿ ðåøåíèåì Âåéëÿ, à ôóíêöèÿ m(λ) - ôóíêöèåé Âåéëÿ-Òèò÷ìàðøà.Çàìåòèì, ÷òî â ñëó÷àå ïðåäåëüíîãî êðóãà, φ(x, λ) òîæå êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìàÿ ôóíêöèÿ (ýòîñëåäóåò èç âûðàæåíèÿ äëÿ ðàäèóñà êðóãà Cb). Ñëåäîâàòåëüíî â ñëó÷àå ïðåäåëüíîãî êðóãà ëþáîåðåøåíèå ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ÿâëÿåòñÿ êâàäðàòè÷íî ñóìèðóåìûì.Âîçíèêàåò âîïðîñ, çàâèñèò ëè àëüòåðíàòèâà ïðåäåëüíûé êðóã/ ïðåäåëüíàÿ òî÷êà îò λ. Îêàçûâà-åòñÿ, ñì. [1], ÷òî âûïîëíåíà ñëåäóþùàÿ òåîðåìàÒåîðåìà 1.3.1 Åñëè äëÿ íåêîòîðîãî λ âûïîëíåí ñëó÷àé ïðåäåëüíîãî êðóãà, òî îí âûïîëíåí è äëÿâñåõ îñòàëüíûõ λ.Î÷åâèäíî, òî æå âûïîëíåíî è äëÿ ñëó÷àÿ ïðåäåëüíîé òî÷êè.

1.4 Ôóíêöèÿ Ãðèíà êðàåâîé çàäà÷è íà ïîëóîñèÐàññìîòðèì çàäà÷ó

y′′ + (λ− q) = −δ(x− ξ), 0 < x < ∞y(0) cos α + y′(0) sin α = 0 (1.4)

Ïóñòü, êðîìå òîãî, Imλ 6= 0, ÷òî îáåñïå÷èò ñóùåñòâîâàíèå êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìîãî ðåøåíèÿψ(x, λ).  êà÷åñòâå âòîðîãî óñëîâèÿ íà y âîçüìåì êâàäðàòè÷íóþ ñóììèðóåìîñòü ðåøåíèÿ. Ðåøåíèåýòîé çàäà÷è - ôóíêöèÿ Ãðèíà G(x, ξ, λ), ïðè÷åì [G(x, ξ, λ]|x=ξ = 0 è [G′(x, ξ, λ]|x=ξ = −1 Ðàññìîò-ðèì ôóíêöèþ

C

φ(x, λ)ψ(ξ, λ), 0 6 x 6 ξ < +∞φ(ξ, λ)ψ(x, λ), 0 6 ξ 6 x < +∞

Î÷åâèäíî, ÷òî îíà íåïðåðûâíà â òî÷êå ξ è G(x, ξ, λ) ∈ L2. Íàéäåì C:[G′(x, ξ, λ]|x=ξ = C[φ(ξ, λ)ψ′(ξ, λ)− φ′(ξ, λ)ψ(ξ, λ)] = CWφ, ψ ⇒ C = −1

Wφ,ψ = −1 Èòàê,

G(x, ξ, λ) = −φ(x, λ)ψ(ξ, λ), 0 6 x 6 ξ < +∞−φ(ξ, λ)ψ(x, λ), 0 6 ξ 6 x < +∞ (1.5)

Íàðÿäó ñ çàäà÷åé (1.4) ðàññìîòðèì ðåãóëÿðíóþ çàäà÷ó

y′′ + (λ− q) = −δ(x− ξ), 0 < x < by(0) cos α + y′(0) sin α = 0y(b) cos β + y′(b) sin β = 0

(1.6)

Ðåøåíèå ýòîé çàäà÷è - Gb(x, ξ, λ)Èìååò ìåñòî áèëèíåéíàÿ ôîðìóëà Gb(x, ξ) def= Gb(x, ξ, 0) =

∑∞n=1

vn(x)vn(ξ)λn

(vn - îðòîíîðìèðîìàí-íûå ñ.ô. çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ, vn = φ(x,λn)

Nn,b). Êðîìå òîãî Gb(x, ξ, λ) =

∑∞n=1

vn(x)vn(ξ)λn−λ

Íàïèøåì äëÿ ïàðû Gb è Gb îáîáùåííîå ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ.∫ b

0

|Gb(x, ξ, λ|2dξ =∞∑

n=1

∣∣∣∣vn(x)λ− λn

∣∣∣∣2

=∞∑

n=1

∣∣∣∣φ(x, λn)λ− λn

∣∣∣∣2 1

N2n,b

=

+∞∫

−∞

∣∣∣∣φ(x, µ)λ− µ

∣∣∣∣2

dρb(µ)

8

Page 10: Методы математической физики. Конспект лекций

Ïåðåõîäÿ ê ïðåäåëó b →∞, ïîëó÷èì∞∫

0

|G(x, ξ, λ|2dξ =

+∞∫

−∞

∣∣∣∣φ(x, µ)λ− µ

∣∣∣∣2

dρ(µ) (1.7)

1.5 Ñâÿçü ìåæäó ôóíêöèåé Âåéëÿ-Òèò÷ìàðøà è ñïåêòðàëü-íîé ïëîòíîñòüþ

Ñîãëàñíî ôîðìóëå (1.5), G(0, ξ, λ) = − sin αψ(ξ, λ) Òîãäà sin2 α∞∫0

|ψ(ξ, λ)|2dξ = sin2 α+∞∫−∞

dρ(µ)|λ−µ|2 Ñëå-

äîâàòåëüíî∞∫

0

|ψ(ξ, λ)|2dξ =

+∞∫

−∞

dρ(µ)|λ− µ|2 (1.8)

Ïðèìåì áåç äîêàçàòåëüñòâà ñëåäóþùóþ ëåììó:

Ëåììà 1.5.1 iWψ, ψb → 0, b →∞Òîãäà, ñîãëàñíî ôîðìóëå (1.1) èìååì 2Imλ

∫∞0|ψ(x, λ)|2dx = iWψ, ψ0 . Äåéñòâóÿ äàëåå èäåíòè÷íî

ïàðàãðàôó 1.3, ïîëó÷èì ÷òî∫∞0|ψ(x, λ)|2dx = − Imm(λ)

Imλ , èëè, ïîäñòàâëÿÿ â (1.8)

−Imm(λ) = Imλ

+∞∫

−∞

dρ(µ)|λ− µ|2

Ïóñòü λ = u + iv. Ïðîèíòåãðèðóåì òåïåðü îáå ÷àñòè ðàâåíñòâà ïî u.

−∫ u2

u1

Imm(λ)du = v

∫ u2

u1

du

+∞∫

−∞

dρ(µ)(µ− u)2 + v2

=

èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì è ïðîäîëæàÿ ðàâåíñòâî ïîëó÷àåì

= v

∫ u2

u1

du

ρ(µ)(u− µ)2 + v2

∣∣∣∣+∞

−∞−

+∞∫

−∞ρ(µ)

∂µ

1(u− µ)2 + v2

=

Ïðåäïîëàãàÿ, ÷òî ρ(µ) - ìåäëåííî ìåíÿþùàÿ ôóíêöèÿ, ïîëó÷èì äàëåå

= v

∫ u2

u1

du

+∞∫

−∞ρ(µ)

∂u

1(u− µ)2 + v2

dµ = v

+∞∫

−∞dµρ(µ)

[1

u2 − µ)2 + v2− 1

(u1 − µ)2 + v2

]→

v→0π(ρ(u2)−ρ(u2))

Òîãäà ρ(u2)− ρ(u1) = − 1π lim

v→0

∫ u2

u1Imm(u + iv)du (1.9)

 òî÷êàõ àíàëèòè÷íîñòè Imm(u + i0), èìååì ρ′(λ) = − 1π Imm(u + i0) .

 ñëó÷àå íàëè÷èÿ ïîëþñà ïåðâîãî ïîðÿäêà íà âåùåñòâåííîé îñè, m(u+iv) = C−1(u+iv)−λ0

+ðåãóëÿðíàÿ ÷àñòüÄàëåå, − 1

π

∫ u2

u1Im lim

v→0

C−1(u+iv)−λ0

du = − 1π

∫ u2

u1Im

[v.p. 1

u−λ0− πiδ(u− λ0)

]du = C−1

Òîãäà òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ ïðèíèìàåò âèä

f(x) =∑

k

C−1,kF (λk)y(x, λk) +∫

R\λkF (λ)y(x, λ)ρ′(λ)dλ (1.10)

Ïåðâàÿ ÷àñòü ýòîãî âûðàæåíèÿ îïèñûâàåò äèñêðåòíóþ, à âòîðàÿ - íåïðåðûâíóþ ÷àñòè ñïåêòðà.Èòàê, íà÷àâ ñ ïîèñêà êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìîãî ðåøåíèÿ ìû ïðèøëè ê ôîðìóëå äëÿ ñïåê-

òðàëüíîé ïëîòíîñòè, òî åñòü ïîñòðîåíà îáùàÿ òåîðèÿ íàõîæäåíèÿ ðàçëè÷íûõ ðàçëîæåíèé ôóíê-öèé.  ñëåäóþùèõ ïàðàãðàôàõ ìû ðàññìîòðèì êîíêðåòíûå ïðèìåðû.

9

Page 11: Методы математической физики. Конспект лекций

1.6 Ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå íà ïîëóîñèÐàññìîòðèì çàäà÷ó

y′′ + λy = 0, 0 < x < +∞y(0) cos α + y′(0) sin α = 0

Ïóñòü Imλ > 0.  òàêîì ñëó÷àå êâàäðàòè÷íî-ñóììèðóåìîå ðåøåíèå ðàâíî ei√

λx (Äåéñòâèòåëüíî,ei√

λx = eiRe√

λxe−Im√

λx. Ïóñòü λ = ρeiφ, 0 < φ < π ⇒ Im√

λ > 0.Çíà÷èò ei√

λx ∈ L2) Íàéäåìêàíîíè÷åñêèå ðåøåíèÿ: φ(x, λ) = sin α cos

√λx− cos α sin

√λx√

λ; θ(x, λ) = cos α cos

√λx + sin α sin

√λx√

λ.

Ðåøåíèå Âåéëÿ θ + m(λ)φ = (cos α + m(λ) sin α) cos√

λx + ( sin α√λ−m(λ) cos α√

λ) sin

√λx

Òàê êàê ðåøåíèå Âåéëÿ êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìî,

θ + m(λ)φ = constei√

λx = const(cos√

λx + i sin√

λx) ⇒ cos α + m(λ) sin αsin α√

λ−m(λ) cos α√

λ

=1i

Îòêóäà

m(λ) =sin α− i

√λ cos α

cos α + i√

λ sin α

 ñëó÷àå λ > 0, èìååì m(λ) = (sin α−i√

λ cos α)(cos α−i√

λ sin α)cos2 α+λ sin2 α

è Imm(λ) = −√

λcos2 α+λ sin2 α

, ñëåäîâà-òåëüíî

ρ′(λ) = 1π

√λ

cos2 α+λ sin2 α, λ > 0

Ïðè λ < 0 âîçìîæíû äâà ñëó÷àÿ:1)ctgα 6 0. Òîãäà m(λ) ∈ R. Ñëåäîâàòåëüíî ρ(λ) = const, ò.å. ñïåêòð íà îòðèöàòåëüíîé ïîëóîñèîòñóòñòâóåò. Ôîðìóëà ðàçëîæåíèÿ ïðèíèìàåò âèä:

f(x) = 1

π

∫∞0

F (λ)(sin α cos√

λx− cosα sin√

λx√λ

)√

λdλcos2 α+λ sin2 α

F (λ) =∫∞0

f(x)(sinα cos√

λx− cosα sin√

λx√λ

)dx(1.11)

2)ctgα > 0. Òîãäà ó m(λ) íà âåùåñòâåííîé îñè èìååòñÿ ïîëþñ â òî÷êå λ0 = −ctg2α (i√

λ0 = −ctgα).Èìååì, m(λ) = (sin α−i

√λ cos α)(cos α−i

√λ sin α)

cos2 α+λ sin2 α= 2 cos α

sin3 α(λ+ctg2α)+ ðåã. ÷àñòü . Äåéñòâóÿ ñîãëàñíî ôîð-

ìóëå (1.10), ïîëó÷èì C−1 = 2 cos αsin3 α

. Äàëåå, φ(x, λ0) = sin αe−ctg2αx. Îáîçíà÷èâ ctgα = h, ïîëó÷èì÷àñòü, îòâå÷àþùóþ çà äèñêðåòíûé ñïåêòð, â âèäå 2h

∫∞0

e−hxf(x)dx. È ôîðìóëà ðàçëîæåíèÿ áóäåòâûãëÿäåòü êàê

f(x) = 2h∞∫0

e−hxf(x)dx + 1π

∞∫0

F (λ)(sin α cos√

λx− cosα sin√

λx√λ

)√

λdλcos2 α+λ sin2 α

F (λ) =∞∫0

f(x)(sin α cos√

λx− cos α sin√

λx√λ

)dx(1.12)

ÏðèìåðÐàññìîòðèì α = 0.  ýòîì ñëó÷àå ôîðìóëà (1.11) äàåò

f(x) = − 1π

∞∫0

F (λ) sin√

λx√λ

√λdλ

F (λ) = −∞∫0

f(x) sin√

λx√λ

dx

Ñäåëàåì çàìåíû s =√

λ; F (λ) = − 1s F (s). Ïîëó÷èì îêîí÷àòåëüíî

f(x) = 2π

∞∫0

F (s) sin sxds

F (s) =∞∫0

f(x) sin sxdx

10

Page 12: Методы математической физики. Конспект лекций

1.7 Ïðåîáðàçîâàíèå ÂåáåðàÄðóãîå ÷àñòî èñïîëüçóåìîå ïðåîáðàçîâàíèå ñâÿçàíî ñ óðàâíåíèåì Áåññåëÿ: (ρy′)′ + λρy = 0Ïðîèçâîäÿ ïðåîáðàçîâàíèå Ëèóâèëëÿ-Ãðèíà y = 1√

ρv(ρ), ïîëó÷èì

v′′ + (λ +1

4ρ2)v = 0, 0 < a < ρ < +∞ (1.13)

Îáùèé èíòåãðàë óðàâíåíèÿ (1.13) v(ρ) =√

ρ(AJ0(√

λρ) + BN0(√

λρ))Ïîëîæèì â íà÷àëüíûõ óñëîâèÿõ äëÿ êàíîíè÷åñêèõ ðåøåíèé ïàðàìåòð α ðàâíûì 0. Òîãäà

φ(a, λ) = 0φ′(a, λ) = −1θ(a, λ) = 1θ′(a, λ) = 0

Äàëåå, v′(ρ) = 12ρ−1/2(AJ0(

√λρ) + BN0(

√λρ)) − √

ρ√

λ(AJ1(√

λρ) + BN1(√

λρ)). Èç ãðàíè÷íûõóñëîâèé íà φ ïîëó÷àåì

AJ0(√

λa) + BN0(√

λa) = 0AJ1(

√λρ) + BN1(

√λρ) = 1√

λa

Îïðåäåëèòåëü ñèñòåìû íà (A,B) ∆ = −∣∣∣∣

J0 N0

J ′0 N ′0

∣∣∣∣ = − 2π√

λa

Îòêóäà

A = π√

a2 N0(

√λa)

B = −π√

a2 J0(

√λa)

Òîãäà φ(ρ, λ) =√

ρπ√

a

2(N0(

√λa)J0(

√λρ)− J0(

√λa)N0(

√λρ)) (1.14)

Èùåì θ(ρ, λ): √

a(AJ0(√

λa) + BN0(√

λa)) = 112a −

√λa(AJ1(

√λa) + BN1(

√λa)) = 0

Ïîëó÷èì A = −π

√λa

2 N1(√

λa) + π4√

aN0(

√λa)

B = π√

λa2 J1(

√λa)− π

4√

aJ0(√

λa)

Òàêèì îáðàçîì, θ(ρ, λ) =π√

λaρ

2(−N1(

√λa)J0(

√λρ) + J1(

√λa)N0(

√λρ)) +

φ(ρ, λ)2a

(1.15)

Âñïîìíèì àñèìïòîòèêè:

Jν(x) ∼ 2√πx

cos (x− πν + π4 )(1 + O( 1

x )), x →∞Nν(x) ∼ 2√

πxsin (x− πν + π

4 )(1 + O( 1x )), x →∞

H(1)ν (x) ∼ 2√

πxei(x−πν+ π

4 )(1 + O( 1x )), x →∞

H(2)ν (x) ∼ 2√

πxe−i(x−πν+ π

4 )(1 + O( 1x )), x →∞

Àíàëîãè÷íî ïàðàãðàôó 1.6, êâàäðàòè÷íî ñóììèðóìîå ðåøåíèå (ïðè Imλ > 0) äîëæíî áûòü ïðîïîð-öèîíàëüíî√ρH

(1)0 (

√λρ). Èìååì, ψ(ρ, λ) = θ(ρ, λ)+m(λ)φ(ρ, λ) = const

√ρH

(01)(

√λρ) = const

√ρ(J0(

√λρ)+

iN0(√

λρ)) . Îáîçíà÷èì m′ = m + 12a . Ïðèðàâíèâàÿ êîýôôèöèåíòû ïðè J0 è N0 ïîëó÷èì:

−√

λN1(√

λa) + m′N0(√

λa)√λJ1(

√λa)−m′J0(

√λa)

=1i

Òîãäà äëÿ m:

m =

√λ(J1(

√λa) + iN1(

√λa))

J0(√

λa) + iN0(√

λa)− 1

2a=

√λH

(1)1 (

√λa)

H(1)0 (

√λa)

− 12a

(1.16)

11

Page 13: Методы математической физики. Конспект лекций

Ðàññìîòðèì äâà ñëó÷àÿ:1)λ > 0.  òàêîì ñëó÷àå,

Imm = Imm′ =

√λ(J1(

√λa) + iN1(

√λa))

J20 (√

λa) + N20 (√

λa)(J0(

√λa)− iN0(

√λa)) =

=

√λ(−J1(

√λa)N0(

√λa) + J0(

√λa)N1(

√λa))

J20 (√

λa) + N20 (√

λa)= − 2

πa

1J2

0 (√

λa) + N20 (√

λa)

2)λ < 0. Îáîçíà÷èì√

λ = is, s > 0. Òîãäà H(1)0 (isa) = 2

πiK0(sa) . Òîãäà

Imm = Imm′ =isH

(1)1 (isa)

H(1)0 (isa)

= −sK ′

0(sa)K0(sa)

∈ R⇒ Imm(λ) = 0

Îêîí÷àòåëüíî,

ρ′(x, λ) =

2

π2a1

J20 (√

λa)+N20 (√

λa), λ > 0

0, λ < 0

1.8 Ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ è òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ íà âñåé îñè ïðåäûäóùèõ ïàðàãðàôàõ ìû ðàññìîòðåëè ñëó÷àé ïîëóáåñêîíå÷íîãî ïðîìåæóòêà. Çàéìåìñÿ òå-ïåðü ïîñòðîåíèåì òåîðèè äëÿ ñëó÷àÿ âñåé îñè. Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå

y′′(x) + (λ− q(x))y(x) = 0, −∞ < x < +∞ (1.17)

Ââåäåì êàíîíè÷åñêèå ðåøåíèÿ φ(x, λ) è θ(x, λ), óäîâëåòâîðÿþùèå ãðàíè÷íûì óñëîâèÿì

φ(0, λ) = 0, φ′(0, λ) = −1θ(0, λ) = 1, θ′(0, λ) = 0 (1.18)

Òàê êàê Wφ, θ = 1, ýòè ðåøåíèÿ íåçàâèñèìû, è îáùåå ðåøåíèå (1.17) ïðåäñòàâèìî â âèäå y(x, λ) =C1φ(x, λ) + C2θ(x, λ).Ðàññìîòðèì, êàê è ðàíåå, ðåãóëÿðíóþ çàäà÷ó Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ íà ïðîìåæóòêå (a, b)

y′′(x) + (λ− q(x))y(x) = 0, a < x < by(a) cos α + y′(a) sin α = 0y(b) cos β + y′(b) cos β = 0

(1.19)

Ïóñòü λk è yk(x) - ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ñîáñòâåííûõ ÷èñåë è ñîîòâåòñòâóþùèõ èì îðòîíîðìè-ðîâàííûõ ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé. Ïóñòü yk âûðàæàþòñÿ ÷åðåç êàíîíè÷åñêèå ðåøåíèÿ êàê yk(x) =αkφ(x, λk) + βkθ(x, λk) . Íàïèøåì â ýòîì ñëó÷àå äëÿ íåêîòîðîé ôóíêöèè f(x) ∈ L2(−∞, +∞)ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ

∫ b

a

f2(x)dx =∞∑

k=1

C2k =

∞∑

k=1

(∫ b

a

f(x)yk(x)dx)2 =∞∑

k=1

(∫ b

a

f(x)(αkφ(x, λk) + βkθ(x, λk))dx)2 =

=∞∑

k=1

[α2k(

∫ b

a

f(x)φ(x, λk)dx)2 +2αkβk

∫ b

a

f(x)φ(x, λk)dx

∫ b

a

f(x)θ(x, λk)dx+β2k(

∫ b

a

f(x)θ(x, λk)dx)2]

Ââîäÿ ñïåêòðàëüíûå ïëîòíîñòè êàê

ξa,b(λ) =

∑0<λk<λ

α2k, λ > 0

− ∑0>λk>λ

α2k, λ 6 0

ηa,b(λ) =

∑0<λk<λ

αkβk, λ > 0

− ∑0>λk>λ

αkβk, λ 6 0

12

Page 14: Методы математической физики. Конспект лекций

ζa,b(λ) =

∑0<λk<λ

β2k, λ > 0

− ∑0>λk>λ

β2k, λ 6 0

è ïîëàãàÿF1,a,b(λ) =

∫ b

a

f(x)φ(x, λ)dx

F2,a,b(λ) =∫ b

a

f(x)θ(x, λ)dx

ïîëó÷èì ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ â âèäå

∫ b

a

f2(x)dx =

+∞∫

−∞F 2

1,a,b(λ)dξa,b(λ) + 2

+∞∫

−∞F1,a,b(λ)F2,a,b(λ)dηa,b(λ) +

+∞∫

−∞F 2

2,a,b(λ)dζa,b(λ)

Îïóñêàÿ òåõíèêó ïðåäåëüíîãî ïåðåõîäà (ñì. ??), ïîëó÷èì îêîí÷àòåëüíî+∞∫

−∞f2(x)dx =

+∞∫

−∞F 2

1 (λ)dξ(λ) + 2

+∞∫

−∞F1(λ)F2(λ)dη(λ) +

+∞∫

−∞F 2

2 (λ)dζ(λ) (1.20)

ãäå Fi(λ) = l · i ·ma,b→∞

Fi,a,b(λ)

Ðàññìîòðèì òåïåðü f(x), g(x) ∈ L2(−∞,+∞). Íàïèñàâ (1.20) äëÿ f + g è f − g, è âû÷èòàÿ èçïåðâîãî âòîðîå, ïîëó÷èì îáîáùåííîå ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ

+∞∫

−∞f(x)g(x)dx =

+∞∫

−∞F1(λ)G1(λ)dξ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)G2(λ)dζ(λ) +

+∞∫

−∞(F1(λ)G2(λ) + F2(λ)G1(λ))dη(λ)

(1.21)

Òåîðåìà 1.8.1 (ðàçëîæåíèÿ) Ïóñòü f(x) ∈ L2(−∞, +∞) ∩ C2(−∞, +∞) è ïóñòü ñëåäóþùèåèíòåãðàëû ñõîäÿòñÿ àáñîëþòíî è ðàâíîìåðíî

+∞∫−∞

F1(λ)φ(x, λ)dξ(λ)+∞∫−∞

F2(λ)θ(x, λ)dζ(λ)

+∞∫−∞

F2(λ)φ(x, λ)dη(λ)+∞∫−∞

F1(λ)θ(x, λ)dη(λ)

òîãäà ñïðàâåäëèâî

f(x) =

+∞∫

−∞F1(λ)φ(x, λ)dξ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)θ(x, λ)dζ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)φ(x, λ)dη(λ) +

+∞∫

−∞F1(λ)θ(x, λ)dη(λ)

ÄîêàçàòåëüñòâîÏóñòü g(x) ∈ C(−∞, +∞) è g(x) = 0, ïðè |x| > N . Òîãäà G1(λ) =

∫ N

−Ng(x)φ(x, λ)dx è G2(λ) =∫ N

−Ng(x)θ(x, λ)dx. Ñîãëàñíî (1.21), èìååì

∫ N

−N

f(x)g(x)dx =

+∞∫

−∞F1(λ)

∫ N

−N

g(x)φ(x, λ)dxdξ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)

∫ N

−N

g(x)θ(x, λ)dxdζ(λ)+

+

+∞∫

−∞F2(λ)

∫ N

−N

g(x)φ(x, λ)dxdη(λ) +

+∞∫

−∞F1(λ)

∫ N

−N

g(x)θ(x, λ)dxdη(λ)

Ìåíÿÿ ïîðÿäîê èíòåãðèðîâàíèÿ, ïîëó÷èì

∫ N

−N

f(x)g(x)dx =∫ N

−N

g(x)dx

+∞∫

−∞F1(λ)φ(x, λ)dξ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)θ(x, λ)dζ(λ)+

13

Page 15: Методы математической физики. Конспект лекций

+

+∞∫

−∞F2(λ)φ(x, λ)dη(λ) +

+∞∫

−∞F1(λ)θ(x, λ)dη(λ)

îòêóäà, ââèäó ïðîèçâîëüíîñòè g, ïîëó÷àåì òðåáóåìîå.Çàìå÷àíèå áîëåå àêêóðàòíîé òåîðåìå ðàçëîæåíèÿ, äëÿ ôóíêöèé f ∈ L2, â òî÷êàõ ðàçðûâà ïåðâîãî ðîäàèíòåãðàëû áóäóò ñõîäèñÿ ê ïîëóñóììå çíà÷åíèé ôóíêöèè ñëåâà è ñïðàâà.

1.9 Ôóíêöèÿ Ãðèíà êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ íà âñåé îñè

Äëÿ íàõîæäåíèÿ ñïåêòðàëüíûõ ïëîòíîñòåé, íåîáõîäèìî, àíàëîãè÷íî ñëó÷àþ îäíîãî ñèíãóëÿðíîãîêîíöà, ïîñòðîèòü ôóíêöèþ Ãðèíà. Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå

y′′(x) + (λ− q(x))y(x) = δ(x− ξ), −∞ < x < +∞y(x) ∈ L2(−∞,∞) (1.22)

Ïóñòü Imλ > 0. Ñîãëàñíî òåîðèè Âåéëÿ, ñóùåñòâóþò òàêèå m1(λ) è m2(λ), ÷òî ôóíêöèè ψ1(x, λ) =θ(x, λ)+m1(λ)φ(x, λ) è ψ2(x, λ) = θ(x, λ)+m2(λ)φ(x, λ) óäîâëåòâîðÿþò óñëîâèÿì ψ1(x, λ) ∈ L2(−∞, 0); ψ2(x, λ) ∈L2(0, +∞) .  òàêîì ñëó÷àå, ôóíêöèþ Ãðèíà ìîæíî çàïèñàòü â âèäå

G(x, ξ, λ) = const

ψ1(x, λ)ψ2(ξ, λ), x 6 ξψ1(ξ, λ)ψ2(x, λ), x > ξ

Îïðåäåëèì êîíñòàíòó:

∂G(x, ξ, λ)∂x

= const

ψ′1(x, λ)ψ2(ξ, λ), x 6 ξψ′2(x, λ)ψ1(ξ, λ), x > ξ

Èç óñëîâèÿ[

∂G(x,ξ,λ)∂x

]x=ξ

= 1, ïîëó÷èì

[∂G(x, ξ, λ)

∂x

]

x=ξ

= const(ψ′2(x, λ)ψ1(ξ, λ)− ψ′1(x, λ)ψ2(ξ, λ)) =

= constWψ1, ψ2 = const(m1Wφ, θ+ m2Wθ, φ) = const(m1 −m2) = 1

ÎòêóäàG(x, ξ, λ) =

1m1(λ)−m2(λ)

ψ1(x, λ)ψ2(ξ, λ), x 6 ξψ1(ξ, λ)ψ2(x, λ), x > ξ

(1.23)

Ïåðåïèøåì (1.22) â âèäå

G′′(x, ξ, λ) + (λ− q(x))G(x, ξ, λ) = 0, −∞ < x < ξ; ξ < x < ∞[G(x, ξ, λ)]x=ξ = 0[

∂G(x,ξ,λ)∂x

]x=ξ

= 1(1.24)

Âñïîìíèì óðàâíåíèå äëÿ ôóíêöèè φ(x, µ):

φ′′(x, µ) + (µ− q(x))φ(x, µ) = 0

Óìíîæàÿ ýòî óðàâíåíèå íà G(x, ξ, λ), âû÷èòàÿ èç (1.24), óìíîæåííîãî íà φ(x, µ), è èíòåãðèðóÿ ïîïðîìåæóòêó (−A, A) (ñì. ðèñ. 1.4) ïîëó÷èì

∫ A

−A

(G′′(x, ξ, λ)φ(x, µ)−G(x, ξ, λ)φ(′′x, µ))dx + (λ− µ)∫ A

−A

G(x, ξ, λ)φ(x, µ)dx = 0

Ñ äðóãîé ñòîðîíû,∫ A

−A

(G′′(x, ξ, λ)φ(x, µ)−G(x, ξ, λ)φ(′′x, µ))dx = (G′(x, ξ, λ)φ(x, µ)−G(x, ξ, λ)φ′(x, µ))|ξ−A +

14

Page 16: Методы математической физики. Конспект лекций

-A Ax

Ðèñ. 1.4:

+ (G′(x, ξ, λ)φ(x, µ)−G(x, ξ, λ)φ′(x, µ))|Aξ −∫ A

−A

(G′(x, ξ, λ)φ′(x, µ)−G′(x, ξ, λ)φ′(x, µ))dx =

= Wφ,G|ξ−0 − Wφ,G|−A − Wφ,G|ξ+0 + Wφ,G|A =

Ñîãëàñíî ëåììå 1.5.1, Wφ,G|±A →A→∞

0 . Òîãäà, ïðîäîëæàÿ ðàâåíñòâî,

=1

m1(λ)−m2(λ)

ψ2(ξ, λ) Wφ, ψ1|ξ − ψ1(ξ, λ) Wφ, ψ2|ξ

=

=1

m1(λ)−m2(λ)

ψ2(ξ, λ)

∣∣∣∣φ(x, µ) ψ1(x, λ)φ′(x, µ) ψ′1(x, λ)

∣∣∣∣ξ

− ψ1(ξ, λ)∣∣∣∣

φ(x, µ) ψ2(x, λ)φ′(x, µ) ψ′2(x, λ)

∣∣∣∣ξ

=

=1

m1(λ)−m2(λ)φ(ξ, µ)(ψ′1(ξ, λ)ψ2(ξ, λ)− ψ1(ξ, λ)ψ′2(ξ, λ)) = −φ(ξ, µ)

Ñëåäîâàòåëüíî,

F1(λ) =

+∞∫

−∞G(x, ξ, λ)φ(x, µ)dx =

φ(ξ, µ)λ− µ

Òî÷íî òàêæå ìîæíî ïîëó÷èòü è

F2(λ) =

+∞∫

−∞G(x, ξ, λ)θ(x, µ)dx =

θ(ξ, µ)λ− µ

Îêîí÷àòåëüíî, èìååì:

G(x, ξ′, λ) =

+∞∫

−∞

φ(x, µ)φ(ξ′, µ)λ− µ

dξ(µ) +

+∞∫

−∞

φ(x, µ)θ(ξ′, µ)λ− µ

dη(µ) +

+

+∞∫

−∞

θ(x, µ)φ(ξ′, µ)λ− µ

dη(µ) +

+∞∫

−∞

θ(x, µ)θ(ξ′, µ)λ− µ

dζ(µ) (1.25)

1.10 Ñâÿçü ìåæäó ôóíêöèÿìè Âåéëÿ-Òèò÷ìàðøà è ýëåìåí-òàìè ìàòðèöû ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè

Èç ïðåäñòàâëåíèÿ (1.23) äëÿ ôóíêöèè Ãðèíà, èìååì G(0, 0, λ) = 1m1(λ)−m2(λ) . Ñ äðóãîé ñòîðîíû,

èç ôîðìóëû (1.25),

G(0, 0, λ) =

+∞∫

−∞

dζ(µ)λ− µ

⇒ 1m1(λ)−m2(λ)

=

+∞∫

−∞

dζ(µ)λ− µ

Âçÿâ ìíèìóþ ÷àñòü îò îáåèõ ñòîðîí ðàâåíñòâà, ïîëó÷èì

−Im1

m1(λ)−m2(λ)= Imλ

+∞∫

−∞

dζ(µ)|λ− µ|2

Îòêóäà, ïîëó÷èì (ñì.1.5)

ζ(λ)− ζ(0) = − 1π

∫ λ

0

Im1

m1(u + i0)−m2(u + i0)du (1.26)

15

Page 17: Методы математической физики. Конспект лекций

Äàëåå,∂G(x, ξ, λ)

∂x

∣∣∣∣ ξ = 0x = +0

=1

m1(λ)−m2(λ)ψ1(0, λ)ψ′2(0, λ) = − m2(λ)

m1(λ)−m2(λ)

∂G(x, ξ, λ)∂x

∣∣∣∣ ξ = 0x = −0

=1

m1(λ)−m2(λ)ψ′1(0, λ)ψ2(0, λ) = − m2(λ)

m1(λ)−m2(λ)

Èç ïðåäñòàâëåíèÿ (1.25),∂G(x, ξ, λ)

∂x

∣∣∣∣ ξ = 0x = 0

= −+∞∫

−∞

dη(µ)λ− µ

Ñîãëàñíî çàìå÷àíèþ ê ïàðàãðàôó 1.8,+∞∫

−∞

dη(µ)λ− µ

=12

(m1(λ) + m2(λ)m1(λ)−m2(λ)

)= −1

2+

m1(λ)m1(λ)−m2(λ)

Ñëåäîâàòåëüíî,

η(λ)− η(0) = − 1π

∫ λ

0

Imm1(u + i0)

m1(u + i0)−m2(u + i0)du (1.27)

Íàêîíåö, äëÿ ïîäñ÷åòà ôóíêöèè ξ(λ) ðàññìîòðèì ñìåøàííóþ ïðîèçâîäíóþ

∂2G(x, ξ, λ)∂x∂ξ

∣∣∣∣x=ξ=0

=1

m1(λ)−m2(λ)ψ′1(0, λ)ψ′2(0, λ) = − m1(λ)m2(λ)

m1(λ)−m2(λ)

Ñ äðóãîé ñòîðîíû,∂2G(x, ξ, λ)

∂x∂ξ

∣∣∣∣x=ξ=0

=

+∞∫

−∞

dξ(µ)λ− µ

Îêîí÷àòåëüíî,

ξ(λ)− ξ(0) = − 1π

∫ λ

0

Imm1(u + i0)m2(u + i0)

m1(u + i0)−m2(u + i0)du (1.28)

Ðàçáåðåì äâà âàæíûõ ÷àñòíûõ ñëó÷àÿ1) m1(λ) ∈ R⇒ Imm = 0Ïóñòü, êðîìå òîãî, ∃ζ ′, η′, ξ′, òîãäà

ζ ′(λ) = − 1π

Im1

m1(λ)−m2(λ)

η′(λ) = − 1π

m1(λ)Im1

m1(λ)−m2(λ)= m1(λ)ζ ′(λ)

ξ′(λ) = − 1π

m1(λ)Imm2(λ)

m1(λ)−m2(λ)= − 1

πm1(λ)Im

m1(λ)m1(λ)−m2(λ)

= m21(λ)ζ ′(λ)

Òîãäà, ñîãëàñíî òåîðåìå 1.8.1, äëÿ ïðîèçâîëüíîé ôóíêöèè f(x), èìååì

f(x) =

+∞∫

−∞F1(λ)φ(x, λ)m2

1(λ)dζ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)φ(x, λ)m1(λ)dζ(λ) +

+∞∫

−∞F1(λ)θ(x, λ)m1(λ)dζ(λ)+

+

+∞∫

−∞F2(λ)θ(x, λ)dζ(λ) =

+∞∫

−∞(F2(λ) + m1(λ)F1(λ))ψ1(x, λ)dζ(λ)

Îáîçíà÷èì F (λ) = F2(λ) + m1(λ)F1(λ). Òîãäà ïîëó÷èì

f(x) =+∞∫−∞

F (λ)ψ1(x, λ)dζ(λ)

F (λ) =+∞∫−∞

f(x)ψ1(x, λ)dx

(1.29)

16

Page 18: Методы математической физики. Конспект лекций

2) Ïóñòü q(x) - ÷åòíàÿ ôóíêöèÿ.  ýòîì ñëó÷àå (ñì.(1.18)) φ(x, λ) - íå÷åòíàÿ, à θ(x, λ) - ÷åòíàÿ ôóíê-öèè. Òîãäà äëÿ x > 0, ψ2(x, λ) = θ(x, λ) + m2(λ)φ(x, λ) = θ(−x, λ)−m2(λ)φ(−x, λ). Ñëåäîâàòåëüíîôóíêöèÿ (θ(x, λ) − m2(λ)φ(x, λ)) ïðèíàäëåæèò êëàññó L2(−∞, 0). Òîãäà θ(x, λ) − m2(λ)φ(x, λ) =constψ1(x, λ) = const(θ(x, λ) + m1(λ)φ(x, λ)). Îòêóäà m1(λ) = −m2(λ). Ñïåêòðàëüíûå ïëîòíîñòè âòàêîì ñëó÷àå ïðèíèìàþò âèä

ζ(λ)− ζ(0) = − 12π

∫ λ

0

Im1

m1(u + i0)du

η(λ)− η(0) = − 1π

∫ λ

0

Imm1(u + i0)2m1(u + i0)

du = 0

ξ(λ)− ζ(0) = − 12π

∫ λ

0

Imm1(u + i0)du

Òîãäà òåîðåìà 1.8.1, äàåò

f(x) =

+∞∫

−∞F1(λ)φ(x, λ)dξ(λ) +

+∞∫

−∞F2(λ)θ(x, λ)dζ(λ) (1.30)

1.11 Ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå íà âñåé îñèÏåðåéäåì òåïåðü íåïîñðåäñòâåííî ê ïðèìåðàì èíòåãðàëüíûõ ïðåîáðàçîâàíèé íà âñåé îñè. Ðàññìîò-ðèì çàäà÷ó

y′′ + λy = 0, −∞ < x < +∞ (1.31) ýòîì ñëó÷àå q(x) ≡ 0, òî åñòü ÿâëÿåòñÿ ÷åòíîé ôóíêöèåé. Ñëåäîâàòåëüíî m1(λ) = −m2(λ).Êàíîíè÷åñêèå ðåøåíèÿ òàêîé çàäà÷è èìåþò âèä φ(x, λ) = − sin

√λx√

λ, θ(x, λ) = cos

√λx . Àíàëîãè÷-

íî ïàðàãðàôó 1.6, êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìîå íà ëåâîé ïîëóîñè ðåøåíèå ψ2(x, λ) = constei√

λx =const(cos

√λx + i sin

√λx) . Ñëåäîâàòåëüíî, m2(λ) = −i

√λ, m1(λ) = i

√λ .

òîãäà ζ(λ)− ζ(0) = − 12π

∫ λ

0

Im1

m1(u + i0)du

⇒ ζ ′(λ) = 1

2π√

λ, λ > 0

0, λ < 0

ξ′(λ) = √

λ2π , λ > 00, λ < 0

Òîãäà

F1(λ) = −+∞∫

−∞f(x)

sin√

λx√λ

dx

F2(λ) =

+∞∫

−∞f(x) cos

√λxdx

Äàëåå, ñîãëàñíî (1.30),

f(x) =12π

+∞∫

0

F1(λ)

(− sin

√λx√

λ

)√λdλ +

12π

+∞∫

0

F2(λ)(cos

√λx

) 1√λ

Ñäåëàåì çàìåíû√

λ = ν, F1(ν) = −√

λF1(λ), F2(ν) = F2(λ) . Ïîëó÷èì îêîí÷àòåëüíî

f(x) = 1π

+∞∫0

F1(ν) sin νxdν + 1π

+∞∫0

F2(ν) cos νxdν

F1(ν) =+∞∫−∞

f(x) sin νxdx

F2(ν) =+∞∫−∞

f(x) cos νxdx

(1.32)

17

Page 19: Методы математической физики. Конспект лекций

1.12 Ïðåîáðàçîâàíèå ÕàíêåëÿÐàññìîòðèì óðàâíåíèå (ρy′)′ + (λρ− ν2

ρ )y = 0, 0 < ρ < +∞Ïðîèçâîäÿ ïðåîáðàçîâàíèå Ëèóâèëëÿ-Ãðèíà y = 1√

ρv(ρ), ïîëó÷èì

v′′ + (λ +1/4− ν2

ρ2)v = 0, 0 < ρ < +∞ (1.33)

Îáùåå ðåøåíèå ýòîãî óðàâíåíèÿ v(ρ) =√

ρ(AJν(√

λρ) + BNν(√

λρ))Êàíîíè÷åñêèå ðåøåíèÿ (óñëîâèÿ íà íèõ ñòàâÿòñÿ â íåêîòîðîé òî÷êå a) èìåþò âèä (ñì.(1.14), (1.15))

φ(ρ, λ) =√

ρπ√

a

2(Nν(

√λa)Jν(

√λρ)− Jν(

√λa)Nν(

√λρ))

θ(ρ, λ) =π√

λaρ

2(N ′

ν(√

λa)Jν(√

λρ)− J ′ν(√

λa)Nν(√

λρ)) +φ(ρ, λ)

2a

Êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìîå ðåøåíèå ïðè X > a, (ñì.1.7) ψ2(ρ, λ) = const√

ρH(1)ν (

√λρ) . Â ýòîì

ñëó÷àå

m2(λ) = −√

λH(1)′ν (

√λa)

H(1)ν (

√λa)

− 12a

Äëÿ íàõîæäåíèÿ êâàäðàòè÷íî ñóììèðóåìîãî ðåøåíèÿ ïðè x < a, ðàññìîòðèì àñèìïòîòèêè â íóëå:

Jν(ρ) ∼ ρν

Nν(ρ) ∼ ρ−ν

Òîãäà (√

ρJν(ρ))2 ∼ ρ2ν+1, (√

ρNν(ρ))2 ∼ ρ−2ν+1. Òàêèì îáðàçîì ïðè ν > 1,√

ρJν(√

λρ) ∈ L2(0, a),à ïðè 0 < ν < 1, √ρJν(

√λρ) ∈ L2(0, a) è √ρNν(

√λρ) ∈ L2(0, a). Çíà÷èò ïðè 0 < ν < 1 ðåàëèçóåòñÿ

ñëó÷àé ïðåäåëüíîãî êðóãà. Ñîãëàñíî òåîðèè Âåéëÿ, ìû ìîæåì âûáðàòü ëþáîå ðåøåíèå. Âîçüìåìòîãäà, êàê è äëÿ ν > 1, ψ1(ρ, λ) = const

√ρJν(

√λρ) . Äëÿ òîãî, ÷òîáû îáíóëèòü êîýôôèöèåíò ïðè

Nν(√

λρ) â ψ1, ïîëó÷èì√

(λ)J ′ν(√

λa) +(m1(λ) + 1

2a

)Jν(

√λa) = 0, îòêóäà

m1(λ) = −√

λJ ′ν(√

λa)Jν(

√λa)

− 12a

Î÷åâèäíî, ÷òî ïðè λ > 0, Imm1(λ) = 0. Ðàññìîòðèì λ < 0. Âñïîìíèì: Jν(ix) ∼ iνIν(x). Òîãäàm1(λ) = −i

√|λ|J′ν(i

√|λ|)

Jν(i√|λ|) − 1

2a = −√|λ|I′ν(

√|λ|)

Iν(i√|λ|) − 1

2a ∈ R. Òàêèì îáðàçîì, âûïîëíÿåòñÿ ÷àñòíûéñëó÷àé 1 èç ïàðàãðàôà 1.10. Òîãäà òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ ïðåäñòàâëÿåòñÿ ôîðìóëàìè (1.29). Èìååì:

ζ ′(λ) = − 1π

Im1

m1(λ)−m2(λ)=

Im1

√λ

(J ′ν(

√λa)

Jν(√

λa)− H

(1)′ν (

√λa)

H(1)ν (

√λa)

) =1π

ImJν(

√λa)H(1)

ν (√

λa)√λWH(1)

ν , Jν√λa

=

=a

2ImiJν(

√λa)H(1)

ν (√

λa) =

a2J2

ν (√

λa), λ > 00 λ < 0

Èç óñëîâèÿ ψ1(a, λ) = 1, ïîëó÷èì ψ1(ρ, λ) =√

ρa

Jν(√

λρ)

Jν(√

λa). Òîãäà ôîðìóëû ðàçëîæåíèÿ çàïèøóòñÿ â

âèäå:

f(ρ) =+∞∫0

F (λ)√

ρa

Jν(√

λρ)

Jν(√

λa)a2J2

ν (√

λa)dλ

F (λ) =+∞∫0

f(ρ)√

ρa

Jν(√

λρ)

Jν(√

λa)dρ

Ïðèâåäåì èõ ê òðàäèöèîííîìó âèäó ñ ïîìîùüþ ïîäñòàíîâîê s =√

λ, f(ρ) =√

ρy(ρ), F (λ) =y(s)√

aJnu(√

λa)Òîãäà îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷èì

y(ρ) =+∞∫0

sy(s)Jν(sρ)ds

y(s) =+∞∫0

ρy(ρ)Jν(sρ)dρ

(1.34)

18

Page 20: Методы математической физики. Конспект лекций

1.13 Ëåììà Ðèìàíà-ËåáåãàÏóñòü ψ(x) íåïðåðûâíà íà èíòåðâàëå (a, b) è èíòåãðàë îò ψ(x) ïî (a, b) àáñîëþòíî ñõîäèòñÿ:

b∫

a

|ψ(x)|dx < ∞.

Òîãäà

b∫

a

ψ(x) cos νxdx → 0,

b∫

a

ψ(x) sin νxdx → 0 ïðè ν →∞ (1.35)

Äëÿ êðàòêîñòè èçëîæåíèÿ îãðàíè÷èìñÿ ñëó÷àåì a = −∞, b = ∞ è èíòåãðàëîì∫∞−∞ ψ(x) cos νxdx.

Âîçüìåì ε > 0.  ñèëó óñëîâèÿ àáñîëþòíîé ñõîäèìîñòè èíòåãðàë ñóùåñòâóåò äîñòàòî÷íî áîëüøîåïîëîæèòåëüíîå A òàêîå, ÷òî

−∞∫

−A

|ψ(x)|dx +∫ A

∞|ψ(x)|dx <

ε

3.

Îòðåçîê [−A,A] ðàçîáüåì òî÷êàìè äåëåíèÿ −A = x0 < x1 < ... < xn−1 < xn = A òàê, ÷òîáû|ψ(x′)− ψ(x′′)| < ε/6A, åñëè x′, x′′ ∈ [xi, xi+1]. Èìååì îöåíêó èíòåãðàë ïî îòðåçêó [−A,A]

∣∣∣∣∣∫ −A

A

ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣∣ =

∣∣∣∣∣n−1∑

i=0

∫ xi+1

xi

ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣∣ =

=

∣∣∣∣∣n−1∑

i=0

∫ xi+1

xi

[ψ(x)− ψ(xi)] cos νxdx + ψ(xi)∫ xi+1

xi

cos νxdx

∣∣∣∣∣ ≤

≤n−1∑

i=0

max

xi≤x≤xi+1|ψ(x)− ψ(xi)|(xi+1) + |ψ(xi)| | sin νxi+1 − sin νxi|

ν

≤ ε

6A

n−1∑

i=0

(xi+1 − xi) +2ν

max|x|<A

|ψ(x)| = ε

3+

max|x|<A

|ψ(x)|.

Ïóñòü ν0 ñòîëü âåëèêî, ÷òî2ν

max|x|<A

|ψ(x)| < ε

3ïðè ν ≥ ν0.

Òîãäà ∣∣∣∣∫ ∞

−∞ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣ ≤∣∣∣∣∣∫ −A

−∞ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣∣ +

∣∣∣∣∣∫ A

−A

ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣∣ +

+∣∣∣∣∫ ∞

A

ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣ ≤ε

3+

∣∣∣∣∣∫ A

−A

ψ(x) cos νxdx

∣∣∣∣∣ ≤

≤ ε

3+

ε

3+

max|x|<A

|ψ(x)| ≤ ε

3+

ε

3+

ε

3= ε,

÷òî è äîêàçûâàåò ëåììó.Íà ÿçûêå òåîðèè îáîáùåííûõ ôóíêöèé ñîîòíîøåíèÿ (1.35) ìîæíî çàïèñàòü â âèäå

cos νx → 0, sin νx → 0 ïðè ν →∞,

ïîñêîëüêó ëåâûå ÷àñòè (1.35) ñîâïàäàþò ñ ñîîòâåòñòâóþùèìè ôóíêöèîíàëàìè (cos νx, ϕ(x)) è(sin νx, ϕ(x)).  çàäà÷àõ ñ íåïðåðûâíûì ñïåêòðîì ïîëåçíû ñëåäóþùèå âèäîèçìåíåíèÿ ôîðìóë(1.35): ∫ b

a

ψ(x) sin ν√

xdx → 0,

∫ b

a

ψ(x) cos ν√

xdx → 0, ν →∞

èëè sin ν√

xdx → 0, cos ν√

xdx → 0, ν →∞.Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà äîñòàòî÷íî ñäåëàòü â èíòåãðàëàõ çàìåíó ïåðåìåííûõ √x = y è ïðèìåíèòü

ëåììó Ðèìàíà-Ëåáåãà.

19

Page 21: Методы математической физики. Конспект лекций

1.14 ßäðî Äèðèõëå - δ-îáðàçíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü. òåîðèè ðÿäîâ è èíòåãðàëîâ Ôóðüå âàæíóþ ðîëü èãðàåò ôóíêöèÿ

fν(x) =1π

sin ν(x− x1)x− x1

(0 < ν < ∞), (1.36)

òàê íàçûâàåìîå "ÿäðî Äèðèõëå". Â ïåðâîì ñåìåñòðå îíà ôèãóðèðîâàëà ó íàñ â ñïèñêå δ÷-îáðàçíûõïîñëåäîâàòåëüíîñòåé: íà ëþáîì èíòåðâàëå (a, b) ïðè ν →∞

fν → δ(x− x1), åñëè x1 ∈ (a, b),fν → 0, åñëè x1∈(a, b). (1.37)

Âòîðîå èç óòâåðæäåíèé (1.37) - ñëåäñòâèå ëåììû Ðèìàíà-Ëåáåãà, à ïåðâîå ýêâèâàëåíòíî ñëåäó-þùåé òåîðåìå.

Òåîðåìà 1.14.1 Ïóñòü ψ(x) ∈ C1(−∞,∞),∫ +∞−∞ |ψ(x)|dx < ∞.

Òîãäà

∫ ∞

−∞

sin ν(x− x1)x− x1

ψ(x)dx → ψ(x1) ïðè ν →∞. (1.38)

Äîêàçàòåëüñòâî îñíîâàíî íà ëåììå Ðèìàíà-Ëåáåãà è èçâåñòíîì ðàâåíñòâå∫ ∞

0

sinx

xdx =

12

∫ ∞

−∞

sin x

xdx =

π

2. (1.39)

 ñèëó (1.39) ñîîòíîøåíèþ (1.38) ìîæíî ïðèäàòü âèä

∫ ∞

−∞

sin ν(x− x1)x− x1

[ψ(x)− ψ(x1)]dx → 0, ν →∞. (1.40)

Åñëè A è B òàêèå ÷èñëà, ÷òî A < x1 < B, òî íà èíòåðâàëàõ (−∞, A) è (B.∞) ôóíêöèÿ ψ(x)/(x−x1) íåïðåðûâíà è àáñîëþòíî èíòåãðèðóåìà.  ñèëó ëåììû Ðèìàíà-Ëåáåãà

∫ A

−∞

ψ(x)x− x1

sin ν(x− x1)dx → 0,

∫ ∞

B

ψ(x)x− x1

sin ν(x− x1)dx → 0, ν →∞.

Ôóíêöèÿ (ψ(x)−ψ(x1))/(x−x1) íåïðåðûâíà íà [A,B], òàê êàê ψ(x), ïî ïðåäïîëîæåíèþ, íåïðå-ðûâíî äèôôåðåíöèðóåìà. Ñëåäîâàòåëüíî,

∫ B

A

ψ(x)− ψ(x1)x− x1

sin ν(x− x1)dx → 0, ν →∞

ïî ëåììå Ðèìàíà-Ëåáåãà. ñèëó ñõîäèìîñòè èíòåãðàëà (1.39) êàê íåñîáñòâåííîãî è íåðàâåíñòâ A − x1 < 0, B − x1 > 0

èìååì ∫ A

−∞

sin ν(x− x1)x− x1

ψ(x1)dx = ψ(x1)∫ ν(A−x1)

−∞

sin t

tdt → 0, ν →∞

∫ ∞

B

sin ν(x− x1)x− x1

ψ(x1)dx = ψ(x1)∫ ∞

ν(B−x1)

sin t

tdt → 0, ν →∞.

Ðàçáèâàÿ èíòåãðàë (1.40) íà ñóììó

∫ ∞

−∞

sin ν(x− x1)x− x1

[ψ(x)− ψ(x1)]dx =1π

(∫ A

−∞+

∫ B

A

+∫ ∞

B

)=

=1π

(∫ A

−∞

ψ(x) sin ν(x− x1)x− x1

dx−∫ A

−∞ψ(x1)

sin ν(x− x1)x− x1

dx+

20

Page 22: Методы математической физики. Конспект лекций

+∫ B

A

sin ν(x− x1)x− x1

[ψ(x)− ψ(x1)]dx +∫ ∞

B

ψ(x) sin ν(x− x1)x− x1

dx−

−∫ ∞

B

ψ(x1)sin ν(x− x1)

x− x1dx

)

è ïîëüçóÿñü ïîëó÷åííûìè ïðåäåëüíûìè ñîîòíîøåíèÿìè, óñòàíàâëèâàåì ñïðàâåäëèâîñòü (1.40)è, ñëåäîâàòåëüíî, (1.38).

Ñëåäñòâèå. Íà èíòåðâàëå (0,∞) èìååò ìåñòî ïðåäåëüíûé ïåðåõîä

fν = F (x)sin νx(

√x−√x1)√

x−√x1→ 2F (x1)π

√x1δ(x− x1), ν →∞, (1.41)

ãäå F (x) - íåïðåðûâíàÿ âìåñòå ñ F ′(x) ôóíêöèÿ, x1 - ïîëîæèòåëüíàÿ êîíñòàíòà.Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà äîñòàòî÷íî â èíòåãðàëå

(fν , ϕ) =∫ ∞

0

fν(x)ϕ(x)dx

ñäåëàòü çàìåíó ïåðåìåííûõ è âîñïîëüçîâàòüñÿ ôîðìóëîé (1.38).

1.15 Îðòîãîíàëüíîñòü ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé íåïðåðûâíîãî ñïåê-òðà.

Íåñìîòðÿ íà ñóùåñòâîâàíèå îòëè÷èÿ ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ îò ðåãóëÿðíîé, íåêî-òîðûå ñâîéñòâà ðåøåíèé çàäà÷è ñ íåïðåðûâíûì ñïåêòðîì èìåþò ìíîãî îáùåãî ñî ñâîéñòâàìè ñîá-ñòâåííûõ ôóíêöèé ðåãóëÿðíîé çàäà÷è. Òàê, â ÷àñòíîñòè, ôóíêöèè íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ñîõðàíÿ-þò ñâîéñòâî îðòîãîíàëüíîñòè (â íåêîòîðîì íîâîì ñìûñëå).

Ðàññìîòðèì çàäà÷ó Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ íà ïîëóîñè x > 0 äëÿ óðàâíåíèÿ y′′+λy = 0 ñ óñëîâèåìy(0) = 0. Îáîçíà÷èì

y1 = sin√

λ1x, y2 = sin√

λ2x, λi > 0, i = 1, 2.

Ôóíêöèè y1 è y2 óäîâëåòâîðÿþò òîæäåñòâàì

y′′1 = −λ1y1, y′′2 = λ2y2.

Áóäåì äåéñòâîâàòü òàê æå, êàê è â ðåãóëÿðíîé çàäà÷å: óìíîæàÿ ïåðâîå òîæäåñòâî íà y2, âòîðîå -íà y1 è âû÷èòàÿ ðåçóëüòàòû, ïîëó÷èì

d

dxW (y1, y2) =

d

dx(y′1y2 − y′2y1) = (λ2 − λ1)y1y2. (1.42)

Åñëè òî÷íî ñëåäîâàòü ìåòîäó, ïðèìåíèìîìó â çàäà÷å íà êîíå÷íîì ïðîìåæóòêå, òî ïîëàãàëîñüáû ïðîèíòåãðèðîâàòü îáå ÷àñòè ðàâåíñòâà (1.42) îò 0 äî ∞.  ðàññìàòðèâàåìîì ñëó÷àå, îäíàêî,èíòåãðàëû îò îáåèõ ÷àñòåé ðàâåíñòâà (1.42) ðàñõîäÿòñÿ íà áåñêîíå÷íîñòè. Íà ïîìîùü ïðèõîäèòòåîðèÿ îáîáùåííûõ ôóíêöèé.

Èíòåãðèðóÿ îáå ÷àñòè (1.42) ïî x îò 0 äî N è ó÷èòûâàÿ ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ y1(0) = y2(0) = 0,ïîëó÷àåì ∫ N

0

y1y2dx =√

λ1 cos√

λ1N sin√

λ2N −√λ2 cos√

λ2N sin√

λ1N

λ2 − λ1=

=(√

λ1 −√

λ2) sin(√

λ1 +√

λ2)N + (√

λ1 +√

λ2) sin(√

λ2 −√

λ1)N2(λ2 − λ1)

=

=sin(

√λ1 +

√λ2)N

2(√

λ1 +√

λ2)+

sin(√

λ2 −√

λ1)N2(√

λ2 −√

λ1).

Ïåðåõîäÿ ê ïðåäåëó N → ∞ è èñïîëüçóÿ ëåììó Ðèìàíà-Ëåáåãà (äëÿ ïåðâîãî ñëàãàåìîãî) è δ-îáðàçíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ((1.41) äëÿ âòîðîãî), ïîëó÷àåì

limN→∞

∫ N

0

y1y2dx = limN→∞

[sin(

√λ1 +

√λ2)N√

λ1 +√

λ2

+sin(

√λ2 −

√λ1)N

2(√

λ2 −√

λ1)

]=

21

Page 23: Методы математической физики. Конспект лекций

= 0 +122π

√λ1δ(λ1 − λ2) = π

√λ1δ(λ1 − λ2),

èëè ∫ ∞

0

y1y2dx = π√

λ1δ(λ1 − λ2). (1.43)

Ïîñêîëüêó δ(λ1 − λ2) = 0 ïðè λ1 6= λ2, ìû ìîæåì òðàêòîâàòü ñîîòíîøåíèå (1.43) êàê "îðòî-ãîíàëüíîñòüñîáñòâåííûõ ôóíêöèé"y1(x) è y2(x). Êàê îòìå÷àåòñÿ â [], ðàâåíñòâî (1.43) ñîäåðæèò âñåáå íå òîëüêî îðòîãîíàëüíîñòü, íî è íîðìèðîâêó, êîòîðóþ õàðàêòåðèçóåò ìíîæèòåëü π

√λ1, íî,

áåçóñëîâíî, ýòî íå êâàäðàò íîðìû â L2(0,∞), "ñîáñòâåííûå"ôóíêöèè íå ÿâëÿþòñÿ êâàäðàòè÷íî-èíòåãðèðóåìûìè.

Îðòîãîíàëüíîñòü, âûðàæåííàÿ ôîðìóëîé (1.43), ïîçâîëÿåò íàõîäèòü ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüåôóíêöèè f(x) âïîëíå àíàëîãè÷íî íàõîæäåíèþ êîýôôèöèåíòîâ Ôóðüå â ðåãóëÿðíîé çàäà÷å.

Äåéñòâèòåëüíî, ïóñòü ôóíêöèÿ f(x) ïðåäñòàâèìà â âèäå ñóïåðïîçèöèè ôóíêöèé sin√

λx:

f(x) =∫ ∞

0

f(λ) sin√

λxdλ. (1.44)

Óìíîæàÿ îáå ÷àñòè ðàâåíñòâà (1.44) íà sin√

λx, èíòåãðèðóÿ ïî x îò 0 äî ∞ è ïîëüçóÿñü ôîðìóëîé(1.43), ïîëó÷àåì

f(x) =∫ ∞

0

f(λ) sin√

λ1xdx =∫ ∞

0

sin√

λ1xdx

∫ ∞

0

f(λ) sin√

λxdλ =

=∫ ∞

0

f(λ)dλ

∫ ∞

0

sin√

λ1x sin√

λdx = π

∫ ∞

0

f(λ)√

λδ(λ− λ1)dλ =

= πf(λ1)√

λ1,

èëèf(λ) =

∫ ∞

0

f(x)sin√

λx√λ

dx. (1.45)

Îáîçíà÷àÿ√

λ = ν, π√

λf(λ) = f(λ) ïðèäàåì ôîðìóëàì (1.44) è (1.45) îáû÷íûé âèä îáðàòíîãîè ïðÿìîãî ñèíóñ-ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå:

f(x) =2π

∫ ∞

0

f(ν) sin νxdν, f(ν) =∫ ∞

0

f(x) sin νxdx.

Ïîä÷åðêíåì, ÷òî ôîðìóëà (1.45) äîêàçàíà â ïðåäïîëîæåíèè, ÷òî âåðíà òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ(1.44).

Çàìå÷àíèå  1.1 îïðåäåëåíà ôóíêöèÿ F (λ):

F (λ)∫ ∞

0

f(x)y(x, λ)dx.

Ñðàâíèâàÿ ñ (1.45), èìååì f(λ) = F (λ)/π√

λ. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ñîãëàñíî òåîðåìå ðàçëîæåíèÿ(1.22)

f(x) =∫ ∞

−∞F (λ)y(x, λ)dρ(λ).

Ñðàâíèâàÿ ñ (1.44), ïîëó÷àåì

ρ(λ) = 0, −∞ < λ < 0; ρ′(λ) =1

π√

λ, λ > 0,

îòêóäàρ(λ) =

√λ, λ ≥ 0.

22

Page 24: Методы математической физики. Конспект лекций

1.16 Àñèìïòîòèêà ðåøåíèé ñèíãóëÿðíîé çàäà÷èØòóðìà-Ëèóâèëëÿñ ñóììèðóåìûì ïîòåíöèàëîì.

Ïðîñìàòðèâàÿ âûâîä ñîîòíîøåíèÿ îðòîãîíàëüíîñòè (1.43), ìîæíî çàìåòèòü, ÷òî åãî ãëàâíàÿ ÷àñòüñîñòîèò â èñïîëüçîâàíèè çíà÷åíèé ôóíêöèé y1(x, λ) è y2(x, λ) è èõ ïðîèçâîäíûõ ïðè áîëüøèõçíà÷åíèÿõ x ñ äàëüíåéøèì ïðèìåíåíèåì δ-îáðàçíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè (1.41). Ñóùåñòâóåò êëàñññèíãóëÿðíûõ çàäà÷ Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ, ðåøåíèÿ êîòîðûõ îáëàäàþò ïîõîæåé "òðèãîíîìåòðè÷å-ñêîé"àñèìïòîòèêîé ïðè x → ∞. Ýòî òàê íàçûâàåìàÿ ñèíãóëÿðíàÿ çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ññóììèðóåìûì ïîòåíöèàëîì. Ïîÿñíèì ýòî íàçâàíèå. Åñëè óðàâíåíèå Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ñ ïîìî-ùüþ ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëèóâèëëÿ-Ãðèíà ïðèâåäåíî ê ôîðìå

y′′ + [λ− q(x)]y = 0, (1.46)

êîòîðóþ ìû èñïîëüçîâàëè â ïðåäûäóùèõ ïàðàãðàôàõ, òî îíî ñîâïàäàåò ïî ôîðìå ñ îäíîìåðíûìêâàíòîâî-ìåõàíè÷åñêèì óðàâíåíèåì Øðåäèíãåðà.  óðàâíåíèè Øðåäèíãåðà (1.46) ôóíêöèÿ q(x)èìååò ñìûñë ïîòåíöèàëà ñèëîâîãî ïîëÿ, â êîòîðîì íàõîäèòñÿ ÷àñòèöà, à y(x) - âîëíîâàÿ ôóíêöèÿýòîé ÷àñòèöû. Ïîòåíöèàë q(x) ïðåäïîëàãàåòñÿ äàëåå ñóììèðóåìûì:

q(x) ∈ L(0,∞), ò.å.∫ ∞

0

|q(x)|dx < ∞. (1.47)

Äëÿ âû÷èñëåíèÿ àñèìïòîòèêè ðåøåíèé óðàâíåíèÿ (1.46) ïðè x → ∞ íàì ïîíàäîáèòñÿ ëåììà,ÿâëÿþùàÿñÿ óïðîùåííûì âàðèàíòîì ëåììû 2.1 èç êíèãè [].

Ëåììà 1.16.1 Ïóñòü ôóíêöèè h(x) è g(x) íåîòðèöàòåëüíû íà ïðîìåæóòêå [0, X], h(x) - íåïðå-ðûâíà, à g(x) - èíòåãðèðóåìà íà ýòîì ïðîìåæóòêå.

Åñëè ïðè 0 ≤ x ≤ X

h(x) ≤ C +∫ x

0

h(ξ)g(ξ)dξ, (1.48)

ãäå C -ïîñòîÿííàÿ, òî ñïðàâåäëèâî íåðàâåíñòâî

h(x) ≤ C exp∫ x

0

g(ξ)dξ, 0 ≤ x ≤ X. (1.49)

Äîêàçàòåëüñòâî. Îáîçíà÷èìy(x) =

∫ x

0

h(ξ)g(ξ)dξ, (1.50)

òîãäày′(x) = h(x)g(x). (1.51)

Óìíîæèì íåðàâåíñòâî (1.49) íà g(x):

g(x)h(x) ≤ Cg(x) + g(x)∫ x

0

h(ξ)g(ξ)dξ,

òî åñòüy′(x) ≤ g(x)[C + y(x)].

Óìíîæèì ïîñëåäíåå íåðàâåíñòâî íà exp(− ∫ x

0g(ξ)dξ):

y′(x) exp(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

)≤ g(x)[C + y(x)] exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

). (1.52)

Ðàññìîòðèì ïîëíóþ ïðîèçâîäíóþ

d

dx

y(x) exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

)= y′(x) exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

)− g(x)y(x) exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

). (1.53)

Ñ ó÷åòîì (1.53) íåðàâåíñòâî (1.52) ïåðåïèñûâàåòñÿ â âèäå

d

dx

y(x) exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

)≤ Cg(x) exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

).

23

Page 25: Методы математической физики. Конспект лекций

Èíòåãðèðóÿ ýòî íåðàâåíñòâî, ïîëó÷àåì

y(x) exp(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

)≤ C

[1− g(x) exp

(−

∫ x

0

g(ξ)dξ

)],

èëèy(x) ≤ Cg(x)

(exp

∫ x

0

g(ξ)dξ − 1)

. (1.54)

Ñ ó÷åòîì (1.48) è (1.50), òî åñòü íåðàâåíñòâà

h(x) ≥ C + y(x),

èç (1.54) ñëåäóåò íåðàâåíñòâî (1.49). Ëåììà äîêàçàíà.Äîêàæåì òåïåðü, ÷òî ïðèíàäëåæàùèå íåïðåðûâíîìó ñïåêòðó ðåøåíèÿ óðàâíåíèÿ (1.46) äîïóñ-

êàþò àñèìïòîòè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå

ϕ(x, λ) = µ(λ) cos√

λx + ν(λ) sin√

λx + 0(1), x →∞, (1.55)

ãäå µ(λ) è ν(λ) - íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìûå ôóíêöèè. Ïóñòü ðåøåíèÿ ϕ(x, λ) óäîâëåòâîðÿþòóñëîâèÿì

ϕ(0, λ) = sin α, ϕ′(0, λ) = − cos α.

Ïåðåïèñûâàÿ óðàâíåíèå (1.46) â âèäå

y′′ + λy = q(x)y,

ïîëàãàÿ λ = s2 è ïðèìåíÿÿ ìåòîä âàðèàöèè ïðîèçâîëüíûõ ïîñòîÿííûõ, ïðèõîäèì ê èíòåãðàëüíîìóóðàâíåíèþ Âîëüòåððà âèäà

ϕ(x, λ) = sin α cos sx− cosαsin sx

s+

1s

∫ x

0

sin s(x− ξ)q(ξ)ϕ(ξ, λ)dξ. (1.56)

Èç (1.56) ñëåäóåò îöåíêà

|ϕ(x, λ)| ≤ 1 +1|s| +

1|s|

∫ x

0

|q(ξ)||ϕ(ξ, λ)|dξ. (1.57)

Ïðèìåíÿÿ ê (1.57) ëåììó ïðè C = 1 + 1|s| , h(x) = |ϕ(x, λ)|, g(x) = |q(x)|/s, ïîëó÷àåì

|ϕ(x, λ)| ≤ 1 +1|s| exp

1|s|

∫ x

0

|q(ξ)|dξ, (1.58)

òî åñòü îãðàíè÷åííîñòü ôóíêöèè ϕ(x, λ) ïðè 0 < x < ∞, |s| ≥ p > 0. Òîãäà èç (1.56) ïîëó÷àåìèñêîìîå àñèìïòîòè÷åñêîå ñîîòíîøåíèå (1.57):

ϕ(x, λ) = sin α cos sx− cossin sx

s+

1s

∫ ∞

0

sin s(x− ξ)q(ξ)ϕ(ξ, λ)dξ−

−1s

∫ ∞

x

sin s(x− ξ)q(ξ)ϕ(ξ, λ)dξ = µ(λ) cos sx + ν(λ) sin sx + 0(1), x →∞,

ãäå îáîçíà÷åíîµ(λ) = sin α− 1

s

∞∫0

sin sξq(ξ)ϕ(ξ, λ)dξ,

ν(λ) = − cos αs + 1

s

∞∫0

cos sξq(ξ)ϕ(ξ, λ)dξ.

(1.59)

Ïîñêîëüêó èíòåãðàëû â ôîðìóëàõ (1.59) ðàâíîìåðíî ñõîäÿòñÿ ïðè s ≥ p > 0, òî µ(λ) è ν(λ)ÿâëÿþòñÿ íåïðåðûâíûìè ôóíêöèÿìè. Áîëåå ïîäðîáíûé àíàëèç ïîçâîëÿåò óáåäèòüñÿ â íåïðåðûâ-íîé äèôôåðåíöèðóåìîñòè ýòèõ ôóíêöèé (è äàæå àíàëèòè÷íîñòè à íåêîòîðîì ñïåêòðå ïëîñêîñòèλ, âêëþ÷àþùåì ïîëîæèòåëüíóþ ïîëóîñü, ïðè |λ| ≥ p2 > 0).

Äèôôåðåíöèðóÿ îáå ÷àñòè óðàâíåíèÿ (1.56) ïî x è ïîâòîðÿÿ îöåíêè (1.58) è (1.59), óáåæäàåìñÿ,÷òî àñèìïòîòè÷åñêîå ïðåäñòàâëåíèå (1.55) äîïóñêàåò äèôôåðåíöèðîâàíèå

ϕ′(x, λ) = s[−µ(λ) sin sx + ν(λ) cos sx] + 0(1), x →∞. (1.60)

24

Page 26: Методы математической физики. Конспект лекций

1.17 Îðòîãîíàëüíîñòü ðåøåíèé ñèíãóëÿðíîé çàäà÷èØòóðìà-Ëèóâèëëÿ ñ ñóììèðóåìûì ïîòåíöèàëîì.

Ïóñòü y1(x) è y2(x) óäîâëåòâîðÿþò óðàâíåíèþ Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ (1.46) ïðè çíà÷åíèÿõ ïàðàìåòðàλ, ðàâíûõ ñîîòâåòñòâåííî λ1 è λ2:

y′′1 + [λ1 − q(x)]y1 = 0,

y′′2 + [λ2 − q(x)]y2 = 0,

à òàêæå íà÷àëüíûì óñëîâèÿìy(0, λ) = sin α, y′(0, λ) = − cosα.

Òîãäà ñïðàâåäëèâî ñëåäóþùåå ñîîòíîøåíèå îðòîãîíàëüíîñòè:∫ ∞

0

y1(x)y2(x)dx = π√

λ1[µ2(λ1) + ν2(λ1)]δ(λ1 − λ2). (1.61)

Äëÿ äîêàçàòåëüñòâà îáû÷íûì îáðàçîì âû÷èñëÿåì èíòåãðàë∫ N

0

y1(x)y2(x)dx =1

λ1 − λ2Wy1, y2x=N

è ïîäñòàâëÿåì â ïðàâóþ ÷àñòü ðàâåíñòâà àñèìïòîòè÷åñêèå ïðåäñòàâëåíèÿ (1.55) è (1.60):∫ N

0

y1(x)y2(x)dx =1

λ1 − λ2[y′2(N)y1(N)− y′1(N)y2(N)] =

=1

λ1 − λ2

√λ2[−µ(λ2) sin

√λ2N + ν(λ2) cos

√λ2N ][µ(λ1) cos

√λ1N+

+ν(λ1) sin√

λ1N ]−√

λ1[−µ(λ1) sin√

λ1N + ν(λ1) cos√

λ1N ][µ(λ2) cos√

λ2N+

+ν(λ2) sin√

λ2N ] + 0(1)N→∞

=

=1

λ1 − λ2

sin

√λ1N sin

√λ2N [−

√λ2µ(λ2)ν(λ1) +

√λ1µ(λ1)ν(λ2)]+

+ cos√

λ1N sin√

λ2N [−√

λ2µ(λ2)ν(λ1)−√

λ1µ(λ1)ν(λ2)]+

+ sin√

λ1N cos√

λ2N [√

λ2ν(λ1)ν(λ2) +√

λ1µ(λ1)µ(λ2)]+

+cos√

λ1N cos√

λ2N [√

λ2µ(λ1)ν(λ2)−√

λ1ν(λ1)µ(λ2)] + 0(1)n→∞

=

=1

λ1 − λ2

(√

λ2 +√

λ1)[µ(λ1)ν(λ2)− ν(λ1)µ(λ2)] cos(√

λ1 −√

λ2)N+

+(√

λ2 −√

λ1)[µ(λ1)ν(λ2) + ν(λ1)µ(λ2)] cos(√

λ1 +√

λ2)N+

+(√

λ2 −√

λ1)[ν(λ1)ν(λ2) + µ(λ1)µ(λ2)] sin(√

λ1 +√

λ2)N+

+(√

λ2 +√

λ1)[ν(λ1)ν(λ2) + µ(λ1)µ(λ2)] sin(√

λ1 −√

λ2)N + 0(1)N→∞

=

12

µ(λ1)ν(λ2)− ν(λ1)µ(λ2)√

λ1 −√

λ2

cos(√

λ1 −√

λ2)N−

−µ(λ1)ν(λ2) + ν(λ1)µ(λ2)√λ1 +

√λ2

cos(√

λ1 +√

λ2)N−

−ν(λ1)ν(λ2) + µ(λ1)µ(λ2)√λ1 +

√λ2

sin(√

λ1 +√

λ2)N+

+[ν(λ1)ν(λ2) + µ(λ1)µ(λ2)]sin(

√λ1 −

√λ2)N√

λ1 −√

λ2

+ 0(1)N→∞

.

Ôóíêöèè, ñòîÿùèå â ïðàâîé ÷àñòè, ìû ñ÷èòàåì ôóíêöèÿìè ïåðåìåííîãî λ1 ñ ïàðàìåòðàìè λ2 èN . Ôóíêöèè ν(λ1)ν(λ2)+µ(λ1)µ(λ2), ν(λ1)ν(λ2)+µ(λ1)µ(λ2)/(

√λ1+

√λ2), µ(λ1)ν(λ2)+ν(λ1)µ(λ2)/(

√λ1+√

λ2), µ(λ1)ν(λ2)−ν(λ1)µ(λ2)/(√

λ1−√

λ2) ÿâëÿþòñÿ íåïðåðûâíûìè (â ïîñëåäíåì ñëó÷àå íàäî ðàñ-êðûòü íåîïðåäåëåííîñòü ïðè λ1 = λ2 ïî ïðàâèëó Ëîïèòàëÿ). Ïåðåõîäÿ ê ïðåäåëó n →∞ è ïðèìå-íÿÿ ê ïåðâûì òðåì ñëàãàåìûì ëåììó Ðèìàíà-Ëåáåãà, à ê ïîñëåäíåìó - ôîðìóëû (1.44), ïîëó÷àåìèñêîìîå ñîîòíîøåíèå (1.61).

25

Page 27: Методы математической физики. Конспект лекций

1.18 Èíòåãðàëüíûå ðàçëîæåíèÿ ïî ôóíêöèÿì íåïðåðûâíîãîñïåêòðà ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ñ ñóì-ìèðóåìûì ïîòåíöèàëîì.

Ïóñòü ñïðàâåäëèâà òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ: ïðîèçâîäíàÿ ôóíêöèÿ f(x) èç íåêîòîðîãî ôóíêöèîíàëü-íîãî êëàññà ïðåäñòàâèìà â âèäå ñóïåðïîçèöèè ðåøåíèé óðàâíåíèÿ

y′′ + [λ− q(x)]y = 0, 0 < x < ∞,

ñ ñóììèðóåìûì ïîòåíöèàëîì q(x) ïðè óñëîâèÿõ

y(0) = sin α, y′(0) = − cos α,

òî åñòüf(x) =

∫ ∞

0

f(y)y(x, λ)dλ. (1.62)

Ïîâòîðèì ðàññóæäåíèÿ èç 1.15. Óìíîæèì îáå ÷àñòè (1.62) íà y(x, λ1), ïðîèíòåãðèðóåì ïî x îò 0äî ∞ è èñïîëüçóåì ñîîòíîøåíèå îðòîãîíàëüíîñòè (1.61). Èìååì

∫ ∞

0

f(x)y(x, λ1)dx =∫ ∞

0

y(x, λ)dx

∫ ∞

0

f(y)y(x, λ)dλ =

=∫ ∞

0

f(λ)dλ

∫ ∞

0

y(x, λ1)y(x, λ)dλ = π

∫ ∞

0

f(λ)√

λ·

·[µ2(λ) + ν2(λ)δ(λ− λ1)]dλ = πf(λ1)[µ2(λ1) + ν2(λ1)],

èëèf(λ) =

1π√

λ[µ2(λ) + ν2(λ)]

∫ ∞

0

f(x)y(x, λ)dx. (1.63)

Ôîðìóëû (1.63) è (1.62) îáðàçóþò ïàðó ôîðìóë ïðÿìîãî (1.63) è îáðàòíîãî (1.62) èíòåãðàëüíî-ãî ïðåîáðàçîâàíèÿ ïî ôóíêöèÿì íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ.Ôîðìóëû ñèíóñ- è êîñèíóñ-ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå ÿâëÿþòñÿ ÷àñòíûìè ñëó÷àÿìè (1.62), (1.63).

Çàìå÷àíèå. Èñïîëüçóÿ îïðåäåëåíèå ôóíêöèè F (λ) èç 1.1, èìååì

F (λ) =∫ ∞

0

f(x)y(x, λ)dx = π√

λ[µ2(λ) + ν2(λ)]f(λ),

ñ äðóãîé ñòîðîíûf(λ) = F (λ)ρ′(λ),

ñëåäîâàòåëüíî,ρ = 0, −∞ < λ < 0; ρ′(λ) =

1π√

λ[µ2(λ) + ν2(λ)], λ > 0.

Óðàâíåíèå Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ â ôîðìå Øðåäèíãåðà (1.46) áûëî ïîëó÷åíî ñ ïîìîùüþ ïðåîáðà-çîâàíèÿ Ëèóâèëëÿ-Ãðèíà (ñì. 1.41 I ñåìåñòðà). Ñ òî÷êè çðåíèÿ ïðèëîæåíèé óäîáíî âåðíóòüñÿ êèñõîäíûì ïåðåìåííûì. Ïàðà ôîðìóë (1.62), (1.63) ïåðåõîäèò ïðè ýòîì (âûâîä ïðåäîñòàâèì ÷èòà-òåëþ) â ôîðìóëû âèäà

f(x) =∫ ∞

0

f(λ)y(x, λ)dλ, (1.64)

f(λ) =1

π√

λ[µ2(λ) + ν2(λ)]

∫ ∞

a

r(x)f(x)y(x, λ)dx. (1.65)

×àñòî áûâàåò óäîáíî ïåðåéòè îò ïàðàìåòðà λ ê ïàðàìåòðó s: λ = s2. Íàðÿäó ñ ýòèì ïðîèçâåäåìçàìåíó ôóíêöèè f(λ):

2√

λf(λ) = f(s).

Òîãäà ôîðìóëû (1.64), (1.65), ïðèìóò âèä

f(x) =∫ ∞

0

f(s)y(x, s2)ds, (1.66)

26

Page 28: Методы математической физики. Конспект лекций

f(s) =2

π[µ2(s2) + ν2(s2)]

∫ ∞

a

r(x)f(x)y(x, s2)dx. (1.67)

Ïðèìåðû.1. Îáîáùåííîå ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå íà ïîëóîñè. Ñèíãóëÿðíàÿ çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ:

y′′ + λy = 0, 0 < x < ∞y′(0)− hy(0) = 0, h ≥ 0

(1.68)

Ðåøåíèÿ çàäà÷è (1.68) èìåþò âèä

y(x, λ) = cos√

λx +h√λ

sin√

λx, λ > 0,

ñëåäîâàòåëüíî, µ(λ) = 1, ν(λ) = h/√

λ,∫ ∞

0

y1(x)y2(x)dx = π√

λ1(1 +h2

λ1)δ(λ1 − λ2),

÷òî ïðèâîäèò ê ôîðìóëàì ïðÿìîãî è îáðàòíîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ, ýêâèâàëåíòíûì (1.11).2. Ïðåîáðàçîâàíèå Âåáåðà.Çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ:

(ρy′)′ + (λρ− ν2

ρ)y = 0, a < ρ < ∞; y(a) = 0.

Ïðåîáðàçîâàíèå Ëèóâèëëÿ-Ãðèíà y = ρ−1/2v(ρ) ïåðåâîäèò óðàâíåíèå ê âèäó óðàâíåíèÿ Øðåäèí-ãåðà

v′′ + (λ +1/4− ν2

ρ2)v = 0

ñ ñóììèðóåìûì ïîòåíöèàëîì 1/4− ν2ρ−2. Ðåøåíèÿ, óäîâëåòâîðÿþùèå óñëîâèþ y(a) = 0 âûáåðåìâ âèäå

y(ρ, λ) = Jν(√

λρ)Nν(√

λa)− Jν(√

λa)Nν(√

λρ),

ñîîòâåòñòâåííî, ôóíêöèÿ v(ρ, λ) èìååò âèä

v(ρ, λ) =√

ρ[Jν(√

λρ)Nν(√

λa)− Jν(√

λa)Nν(√

λρ)].

Èñïîëüçóÿ àñèìïòîòè÷åñêèå ôîðìóëû äëÿ öèëèíäðè÷åñêèõ ôóíêöèé, èìååì

v(ρ, λ) =

√2

π√

λ[Nν(

√λa) cos(

√λ− ν

π

2− π

4)−

−Jν(√

λa) sin(√

λρ− νπ

2− π

4)] + 0(ρ−1)ρ→∞ =

=

√2

π√

λ

Nν(

√λa)[cos

√λρ cos(ν +

12)π

4+ sin

√λρ sin(ν +

12)π

4]−

−Jν(√

λa)[sin√

λρ cos(ν +12)π

4− cos

√λρ sin(ν +

12)π

4]−

+ 0(ρ−1)ρ→∞ =

=

√2

π√

λ

cos

√λρ[Nν(

√λa) cos(ν +

12)π

4+ Jν(

√λa) sin(ν +

12)π

4]+

+ sin√

λρ[Nν(√

λa) sin(ν +12)π

4− Jν(

√λa) cos(ν +

12)π

4]

+ 0(ρ−1)ρ→∞,

ñëåäîâàòåëüíî,

µ(λ) =

√2

π√

λ[Nν(

√λa) cos(ν +

12)π

4+ Jν(

√λa) sin(ν +

12)π

4],

27

Page 29: Методы математической физики. Конспект лекций

ν(λ) =

√2

π√

λ[Nν(

√λa) sin(ν +

12)π

4− Jν(

√λa) cos(ν +

12)π

4].

Ïîäñòàâëÿÿ â â ôîðìóëû (1.66), (1.67), èìååì

f(ρ) =∫ ∞

0

f(s)[Jν(sρ)Nν(sa)− Jν(sa)Nν(ρa)]ds,

f(s) =s

J2ν (sa) + N2

ν (sa)

∫ ∞

a

ρf(ρ)[Jν(sρ)Nν(sa)− Jν(sa)Nν(ρa)]dρ.

Ïðîèçâîäÿ çàìåíó√

J2ν (sa) + N2

ν (sa)f(s)/s = f(s), ïðèâåäåì ôîðìóëû ïðåîáðàçîâàíèÿ Âåáåðà êáîëåå ñèììåòðè÷íîìó âèäó

f(ρ) =∞∫0

Jν(sρ)Nν(sa)−Jν(sa)Nν(ρa)√J2

ν (sa)+N2ν (sa)

f(s)sds,

f(s) =∞∫a

Jν(sρ)Nν(sa)−Jν(sa)Nν(ρa)√J2

ν (sa)+N2ν (sa)

f(ρ)ρdρ.(1.69)

 ýòèõ ôîðìóëàõ ëåãêî ïðîâåñòè ïðåäåëüíûé ïåðåõîä a → 0 è ïîëó÷èòü ôîðìóëû ïðåîáðàçîâàíèÿÕàíêåëÿ:

f(ρ) =∞∫0

Jν(sρ)f(s)sds,

f(s) =∞∫0

Jν(sρ)f(ρ)ρdρ.(1.70)

28

Page 30: Методы математической физики. Конспект лекций

Ãëàâà 2

Ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà

2.1 Ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà. Îïðåäåëåíèå. Àíàëèòè÷íîñòüÎäíîñòîðîííåå ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà :

f(p) =∫ ∞

0

e−ptf(t)dt (f(t)÷ f(p)) (2.1)

f(t) - îðèíèíàë, f(p) - èçîáðàæåíèå ïî Ëàïëàñó (îáðàç) Óñëîâèÿ :1. f(t) ≡ 0, ïðè t ≤ 0. Íàïðèìåð sin ωt ÷ ω

p2+ω2 , âîîáùå ãîâîðÿ òàêàÿ çàïèñü íåâåðíà, íóæíîïèñàòü η(t) sin ωt÷ ω

p2+ω2 , ãäå η(t) ôóíêöèÿ Õåâèñàéäà.

2. f(t) äîëæíà áûòü íåïðåðûâíî äèôôåðåíöèðóåìîé ôóíêöèåé (èëè óäîâëåòâîðÿòü óñëîâèþÃåëüäåðà), çà èñêëþ÷åíèåì áûòü ìîæåò êîíå÷íîãî ÷èñëà òî÷åê ðàçðûâà ïåðâîãî ðîäà â ëþáîìêîíå÷íîì ïðîìåæóòêå.

3. Óñëîâèå êîíå÷íîãî ðîñòà :∀t |f(t)| < Meσ0t, òî÷íóþ íèæíþþ ãðàíü òàêèõ σ0 íàçûâàþòïîêàçàòåëåì ðîñòà ôóíêöèè.

Ïðè âûïîëíåíèè óñëîâèé 1-3 èíòåãðàë Ëàïëàñà ñõîäèòñÿ â ïðàâîé âîëóïëîñêîñòè ïàðàìåòðàp = σ + iτ ïðè σ > σ0 (ðèñ 2.1).

t

s

s0

p

Ðèñ. 2.1:

Èìååò ìåñòî ñëåäóþùàÿ îöåíêà çíà÷åíèÿ èíòåãðàëà∣∣∣∣∫ ∞

0

e−ptf(t)dt

∣∣∣∣ ≤∫ ∞

0

e−σteσ0tdt =1

σ − σ0(2.2)

Óòâåðæäåíèå 1 Åñëè σ ≥ σ∗ > σ0, òî f(p) àíàëèòè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ.

Äîê-âî Âûïîëíèì ðàâíîìåðíóþ ïî σ îöåíêó∣∣∣∣∫ ∞

0

e−ptf(t)dt

∣∣∣∣ ≤=1

σ∗ − σ0, (ðàâíîìåðíî ïî σ),

29

Page 31: Методы математической физики. Конспект лекций

ñëåäîâàòåëüíî f(p) àíàëèòè÷íà â óêàçàííîé îáàëñòè, ÷òî è òðåáîâàëîñü.

Óòâåðæäåíèå 2 Ïðè σ = Rp →∞ f(p) → 0

Äîê-âî Î÷åâèäíî

Óòâåðæäåíèå 3 Ïðè arg p ≤ π2 − α (α < 0) è p →∞ f(p) → 0 (ñì. ðèñ. 2.2)

Äîê-âî Î÷åâèäíî

a

Ðèñ. 2.2:

Ïðèìåðûη(t)÷

∫ ∞

0

1 · e−ptdt =1p

(2.3)

η(t)eαt ÷ 1p− α

(2.4)

(ýòè ôîðìóëû äîïóñêàþò àíàëèòè÷åñêîå ïðîäîëæåíèå íà âñþ ïëîñêîñòü ïàðàìåòðà p)

η(t)tν ÷∫ ∞

0

tνe−ptdt =1

pν+1

∫ ∞

0

zνe−zdz =Γ(ν + 1)

pν+1, (2.5)

ïðè ν > −1 è J p = 0, p > 0, (ïî ïðàâèëó àíàëèòè÷åñêîãî ïðîäîëæåíèÿ ìîæíî èçáàâèòüñÿ îòóñëîâèÿ íà p) Ïðè ν < −1 ôóíêöèÿ tν èìååò ðàçðûâ âòîðîãî ðîäà, ïðè ýòîì óñëîâèå ãåëüäåðîâîñòèçàìåíÿåòñÿ íà óñëîâèå èíòåãðèðóåìîñòè (| ∫∞

0ep0tf(t)dt| < ∞)

(êîíåö ïðèìåðîâ)

2.2 Îñíîâíûå ñâîéñòâà ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà1. Ëèíåéíîñòü Ïóñòü f1(t)÷ f1(p),f2(t)÷ f2(p), òîãäà

c1f1(t) + c2f2(t)÷ c1f1(p) + c2f2(p) (2.6)

(îáëàñòü îïðåäåëåíèÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ - ïåðåñå÷åíèå îáëàñòåé îïðåäåëåíèÿ äëÿ êàæäîé ôóíê-öèè) (Ïðèìåð cosωt = 1/2(eiωt + e−iωt) ÷ 1/2

(1

p−iω + 1p+iω

)= p

p2+ω2 - îáðàòèì âíèìàíèå íàäâà ïîëþñà â òî÷êàõ ±iω)

2. Òåîðåìà ïîäîáèÿ f(t)÷ f(p), âûïîëíèì çàìåíó ïåðåìåííîãî t → αt, α > 0, èíòåãðèðóÿ∫ ∞

0

f(αt)e−ptdt =1α

∫ ∞

0

f(s)e−p/αsds =1α

fp/α (2.7)

Äâîéñòâåííàÿ òåîðåìà f(βp)÷ 1β f(t/β)

30

Page 32: Методы математической физики. Конспект лекций

3. Òåîðåìà ñìåùåíèÿ f(t)÷ f(p)e−αtf(t)÷ f(p + α), (2.8)

â ÷åì óáåæäàåìñÿ íåïîñðåäñòâåííûì èíòåãðèðîâàíèåì

4. Òåîðåìà çàïàçäûâàíèÿ (ðèñ. 2.3)

η(t− τ)f(t− τ)÷ e−pτ f(p) (2.9)

Çàäà÷à f(αt− β)η(αt− β)÷? f(αp + β)÷?

t

t

Ðèñ. 2.3:

5. Äèôôåðåíöèðîâàíèå îðèãèíàëà f(t)÷ f(p)∫ ∞

0

f ′(t)e−ptdt = f(t)e−pt∣∣∞0

+ p

∫ ∞

0

f(t)e−ptdt = pf − f(0) (2.10)

 îáùåì ñëó÷àåf (k)(t)÷ pkf(p)− pk−1f(0)− . . .− f (k−1)(0) (2.11)

(ýòî ñâîéñòâî ïîçâîëÿåò ðåøàòü çàäà÷è Êîøè)

6. Äèôôåðåíöèðîâàíèå èçîáðàæåíèÿ Äèôôåðåíöèðóÿ ïî ïàðàìåòðó èíòåãðàë Ëàïëàñà èìååì :

d

dp

∫ ∞

0

e−ptf(t)dt =∫ ∞

0

(−t)e−ptf(t)dt, (2.12)

òîãäàdkf

dpk÷ (−1)ktkf(t) (2.13)

Ïðèìåð Óðàâíåíèå Áåññåëÿ

(ty′)′ + ty = 0, èëèty′′ + y′ + ty = 0 (2.14)

Ïóñòü y = J0(t), y(0) = 1, y′(0) = 0 (íî òî÷êà t = 0 îñîáàÿ) y(t)÷ y(p), y′ ÷ py − 1, ty ÷−dyp ,

êðîìå ýòîãî y′′÷p2y−p, ty′′÷− ddp (p2y−p) = −2py−p2 dy

p +1 (çäåñü ìû ïîòåðÿëè èíôîðìàöèþî y'(0)) Îòñþäà óðàâíåíèå íà y :

(p2 + 1)dy

dp= −py, (2.15)

ðàçäåëÿÿ ïåðåìåííûå è èíòåãðèðóÿ èìååì

y =const√p2 + 1

. (2.16)

Îïðåäåëèì êîíñòàíòó : çàìåòèì, ÷òî ïðè p →∞ y → const+O( 1p ), çíà÷èò, y → const+O(t2)

ïðè t → 0, ïîýòîìó const = 1! êîíåö ïðèìåðà

31

Page 33: Методы математической физики. Конспект лекций

7. Èçîáðàæåíèå èíòåãðàëà Äîêàæåì, ÷òî∫ ∞

0

f(τ)dτ ÷ f(p)p

. (2.17)

Âûïîëíèì îöåíêó | ∫∞0

f(τ)dτ‖ ≤ maxτ∈[0,t] |f(τ)|t, à ïîñêîëüêó f ïðèíàäëåæèò ê êëàññóèçîáðàæàåìûõ ïî Ëàïëàñó, çíà÷èò è èíòåãðàë îò f òîæå. Òîãäà èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì

∫ ∞

0

e−pt

∫ t

0

f(τ)dτ = −1p

e−pt

∫ t

0

f(τ)dτ

∣∣∣∣ 0∞ +1p

∫ ∞

0

e−ptf(t)ft =f(p)

p, (2.18)

÷òî è òðåáîâàëîñü.

8. Èíòåãðèðîâàíèå èçîáðàæåíèÿ Ïðåäïîëîæèì, ÷òî f(t)/t ïðèíàäëåæèò ê êëàññó îðèãèíàëîâ,è ïóñòü

J(p) =∫ ∞

0

f(t)t

e−ptdp (2.19)

Äèôôåðåíöèðóÿ ïî p èìååì

dJ

dp= −

∫ ∞

0

f(t)e−ptdt = −f(p), (2.20)

â êà÷åñòâå í.ó. äëÿ ýòîãî óðàâíåíèÿ ïðèìåì J(p) = 0 ïðè arg p ≤ π/2 − α, çíà÷èò, J =∫∞p

f(q)dq, òîãäà ∫ ∞

0

f(q)dq ÷ f(t)t

(2.21)

2.3 Òåîðåìà î ñâåðòêå (Ý. Áîðåëÿ)Îïðåäåëåíèå 1 Ñâåðòêà ôóíêöèé f(t) ∗ g(t) =

∫∞−∞ f(τ)g(t− τ)dτ) (=

∫∞−∞ f(t− τ)g(τ)dτ)

Ïîñêîëüêó ìû ðàññìàòðèâàåì ôóíêöèè, òîæäåñòâåííî ðàâíûå íóëè ïðè àðãóìåíòå ìåíüøåìíóëÿ, òî f(t) ∗ g(t) =

∫ t

0f(τ)g(t− τ)dτ .

Òåîðåìà 2.3.1f(t) ∗ g(t)÷ f(p)g(p) (2.22)

Äîê-âî Ïðîâåðèì, ÷òî ñâåðòêà ïîïàäàåò â êëàññ îðèãèíàëîâ. Â ñàìîì äåëå,

|f(t)| < Meα1t, |g(t)| < Neα2t,

òîãäà | ∫ t

0f(τ)g(t − τ)dτ | ≤ MN

∫ t

0eα1τeα2(t−τ)dτ ≤ MNteαt, ãäå α = max(α1, α2).  ýòîì ñëó÷àå

âû÷èñëÿåì èçîáðàæåíèå∫ t

0

e−ptdt

∫ t

0

f(τ)g(t− τ)dτ =∫ ∞

0

f(τ)dτ

∫ ∞

τ

e−ptg(t− τ)dt =

∫ ∞

0

f(τ)e−pτdτ

∫ ∞

0

e−psg(s)ds = f(p)g(p),

÷òî è òðåáîâàëîñü.Ïðèìåíèì òåîðåìó î ñâåðòêå ê ðåøåíèþ óðàâíåíèÿ Âîëüòåððà II-îãî ðîäà

y(t) +∫ t

0

y(τ)K(t, τ)dτ = f(τ). (2.23)

Ïóñòü K(t, τ) = K(t− τ), òîãäà óðàâíåíèå II-îãî ðîäà

y(t) +∫ t

0

y(τ)K(t− τ)τ = f(τ), (2.24)

32

Page 34: Методы математической физики. Конспект лекций

è óðàâíåíèå ïåðâîãî ðîäà ∫ t

0

y(τ)K(t− τ)τ = f(τ), (2.25)

Ïåðåéäåì ê ïðåîáðàçîâàíèÿì Ëàïëàñà

y + yK = f , II ðîä,

yK = f , I ðîä,

òîãäày =

f

1 + K, II ðîä, y =

f

K, I ðîä.

Îáðàùåíèå ýòèõ ôîðìóë áóäåò äàíî ïîçæå. Íåîáõîäèìûé ïðèçíàê íàëè÷èÿ îðèãèíàëà : òàê êàêf(p) → 0, p →∞ è K(p) → 0, p →∞ ïðè Rp > 0, âèäíî, ÷òî äëÿ óðàâíåíèÿ âòîðîãî ðîäà y → 0 ïðèp → ∞, Rp > 0. Äëÿ óðàâíåíèÿ ïåðâîãî ðîäà íè÷åãî íå èçâåñòíî, ïðè÷åì ÷åì "ëó÷øå"ñâîéñòâàÿäðà, òåì õóæå ñâîéñòâà ðåøåíèÿ.

2.4 Îáîáùåííàÿ òåîðåìà î ñâåðòêåÏóñòü f(t)÷ f(p), G(p), q(p) ïðîèçâîëüíûå àíàëèòè÷åñêèå ôóíêöèè ïðè Rp > 0. Ïóñòü, êðîìå òîãî,

G(p)e−τq(p) ÷ g(t; τ)

Òåîðåìà 2.4.1 (Îáîáùåííàÿ òåîðåìà î ñâåðòêå, À.Ì. Ýôðîñ, 1935)

f(q(p))G(p)÷∫ ∞

0

f(τ)g(t; τ)dτ (2.26)

Äîê-âî Ðàññìîòðèì èíòåãðàë∫ ∞

0

e−ptdt

∫ ∞

0

f(τ)g(t; τ)dτ =∫ ∞

0

f(τ)dτ

∫e−ptg(t; τ)dt =

∫ ∞

0

f(τ)G(p)e−τq(p)dτ = G(p)f(q(p)).

(ñõîäèìîñòü èíòåãðàëîâ àíàëîãè÷åíà ïðåäûäóùåìó ïàðàãðàôó), ÷òî è òðåáîâàëîñü äîêàçàòü.Ïðèìåðû1. q(p) = p, g(p)÷ g(t). ñëåäîâàòåëüíî,

f(p)g(p)÷∫ t

0

f(τ)g(t− τ)dτ

(òåîðåìà Áîðåëÿ)

2. q(p) = p, G(p) = 1/√

p, íèæå áóäåò ïîêàçàíî, ÷òî

e−τ√

p

√p

÷ 1√πt

e−τ24t

Òîãäàf(√

p)√p

÷ 1√πt

∫ ∞

)

f(τ)e−τ24t

3. Íàéòè îðèãèíàë1

p + h√

p?

f(√

p)√p

=1

p + h√

p⇒ f(p) =

1p + h

⇒ f(t) = e−ht,

òîãäà1

p + h√

p÷ 1√

πt

∫ ∞

0

e−hte−τ2/4tdτ = eh2t Erf (h√

t)

33

Page 35: Методы математической физики. Конспект лекций

2.5 Ôîðìóëà Ðèìàíà-Ìåëëèíà. Îáðàùåíèå ïðåîáðàçîâàíèÿËàïëàñà

Òåîðåìà 2.5.1 Ïóñòü f(t)÷ f(p), òîãäà

f(t) =1

2πiv.p.

σ+i∞∫

σ−i∞

f(p)eptdp, (2.27)

ãäå |f(t)| < Meat, σ > a

Äîê-âî Ðàññìîòðèì ôóíêöèþ φ(t) = f(t)e−σt, ïîêàçàòåëü ðîñòà φ(t) îòðèöàòåëüíûé.  òàêîìñëó÷àå φ ïðåäñòàâëÿåòñÿ èíòåãðàëîì Ôóðüå. Ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå ôóíêöèè φ

φ(ν) =∫ ∞

−∞eiνtφ(t)dt,

îáðàùåíèåφ(t) =

12π

∫ ∞

−∞e−iνtφ(ν)dν =

12π

∫ ∞

−∞e−iνtdν

∫ ∞

0

eiνηφ(η)dη =

12π

∫ ∞

−∞dν

∫ ∞

0

eiν(η−t)φ(eta)dη =12π

∫ ∞

−∞dνeiνt

∫ ∞

0

e−ση+iνηf(η)dη =12π

∫ ∞

−∞f(p)dν =

(â ïîñëåäíåì ðàâåíñòâå ìû ïîëîæèëè p = σ − iν)

−e−σt

2πiv.p.

σ−i∞∫

σ+i∞

f(p)eptdp

(çäåñü ìû åùå ðàç çàìåíèëè ïåðåìåííóþ èíòåãðèðîâàíèÿ). Ñîêðàùàÿ íà ýêñïîíåíòó è ìåíÿÿ çíàêèìååì ôîðìóëó Ðèìàíà-Ìåëëèíà. ×òî è òðåáîâàëîñü äîêàçàòü. (Çàìå÷àíèå : Ïðåîáðàçîâàíèå Ëà-ïëàñà, êàê ìû âèäèì, òåñíî ñâÿçàíî ñ ïðåîáðàçîâàíèåì Ôóðüå.)

a

a

s

s

s>

t

Ðèñ. 2.4:

Òåîðåìà 2.5.2 Ïóñòü ôóíêöèÿ f(p) ðåãóëÿðíà â ïðàâîé ïîëóïëîñêîñòè ïàðàìåòðà p. Ïóñòü,êðîìå òîãî, f(p) → 0, p →∞ ïðè Rp > 0, è èìååò ìåñòî àáñîëþòíàÿ ñõîäèìîñòü èíòåãðàëà

σ+i∞∫

σ−i∞

f(p)eptdp.

Òîãäà ôóíêöèÿ

f(t) =1

2πi

σ+i∞∫

σ−i∞

f(p)eptdp

ÿâëÿåòñÿ îðèíãèíàëîì ôóíêöèè f(p).Äîê-âî Ñì. Òèõîíîâ, Ñâåøíèêîâ; Ëàâðåíòüåâ è Øàáàò.

34

Page 36: Методы математической физики. Конспект лекций

2.6 Òåîðåìû ðàçëîæåíèÿÒåîðåìà 2.6.1 Ïóñòü f(p) ïðàâèëüíàÿ íà áåñêîíå÷íîñòè ôóíêöèÿ, ò. å.

f(p) =∞∑

k=1

Ck

pk, |p| > R, (2.28)

òîãäà îðèãèíàë

f(t) =

0, t < 0∑∞

k=1Cktk−1

(k−1)! , t > 0(2.29)

Äîê-âî Ïîñêîëüêó tν ÷ Γ(ν+1)pν+1 èìååì tk−1 ÷ (k−1)!

pk . Îñòàåòñÿ äîêàçàòü ñõîäèìîñòü ðÿäà (2.29), äëÿýòîãî ââåäåì q = 1/p, òîãäà â ñîîòâåòñòâóþùåì êðóãå ñ öåíòðîì â íà÷àëå êîîðäèíàò ïëîñêîñòè q(rq = 1/Rp) èìååì ðàçëîæåíèå

f(p) = Φ(q) =∞∑

k=1

Ckqk,

ïðè÷åì èç ôîðìóëû Êîøè äëÿ ïðîèçâîäíûõ ôóíêöèè êîìïëåêñíîãî ïåðåìåííîãî ñëåäóåò îöåíêà|Φ(n)(q)| ≤ Mn!Rn èëè |Ck| ≤ MRk. Òîãäà

∣∣∣∣Cktk−1

(k − 1)!

∣∣∣∣ ≤MRk|t|k−1

(k − 1)!= MReR|t|,

òàêèì îáðàçîì ñõîäèìîñòü äîêàçàíà. ×òî è òðåáîâàëîñü.Ïðèìåð äëÿ ôóíêöèè Áåññåëÿ

J0(t) =∞∑

k=0

(−1)k(t/2)2k

k!⇒ J0(p) =

1p

+C−3

p3+ . . . (2.30)

Òåîðåìà 2.6.2 Ïóñòü f(p) ìåðîìîðôíàÿ ôóíêöèÿ è ïðè Rp > c f(p) - àíàëèòè÷åñêàÿ ôóíêöèÿ.Òîãäà

f(t) =∑

(pk)

res(pk)

f(p)ept (2.31)

(òî÷êè pk - ïîëþñû ôóíêöèè f).

Äîê-âî Èçâåñòíî, ÷òî ∫

LA

f eptdp +∫

CR

f eptdp = 2πi∑

(pk)

res(pk)

f(p)ept.

 ñèëó ëåììû Æîðäàíà è óñëîâèé òåîðåìû èíòåãðàë∫CR

→ 0 ïðè R → ∞, òîãäà âûïîëíèâïðåäåëüíûé ïåðåõîä A →∞ è R →∞, ïîëó÷àåì òðåáóåìîå (ñì. ðèñ. 2.5).

s

s

s

s

t

c

+iA

-iA

pk

LA

CR

Ðèñ. 2.5:

35

Page 37: Методы математической физики. Конспект лекций

2.7 Ïðèìåðû âû÷èñëåíèÿ èíòåãðàëîâ îò íåîäíîçíà÷íûõ îá-ðàçîâ

• f(p) = 1√p2+1

, íà ðèñóíêå 2.6 óêàçàíî êàê âûáèðàåòñÿ êîíòóð äëÿ íàõîæäåíèÿ îðèãèíàëà.Äóãè CR âûáèðàþòñÿ äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ Ëåììû Æîðäàíà. Èíòåãðàëû ïî áåðåãàì ðàçðåçàâçàèìíî óíè÷òîæàòüñÿ.

s

t

i

-i

p

Ðèñ. 2.6:

• Ïðîâåðèì ôîðìóëó îáðàùåíèÿ äëÿ

tν ÷ Γ(ν + 1)pν+1

.

Ïóñòü −π < arg p < π, íåîáõîäèìî âû÷èñëèòü èíòåãðàë

12πi

L

Γ(ν + 1)pν+1

eptdp,

çàìåòèì äëÿ ýòîãî, ÷òî ñóììà ñëåäóþùèõ èíòåãðàëîâ ðàâíà íóëþ (â îáëàñòè èíòåãðèðîâàíèÿïîäûíòåãðàëüíàÿ ôóíêöèÿ ðåãóëÿðíà), ñì. ðèñ. 2.7 :

∫LA

+∫CR

+∫

I+

∫Cρ

+∫

II= 0, êðîìå òîãî

èìååì îöåíêó : ∣∣∣∣∣∫

ept

pν+1dp

∣∣∣∣∣ ≤∫ −π

π

eρ cos φρ

ρν+1dφ ≤ const

ρν.

Ïîòðåáóåì, ÷òîáû −1 < ν < 0, ò.å.∫Cρ→ 0 ïðè ρ → 0. Èíòåãðèðóÿ ïî áåðåãàì ðàçðåçà èìååì:

(âåðõíèé áåðåã) p = ρeiπ,∫

I

= Γ(ν + 1)e−iπ(ν+1)

∫ ∞

0

e−ρtρ−ν−1dρ,

(íèæíèé áåðåã) ∫

II

= −Γ(ν + 1)eiπ(ν+1)

∫ ∞

0

e−ρtρ−ν−1dρ,

èòîãî, ∫

L= −Γ(ν + 1)

∫ ∞

0

e−ρtρ−ν−1[eiπ(ν+1) − e−iπ(ν+1)

]dρ.

Òîãäà Γ(ν+1)pν+1 ÷ Γ(ν+1)

π sinπ(ν + 1)tνΓ(−ν) = tν !

• Äîêàæåì, ÷òîe−τ

√p

√p

÷ 1√πt

e−τ24t (2.32)

36

Page 38: Методы математической физики. Конспект лекций

s

tp

Cr

CR

arg(p)=p

arg(p)=-p

LA

Ðèñ. 2.7:

(Ðèñóíîê 2.7)

I

= −∫ 0

∞dρ

e−iτ√

ρe−ρt

i√

ρ

è ∫

II

=∫ 0

∞dρ

eiτ√

ρe−ρt

−i√

ρ,

òîãäà

12πi

L= − 1

2πi(∫

I

+∫

II

) =12π

∫ ∞

0

e−ρt

√ρ

[eiτ

√ρ + e−iτ

√ρ]dρ =

∫ ∞

0

e−ρt cos τ√

ρ√ρ

dρ.

Äëÿ âû÷èñëåíèÿ ýòîãî èíòåãðàëà ïîëîæèì √ρ = u, ââåäåì ôóêíöèþ

f(t; τ) =2π

∫ ∞

0

e−u2t cosuτdu, (2.33)

ïîñêîëüêó∂f

∂τ= − τ

2tf

(â ÷åì óáåæäàåìñÿ ïðîäèôôåðåíöèðîâàâ f ñ îäíîé ñòîðîíû è âçÿâ èíòåãðàë (2.33) ïî ÷àñòÿì),òî f = conste−τ2/4t, ïîäñòàâëÿÿ τ = 0 íàõîäèì const = 1/πt, òàêèì îáðàçîì ôîðìóëà (2.32)äîêàçàíà.

37

Page 39: Методы математической физики. Конспект лекций

Ãëàâà 3

Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ

3.1 Êëàññèôèêàöèÿ ëèíåéíûõ èíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèéÈç ïðîøëîãî ñåìåñòðà

3.2 Àíàëîãèÿ ìåæäó ëèíåéíûì èòåãðàëüíûì óðàâíåíèåì Ôðåä-ãîëüìà 2-ãî ðîäà è ñèñòåìîé ëèíåíåéíûõ àëãåáðàè÷åñêèõóðàâíåíèé. Ôîðìóëèðîâêà òåîðåì Ôðåäãîëüìà

Ðàññìîòðèì îäíîìåðíîå óðàâíåíèå Ôðåäãîëüìà 2-ãî ðîäà

φ(x) = λ

∫ b

a

K(x, y)φ(y)dy + f(x) (3.1)

K(x, y) è f(x) ïðåäïîëàãàþòñÿ íåïðåðûâíûìèÂûïîëíèì ðàçáèåíèå îòðåçêà (a, b) íà N îòðåçêîâ: xi = a + ih, (i = 0, 1..N), ïðè÷åì x0 = a, xn = b.

Òîãäà∫ b

aK(x, y)φ(y)dy ≈

N∑i=1

K(x, yi)φ(yi)h. Ââîäÿ îáîçíà÷åíèÿ φ(xj) = zj ; f(xj) = Fj ; K(xj , yi)h =

Aji, è ïîñ÷èòàâ (3.1) â òî÷êå xj , ïîëó÷èì

zj = λ

N∑

i=1

Ajizi + Fj (3.2)

Òî åñòü èñõîäíîìó èíòåãðàëüíîìó óðàâíåíèþ ìîæíî ñîïîñòàâèòü ñèñòåìó ëèíåéíûõ àëãåáðàè÷å-ñêèõ óðàâíåíèé. Âñïîìíèì òåîðåìû, èçâåñòíûå èç êóðñà ëèíåéíîé àëãåáðû

Òåîðåìà 3.2.1 (Àëüòåðíàòèâà) Ëèáî ñèñòåìà (3.2) îäíîçíà÷íî ðàçðåøèìà ïðè ∀Fj, ëèáî ñîîò-âåòñòâóþùàÿ îäíîðîäíàÿ ñèñòåìà èìååò íåòðèâèàëüíîå ðåøåíèå.

Òåîðåìà 3.2.2 Ðàññìîòðèì òðàíñïîíèðîâàííóþ ñèñòåìó

zj = λ

N∑

i=1

Aijzi + Gj (3.3)

Àëüòåðíàòèâà âûïîëíåíà ïðè òåõ æå λÒî æå âåðíî è äëÿ ñîïðÿæåííîé ñèñòåìû

zj = λ

N∑

i=1

Aijzi + G′j (3.4)

Òåîðåìà 3.2.3 Ðàíãè õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë ñèñòåì (3.2) è (3.3) ñîâïàäàþò.

38

Page 40: Методы математической физики. Конспект лекций

Òåîðåìà 3.2.4 Ïóñòü λ0 - õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî (3.2), è ïóñòü V(p)j - ñîáñòâåííûå âåêòîðà

ñèñòåìû (3.3) ñ λ = λ0.

Òîãäà ñèñòåìà (3.2) c ïðàâîé ÷àñòüþ Fj ðàçðåøèìà, åñëèN∑

j=1

FjV(p)j = 0, p = 1..rankλ0.

(×åðåç ñîáñòâåííûå âåêòîðû ñèñòåìû (3.5) V ′j , óñëîâèå ðàçðåøèìîñòè çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

N∑j=1

FjV ′(p)

j = 0)

Îêàçûâàåòñÿ, âñå ýòè òåîðåìû ïåðåíîñÿòñÿ íà óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà. Ïåðåôîðìóëèðóåì èõ äëÿèíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèé:

Òåîðåìà 3.2.5 (Àëüòåðíàòèâà Ôðåäãîëüìà) Ëèáî óðàâíåíèå

φ(x) = λ

Ω

K(x,y)φ(y)dy + f(x) (3.5)

îäíîçíà÷íî ðàçðåøèìî ïðè ∀f(x), ëèáî ñîîòâåòñòâóþùåå îäíîðîäíîå óðàâíåíèå èìååò íåòðèâè-àëüíîå ðåøåíèå. Äðóãèìè ñëîâàìè, λ ÿâëÿåòñÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèì ÷èñëîì.

Òåîðåìà 3.2.6 Äëÿ ñîþçíîãî óðàâíåíèÿ

φ(x) = λ

Ω

K(x,y)φ(y)dy + g(x) (3.6)

è ñîïðÿæåííîãî óðàâíåíèÿφ(x) = λ

Ω

K(x,y)φ(y)dy + g′(x) (3.7)

àëüòåðíàòèâà âûïîëíåíà ïðè òåõ æå λ.

Òåîðåìà 3.2.7 Ðàíãè õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë óðàâíåíèé (3.5),(3.6) è(3.7) ñîâïàäàþò.

Òåîðåìà 3.2.8 Ïóñòü λ0 - õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî (3.5). Óñëîâèåì ðàçðåøèìîñòè ÿâëÿåòñÿ∫

Ω

f(x)ψ(p)(x)dx = 0,

äëÿ âñÿêîé ψ(p)(x) - ñîáñòâåííîé ôóíêöèè (3.6).Ïðè ïîìîùè ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé (3.6) χ(p)(x), óñëîâèå ðàçðåøèìîñòè çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

Ω

f(x)χ(p)(x)dx = 0,

Çàìå÷àíèåÌû áóäåì ñòðîèòü òåîðèþ äëÿ óðàâíåíèé ñ íåïðåðûâíûì ÿäðîì. Òó æå òåîðèþ ìîæíî ðàñïðî-ñòðàíèòü íà ÿäðà ñî ñëàáîé îñîáåííîñòüþ K(x,y) = L(x,y)

|x−y|q , ãäå L(x,y) - íåïðåðûâíàÿ ôóíêöèÿ, àq < dimΩ

2 .

3.3 Óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà 2-ãî ðîäà ñ ìàëûìè ÿäðàìèÐàññìîòðèì óðàâíåíèå

φ(x) = λ

Ω

K(x,y)φ(y)dy + f(x) (3.8)

Ïóñòü |Ω| - ìåðà îáëàñòè Ω, K0 = supΩ×Ω

|K(x,y)|. Ïåðåïèøåì (3.8) â îïåðàòîðíîì âèäå: φ = λKφ+f ,

ãäå K - èíòåãðàëüíûé îïåðàòîð Kφ =∫Ω

K(x,y)φ(y)dy. Ïóñòü v(x) = Kφ. Ðàññìîòðèì φ(x) ∈ C(Ω),Φ = sup

Ω|φ(x)|, òîãäà

|v(x + h)− v(x)| = |∫

Ω

[K(x + h,y)−K(x,y)] φ(y)dy| 6 ε|Ω|Φ

39

Page 41: Методы математической физики. Конспект лекций

(Èç íåïðåðûâíîñòè K(x,y), ∀ε > 0 ∃h : |K(x + h,y)−K(x,y)| < ε)Òàêèì îáðàçîì, îïåðàòîð K ÿâëÿåòñÿ íåïðåðûâíûì (â òîì ñìûñëå, ÷òî îí ïåðåâîäèò íåïðåðûâíûåôóíêöèè â íåïðåðûâíûå).Ðàññìîòðèì äàëåå îïåðàòîð Lφ =

∫Ω

L(x,y)φ(y)dy, òîãäà

Lv = LKφ =∫

Ω

L(x,y)v(y)dy =∫

Ω

dyL(x,y)∫

Ω

K(y, t)φ(t)dt =∫

Ω

φ(y)dy∫

Ω

L(x, t)K(t,y)dt

ñëåäîâàòåëüíî îïåðàòîðó LK ñîîòâåòñòâóåò ÿäðî LK =∫Ω

L(x, t)K(t,y)dt. ßäðî LK íàçûâàåòñÿêîìïîçèöèåé ÿäåð. Íåòðóäíî âèäåòü, ÷òî â îáùåì ñëó÷àå L K 6= K L.Ïðèìåíèì äàëåå ê íàøåìó óðàâíåíèþ ìåòîä ïðîñòîé èòåðàöèè:

φ0 = fφ1 = f + λKf............φn = f + λKφn−1 = f + λKf + ... + λnKnf

Î÷åâèäíî, ÷òî åñëè ðÿä φn ñõîäèòñÿ ê íåêîòîðîé ôóíêöèè φ, òî φ = f + λKφ. Ïóñòü |f(x)| 6 f0,òîãäà |λKf | = |λ ∫

ΩK(x,y)f(y)dy| 6 |λ|K0f0|Ω|. Äëÿ n-ãî ñëàãàåìîãî, |λnKnf | 6 |λ|nKn

0 |Ω|nf0.Òàêèì îáðàçîì, ðÿä äëÿ φ ìàæîðèðóåòñÿ ãåîìåòðè÷åñêîé ïðîãðåññèåé, ñõîäÿùåéñÿ ïðè |λ|K0|Ω| <1. Òî åñòü äîêàçàíà ñëåäóþùàÿ òåîðåìà

Òåîðåìà 3.3.1 Ó óðàâíåíèÿ (3.8) â êðóãå |λ| < 1K0|Ω| íåò õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë

Ðåøåíèå ìîæíî çàïèñàòü â âèäå φ = f + λRf , ãäå R =∞∑

i=1

λi−1Ki - ðåçîëüâåíòà óðàâíåíèÿ (3.8).

3.4 Óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà ñ âûðîæäåííûìè ÿäðàìèÎïðåäåëèì âûðîæäåííîå ÿäðî, êàê ÿäðî,ïðåäñòàâèìîå â âèäå A(x,y) =

m∑i=1

αi(x)βi(y). Ôóíêöèèαi(x) è βi(y) ïðåäïîëàãàþòñÿ ëèíåéíî íåçàâèñèìûìè (èíà÷å ìîæíî óìåíüøèòü êîëè÷åñòâî ñëàãà-åìûõ). Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå ñ âûðîæäåííûì ÿäðîì:

φ(x) = λ

Ω

A(x,y)φ(y)dy = λ

m∑

i=1

αi(x)∫

Ω

βi(y)dy + f(x) (3.9)

Îáîçíà÷èì xi =∫Ω

βi(y)φ(y)dy, òîãäà φ(x) = λxiαi(x)+f(x). Ïîäñòàâëÿÿ ýòî âûðàæåíèå äëÿ φ(x)â îïðåäåëåíèå xi, ïîëó÷èì

xi = λ

m∑

i=1

Aijxj + fi (3.10)

ãäå îáîçíà÷åíî fi =∫Ω

βi(y)f(y)dy, Aij =∫Ω

βi(y)α(y)dy. Î÷åâèäíî, ÷òî (3.9) è (3.10) - ýêâèâà-ëåíòíû.Èç ëèíåéíîé àëãåáðû èçâåñòíî, ÷òî

xi =

m∑j=1

A′ijfj

D(λ),

ãäå A′ij - àëãåáðàè÷åñêîå äîïîëíåíèå ýëåìåíòîâ ìàòðèöû E − λA, D(λ) = |E − λA|. Ñëåäîâàòåëüíî

φ(x) = f(x) +λ

m∑i=1

m∑j=1

A′ij(λ)αi(x)∫Ω

f(y)βi(y)dy

D(λ)

Ñ äðóãîé ñòîðîíû, φ(x) = f(x) + λ∫Ω

R(x,y, λ)f(y)dy, ñëåäîâàòåëüíî

R(x,y, λ) =1

D(λ)

m∑

i=1

m∑

j=1

A′ij(λ)αi(x)βi(y) (3.11)

40

Page 42: Методы математической физики. Конспект лекций

Òàêèì îáðàçîì, ðåçîëüâåíòà ÿâëÿåòñÿ ìåðîìîðôíîé ôóíêöèåé âî âñåé ïëîñêîñòè λ. Î÷åâèäíî, ÷òîïîëþñà ðåçîëüâåíòû ñîîòâåòñòâóþò õàðàêòåðèñòè÷åñêèì ÷èñëàì. áîëåå îáùåì ñëó÷àå, αi = αi(x, λ); βi = βi(y, λ). Ïóñòü â ïëîñêîñòè λ ∈ C βi, αi - öåëûå ôóíêöèè.Òîãäà âñå ôîðìóëû, ïðèâåäåííûå âûøå áóäóò âåðíû. Ôóíêöèÿ D(λ) áóäåò öåëîé, ñëåäîâàòåëüíîíå áóäåò èìåòü òî÷åê íàêîïëåíèÿ íóëåé âî âñÿêîé êîíå÷íîé ÷àñòè C . Ðåçîëüâåíòà îñòàíåòñÿ ìå-ðîìîðôíîé è â ýòîì ñëó÷àå, ñëåäîâàòåëüíî äëÿ ëþáûõ λ, çà èñêëþ÷åíèåì ñ÷åòíîãî ÷èñëà òî÷åê,èñõîäíîå óðàâíåíèå áóäåò èìåòü ðåøåíèèå ïðè ëþáîé f(x) . Áîëåå òîãî, ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî è âýòîì ñëó÷àå ïîëþñà ðåçîëüâåíòû ÿâëÿþòñÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèìè ÷èñëàìè.Âñå òåîðåìû Ôðåäãîëüìà â ñëó÷àå âûðîæäåííûõ ÿäåð âûïîëíåíû àâòîìàòè÷åñêè, êàê ïðÿìûåñëåäñòâèÿ ñîîòâåòñòâóþùèõ òåîðåì ëèíåéíîé àëãåáðû.

3.5 Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà 2-ãî ðîäà, áëèçêèåê âûðîæäåííûì

Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå φ(x) = λ∫Ω

K(x,y)φ(y)dy + f(x). Ïóñòü K(x,y) = A(x,y) + K1(x,y), ãäåA - âûðîæäåííîå ÿäðî, à K1 - ìàëîå, òî åñòü |λ|max

x,y∈Ω|K1(x,y)||Ω| < 1.

Ëåììà 3.5.1 Ïóñòü A(x,y) - âûðîæäåííîå ÿäðî, K(x,y) - íåïðåðûâíîå ÿäðî.Òîãäà K A è A K - âûðîæäåííûå ÿäðà.

ÄîêàçàòåëüñòâîA K =

∫Ω

A(x, t)K(t,y)dt =m∑

i=1

αi(x)∫Ω

βi(t)K(t,y)dt =m∑

i=1

αi(x)κ(y)

K A =m∑

i=1

βi(y)∫Ω

αi(t)K(x, t)dt =m∑

i=1

βi(y)κ′(x)

Ëåììà 3.5.2 (K1 K2)Ò = KÒ2 KÒ

1 , çíà÷îê ()Ò îáîçíà÷àåò òðàíñïîíèðîâàíèå.

Äîêàçàòåëüñòâî ßñíî. Èòàê, ðàññìîòðèì óðàâíåíèå ñ ÿäðîì, áëèçêèì ê âûðîæäåííîìó:

φ = λAφ + λK1φ + f (3.12)

Ïåðåïèøåì åãî â âèäå φ = λK1φ+η, ãäå η = φ+λAφ. Òîãäà ðåøåíèå çàïèøåòñÿ â âèäå φ = η+λR1η,ãäå R1 - ðåçîëüâåíòà K1. Ïîäñòàâëÿÿ â âûðàæåíèå äëÿ η, ïîëó÷èì

η = λA(η + λR1η) + f = f + (λA + λ2AR1)η (3.13)

Ðåçîëüâåíòà R1 îïðåäåëåíà è ÿâëÿåòñÿ öåëîé â êðóãå |λ| < 1|Ω||K1| , ñëåäîâàòåëüíî ÿäðî (3.13)

öåëàÿ ôóíêöèÿ â ýòîé îáëàñòè. Òàêèì îáðàçîì, â êðóãå ìàëîñòè K1, ñóùåñòâóåò ðåçîëüâåíòà -ìåðîìîðôíàÿ ôóíêöèÿ, ñëåäîâàòåëüíî âûïîëíåíà àëüòåðíàòèâà Ôðåäãîëüìà.Ðàññìîòðèì äàëåå ñîþçíîå óðàâíåíèå

ψ = λAÒψ + λKÒ1 ψ + g (3.14)

òîãäà ψ = g + λAÒψ + λR1(g + λAÒψ), èëè

ψ = g + λR1g + (λAÒ + λ2RÒ1 AÒ)ψ (3.15)

Î÷åâèäíî, óðàâíåíèÿ (3.13) è (3.15) - ñîþçíû. Òàê êàê (3.13) ýêâèâàëåíòíî (3.12), èõ óñëîâèÿ ðàçðå-øèìîñòè ñîâïàäàþò. Òàêèì îáðàçîì, óñëîâèå ðàçðåøèìîñòè (3.12) ïðèíèìàåò âèä

∫Ω

f(x)ψ(x)dx =0, ãäå ψ - ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ (3.13).Èòàê â ñëó÷àå ÿäåð, áëèçêèõ ê âûðîæäåííûì, â êðóãå ìàëîñòè K1 âûïîëíåíû âñå òåîðåìû Ôðåä-ãîëüìà.

3.6 Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà ñ íåïðåðûâíûìèÿäðàìè

Ðàññìîòðèì óðàâíåíèå φ(x) = λ∫Ω

K(x,y)φ(y)dy+ f(x), ãäå K(x,y) ∈ C(Ω×Ω). Ñîãëàñíî òåîðåìåÂåéåðøòðàññà, ∀ε > 0∃PN (x,y) : K(x,y) = K1(x,y)+PN (x,y), ãäå |K1(x,y)| < ε, x, y ∈ Ω. Òàê êàê

41

Page 43: Методы математической физики. Конспект лекций

PN (x,y) - âûðîæäåííîå ÿäðî, â êðóãå |λ| < 1|Ω|ε ñóùåñòâóåò ðåçîëüâåíòà - ìåðîìîðôíàÿ ôóíêöèÿ, è

âûïîëíåíà âñå òåîðåìû Ôðåäãîëüìà. Âûïîëíÿÿ ïðåäåëüíûé ïåðåõîä ε →∞, èìååì ìåðîìîðôíóþðåçîëüâåíòó âî âñåì ïðîñòðàíñòâå. Ìîæíî ïîêàçàòü, ÷òî òî÷êà íàêîïëåíèÿ ïîëþñîâ ðåçîëüâåíòû- áåñêîíå÷íîñòü, òî åñòü èìååòñÿ ñ÷åòíîå êîëè÷åñòâî õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåëÄîïîëíåíèåÐåçîëüâåíòó ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå R(x,y, λ) = D(x,y,λ)

D(λ) , ãäå D èD - öåëûå ôóíêöèè λ. ÔóíêöèÿD(λ) íàçûâàåòñÿ çíàìåíàòåëåì Ôðåäãîëüìà. Ñïðàâåäëèâû óòâåðæäåíèÿ:1) Ëþáîå õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî ÿâëÿåòñÿ íóëåì D(λ).2) Ëþáîé íóëü D(λ) ÿâëÿåòñÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèì ÷èñëîì.Ïîêàæåì âòîðîå èç ýòèõ óòâåðæäåíèé. Ëþáîé íóëü D(λ) ÿâëÿåòñÿ ïîëþñîì ðåçîëüâåíòû. Äàëåå,èç ñîîòíîøåíèé

φ = f + λKφφ = f + λRf

ïîëó÷èì óðàâíåíèå íà ðåçîëüâåíòó: R = K + λKR.Ïóñòü λ0 - ïîëþñ ðåçîëüâåíòû, òîãäà R(x,y, λ) = a−r(x,y)

(λ−λ0)r + a−r+1(x,y)(λ−λ0)r−1 + ... +

m∑i=1

(λ − λ0)iai(x,y).Äîìíîæàÿ óðàâíåíèå äëÿ ðåçîëüâåíòû íà (λ − λ0)r, è ïîëàãàÿ λ = λ0, ïîëó÷èì a−r = λ0Ka−r.Çíà÷èò, λ0 ÿâëÿåòñÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèì ÷èñëîì, à a−r - ñîáñòâåííîé ôóíêöèåé.

3.7 Èíòåãðàëüíîå óðàâíåíèå Ôðåäãîëüìà ñ ýðìèòîâûì ÿäðîìÝðìèòîâûì íàçûâàåòñÿ ÿäðî, óäîâëåòâîðÿþùåå ñîîòíîøåíèþ K(x,y) = K(y,x) ( âåùåñòâåííîìñëó÷àå K(x,y) ∈ R, K(x,y) = K(y,x) - ñèììåòðè÷íîå ÿäðî).Îïðåäåëèì ñêàëÿðíîå ïðîèçâåäåíèå êàê (u, v) =

∫Ω

u(x)v(x)dx. Çàìåòèì, ÷òî (v, u) =∫Ω

v(x)u(x)dx =(u, v).Òîãäà äëÿ ýðìèòîâîãî îïåðàòîðà âûïîëíåíî òîæäåñòâî Ëàãðàíæà: (φ,Kψ) = (Kφ,ψ). Ïðîâåðèì:

(φ,Kψ) =∫

Ω

φ(x)∫

Ω

K(x,y)ψ(y)dydx =∫

Ω

φ(x)∫

Ω

K(y,x)ψ(y)dydx =

=∫

Ω

[∫

Ω

K(y,x)φ(x)dx]

ψ(y)dx = (Kφ,ψ)

 ÷àñòíîñòè, ïðè ψ = φ, èìååì (φ,Kφ) = (Kφ, φ) = (φ,Kφ), ñëåäîâàòåëüíî (φ,Kφ) ∈ R. Òåïåðüìîæíî ïîêàçàòü âåùåñòâåííîñòü õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë K. Äåéñòâèòåëüíî, ïóñòü λ õàðàêòå-ðèñòè÷åñêîå ÷èñëî, φ - ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ îïåðàòîðà K, òîãäà (φ, φ) = (λKφ, φ) = λ(Kφ, φ) ⇒λ ∈ R. Äàëåå, ïóñòü φk è φl - ñîáñòâåííûå ôóíêöèè, îòâå÷àþùèå ðàçëè÷íûì õàðàêòåðèñòè÷åñêèì÷èñëàì λk è λl ñîîòâåòñòâåííî. Âûïîëíåíû ðàâåíñòâà

φk = λkKφk

φl = λlKφl

Óìíîæàÿ ïåðâîå èç ýòèõ ðàâåíñòâ ñêàëÿðíî íà φl ñëåâà, âòîðîå íà φk ñïðàâà è âû÷èòàÿ îäíî èçäðóãîãî, ïîëó÷èì

(1λl− 1

λk

)(φk, φl) = 0, ñëåäîâàòåëüíî φk îðòîãîíàëüíî φl ((φk, φl) = 0). Ñîá-

ñòâåííûõ ÷èñåë, îòíîñÿùèõñÿ ê îäíîìó è òîìó æå õàðàêòåðèñòè÷åñêîìó ÷èñëó êîíå÷íîå ÷èñëî,ñëåäîâàòåëüíî îíè îðòîãîíàëèçóþòñÿ ïî ìåòîäó Øìèäòà. Èòàê, ìû ïîëó÷èëè, ÷òî ñîáñòâåííûåôóíêöèè ýðìèòîâîãî îïåðàòîðà ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé îðãîãîíàëüíûé íàáîð. Íèæå ìû óñòàíîâèì, âíåêîòîðîì ñìûñëå, ïîëíîòó ýòîãî íàáîðà.

3.8 Áèëèíåéíàÿ ôîðìóëàÐàññìîòðèì óðàâíåíåèå íà ñîáñòâåííóþ ôóíêöèþ îïåðàòîðà ñ ñèììåòðè÷íûì ÿäðîì φk(x) =λk

∫Ω

K(x,y)φk(y)dy. Ýòî óðàâíåíèå ìîæíî ïåðåïèñàòü â âèäå φk(x)λk

= (K(x,y), φ(y)). Ôîìàëü-

íî ñîïîñòàâèì ÿäðó ðÿä K(x,y) ∼∞∑

k=1

Ck(x)φk(y). Ðàññìàòðèâàÿ Ck, êàê êîýôôèöèåíòû Ôóðüå, è

ïðåäïîëàãàÿ φk - îðòîíîðìèðîâàííûì íàáîðîì, ïîëó÷èì Ck = (K, φk), òî åñòü

K(x,y) ∼∞∑

k=1

φk(x)φk(y)λk

(3.16)

42

Page 44: Методы математической физики. Конспект лекций

Êàê èçâåñòíî, â òàêîì ñëó÷àå ñïðàâåäëèâî íåðàâåíñòâî Áåññåëÿ∞∑

k=1

|φk(x)|2λ2

k

6∫

Ω

|K(x,y)|2dy (3.17)

Êðîìå òîãî, â ïðîøëîì ñåìåñòðå áûëà äîêàçàíà ñëåäóþùàÿ òåîðåìà

Òåîðåìà 3.8.1 Åñëè ðÿä (3.16) ñõîäèòñÿ ðàâíîìåðíî, òî

K(x,y) =∞∑

k=1

φk(x)φk(y)λk

(3.18)

3.9 Òîåðåìà Ãèëüáåðòà-Øìèäòà. Ðåãóëÿðíàÿ ñõîäèìîñòü ðÿ-äà

Îïðåäåëèì f(x), êàê ôóíêöèþ, èñòîêîîáðàçíî ïðåäñòàâèìóþ ÷åðåç ýðìèòîâî ÿäðî K(x,y), åñëèf(x) =

∫Ω

K(x,y)h(y)dy .Îòíîñèòåëüíî K(x,y) ïðåäïîëîæèì:

1. K(x,y) ∈ L2(Ω)

2. ∃K0 : ∀x ∈ Ω∫Ω|K(x,y)|2dy < K0 (ðàâíîìåðíàÿ ñõîäèìîñòü)

3. È ïóñòü, êðîìå òîãî, h(x) ∈ L(Ω)

Ðàññìîòðèì ðÿä

f(x) ∼∞∑

k=1

fkφk(x)

ãäå fk =∫Ω

f(x)φk(x)dx(3.19)

Òåîðåìà 3.9.1 (Ãèëüáåðòà-Øìèäòà) Ïóñòü f(x) - èñòîêîîáðàçíî ïðåäñòàâèìàÿ ôóíêöèÿ, òî-ãäà ðÿä (3.19) ñõîäèòñÿ ê f(x) ðåãóëÿðíî.

Äîêàçàòåëüñòâî (Çäåñü ìû äîêàæåì ðåãóëÿðíóþ ñõîäèìîñòü ðÿäà)Çàìåòèì, ÷òî fk =

∫Ω

f(x)φk(x)dx =∫Ω

φk(x)dx∫Ω

K(x,y)h(y)dy =∫Ω

h(y)dy∫Ω

K(x,y)φk(x)dx =∫Ω

h(y)dy∫Ω

K(y,x)φk(x)dx = 1λk

∫Ω

h(y)φk(y)dy = hk

λk. Ñëåäîâàòåëüíî, ðÿä (3.19) ýêâèâàëåíòåí

ðÿäó∞∑

k=1

hk

λkφk(x).

Ðàññìîòðèì äàëåå,m+p∑

k=m

∣∣∣∣hkφk(x)

λk

∣∣∣∣ 6(

m+p∑

k=m

|hk|2) 1

2(

m+p∑

k=m

∣∣∣∣φk(x)

λk

∣∣∣∣) 1

2

Òàê êàê∞∑

k=1

|hk|2 6∫Ω|h(x)|2dx < +∞, à

∞∑k=1

∣∣∣φk(x)λk

∣∣∣ 6∫Ω|K(x,y)|2dy < K0 (ñì.(3.17), òî ñóùå-

ñòâóåò òàêîå m(ε), ÷òîm+p∑k=m

∣∣∣hkφk(x)λk

∣∣∣ < ε. Ñëåäîâàòåëüíî ðÿä∞∑

k=1

∣∣∣hk

λkφk(x)

∣∣∣ ñõîäèòñÿ ðàâíîìåðíî, àçíà÷èò ðÿä (3.19) ñõîäèòñÿ ðåãóëÿðíî.

3.10 Âïîëíå íåïðåðûâíûå îïåðàòîðûÐàññìîòðèì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ïðîèçâîëüíûõ ôóíêöèé ψn(x), x ∈ Ω. Ïóñòü ‖ψn(x)‖2 = (ψn(x), ψn(x)) <A. Îïðåäåëèì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü vn(x) êàê vn(x) = Lψn(x), ãäå L - ëèíåéíûé îïåðàòîð. Òîãäàîïåðàòîð L íàçûâàþò âïîëíå íåïðåðûâíûì, åñëè èç ïîñëåäîâàòåëüíîñòè vn(x) ìîæíî èçâëå÷üïîäïîñëåäîâàòåëüíîñòü vnk

(x) → v(x) ∈ L2(Ω). (Åñëè v(x) ∈ C(Ω), òî L íàçûâàþò óñèëåííîâïîëíå íåïðåðûâíûì îïåðàòîðîì)Ðàñìîòðèì èíòåãðàëüíûé îïåðàòîð K, òàêîé ÷òî K(x,y) = K(y,x);

∫Ω|K(x,y)|2dy < K0. Êðîìå

òîãî, ìû áóäåì ïðåäïîëàãàòü, ÷òî K(x,y) ∈ C(Ω× Ω).Óòâåðæäåíèå: K - âïîëíå íåïðåðûâíûé îïåðàòîð.Ïîêàæåì, ÷òî ýòî óòâåðæäåíèå ñëåäóåò èç ñëåäóþùåé òåîðåìû:

43

Page 45: Методы математической физики. Конспект лекций

Òåîðåìà 3.10.1 (Àðöåëà) Ðàâíîñòåïåííî íåïðåðûâíîå è ðàâíîìåðíî îãðàíè÷åííîå ìíîæåñòâîôóíêöèé êîìïàêòíî.

(ðàâíîñòåïåííàÿ íåïðåðûâíîñòü ∀ε > 0∃δ(ε) : |x− x′| < δ ⇒ |φ(x)− φ(x′)| < ε)Äîêàçàòåëüñòâî ñì. Ñìèðíîâ ò. IVÄîêàæåì, ÷òî ìíîæåñòâî ôóíêöèé Kψn ðàâíîìåðíî îãðàíè÷åííî è ðàâíîñòåïåííî íåïðåíûâíî.1)ðàâíîìåðíàÿ îãðàíè÷åííîñòü:

|Kψn|2 =∣∣∣∣∫

Ω

K(x,y)ψn(y)dy∣∣∣∣2

6∫

Ω

|K(x,y)|2dy∫

Ω

|ψn(y)|2dy 6 K0‖ψn‖ 6 K0A

2)ðàâíîñòåïåííàÿ íåïðåðûâíîñòü.

|Kψn(x)−Kψn(x′)|2 =∣∣∣∣∫

Ω

[K(x,y)−K(x′,y)]ψn(y)dy∣∣∣∣2

6

6∫

Ω

|K(x,y)−K(x′,y)|2dy∫

Ω

|ψn(y)|2dy 6∫

Ω

|K(x,y)−K(x′,y)|2dyA

Òàê êàê ÿäðî K(x,y) - íåïðåðûâíî, òî îíî ðàâíîìåðíî íåïðåðûâíî, òî åñòü ∀ε > 0∃δ 6= δ(y) : |x−x′| < δ ⇒ |K(x,y)−K(x′,y)| < ε . Òîãäà |K(x,y)−K(x′,y)| < ε

A|Ω| , îòêóäà |Kψn(x)−Kψn(x′)| 6 ε.Î÷åâèäíî, ÷òî ôóíêöèè vk ïîëó÷èëèñü íåïðåðûâíûìè, à êîìïàêòíîñòü ýêâèâàëåíòíà âïîëíåíåïðåðûâíîñòè, ñëåäîâàòåëüíî ìû äîêàçàëè óñèëåííóþ âïîëíå íåïðåðûâíîñòü K.

3.11 Òåîðåìà ñóùåñòâîâàíèÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåëÐàññìîòðèì ýðìèòîâ îïåðàòîð K 6= Θ, ïðè÷åì áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî ÿäðî K(x,y) ∈ C(Ω× Ω).

Òåîðåìà 3.11.1 Ñóùåñòâóåò õîòÿ áû îäíî λk: φk = λkKφk

Äîêàçàòåëüñòâî 1) Ëåãêî âèäåòü, ÷òî ñóùåñòâîâàíèå õàðàêòåðèñòè÷åñêîãî ÷èñëà ó îïåðàòîðàK2 âëå÷åò çà ñîáîé ñóùåñòâîâàíèå õàðàêòåðèñòè÷åñêîãî ÷èñëà ó îïåðàòîðà K. Äåéñòâèòåëüíî,φ = λK2φ ⇒ φ +

√λKφ −

√λKφ − λK2φ = 0. Îáîçíà÷èì ψ = φ −

√λφ, òîãäà ψ +

√λψ = 0.

Ñëåäîâàòåëüíî, ëèáî ψ ≡ 0, è√

λ - õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî, à φ - ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ K, ëèáî−√

λ - õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî, à ψ - ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ.2) ðàññìîòðèì âåëè÷èíû (φ,K2φ)

(φ,φ) = (Kφ,Kφ)(φ,φ) . Çàìåòèì, ÷òî

‖Kφ‖2 =∫

Ω

|Kφ|2dx 6 |Ω|max|Kφ|2 = |Ω|max

∣∣∣∣∫

Ω

K(x,y)φ(y)dy∣∣∣∣2

6

6 |Ω|max

∫Ω|K(x,y)|2dy

Ω

|φ(y)|2dy 6 K20 |Ω|2‖φ‖

Òîãäà 0 6 (Kφ,Kφ)(φ,φ) 6 K2

0 |Ω|2 . Ñëåäîâàòåëüíî, ñóùåñòâóåò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü φn: (Kφn,Kφn)

(φn,φn)→

κ1 , ãäå κ1 - òî÷íàÿ âåðõíÿÿ ãðàíü (Kφ,Kφ)(φ,φ) . Äàëåå èç (Kφ,Kφ)

(φ,φ) 6 κ1, äîìíîæàÿ ýòî íåðàâåíñòâîíà (K2φ,K2φ)

(Kφ,Kφ) 6 κ1, ïîëó÷èì (K2φ,K2φ)(φ,φ) 6 κ2

1 Ðàññìîòðèì ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ôóíêöèé φn, òà-êóþ, ÷òî φn = φn

‖φn‖ . Î÷åâèäíî, ÷òî (φn, φn) = 1, à (Kφn,Kφn) → κ1 . Äîêàæåì òåïåðü ÷òîïîñëåäîâàòåëüíîñòü ψn, ãäå ψn = κ1φn −K2φn, ñõîäèòñÿ ê íóëþ â ñðåäíåì, òî åñòü ‖ψn‖2 → 0.Äåéñòâèòåëüíî,

‖ψn‖2 = (κ1φn −K2φn,κ1φn −K2φn) = κ21 − κ1(K2φn, φn)− κ1(φn, K2φn) + (K2φn,K2φn) 6

6 2κ21 − 2κ1(Kφn,Kφn) = 2κ1(κ1 − (Kφn,Kφn)) → 0

Ñîãëàñíî óñèëåííîé âïîëíå íåïðåðûâíîñòè K2, ìû ìîæåì âûáðàòü ïîäïîñëåäîâàòåëüíîñòü φnk,

òàêóþ ÷òî K2φnk→ v, ãäå v - íåïðåðûâíàÿ ôóíêöèÿ. Òàêèì îáðàçîì, ó φnk

åñòü ïðåäåë φ0, òàêîé÷òî κ1φ0 −K2φ0 ∼ 0 (ðàâíî ñ òî÷íîñòüþ äî ìíîæåñòâà ìåðû íîëü). Âîçüìåì φ0 = K2φ0

κ1= vκ1

, φ0

- íåïðåðûâíàÿ ôóíêöèÿ. Òîãäà φ0 ∼ φ0. Òàê êàê K2-èíòåãðàëüíûé îïåðàòîð, ìíîæåñòâî ìåðû

44

Page 46: Методы математической физики. Конспект лекций

íîëü íå âëèÿåò íà åãî äåéñòâèå, ñëåäîâàòåëüíî K2φ0 = K2φ0. Çíà÷èò κ1φ0 − K2φ0 ∼ 0, à èçíåïðåðûâíîñòè φ0 ïîëó÷èì îêîí÷àòåëüíî

κ1φ0 −K2φ0 = 0

Òàêèì îáðàçîì ó K2 åñòü õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî 1κ1

è ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ φ0. Ñëåäîâàòåëüíî,ïî äîêàçàííîìó â ï.1, è ó K åñòü õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî.

3.12 Òåîðåìà Ãèëüáåðòà-Øìèäòà. Ïîñëåäîâàòåëüíîñòü õàðàê-òåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë.

 ïðåäûäóùåì ïàðàãðàôå áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ó ýðìèòîâîãî èíòåãðàëüíîãî îïåðàòîðà K åñòüõàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëî λ2

1 = 1κ1

, è íîðìèðîâàííàÿ ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ φ1. Áóäåì ïðîäîëæàòüèññëåäîâàòü ñïåêòð ýòîãî îïåðàòîðà.Ââåäåì îïåðàòîð K1 ñ ÿäðîì K1(x,y) = K(x,y)− φ1(x)φ(y)

λ1. Î÷åâèäíî, K1 îáëàäàåò âñåìè ôóíê-

öèÿìè K, êðîìå φ1.Ñëó÷àé 1. K1 ≡ Θ.  ýòîì ñëó÷àå, K(x,y) = φ1(x)φ(y)

λ1- âûðîæäåííîå ÿäðî.

Ñëó÷àé 2. K1 - íå îïåðàòîð àííóëèðîâàíèÿ. Î÷åâèäíî, îïåðàòîð K1 - ýðìèòîâ óñèëåííî âïîëíåíåïðåðûâíûé. Òîãäà, ñîãëàñíî ðåçóëüòàòàì ïàðàãðàôà 3.11, ó íåãî åñòü õàðàêòåðèñòè÷åñêîå ÷èñëîλ2, ïðè÷åì 0 < (K1φ,K1φ) 6 1

λ22(äëÿ (φ, φ) = 1). Òàê êàê ‖K1φ‖ = ‖Kφ‖ − 1

λ21(φ, φ1)2 6 1

λ21, à 1

λ22-

òî÷íàÿ âåðõíÿÿ ãðàíü, ïîëó÷èì 1λ2

26 1

λ21. Ñëåäîâàòåëüíî |λ2| > |λ1|.

Áóäåì ïðîäîëæàòü ýòîò ïðîöåññ äàëåå. Íà n-ì øàãå èìååì:

Kn+1(x,y) = K(x,y)−n∑

k=1

φk(x)φk(y)λk

Îïÿòü âîçìîæíû äâà ñëó÷àÿÑëó÷àé 1. Kn+1 ≡ Θ (ñëó÷àé âûðîæäåííîãî ÿäðà).  ýòîì ñëó÷àå, äëÿ ïðîèçâîëüíîé ôóíêöèè ω,èìååì

|λ1| 6 |λ2| 6 ... 6 |λn|n∑

k=1

φk(x)(ω, φk)λk

Òî åñòü äëÿ ïðîèçâîëüíîé èñòîêîîáðàçíî ïðåäñòàâèìîé ôóíêöèè èìååì òåîðåìó Ãèëüáåðòà-Øìèäòà.Ñëó÷àé 2. Ïðîöåññ íå îáðûâàåòñÿ. Òîãäà ñóùåñòâóåò λn+1,ïðè ýòîì (Kn+1ω,Kn+1ω) 6 1

λn+1(ω, ω).

Ñîãëàñíî îáùåé òåîðèè Ôðåäãîëüìà, òî÷êîé íàêîïëåíèÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë ìîæåò áûòüòîëüêî áåñêîíå÷íîñòü. Ñëåäîâàòåëüíî ‖Kn+1ω‖ → 0. Çíà÷èò, Kω ∼

∞∑k=1

φk(x)(ω,φk)λk

. Ðàññìîòðèìèñòîêîîáðàçíî ïðåäñòàâèìóþ ôóíêöèþ f = Kω. Âûáèðàÿ, f íåïðåðûâíîé, ïîëó÷èì

f =∞∑

k=1

φk(x)(ω, φk)λk

Äîêàçàòåëüñòâî òåîðåìû Ãèëüáåðòà-Øìèäòà çàâåðøåíî.Òàêèì îáðàçîì, ìû ïîëó÷èëè ïîëíîòó ñèñòåìû ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé îòíîñèòåëüíî èñòîêîîáðàçíîïðåäñòàâèìûõ ôóíêöèé.

3.13 Ôîðìóëà ØìèäòàÐàññìîòðèì óðàâíåíèå ñ ýðìèòîâûì îïåðàòîðîì φ = λKφ + f . Òîãäà φ− f - èñòîêîîáðàçíî ïðåä-ñòàâèìàÿ ÷åðåç K, φ ôóíêöèÿ. Òîãäà, ïî òåîðåìå 3.9.1

φ = λ

∞∑

k=1

Ck

λkφk + f (3.20)

45

Page 47: Методы математической физики. Конспект лекций

ãäå Ck = (φ, φk). Óìíîæàÿ (3.20) ñêàëÿðíî íà φl, ïîëó÷èì Cl = λλl

Cl + fl.Ñëó÷àé 1. Äëÿ âñÿêîãî l, λ 6= λl. Òîãäà Cl = flλl

λl−λ Îòêóäà,

φ = λ

∞∑

k=1

(f, φk)φk

λk − λ+ f (3.21)

Ñëó÷àé 2. Ïóñòü λ = λl, φ(p)l - ñîîòâåòñòâóþùàÿ ñîáñòâåííàÿ ôóíêöèÿ. Òîãäà èìååì (f, φ

(p)l ) = 0.

Åñëè ýòî óñëîâèå âûïîëíåíî, èìååì

φ = λ

∞∑

k=1k 6=l

(f, φk)φk

λk − λ+

rankλl∑p=1

Cpl φ

(p)l + f (3.22)

ãäå Cpl - ïðîèçâîëüíûå êîýôôèöèåíòû.

Âñïîìíèì: φ = f + λRf . Òîãäà, èç ðÿäà (3.21) ïîëó÷èì

R(x,y, λ) =∞∑

k=1

φk(x)φk(y)λk − λ

(3.23)

Òàê êàê 1λk−λ = 1

λk+ λ

λ(λk−λ) ,

R(x,y, λ) = K(x,y) + λ

∞∑

k=1

φk(x)φk(y)λk(λk − λ)

(3.24)

Òàêèì îáðàçîì, ðåçîëüâåíòà - ìåðîìîðôíàÿ ôóíêöèÿ ñ ïîëþñàìè â òî÷êàõ õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ÷èñåë (êàê è áûëî îáåùàíî)Âñå òåîðèÿ ìîæåò áûòü ðàñïðîñòðàíåíà íà ïîëÿðíûå ÿäðà è ÿäðà è ôóíêöèè èç L2

46

Page 48: Методы математической физики. Конспект лекций

Ãëàâà 4

Âàðèàöèîííîå èñ÷èñëåíèå

4.1 Îñíîâíûå ëåììû âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿËåììà 4.1.1 (Ëàãðàíæ) Ðàññìîòðèì f(x) ∈ C[x0, x1], ïóñòü äëÿ ëþáîé η(x) ∈ C0[x0, x1] (ò. å.η ∈ C[x0, x1] è η(x0) = η(x1) = 0) ∫ x1

x0

F (x)η(x)dx = 0, (4.1)

òîãäà f(x) ≡ 0.

Äîê-âî Ïóñòü â òî÷êå ξ ∈ (x0, x1) ôóíêöèÿ íå ðàâíà íóëþ, è ïóñòü, äëÿ îïðåäåëåííîñòè, f(x) > 0,çíà÷èò â ε−îêðåñòíîñòè òî÷êè ξ f(x) äåðæèò çíàê. Âûáåðåì ôóíêöèþ η ñîãëàñíî

η(x) =

0, x0 < x < ξ − ε0, ξ + ε < x < x1

(x− ξ − ε)(−x + ξ + ε), ξ − ε < x < ξ − ε,

â ýòîì ñëó÷àå∫ x1

x0f(x)η(x)dx > 0, òàêèì îáðàçîì èìååì ïðîòèâîðå÷èå ñ óñëîâèåì ëåììû, ÷òî è

òðåáîâàëîñü.

Ëåììà 4.1.2 (Ëàãðàíæ - ìíîãîìåðíûé ñëó÷àé) Ðàññìîòðèì f(x) ∈ C(Ω), ïóñòü äëÿ ëþáîéη(x) ∈ C0(Ω) ∫

Ω

f(x)η(x)dx = 0, (4.2)

òîãäà f(x) ≡ 0 â Ω.

(äîêàçàòåëüñòâî ïðîâîäèòñÿ àíàëîãè÷íî, îêðåñòíîñòü |x− ξ| < ε,

η(x) =

0, |x− ξ| > εε2 − |x− ξ|2, |x− ξ| < ε

Ëåììà 4.1.3 (Äþáóà-Ðåéìîí) Ïóñòü f(x) ∈ C[x0, x1] è äëÿ âñÿêîé η(x) ∈ C10 [x0, x1] (òðåáîâà-

íèé ê çíà÷åíèÿì ïðîèçâîäíîé íà êðàÿõ îòðåçêà íåò) èíòåãðàë∫ x1

x0

f(x)η′(x)dx = 0, (4.3)

çíà÷èò f(x) = const

Äîê-âî Ââåäåì ñðåäíåå çíà÷åíèå ôóíêöèè f :

f =1

x1 − x0

∫ x1

x0

f(x)dx,

ïîñêîëüêó∫ x1

x0[f(x)− f ]dx = 0 âûáåðåì η(x) =

∫ x

x0[f(x′)− f ]dx′ (ëåãêî âèäåòü, ÷òî η(x) ∈ C1

0 [x0, x1]).Ïî óñëîâèþ ëåììû ∫ x1

x0

f(x)[f(x)− f ]dx = 0 (4.4)

47

Page 49: Методы математической физики. Конспект лекций

è êðîìå òîãî, ∫ x1

x0

f [f(x)− f ]dx = 0, (4.5)

ñëåäîâàòåëüíî, âû÷èòàÿ èç (4.4) (4.5) èìååì∫ x1

x0[f(x)− f ]2dx = 0, à â ñèëó íåïðåðûâíîñòè f f(x) =

f = const, ÷òî è òðåáîâàëîñü.

Ëåììà 4.1.4 Ïóñòü a(x), b(x) ∈ C[x0, x1] è äëÿ âñÿêîé η(x) ∈ C10 [x0, x1]

∫ x1

x0

[a(x)η(x) + b(x)η′(x)]dx = 0, (4.6)

ñëåäîâàòåëüíî b(x) íåïðåðûâíî-äèôôåðåíöèðóåìà è b′(x) = a(x).

Äîê-âî Ââåäåì ôóíêöèþ A(x) =∫ x

x0a(x′)dx′. Ïðîèíòåãðèðîâàâ â ïåðâîì ñëàãàåìîì (4.6) ïî ÷àñòÿì

èìååì ∫ x1

x0

(b(x)−A(x))η′(x)dx = 0,

îòñþäà ïî ëåììå Äþáóà-Ðåéìîíà ïîëó÷àåì b(x) = A(x)+const èëè b′(x) = a(x), ÷òî è òðåáîâàëîñü.

4.2 Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòåìóìà â ïðîñòåéøåé çàäà÷å âà-ðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ

Ïðîñòåéøàÿ çàäà÷à : ôóíêöèîíàë

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y, y′)dx. (4.7)

Êðîìå ýòîãî, çàäàíû êðàåâûå óñëîâèÿ

y(x0) = y0

y(x1) = y1

y ∈ C1[x0, x1]

Îïðåäåëåíèå 2 Ìíîæåñòâî ôóíêöèé y(x) òàêèõ, ÷òî |y(x)−y(x)| < ε íàçûâàþò ε-îêðåñòíîñòüþíóëåâîãî ïîðÿäêà ôóíêöèè y(x).

Ìíîæåñòâî ôóíêöèé y(x) òàêèõ, ÷òî |y(x)−y(x)|+|y′(x)−y′(x)| < ε íàçûâàþò ε-îêðåñòíîñòüþ1-îãî ïîðÿäêà ôóíêöèè y(x).

Îïðåäåëåíèå 3 Ãîâîðÿò, ÷òî ôóíêöèÿ y(x) ðåàëèçóåò îòíîñèòåëüíûé ìàêñèìóì (ìèíèìóì)ôóíêöèîíàëà J , åñëè äëÿ âñÿêîé y(x) èç ε îêðåñòíîñòè y, J [y] ≥ (≤)J [y]

(Ïðè îòñóòñòâèè îãðàíè÷åíèé íà ôóíêöèþ y ãîâîðÿò îá àáñîëþòíîì ýêñòðåìóìå ôóíêöèîíàëà).Ñäåëàåì íåñêîëüêî ïðåäïîëîæåíèé î âèäå ôóíêöèè F . À èìåííî, áóäåì ñ÷èòàòü, ÷òî â ε-

îêðåñòíîñòè 1-îãî ïîðÿäêà (ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà)

F,∂F

∂x,∂F

∂y,∂F

∂y′,∂2F

∂x2,∂2F

∂y2,∂2F

∂y′2

íåïðåðûâíûå ôóíêöèè.Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìàÏóñòü y(x) - ôóíêöèÿ, íà êîòîðîé ðåàëèçóåòñÿ ýêñòðåìóì. Ïîëîæèì

y(x) = y(x) + αη(x), (4.8)

(η(x) ∈ C0[x0, x1]). Äëÿ òàêîé y(x) ôóíêöèîíàë ñâîäèòñÿ ê ôóíêöèè ÷èñëîâîãî ïàðàìåòðà α :

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y + αη, y′ + αη′)dx = Φ(α).

48

Page 50: Методы математической физики. Конспект лекций

Èçâåñòíî, ÷òî α = 0 - ýêñòðåìóì ôóíêöèè Φ, ïîýòîìó ñ íåîáõîäèìîñòüþ ïðè α = 0

dΦdα

∣∣∣∣α=0

= 0,

çíà÷èòdΦdα

∣∣∣∣α=0

=∫ x1

x0

[∂F

∂y

∣∣∣∣x,y,y′

η(x) +∂F

∂y′

∣∣∣∣x,y,y′

η′(x)

]dx.

Ïî ëåììå Äþáóà-Ðåéìîíà è ëåììå 4.1.4 (η(x) - ïðîèçâîëüíàÿ ôóíêöèÿ, ïîïàäàíèå â ε−îêðåñòíîñòüãàðàíòèðóåòñÿ ïî âûáîðó α) èìååì

d

dx

∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

− ∂F

∂y

∣∣∣∣y=y

(4.9)

Îïðåäåëåíèå 4 Âàðèàöèîííàÿ ïðîèçâîäíàÿ

δF

δy=

d

dx

∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

=∂F

∂y

∣∣∣∣y=y

.

Óðàâíåíèå (4.9) íàçûâàåòñÿ óðàâíåíèåì Ýéëåðà.Îïðåäåëåíèå 5 αη(x) = δy - âàðèàöèÿ ôóíêöèè

Îïðåäåëåíèå 6 αΦ′(0) = δJ - âàðèàöèÿ ôóíêöèîíàëà

Òîãäà èìååì

δJ =∫ x1

x0

[∂F

∂y

∣∣∣∣y=y

δy +∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

δy′]

dx.

Ðàñêðûâàÿ ïîëíóþ ïðîèçâîäíóþ ïî x èìååì óðàâíåíèå

∂F

∂y− ∂2F

∂x∂y′− ∂2F

∂y∂y′y′ − ∂2F

∂y′2y′′ = 0

(Äëÿ îáîñíîâàíèÿ ýòîãî ïåðåõîäà íåîáõîäèìî ñóùåñòâîâàíèå âòîðîé ïðîèçâîäíîé ðåøåíèÿ. Ïî-êàæåì, ÷òî ïðè ∂2F

∂y′2 6= 0 è y = y, x ∈ [x0, x1] ýòî âûïîëíåíî. Òîãäà

d

dx

∂F

∂y′= lim

∆x→0

1∆x

(∂F

∂y′(x + ∆x, y(x + ∆x), y′(x + ∆x))− ∂F

∂y′(x, y, y′)

)=

∂2F ∗

∂x∂y′+

∂2F ∗

∂y∂y′+

∂2F ∗

∂y′2∆y′

∆x

- çäåñü ∗ îçíà÷àåò çíà÷åíèå â òî÷êå x < x∗ < x + ∆x, â ýòîì ñëó÷àå, ðàçäåëèâ íà

∂2F ∗

∂y′2

èìååì ñóùåñòâîâàíèå y′′ èd

dx

∂F

∂y′=

∂2F

∂x∂y′+

∂2F

∂y∂y′y′ +

∂2F

∂y′2

÷òî è òðåáîâàëîñü.)Èòàê, â êà÷åñòâå íåîáõîäèìîãî óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà èìååì êâàçèëèíåéíóþ êðàåâóþ çàäà÷ó

∂F

∂y− ∂2F

∂x∂y′− ∂2F

∂y∂y′y′ − ∂2F

∂y′2y′′ = 0

y(x0) = y0

y(x1) = y1

Îïðåäåëåíèå 7 Ðåøåíèå ýòîé êðàåâîé çàäà÷è - ýêñòðåìàëü.Ïðèìåð Âîçüìåì Ëàãðàíæèàí â âèäå F = p(x)y′2 + q(x)y2 + 2f(x)y, óðàâíåíèå íà ýêñòðåìàëè

d

dxp(x)

dy

dx− q(x)y = f(x)

(âèäíî, ÷òî èç âàðèàöèîííîãî ïðèíöèïà ñëåäóåò ñàìîñîïðÿæåííîå óðàâíåíèå.)

49

Page 51: Методы математической физики. Конспект лекций

4.3 Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà, çàâèñÿ-ùåãî îò íåñêîëüêèõ ôóíêöèîíàëüíûõ àðãóìåíòîâ

Ðàññìîòðèì ôóíêöèîíàë

J [y1(x), . . . , yn(x)] =∫ x1

x0

F (x, y1, y′1, . . . , yn, y′n)dx (4.10)

yi(x0) = y0

yi(x1) = y1 - ãðàíè÷íûå óñëîâèÿi = 1, . . . , n

Îáîçíà÷èì ÷åðòîé ñâåðõó ôóíêöèè, íà êîòîðûõ äîñòèãàåòñÿ ýêñòðåìóì, ïóñòü ôóíêöèè ñðàâíåíèÿyi = yi + αiηi(x), ηi ∈ C1

0 [x0, x1]. Òîãäà

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y1 + α1η1, y′1 + α1η

′1, . . . , yn + αnηn, y′n + αnη′n)dx = Φ(α1, . . . , αn).

Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà ôóíêöèè Φ â íóëå.

∂Φ∂αi

∣∣∣∣α1=...=αn=0

= 0, i = 1, . . . , n

èëè ∫ x1

x0

(∂F

∂yi

∣∣∣∣y=y

ηi +∂F

∂y′i

∣∣∣∣y=y

η′i

)dx = 0.

Äàëåå ïðåäïîëîæèì ñóùåñòâîâàíèå âñåõ òåõ ïðîèçâîäíûõ, êîòîðûå ïîòðåáóþòñÿ, è ïðîèíòåãðèðó-åì ïî ÷àñòÿì. Èìååì ∫ x1

x0

(∂F

∂yi− d

dx

∂F

∂y′i

)

y=y

ηidx +∂F

∂y′iη

∣∣∣∣x1

x0

= 0,

ïðè ýòîì ïîñëåäíåå ñëàãàåìîå óõîäèò â ñèëó òîãî, ÷òî η(x0, x1) = 0, è ïî ëåììå Ëàãðàíæà ïîëó÷àåìñèñòåìó óðàâíåíèé Ýéëåðà

∂F

∂yi− d

dx

∂F

∂y′i= 0, i = 1, . . . , n (4.11)

4.4 Íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà, çàâèñÿ-ùåãî îò âûñøèõ ïðîèçâîäíûõ

Ðàññìîòðèì ôóíêöèîíàëJ [y(x)] =

∫ x1

x0

F (x, y, y′, . . . , , y(n))dx, (4.12)

ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ

y(x0) = y00 y(x1) = y10

y′(x0) = y01 y′(x1) = y11

. . . . . .y(n−1)(x0) = y0,n−1 y(n−1)(x1) = y1,n−1

Ïóñòü y = y + αη, ãäå η ∈ Cn0 [x0, x1]. Òîãäà (äåéñòâóÿ àíàëîãè÷íî ïðåäûäóùèì ïàðàãðàôàì) ïîëó-

÷àåì J [y] = Φ(α). íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà ∂Φ∂α

∣∣α=0

= 0, âû÷èñëÿÿ ïðîèçâîäíóþ∫ x1

x0

(∂F

∂y

∣∣∣∣y=y

η +∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

η′ + . . . +∂F

∂y(n)

∣∣∣∣y=y

η(n)

)dx = 0

(ìû íå áóäåì îáîáùàòü ëåììó Äþáóà-Ðåéìîíà íà ñëó÷àé ïðîèçâîäíûõ âûñøèõ ïîðÿäêîâ, à ïðåä-ïîëîæèì n−êðàòíóþ äèôôåðåíöèðóåìîñòü ∂F

∂α , òîãäà èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì)

∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

η

∣∣∣∣∣

x1

x0

+∂F

∂y′′

∣∣∣∣y=y

η′∣∣∣∣∣

x1

x0

+ . . . +∂F

∂y(n)

∣∣∣∣y=y

η(n−1)

∣∣∣∣∣

x1

x0

+

50

Page 52: Методы математической физики. Конспект лекций

∫ x1

x0

η

(∂F

∂y

∣∣∣∣y=y

− d

dx

∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

)− d

dx

∂F

∂y′′η′ − . . .− d

dx

∂F

∂y(n)η(n−1)

dx =

è òàê äàëåå

= . . . =∫ x1

x0

[∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′+

d2

dx2

∂F

∂y′′− . . . + (−1)n dn

dxn

∂F

∂y(n)

]ηdx = 0

â ñèëó ïðîèçâîëüíîñòè η èìååì óðàâíåíèå Ýéëåðà-Ëàãðàíæà

∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′+

d2

dx2

∂F

∂y′′− . . . + (−1)n dn

dxn

∂F

∂y(n)= 0 (4.13)

Ïðèìåð (óðàâíåíèå ïðîãèáà áàëêè)

J [y] =∫ x1

x0

[EIy′′2 + 2fy]dx

y(x0) = 0, y(x1) = 0

y′(x0) = 0, y′(x1) = 0

Óðàâíåíèå Ýéëåðà-ËàãðàíæàEIy(IV) = −f

- ÷åòâåðòîãî ïîðÿäêà.

4.5 Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà äëÿ ôóíêöèîíàëà, çà-âèñÿùåãî îò ôóíêöèè íåñêîëüêèõ ïåðåìåííûõ

Ôóíêöèîíàë è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ :

J [u(x)] =∫

Ω

F (x, u,∂u

∂x)dx, u|∂Ω = g(x), x ∈ Ω ⊂ Rn (4.14)

Ôóíêöèÿ ñðàâíåíèÿ u = u + αη, η|∂Ω = 0, è

J [u(x)] =∫

Ω

F

(x, u + αη,

∂u

∂x1+ α

∂η

∂x1, . . . ,

∂u

∂xn+ α

∂η

∂xn

)dx = Φ(α).

Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà Φ′(α) = 0, ñ äðóãîé ñòîðîíû, ðàñêðûâàÿ ïðîèçâîäíóþ èìååì

0 =∫

Ω

(∂F

∂uη +

∂F

∂p1

∂η

∂x1+ . . . +

∂F

∂pm

∂η

∂xm

)dx =

çäåñü pi = ∂u∂xi

, äàëåå èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì ïðîäîëæàåì ðàâåíñòâî

=∫

∂Ω

η

(∂F

∂p1cosnx1 + . . .

)dS +

Ω

(∂F

∂u− ∂

∂x1

∂F

∂p1− . . .

)ηdx,

ïåðâîå ñëàãàåìîå óõîäèò â 0 ïî îïðåäåëåíèþ η, äàëåå ïî ëåììå Ëàãðàíæà ïîëó÷àåì óðàâíåíèåÝéëåðà

∂F

∂u− ∂

∂x1

∂F

∂p1− . . .− ∂

∂xn

∂F

∂pn= 0. (4.15)

Ïðèìåðû

1. Ôóíêöèîíàë Äèðèõëå

J [u] =∫

Ω

[(∂u

∂x1

)2

+ . . . +(

∂u

∂xn

)2]

dx,

óðàâíåíèå Ýéëåðà ïðèíèìàåò âèä∆u = 0.

51

Page 53: Методы математической физики. Конспект лекций

2. J [u] =∫Ω

[(∇u)2 + 2fu

]dx ⇐⇒ ∆u = f

3. Óðàâíåíèå êîëåáàíèé ñòðóíû

J [u] =12

∫ t2

t1

∫ x1

x0

[T

(∂u

∂x

)2

− ρ

(∂u

∂t

)2]

dxdt ⇐⇒

⇐⇒ ∂

∂xT

∂u

∂x=

∂tρ∂u

∂t,

íî ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ òàêîâû u|t=t1 = µ1(x)u|t=t2 = µ2(x)

(à íå ñòàíäàðòíàÿ çàäà÷à Êîøè). Ìû âèäèì, ÷òî íåò ïîëíîé ýêâèâàëåíòíîñòè âàðèàöèîííîéçàäà÷è è íà÷àëüíî-êðàåâîé çàäà÷è.

4. Ïîïðîáóåì ïîëó÷èòü âàðèàöèîííûé ïðèíöèï äëÿ óðàâíåíèÿ òåïëîïðîâîäíîñòè, âîçüìåì ôóíê-öèîíàë

J [u, v] =∫ t2

t1

∫ x1

x0

[∂u

∂x

∂v

∂x− ∂u

∂tv

]dxdt

óðàâíåíèÿ Ýéëåðà-Ëàãðàíæà

∂v∂t − ∂2v

∂x2 = 0 - ñãëàæèâàåò íåîäíîðîäíîñòè∂u∂t + ∂2u

∂x2 = 0 - ñîáèðàåò íåîäíîðîäíîñòè

5.J [u] =

Ω

aij∂u

∂xi

∂u

∂xjdx

m∂

∂xiaij

∂u

∂xj= 0

(è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ ïåðâîãî ðîäà.)

4.6 Èçîïåðèìåòðè÷åñêàÿ çàäà÷àÐàññìîòðèì ïðîñòåéøèé ôóíêöèîíàë

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y, y′)dx,

ïóñòü J [y] > J [y] ïðè óñëîâèè, ÷òî ôóíêöèîíàë

J1[y(x)] =∫ x1

x0

G(x, y, y′)dx = l = const

è y(x0) = y0 è y(x1) = y1. Áóäåì èñêàòü íåîáõîäèìîå óñëîâèå òàêîãî ýêñòðåìóìà (ò. å. ðåøåíèåèçîïåðèìåòðè÷åñêîé çàäà÷è) ïðè óñëîâèè, ÷òî y íå ÿâëÿåòñÿ ýêñòðåìàëüþ ôóíêöèîíàëà J1, ò. å.(

∂G∂y − d

dx∂G∂y′

)y=y

6= 0 äëÿ âñÿêîãî x ∈ (x0, x1).

Òåîðåìà 4.6.1 (Ýéëåð) Ïóñòü H = F + λG, λ = const,

δH

δy= 0 ⇔

δFδy = 0

J1[y] = l

52

Page 54: Методы математической физики. Конспект лекций

Äîê-âî Ïóñòü y = y + α1η1 + α2η2, ηi(x) ∈ C[x0, x1], òîãäà J [y] = Φ(α1, α2) è J1[y] = Ψ(α1, α2) = l.Ëåãêî âèäåòü, ÷òî

∂Ψ∂α1

=∫ x1

x0

(∂G

∂y− d

dx

∂G

∂y′

)η1dx

è∂Ψ∂α2

=∫ x1

x0

(∂G

∂y− d

dx

∂G

∂y′

)η2dx 6= 0, (ïî âûáîðó η2(x)).

Òîãäà ïî òåîðåìå î íåÿâíîé ôóíöèè(Ψ(0, 0) = l, ∂Ψ/∂α2|0,0 6= 0) ñóùåñòâóåò ôóíêöèÿ α2 = α2(α1),òàêàÿ ÷òî Ψ(α1, α2(α1)) = l, ïðè ýòîì

dα2

dα1= −

∂Ψ∂α1

∂Ψ∂α2

Òîãäà

dα2

dα1= −

∫ x1

x0

(∂G∂y − d

dx∂G∂y′

)y=y

η1dx

∫ x1

x0

(∂G∂y − d

dx∂G∂y′

)y=y

η2dx.

Òîãäà ïîäñòàâèâ α2 = α2(α1) â Φ ïîëó÷àåì íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà

0 =dΦdα1

∣∣∣∣α1=0

=(

∂Φ∂α1

+∂Φ∂α2

dα2

dα1

)=

ïîäñòàâëÿÿ ñþäà âûðàæåíèÿ äëÿ ïðîèçâîäíûõ îêîí÷àòåëüíî ïîëó÷àåì

0 =∫ x1

x0

(∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′

)η1dx− λ

∫ x1

x0

(∂G

∂y− d

dx

∂G

∂y′

)η1dx,

ãäå

λ =

∫ x1

x0

(∂F∂y − d

dx∂F∂y′

)y=y

η2dx

∫ x1

x0

(∂G∂y − d

dx∂G∂y′

)y=y

η2dx.

- êîíñòàíòà, îïðåäåëÿåìàÿ âûáîðîì ôóíêöèè η2. Ïðèìåíÿÿ ëåììó Ëàãðàíæà ïîëó÷àåì òðåáóåìîå.Çàìå÷àíèå Èìååòñÿ ñîîòíîøåíèå äâîéñòâåííîñòè ìåæäó çàäà÷àìè

J [y] = extr J1[y] = const

èJ [y] = const J1[y] = extr

ïîñêîëüêó ïåðâàÿ çàäà÷à ÿâëÿåòñÿ çàäà÷åé íà ýêñòðåìóì ôóíêöèîíàëà F + λG, à âòîðàÿ - äëÿµF + G.

Ïðèìåðû

1. Èçîïåðèìåòðè÷åñêàÿ çàäà÷à - íàéòè êðèâóþ çàäàííîé äëèíû, îõâàòûâàþùóþ íàèáîëüøóþïëîùàäü

2.∫ x1

x0(py′2 + qy2)dx = min, p > 0, q > 0, âòîðîé ôóíêöèîíàë

∫ x1

x0ry2dx = 1, y(x0) = y(x1) = 0.

Ôóíêöèÿ H = py′2 + qy2 − λry2 òîãäà

d

dxpdy

dx+ (λr − q)y = 0

- çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ. (Ìèíèìàëüíîñòü ôóíêöèîíàëà áóäåò äîêàçàíà îòäåëüíî).

3.∫Ω|∇u|2dx = min,

∫Ω

u2dx = 1

53

Page 55: Методы математической физики. Конспект лекций

4.7 Óñëîâíûé ýêñòðåìóìÔóíêöèîíàë

J [y, z] =∫ x1

x0

F (x, y, y′, z, z′)dx = extr

ãðàíè÷íûå óñëîâíèÿy(x0) = y0 z(x0) = z0

y(x1) = y1 z(x1) = z1

Ðàññìîòðèì óñëîâèå, çàïèñàííîå â âèäåΦ(x, y, z) = 0,

ïóñòü íà ôóíêöèÿõ, ðåàëèçóþùèõ óñëîâíûé ýêñòðåìóì y(x), z(x) ïðîèçâîäíàÿ∂Φ∂z

∣∣∣∣y,z

6= 0

äëÿ âñÿêîãî x ∈ (x0, x1).Òåîðåìà 4.7.1 Ïóñòü H = F + λ(x)Φ, òîãäà ýêñòðåìóì

δHδy = 0δHδz = 0

(4.16)

ýêâèâàëåíòåí ýêñòðåìóìó J ïðè óñëîâèè Φ = 0.Äîê-âî Ïî òåîðåìå î íåÿâíîé ôóíêöèè ñóùåñòâóåò òàêàÿ ôóíêöèÿ z = z(x, y), ÷òî Φ(x, y, z(x, y)) =Ψ(x, y) = 0, êðîìå òîãî

∂z

∂y= −

∂Φ∂y

∂Φ∂z

,

è J [y, z(x, y)] =∫ x1

x0G(x, y, y′)dx. Òîãäà íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà çàïèñûâà-

åòñÿ â âèäå :∂G

∂y− d

dx

∂G

∂y′= 0,

âû÷èñëèì ïðîèçâîäíûå :∂G

∂y=

∂F

∂y+

∂F

∂z

∂z

∂y+

∂F

∂z′

(∂2z

∂y∂x+

∂2z

∂y2y′

)

∂G

∂y′=

∂F

∂y′+

∂F

∂z′∂z

∂y

d

dx

∂G

∂y′=

d

dx

∂F

∂y′+

∂z

∂y

d

dx

∂F

∂z′+

∂F

∂z′

(∂2z

∂y∂x+

∂2z

∂y2y′

),

(çäåñü ìû ïîëüçîâàëèñü òåì, ÷òî G = F (x, y, y′, z(x, y), ∂z/∂x + (∂z/∂y)y′).) Âû÷èòàÿ è ïðèâîäÿïîäîáíûå íàõîäèì : [

∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′+

∂z

∂y

(∂F

∂z− d

dx

∂F

∂z′

)]

y=y,z=z

= 0

Ïîäñòàâèâ ñþäà ∂z/∂y ïîëó÷àåì :[

∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′− ∂Φ

∂y

∂F∂z − d

dx∂F∂z′

∂Φ∂z

]

y=y,z=z

= 0.

Çàìåòèì, ÷òî ìíîæèòåëü ïðè ∂Φ∂y åñòü íåêîòîðàÿ ôóíêöèÿ x. Îáîçíà÷èì

λ(x) = −∂F∂z − d

dx∂F∂z′

∂Φ∂z

,

òîãäà∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′+ λ(x)

∂Φ∂y

= 0

∂F

∂z− d

dx

∂F

∂z′+ λ(x)

∂Φ∂z

= 0,

îáîçíà÷àÿ F + λΦ çà H ïîëó÷àåì òðåáóåìîå.

54

Page 56: Методы математической физики. Конспект лекций

4.8 Åñòåñòâåííûå êðàåâûå óñëîâèÿ

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y, y′)dx

Ðàññìîòðèì êëàññ ôóíêöèé ñðàâíåíèÿ òàêèõ, ÷òî íà ëåâîì êîíöå y(x0) = y0, à íà ïðàâîì êîíöåy(x1) ïðîèçâîëüíî (è ïóñòü y íàõîäèòñÿ â ε-îêðåñòíîñòè y) : y = y+αη, η(x0) = 0, η(x1) ïðîèçâîëüíî.Òîãäà J [y] = Φ(α). ïîòðåáóåì, ÷òîáû Φ′(0) = 0. Ïîñêîëüêó

Φ′(0) =∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y,x=x1

η(x1) +∫ x1

x0

(∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′

)

y=y

ηdx, (4.17)

òî

1. Ò. ê. η(x1) ïðîèçâîëüíî, âîçâðàùàÿñü ê óñëîâèþ η(x1) = 0 ïî ëåììå Ëàãðàíæà

δF

δy= 0

2. Òîãäà èíòåãðàë â (4.17) óõîäèò â íóëü è Φ′(0) = ∂F∂y′ η(x1) = 0, à â ñèëó ïðîèçâîëüíîñòè η(x1)

ïîëó÷àåì∂F

∂y′

∣∣∣∣y,x1

= 0

Îêîí÷àòåëüíî, èìååì óðàâíåíèå Ýéëåðà

∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′= 0,

ãëàâíîå êðàåâîå óñëîâèåy(x0) = y0

è åñòåñòâåííîå êðàåâîå óñëîâèå∂F

∂y′

∣∣∣∣y,x1

= 0.

Ïðèìåð F = p(x)y′2 + q(x)y2 + 2f(x)y, ∂F∂y′ = 2p(x)y′, ïóñòü p(x1) 6= 0, òîãäà åñòåñòâåííîå

ãðàíè÷íîå óñëîâèå çàïèñûâàåòñÿ y′(x1) = 0 (óñëîâèå âòîðîãî ðîäà).Ñëó÷àé ïðîèçâîäíûõ âûñøèõ ïîðÿäêîâ

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y, y′, y′′)dx

Ïóñòü y(x1) è y′(x1) íå çàäàíû. Ïðèðàâíÿåì âàðèàöèþ ôóíêöèîíàëà íóëþ :

0 = δJ =∫ x1

x0

(∂F

∂yδy +

∂F

∂y′δy′ +

∂F

∂y′′δy′′

)dx =

èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì

∂F

∂y′δy

∣∣∣∣x1

x0

+∂F

∂y′′δy′

∣∣∣∣x1

x0

− d

dx

∂F

∂y′′δy

∣∣∣∣x1

x0

+∫ x1

x0

(∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′+

d2

dx2

∂F

∂y′′

)dx

Ïîòðåáóåì

1. âûïîëíåíèå óðàâíåíèÿ Ýéëåðà

2. ïðè x = x0 êîíåö êðèâûõ ñðàâíåíèÿ çàêðåïëåí

3. âàðèàöèè δy è δy′ ïðè x = x1 ïðîèçâîëüíû.

55

Page 57: Методы математической физики. Конспект лекций

Òîãäà∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′+

d2

dx2

∂F

∂y′′

è ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ

(∂F∂y′ − d

dx∂F∂y′′

)

∂F∂y′′

∣∣∣x1

= 0

Ïðèìåð (áàëêà) F = EIy′′2, åñòåñòâåííûå ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ (óñëîâèÿ ñâîáîäíîãî çàêðåïëå-íèÿ) :

2EIy′′′(x1) = 0, 2EIy′′(x1) = 0

Ñëó÷àé ìíîãèõ ïåðåìåííûõ

J [u(x)] =∫

Ω

F (x, u,∂u

∂x)dx,

ïóñòü u|∂Ω íå çàäàíî. Âàðèàöèÿ

δJ =n∑

i=1

∂Ω

∂F

∂picosnxiδudS +

Ω

[∂F

∂u−

n∑

i=1

∂xi

∂F

∂pi

]δudx = 0.

Òîãäà ïîìèìî óðàâíåíèÿ Ýéëåðà èìååì ãðàíè÷íûå óñëîâèÿn∑

i=1

(∂F

∂picosnxi

)

u,x∈∂Ω

= 0

Ïðèìåðû

1. Ôóíêöèîíàë Äèðèõëå F = (∇u)2, åñòåñòâåííûå ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ

∂u

∂n|∂Ω = 0

2. Ïðîèçâîëüíûé ýëëèïòè÷åñêèé ôóíêöèîíàë F = aij∂u∂xi

∂u∂xj

, òîãäà(

aij∂u

∂xj

)

∂Ω

= 0

- ðàâåíñòâî íóëþ ïðîèçâîäíîé ïî êîíîðìàëè.

4.9 Åñòåñòâåííûå êðàåâûå óñëîâèÿ äëÿ ñëó÷àÿ ôóíêöèîíà-ëîâ, ñîäåðæàùèõ âíåèíòåãðàëüíûå ÷ëåíû (èëè èíòåãðà-ëû ïî ïîâåðõíîñòè)

ÐàññìîòðèìJ [y(x)] =

∫ x1

x0

F (x, y, y′)dx + Φ(y(x1)),

y(x0) = y0, y(x1) - íå çàäàíî. Ïóñòü y = y + αη, òîãäà (ñâåäÿ êàê îáû÷íî ôóíêöèîíàë ê ôóíêöèè)ïîëó÷èì

Ψ(α) =∫ x1

x0

F (x, y + αη, y′ + αη′)dx + Φ( y + αη|x1),

äèôôåðåíöèðóÿ ïî α è èíòåãðèðóÿ ïî ÷àñòÿì

Ψ′(0) =

(∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y,x=x1

+dΦdy

∣∣∣∣y=y,x=x1

)η(x1) +

∫ x1

x0

(∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′

)

y=y

ηdx,

òîãäà óðàâíåíèå íà ýêñòðåìàëè∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′= 0

56

Page 58: Методы математической физики. Конспект лекций

è ãðàíè÷íîå óñëîâèå (∂F

∂y′+

dΦdy

)

x=x1

= 0

Ïðèìåð F = py′2 + qy2, Φ = hy2 + 2Qy, òîãäà ãðàíè÷íîå óñëîâèå ïðèíèìàåò âèä p(x1)y′(x1) +hy(x1) + Q = 0.

 ñëó÷àå ôóíêöèè ìíîãèõ ïåðåìåííûõ J [u] =∫Ω

. . . dx+∫

∂ΩΦ(x, u)dS, ãðàíè÷íîå óñëîâèå

(∂F

∂picosnxi +

∂Φ∂n

)

∂Ω

= 0.

4.10 Ìåòîä Ðèòöà. ÑõåìàÌåòîä Ðèòöà ïîçâîëÿåò ñòðîèòü ïðèáëèæåííûå ðåøåíèÿ âàðèàöèîííûõ çàäà÷, íå ðåøàÿ óðàâíåíèéÝéëåðà-Ëàãðàíæà. Îäíîìåðíàÿ çàäà÷à

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y, y′)dx, y(x0) = y0 = y(x1) = y1 = 0 (4.18)

Ìíîãîìåðíàÿ çàäà÷àJ [u(x)] =

Ω

F (x, u,∂u

∂x)dx, u|∂Ω = 0. (4.19)

(Ìåòîä Ðèòöà ïðèìåíèì äëÿ îäíîðîäíûõ êðàåâûõ óñëîâèé.)Ðàññìîòðèì íàáîð ôóíêöèé uk(x) ∈ C1

0 [x0, x1] äëÿ (4.18) è vk ∈ C10(Ω) (äëÿ (4.19)). Ïîòðå-

áóåì ïîëíîòó è ëèíåéíóþ íåçàâèñèìîñòü íàáîðà ôóíêöèé. (Íàïîìíèì, ÷òî ïîëíîòà â C10 îçíà-

÷àåò, ÷òî äëÿ âñÿêîé y(x) ∈ C10 è ëþáîãî ε > 0 íàéäóòñÿ òàêîé íîìåð m è êîíñòàíòû Ck, ÷òî

|y(x)−∑mk=1 Ckuk(x)|+ |y′(x)−∑m

k=1 Cku′k(x)| 6 ε. Ìíîãîìåðíûé ñëó÷àé àíàëîãè÷åí. Åñëè âìåñòîvk ∈ C1

0(Ω) ïîòðåáîâàòü ïðèíàäëåæíîñòü ýòèõ ôóíêöèé ñîáîëåâñêîìó ïðîñòðàíñòâó W 12 (Ω) óñëîâèå

ïîëíîòû çàïèøåòñÿ òàê∫Ω|y(x)−∑m

k=1 Ckuk(x)|2 + |y′(x)−∑mk=1 Cku′k(x)|2dx ≤ ε. Òàêèå íàáîðû

ôóíêöèé vk(x) íàçûâàþò êîîðäèíàòíûìè.)Ïðèìåð

1. Íàáîð xk, åãî ïîëíîòà íå èçìåíèòñÿ, åñëè åãî äîìíîæèòü íà íåïðåðûâíóþ ôóíêöèþ, íåîáðàùàþùóþñÿ âíóòðè îòðåçêà â 0, òàê íàáîð uk = (x − x0)(x − x1)xk ÿâëÿåòñÿ íàáîðîìêîîðäèíàòíûõ ôóíêöèé äëÿ çàäà÷è (4.18).

2. Íàáîð xk11 · . . . · xkn

n ω(x), ω|∂Ω = 0 - êîîðäèíàòíûå ôóíêöèè äëÿ çàäà÷è (4.19).

3. ×àñòî èñïîëüçóþòñÿ ñîáñòâåííûå ôóíêöèè çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ (íàïðèìåð, sin πk(x−x0)x1−x0

èëè ñîáñòâåííûå ôóíêöèè çàäà÷è ∆u + λu = 0 c îäíîðîäíûìè ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè.)

Âîçüìåì ëèíåéíóþ êîìáèíàöèþ

y(k) =k∑

i=1

C(k)i ui(x),

ïîäñòàâèì â ôóíêöèîíàë, ïðîèíòåãðèðóåì,

J [y(k)] = Φ(C1, . . . , Ck),

òîãäà íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà ∂Φ∂Ci

= 0 ñîñòàâëÿþò ñèñòåìó (íåëèíåéíûõ) óðàâíåíèé íàêîíñòàíòû, îïðåäåëèâ êîòîðûå ìîæíî íàéòè ðåøåíèå âàðèàöèîííîé çàäà÷è.

Ïðèìåð Çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ y′′ + λy = 0, y(0) = 0, y(1) = 0, ïåðâîå ñîáñòâåííîå ÷èñëîλ1 = π2. Ïîïðîáóåì îïðåäåëèòü åãî ìåòîäîì Ðèòöà. Äëÿ ýòîãî ðàññìîòðèì âàðèàöèîííóþ çàäà÷óJ [y] =

∫ 1

0y′2dx → min ïðè óñëîâèè J1[y] =

∫ 1

0y2dx = 1. Âîçüìåì îäíó ôóíêöèþ u1(x) = x(1 − x),

òîãäà y(1) = Cx(1− x), òîãäà∫ 1

0

(y′2 − λy2)dx =13

(C2 − λ

C2

10

)= Φ(C),

ïðèðàâíèâÿ Φ′(C) íóëþ èìååì λ = 10.

57

Page 59: Методы математической физики. Конспект лекций

Ïðèìåð íåñàìîñîïðÿæåííîé çàäà÷è (ìåòîä Áóáíîâà-Ãàëåðêèíà)

y′′ + by′ + cy = f, (Ly = f),

ïðèáëèæåííîå ðåøåíèå y(m) =∑

Ciui(x), ïîòðåáóåì, ÷òîáû Lu − f ðàâíÿëîñü íóëþ íà ïîäïðî-ñòðàíñòâå u1, . . . , um, ò. å.

(Ly(m) − f, ui) = 0, i = 1, . . . ,m.

Ïðèìåð (ìåòîä êîíå÷íîãî ýëåìåíòà)

J [y] =∫ l

0

[p(x)y′2 + q(x)y2 − 2f(x)y]dx, y(0) = y(l) = 0

Ðàçîáüåì ïðîìåæóòîê ñ øàãîì l/n = h, âîçüìåì ui(x) êàê ïîêàçàíî íà ðèñóíêå (áóäåì ïðåäñòàâëÿòüôóíêöèþ ëîìàíûìè). (Åñëè â çàäà÷å òðåáóåòñÿ ãëàäêîñòü èñïîëüçóþò ñïëàéíû, ò. å. ôóíêöèè, íàêàæäîì îòðåçêå óäîâëåòâîðÿþùèå, íàïðèìåð, óðàâíåíèþ y(3) = 0.) Âû÷èñëÿÿ

J [y(m)] = . . . +

ih∫

(i−1)h

p(x)y′(m)2 + q(x)y(m)2 − 2f(x)y(m)]dx +

(i+1)h∫

ih

. . . dx + . . . =

= . . .+

ih∫

(i−1)h

[p(x)

(Ci−1u

′i−1 + Ciu

′i

)2 + q (Ci−1ui−1 + Ciui)2 − 2f (Ci−1ui−1 + Ciui)

]dx+

(i+1)h∫

ih

. . . dx+. . . ,

ìû âèäèì, ÷òî êîíñòàíòà Ci âõîäèò â äâà èíòåãðàëà, ïîýòîìó ñèñòåìà Áóáíîâà-Ãàëåðêèíà ïðèíè-ìàåò âèä

aiCi−1 + biCi + diCi+1 + fi = 0, (i = 0, . . . , 1)

- âàðèàöèîííî-ðàçíîñòíàÿ ñõåìà.

4.11 Ìåòîä Ðèòöà äëÿ ïðîñòåéøåãî êâàäðàòè÷íîãî ôóíêöèî-íàëà

Ðàññìîòðèì

J [y] =∫ l

0

[p(x)y′2 + q(x)y2 − 2f(x)y]dx, y(0) = y(l) = 0

Ïóñòü p(x) > 0, q(x) > 0. Âîçüìåì η ∈ C10 [0, l] è ðàññìîòðèì ðàçíîñòü

J [y + η]− J [η] =∫ l

0

[2p(x)y′η′ + p(x)η′2 + 2q(x)yη + q(x)η2 − 2fη]dx =

ïðîèíòåãðèðîâàâ â ïåðâîì ñëàãàåìîì ïî ÷àñòÿì

= 2py′η|l0 +∫ l

0

[−2η

d

dxp(x)

dy

dx+ 2q(x)yη − 2fη

]dx +

∫ l

0

(pη′2 + qη2

)dx =

è â ñèëó íåîáõîäèìîãî óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà ñëàãàåìîå â êâàäðàòíûõ ñêîáêàõ îáðàùàåòñÿ â íóëü,âíåèíòåãðàëüíûé ÷ëåí ïðîïàäàåò èç-çà óñëîâèé íà η(x)

=∫ l

0

(pη′2 + qη2

)dx > 0,

ñëåäîâàòåëüíî äîñòèãàåòñÿ àáñîëþòíûé ýêñòðåìóì.Ðàññìîòðèì ïîëíóþ ñèñòåìó uk(x), óäîâëåòâîðÿþùóþ êðàåâûì óñëîâèÿì. Ïðåäñòàâèì

y(m)) =m∑1

C(m)k uk(x),

58

Page 60: Методы математической физики. Конспект лекций

ïîäñòâàëÿÿ â ôóíêöèîíàë è èíòåãðèðóÿ èìååì

J [y(m)] = Φ(C1, . . . , Cm) =m∑

i,j=1

αijC(m)i C

(m)j +

m∑

i=1

βiC(m)i .

ßñíî, ÷òî ìàòðèöó αij ìîæíî âûáðàòü ñèììåòðè÷íîé. Êðîìå òîãî, ýòà ìàòðèöà ïîëîæèòåëüíîîïðåäåëíà. Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà Φ ïðèâîäÿò ê ñèñòåìå ëèíåéíûõ óðàâíåíèé

2m∑

j=1

αkjC(m)j + βk = 0, k = 1, . . . , m, (4.20)

â ñèëó ïîëîæèòåëüíîé îïðåäåëåííîñòè αkj ñèñòåìà èìååò åäèíñòâåííîå ðåøåíèå.Çàêëþ÷åíèÿ

1. Ïðè äðóãîì âûáîðå êîíñòàíò, íåæëè ðåøåíèÿ ñèñòåìû (4.20), çíà÷åíèå ôóíêöèîíàëà ðàçâå÷òî âîçðàñòàåò.

2. Ïðè óâåëè÷åíèè ÷èñëà áàçèñíûõ ôóíêöèé çíà÷åíèå ôóíêöèîíàëà ðàçâå ÷òî óáûâàåò.

Äîêàæåì ñõîäèìîñòü ðåøåíèÿ.Ñëàáàÿ ñõîäèìîñòü (J [y(m)] → J [y]). Â ñèëó ïîëíîòû ñèñòåìû áàçèñíûõ ôóíêöèé, äëÿ ∀δ > 0

|y(x)−n∑

i=1

Aiui(x)| < δ

|y′(x)−n∑

i=1

Aiu′i(x)| < δ

Ïóñòü z =∑

Aiui, y(m) - ïðèáëèæåíèå Ðèòöà. Ïîñêîëüêó J [z]−J [y] < ε(δ), òî è J [y(m)]−J [y] < ε(δ),à ïîñêîëüêó ïðè p > n J [y(p)] 6 J [y(n)], òî è J [y(p)] − J [y] < ε(δ) äëÿ âñåõ p > m. Òàêèì îáðàçîìñëàáàÿ ñõîäèìîñòü (ñõîäèìîñòü ïî ôóíêöèîíàëó) äîêàçàíà.

Ðàâíîìåðíàÿ ñõîäèìîñòü Ïóñòü η(n) = y − y(n), òîãäà

J [y(n)]− J [y] =∫ l

0

[p(x)(y′(n) − y′)2 + q(x)((y(n) − y)2

]dx ≤ ε

(áëàãîäàðÿ ñëàáîé ñõîäèìîñòè). Äàëåå∫ l

0

[p(x)(y′(n) − y′)2 + q(x)(y(n) − y)2

]dx >

∫ l

0

p(x)(y′(n) − y′)2dx >

(ïîñêîëüêó q(x) > 0, ïóñòü p0 = min p(x) > 0)

> p0

∫ l

0

(y′(n) − y′)2dx,

çíà÷èò ∫ l

0

(y′(n) − y′)2dx ≤ ε

p0

Òîãäà

|y(n)(x)− y(x)|2 ≤∣∣∣∣∫ x

0

(y′(n)(t)− y′(t))dt

∣∣∣∣2

6∫ x

0

(y′(n)(t)− y′(t))2dt

∫ x

0

12dx 6 l

∫ l

0

(y′(n)− y′)2dx 6 ε′.

Ðàâíîìåðíàÿ ñõîäèìîñòü äîêàçàíà.

59

Page 61: Методы математической физики. Конспект лекций

4.12 Çàêîíû ñîõðàíåíèÿ

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x, y, y′)dx

y(x0) = y0

y(x1) = y1

Óðàâíåíèå Ýéëåðà ∂F∂y − d

dx∂F∂y = 0.

1. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà. Ïóñòü ∂F∂y = 0, òîãäà èç óðàâíåíèÿ Ýéëåðà d

dx∂F∂y = 0 èëè

p =∂F

∂y= const

âäîëü òðàåêòîðèè äâèæåíèÿ - çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà.Îòìåòèì, êñòàòè, ÷òî èç óñëîâèÿ ∂F

∂y = 0 ñëåäóåò, ÷òî çàäà÷à íå ìåíÿåòñÿ ïðè ïðåîáðàçî-âàíèÿõ y → y + const. (Ñì. òåîðåìó Íåòåð - â êëàññè÷åñêîé ìåõàíèêå äîêàçûâàåòñÿ, ÷òîèíâàðèàíòíîñòè ñèñòåìû îòíîñèòåëüíî ïðåîáðàçîâàíèé êîîðäèíàò è âðåìåíè ñîîòâåòñòâóþòçàêîíû ñîõðàíåíèÿ.)

2. Çàêîí ñîõðàíåíèÿ ýíåðãèè. Ïóñòü ñèñòåìà íå ìåíÿåòñÿ ïðè ïðåîáðàçîâàíèÿõ x → x + const,èíà÷å ãîâîðÿ ∂F

∂x = 0. Òîãäà ñîõðàíÿåòñÿ âåëè÷èíà

E = y′∂F

∂y′− F.

 ñàìîì äåëå, èç óðàâíåíèÿ Ýéëåðà

∂F

∂y− ∂2F

∂y∂y′y′ − ∂2F

∂y′2y′′ = 0,

à ñ äðóãîé ñòîðîíû

dE

dx= y′′

∂F

∂y′+ y′

(∂2F

∂y∂y′y′ +

∂2F

∂y′2y′′

)− ∂F

∂yy′ − ∂F

∂y′y′′ =

= y′(−∂F

∂y+

∂2F

∂y∂y′y′ +

∂2F

∂y′2y′′

)= 0

3. Ìíîãîìåðíûé ñëó÷àé (ñëó÷àé íåñêîëüêèõ ôóíêöèîíàëüíûõ àðãóìåíòîâ)

J [y(x)] =∫ x1

x0

F (x,y,y′)dx

Ñèñòåìà óðàâíåíèé Ýéëåðà

∂F

∂yi− d

dx

∂F

∂yi= 0, i = 1, . . . , n

• Åñëè äëÿ êàêîãî-ëèáî íîìåðà k ∂F∂yk

= 0, òî

pk =∂F

∂y′k= const

(çàêîí ñîõðàíåíèÿ èìïóëüñà)• Åñëè ∂F

∂x = 0, òî ñîõðàíÿåòñÿ âåëè÷èíà

E =n∑

k=1

y′k∂F

∂y′k− F.

60

Page 62: Методы математической физики. Конспект лекций

 ñàìîì äåëå, óðàâíåíèÿ Ýéëåðà

∂F

∂yi−

n∑

j=1

∂2F

∂yj∂y′iy′j −

n∑

j=1

∂2F

∂y′jy′i

y′′j = 0,

à ñ äðóãîé ñòîðîíû

dE

dx=

n∑

k=1

y′′k∂F

∂y′k+

n∑

k=1

y′n

n∑

j=1

∂2F

∂yj∂y′iy′j +

n∑

k=1

y′n

n∑

j=1

∂2F

∂y′jy′i

y′′j −n∑

k=1

∂F

∂yky′k −

n∑

k=1

∂F

∂y′ky′′k =

= −n∑

k=1

y′n

∂F

∂yi−

n∑

j=1

∂2F

∂yj∂y′iy′j −

n∑

j=1

∂2F

∂y′jy′i

y′′j

= 0.

(â ñèëó óðàâíåíèé Ýéëåðà)

4.13 Äèôôåðåíöèàëüíûå çàêîíû ñîõðàíåíèÿÐàññìàòðèâàåì ñëó÷àé ôóíêöèîíàëà, çàâèñÿùåãî îò ôóíêöèè ìíîãèõ ïåðåìåííûõ (òàêèå ôóíêöè-îíàëû îïèñûâàþò, íàïðèìåð, ïîëÿ èëè ìàòåðèàëüíûå ñðåäû) :

J [u(x)] =∫

Ω

F (x, u,∂u

∂x)dx

Óðàâíåíèå Ýéëåðà∂F

∂u−

n∑

i=1

∂xi

∂F

∂qi= 0, qi =

∂u

∂xi

1. ∂F∂u = 0, òîãäà

∑ ∂

∂xi

∂F

∂qi= 0,

èíà÷å ãîâîðÿ div φ = 0, ãäå φ =(

∂F∂q1

, . . . , ∂F∂qn

).

2. Ðàññìîòðèì ôóíêöèîíàë (îïèñûâàþùèé, íàïðèìåð, êîëåáàíèÿ ñïëîøíîé ñðåäû)

J [u(t,x)] =∫ t2

t1

dt

Ω

dxF (t,x,∂u

∂t,∂u

∂x),

îïðåäåëèì ïëîòíîñòü ýíåðãèèE =

∂u

∂t

∂F

∂ ∂u∂t

− F

è ïëîòíîñòü ïîòîêà èìïóëüñàQi =

∂u

∂t

∂F

∂ ∂u∂xi

.

Òîãäà, åñëè ∂F∂t = 0, òî

∂E∂t

+ div Q = 0 (4.21)

Ïðèìåð

F =12

(∂u

∂t

)2

− T

(∂u

∂x

)2)

òîãäà

E =12

(∂u

∂t

)2

+ T

(∂u

∂x

)2)

61

Page 63: Методы математической физики. Конспект лекций

3. Äîêàæåì çàêîí ñîõðàíåíèÿ (4.21). Íà ðåøåíèÿõ u = u(x) óðàâíåíèé äâèæåíèÿ ýíåðãèÿ èïîòîê èìïóëüñà ÿâëÿþòñÿ ôóíêöèÿìè êîîðäèíàò è âðåìåíè, çàïèøåì ýòî â âèäå

E =∂u

∂tΨ(x, t)− Φ(x, t)

Qi =∂u

∂tχi(x, t).

Òîãäà∂E∂t

=∂2u

∂t2Ψ +

∂u

∂t

∂Ψ∂t

− ∂Φ∂t

è àíàëîãè÷íî äëÿ Q. Íåïîñðåäñòâåííî âû÷èñëÿÿ ïðîèçâîäíûå è ïîëüçóÿñü óðàâíåíèåì Ýé-ëåðà ìîæíî óáåäèòüñÿ â èñòèííîñòè (4.21) (âûêëàäêè, èç-çà ãðîìîçäêîñòè è î÷åâèäíîñòè,îïóùåíû). Îäíàêî âûäåëåííîñòü âðåìåíè ÿâëÿåòñÿ ñëåäñòâèåì ìåõàíè÷åñêîé èíòåðïðåòàöèèçàäà÷è, ïîýòîìó ðàññìîòðèì

4. Îáùèé ñëó÷àé. Ïóñòü u = u(x1, . . . , xn), ââåäåì òåíçîð

Tik = uxi

∂F

∂uxk

− δikF

(íèæíèé èíäåêñ xi îçíà÷àåò äèôôåðåíöèðîâàíèå ïî ñîîòâåòñòâóþùåé ïåðåìåííîé.) Ïóñòü∂F∂xk

= 0, òîãäà äèôôåðåíöèàëüíûé çàêîí ñîõðàíåíèÿ çàïèøåòñÿ â âèäå∑

i

∂Tik

∂xk= 0.

Åñëè æåF = F

(x, u1, . . . , ul,

∂u1

∂x, . . . ,

∂ul

∂x

),

òî

Tik =l∑

j=1

uj,xi

∂F

∂uj,xk

− δikF

(ïîäðîáíîñòè ñì. Äóáðîâñêèé è äð.)

4.14 Ïàðàìåòðè÷åñêàÿ ôîðìà íåîáõîäèìûõ óñëîâèé ýêñòðå-ìóìà

Ïðîñòåéøàÿ çàäà÷à âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ

J [y(x)] =∫ x2

x1

F (x, y, y′)dx

Îäíàêî, ðåøåíèåì òàêîé çàäà÷è ìîæåò áûòü íåîäíîçíà÷íàÿ ôóíêöèÿ (íàïðèìåð, ðàññìîòðèì èçî-ïåðèìåòðè÷åñêóþ çàäà÷ó ïðè J1 = l > π(x2−x1)

2 , ñì. ðèñ. 4.1). Ïîýòîìó áóäåì èñêàòü ðåøåíèÿ âïàðàìåòðè÷åñêîì âèäå (ââåäåì ïàðàìåòð t).

x = x(t) y = y(t),

J [y] =∫ t2

t1

F (x, y,y

x)xdt

(òî÷êîé îáîçíà÷åíî äèôôåðåíöèðîâàíèå ïî t. Ëåãêî âèäåòü, ÷òî ïðè çàìåíå ïàðàìåòðèçàöèè âèäíîâîãî ôóíêöèîíàëà íå ìåíÿåòñÿ.)

Êðîìå ýòîãî, çàìåòèì, ÷òî ïðè ïðåîáðàçîâàíèè x → kx, y → ky, ïîäûíòåãðàëüíàÿ ôóíêöèÿ çà-ìåíÿåòñÿ F (x, y, y

x )x → kF (x, y, yx )x, ò. å. ïîäûíòåãðàëüíàÿ ôóíêöèÿ îäíîðîäíà ïî ïàðå ïåðåìåííûõ

x, y. Ïîýòîìó áóäåì ðàññìàòðèâàòü ôóíêöèîíàë áîëåå îáùåãî âèäà

J [x(t), y(t)] =∫ t2

t1

F (x, y, x, y)dt,

62

Page 64: Методы математической физики. Конспект лекций

Íåò îäíîçíà÷íîñòè

Ðèñ. 4.1: Èçîïåðèìåòðè÷åñêàÿ çàäà÷à.

ïðè÷åì F áóäåì ñ÷èòàòü îäíîðîäíîé ôóíêöèåé äâóõ ïîñëåäíûõ àðãóìåíòîâ.Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà J çàïèñûâàþòñÿ â ñëåäóþùåì âèäå :

∂F

∂x− d

dt

∂F

∂x= 0

∂F

∂y− d

dt

∂F

∂y= 0.

Íåñìîòðÿ íå òî, ÷òî ìû ïîëó÷èëè ñèñòåìó èç äâóõ óðàâíåíèé âìåñòî îäíîãî, òðåáîâàíèå îäíîðîä-íîñòè F ñóùåñòâåííî óïðîùàåò çàäà÷ó, à èìåííî, ñåé÷àñ ìû ïîêàæåì, ÷òî ïîëó÷åííûå óðàâíåíèÿëèíåéíîçàâèñèìû. Ñäåëàåì ýòî â ìíîãîìåðíîì ñëó÷àå :

J [x1(t), . . . , xn(t)] =∫ t2

t1

F (x, x)dt,

F (x, kx) = kF (x, x),

ýêñòðåìàëè óäîâëåâòîðÿþò ñèñòåìå óðàâíåíèé

∂F

∂xi− d

dt

∂F

∂xi= 0, (i = 1, . . . , n),

ðàñêðûâàÿ â ÿâíîì âèäå ïðîèçâîäíóþ ïî âðåìåíè

∂F

∂xi−

n∑

k=1

(∂2F

∂xkxixk +

∂2F

∂xkxixk

)= 0, (i = 1, . . . , n). (4.22)

Ëåãêî âèäåòü, ÷òî∑n

i=1 xiδFδxi

≡ 0, â ñàìîì äåëå, ïî òåîðåìå Ýéëåðà îá îäíîðîäíûõ ôóíêöèÿõ,âñÿêóþ îäíîðîäíóþ ôóíêöèþ ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå

F =n∑

i=1

xi∂F

∂xi. (4.23)

Äèôôåðåíöèðóÿ ýòî ðàâåíñòâî ïî xk ïîëó÷àåì

∂F

∂xk=

n∑

i=1

xi∂2F

∂xk∂xi,

à ïðîäèôôåðåíöèðîâàâ (4.23) ïî xk

∂F

∂xk=

∂F

∂xk+

n∑

i=1

xi∂2F

∂xk∂xi,

èíà÷å ãîâîðÿn∑

i=1

xi∂2F

∂xk∂xi≡ 0.

63

Page 65: Методы математической физики. Конспект лекций

Óìíîæèâ óðàâíåíèÿ Ýéëåðà (4.22) íà xi è ïðîñóììèðîâàâ ïî i ïîëó÷èìn∑

i=1

xi

[∂F

∂xi−

n∑

k=1

(∂2F

∂xkxixk +

∂2F

∂xkxixk

)]=

ìåíÿÿ ïîðÿäîê ñóììðîâàíèÿ â ïîñëåäíåì ñëàãàåìîì

=n∑

k=1

xk

n∑

i=1

xi∂2F

∂xk∂xi+

i

xi∂F

∂xi−

k

xk∂F

∂xk= 0,

÷òî è òðåáîâàëîñü äîêàçàòü.Òàêèì îáðàçîì, ïîñëå ïàðàìåòðèçàöèè çàäà÷è îäíî èç óðàâíåíèé Ýéëåðà îêàçàëîñü ëèøíèì -

åãî ìîæíî óáðàòü. Êðîìå ýòîãî, åñòü äîïîëíèòåëüíàÿ ñâîáîäà â âûáîðå ïàðàìåòðà, íàïðèìåð :

1.∑

k x2k = 1 - t - äëèíà äóãè

2. F (x, x) = 1 íà ðåøåíèÿõ ñèñòåìû - t - "ôèêñëåðîâà"äëèíà äóãè.

4.15 Îáùàÿ ôîðìà âàðèàöèè ôóíêöèîíàëàÐàññìîòðèì ïðîñòåéøèé ôóíêöèîíàë

J [y] =∫ x2

x1

F (x, y, y′)dx,

â êà÷åñòâå êðèâûõ ñðàâíåíèÿ ðàññìîòðèì ôóíêöèè y = y(x, α), ïðè÷åì y(x, 0) = y (ýêñòðåìàëü).Ïóñòü, êðîìå ýòîãî,

x1 = x1(α), x2 = x2(α)

x1(0) = x1, x2(0) = x2.

 òàêîì ñëó÷àå

J [y(x, α)] =∫ x2(α)

x1(α)

F (x, y(α), y′(α))dx = Φ(α),

âàðèàöèÿ ôóíêöèîíàëàδJ = Φ′(0)α,

âàðèàöèÿ ôóíêöèèδy =

∂y

∂αα,

è âàðèàöèè êîíöîâ ïðîìåæóòêà

δx1 =∂x1

∂αα, δx2 =

∂x2

∂αα,

êðîìå ýòîãî δy′ = ddxδy.

Íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà δJ = 0 (ïðè α = 0). Âû÷èñëÿÿ âàðèàöèþ ôóíêöèîíàëà íàõî-äèì

δJ = F (x, y, y′)|y=y,x=x2δx2−F (x, y, y′)|y=y,x=x1

δx1+∫ x2

x1

(∂F

∂y

∣∣∣∣y=y

δy +∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y

δy′)

dx = (4.24)

F (x, y, y′)|y=y,x=x2δx2 − F (x, y, y′)|y=y,x=x1

δx1 +∫ x2

x1

(∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′

)

y=y

δydx+

∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y,x=x2

(δy)|x2 −∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y,x=x1

(δy)|x1

Çàìåòèì, ÷òî (δy)|x1,2 ñâÿçàíî ñëåäóþùèì îáðàçîì ñ âàðèàöèåé ôóíêöèè (ðèñ. 4.2):

δy2 =∂y2(x2(α), α)

∂α

∣∣∣∣α=0

α +∂y2

∂x

∣∣∣∣x=x2

dx2

∣∣∣∣α=0

α = (δy)|x2 + δx2y′(x2)

64

Page 66: Методы математической физики. Конспект лекций

2)(

xyd

2yd

Ðèñ. 4.2:

(è àíàëîãè÷íî ïðè x = x1.)Ïðîäîëæàÿ (4.25) ïîëó÷àåì

δJ =(

F (x, y, y′)− y′∂F

∂y′

)∣∣∣∣y=y,x=x2

δx2 −(

F (x, y, y′)− y′∂F

∂y′

)∣∣∣∣y=y,x=x1

δx1+

∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y,x=x2

δy2 − ∂F

∂y′

∣∣∣∣y=y,x=x1

δy1 +∫ x2

x1

(∂F

∂y− d

dx

∂F

∂y′

)

y=y

δydx (4.25)

(Òàêîé âèä âàðèàöèè ôóíêöèîíàëà ìîæåò èñïîëüçîâàòüñÿ â çàäà÷àõ ñ íåîïðåäåëåííîé ãðàíèöåé,íàïðèìåð, ïðè èçó÷åíèè ôàçîâûõ ïåðåõîäîâ.)

4.16 Óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòèÏóñòü êîíöû êðèâûõ ñðàâíåíèÿ ñêîëüçÿò ïî êàêèì-ëèáî êðèâûì (λ) (ïîäîáíûå çàäà÷è âñòðå÷àþòñÿâ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêå). Çàäàäèì êðèâóþ â âèäå y = y(x), òîãäà

δy

δx= y′(x).

Ïðè ýòîì âíåèíòåãðàëüíûå ñëàãàåìûå â îáùåì âèäå âàðèàöèè ôóíêöèîíàëà (ñì. ôîðìóëó (4.25)èç ïðåäûäóùåãî ïàðàãðàôà) çàïèñûâàþòñÿ êàê

(F (x, y, y′)− y′

∂F

∂y′

)∣∣∣∣y=y,x=x2

δx2 +∂F

∂y′y′(x)δx2 = 0

èëèF |y=y + (y′ − y′)

∂F

∂y′= 0, x = x2. (4.26)

Òàêîå ãðàíè÷íîå óñëîâèå íàçûâàþò óñëîâèåì òðàíñâåðñàëüíîñòè (èëè óñëîâèåì ïåðåñå÷åíèÿ).Åñëè êðèâàÿ λ çàäàíà íåÿâíî óðàâíåíèåì ϕ(x, y) = 0, óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòè ïðèíèìàåò

âèä : (F (x, y, y′)− y′ ∂F

∂y′

)∣∣∣y=y,x=x2

ϕx=

∂F∂y′

ϕy,

â ñàìîì äåëå, âåêòîð êàñàòåëüíîé ê êðèâîé λ èìååò êîìïîíåíòû (ϕy,−ϕx), çäåñü íèæíèì èíäåêñîìîáîçíà÷åíî äèôôåðåíöèðîâàíèå ïî ñîîòâåòñòâóþùåé êîîðäèíàòå.

 ìíîãîìåðíîì ñëó÷àå F = F (x,y,y′), îáùèé âèä âàðèàöèè ôóíêöèîíàëà

δJ =

(F −

i

y′i∂F

∂y′i

)δx2 +

i

∂F

∂y′iδy2,i + . . . ,

ãäå òî÷êàìè îáîçíà÷åíû îñòàëüíûå ñëàãàåìûå (âíåèíòåãðàëüíûå ÷ëåíû â òî÷êå x1 è èíòåãðàë).Ïóñòü

λ : ϕ(x, y1, . . . , yn) = 0,

òîãäà óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòè çàïèøåòñÿ êàê

F (x, y, y′)−∑i y′i

∂F∂y′i

ϕx=

∂F∂y′1

ϕy1

= . . . =∂F∂y′n

ϕyn

.

65

Page 67: Методы математической физики. Конспект лекций

4.17 Ïðåîáðàçîâàíèå ËåæàíäðàÐàññìîòðèì y = f(x), ïîòðåáóåì f ′′(x) > 0 è ñîñòàâèì F (x, p) = px− f(x), çíà÷åíèå ýòîé ôóíêöèèåñòü ðàññòîÿíèå ïî âåðòèêàëè ìåæäó ãðàôèêàìè f(x) è px. Òî÷êà íàèáîëüøåãî âåðòèêàëüíîãîóäàëåíèÿ îïðåäåëÿåòñÿ èç óðàâíåíèÿ

∂F

∂x= p− f ′(x) = 0,

ýòî óðàâíåíèå îïðåäåëÿåò ôóíêöèþ x(p).

Îïðåäåëåíèå 8 Íàçîâåìg(p) = F (x(p), p) = px− f(x)

ïðåîáðàçîâàíèåì Ëåæàíäðà ôóíêöèè f(x).

Ïðèìåðû

1. f(x) = x2, òîãäà F (x, p) = px− x2, óðàâíåíèå íà x ïðèíèìàåò âèä p− 2x = 0 èëè g(p) = p2/4.

2. f(x) = mx2

2 , ñëåäîâàòåëüíî g(p) = p2

2m .

3. f(x) = xα

α , ïóñòü α > 1. Çàïèøåì F (x, p) = px− xα

α , óðàâíåíèå p− xα−1 = 0, òîãäà

g(p) =(

1− 1α

)p

αα−1 .

Çàïèøåì ýòî íåñêîëüêî èíà÷å. Ïóñòü1α

+1β

= 1,

òîãäàxα

α→ pβ

β.

Ïîñêîëüêó âûïîëíåíî px− f(x) 6 g(p) èëè

f(x) + g(p) > px

ïîëó÷àåì äëÿ ôóíêöèé èç òðåòüåãî ïðèìåðà íåðàâåíñòâî Þíãà

α+

β> px

ïðè1α

+1β

= 1, α, β > 1.

Îïðåäåëåíèå 9 Ôóíêöèè f(x) è g(p) íàçûâàþò äâîéñòâåííûìè ïî Þíãó

(Çàìå÷àíèå Ýòî îïðåäåëåíèå ñîäåðæèò óòâåðæäåíèå èíâîëþòèâíîñòè ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëåæàíäðà

f(x) → g(p) ⇒ g(p) → f(x).

Äîêàçàòåëüñòâî èíâîëþòèâíîñòè ìîæíî íàéòè â êíèãàõ Â. È. Àðíîëüäà "Ìàòåìàòè÷åñêèå ìåòîäûêëàññè÷åñêîé ìåõàíèêè"èëè "Îáûêíîâåííûå äèôôåðåíöèàëüíûå óðàâíåíèÿ.)

Ïðåîáðàçîâàíèå Ëåæàíäðà äëÿ ôóíêöèé äâóõ ïåðåìåííûõ îïðåäåëÿåòñÿ ñëåäóþùèì îáðàçîì.Ðàññìîòðèì f(x), ïóñòü ìàòðèöà âòîðûõ ïðîèçâîäíûõ

[∂2f

∂xi∂xk

]

ïîëîæèòåëüíî îïðåäåëåíà. Ïóñòü x = (x1, . . . , xn) è p = (p1, . . . , pn). Ðàññìîòðèì ôóíêöèþ

F (x,p) =n∑

i=1

pixi − f(x),

66

Page 68: Методы математической физики. Конспект лекций

ïðèðàâíèâàÿ íóëþ åå ïðîèçâîäíûå ïî xk ïîëó÷àåì ñèñòåìó óðàâíåíèé

pk =∂f

∂xk, k = 1, . . . , n,

èç êîòîðîé îïðåäåëÿåòñÿ x = x(p).

Îïðåäåëåíèå 10 Ïðåîáðàçîâàíèåì Ëåæàíäðà ôóíêöèè f(x) íàçûâàåòñÿ ôóíêöèÿ

g(p) =n∑

i=1

pixi(p)− f(x(p1, . . . , pn).

4.18 Êàíîíè÷åñêèå ïåðåìåííûå. Óðàâíåíèÿ ÃàìèëüòîíàÐàññìîòðèì ôóíêöèîíàë âèäà

J [y1(x), . . . , yn(x)] =∫ x2

x1

F (x,y,y′)dx. (4.27)

Áóäåì äåëàòü ïðåîáðàçîâàíèå Ëåæàíäðà îòíîñèòåëüíî y′ (ñ÷èòàÿ ïðè ýòîì ÷òî êðèòåðèé ïðè-ìåíèìîñòè ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëåæàíäðà âûïîëíåí). Óðàâíåíèÿ íà p :

∂F

∂y′k= pk, k = 1, . . . , n,

òîãäà y′k = y′k(p, x,y), îïðåäåëèì (ïî àíàëîãèè ñ ìåõàíèêîé) ýíåðãèþ ñèñòåìû

E =n∑

i=1

y′i∂F

∂pi− F (x,y,y′)

è ïðåîáðàçîâàíèå Ëåæàíäðà ôóíêöèè F ôóíêöèþ Ãàìèëüòîíà

H(x,y,y′) =n∑

i=1

piy′i(p, x,y)− F (x,y,y′).

Óðàâíåíèÿ Ýéëåðà äëÿ çàäà÷è ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà J ãëàñÿò

∂F

∂yi− d

dx

∂F

∂y′i= 0, i = 1, . . . , n,

ëåãêî âèäåòü, ÷òî ∂H∂x = −∂F

∂x è

∂H

∂yk=

i

pi∂y′i∂yk

− ∂F

∂yk−

i

∂F

∂y′i

∂y′i∂yk

= − ∂F

∂yk,

êðîìå òîãî ∂H∂pk

= y′k(p, x,y).Ïîäñòàâëÿÿ ýòî â óðàâíåíèÿ Ýéëåðà ïîëó÷àåì ñèñòåìó óðàâíåíèé Ãàìèëüòîíà :

dyi

dx = ∂H∂pi

dpi

dx = −∂H∂yi

i = 1, . . . , n

(4.28)

4.19 Ïîëå ýêñòðåìàëåé. Äåéñòâèå êàê ôóíêöèÿ êîîðäèíàò.Ïðèíöèï Ãþéãåíñà

Çàïèøåì îáùóþ ôîðìó âàðèàöèè ôóíêöèîíàëà J , âçÿòîãî èç ïðåäûäóùåãî ïàðàãðàôà.

δJ =

(F −

n∑

i=1

y′i∂F

∂y′i

)δx +

n∑

i=1

∂F

∂y′iδyi +

n∑

i=1

∫ x2

x1

(∂F

∂yi− d

dx

∂F

∂y′i

)δyidx, (4.29)

67

Page 69: Методы математической физики. Конспект лекций

ïåðåõîäÿ ê îáîçíà÷åíèÿì ïðåäûäóùåãî ïàðàãðàôà ïîëó÷àåì

δJ = −Hδx +∑

i

piδyi +∑

i

∫ x2

x1

δF

δyiδyidx.

Çàôèêñèðóåì â ïðîñòðàíñòâå (x,y) òî÷êó M1 è áóäåì âûïóñêàòü èç íåå ýêñòðåìàëè ïðè ðàç-ëè÷íûõ çíà÷åíèÿõ pi èëè y′i.

Îïðåäåëåíèå 11 Òàêîå ñåìåéñòâî êðèâûõ íàçûâàþò öåíòðàëüíûì ïîëåì ýêñòðåìàëåé (ëó÷åé).

Ñîïîñòàâèì êàæäîé êðèâîé òàêîå çíà÷åíèå âåðõíåãî ïðåäåëà èíòåãðèðîâàíèÿ x2 â (4.27) òàê, ÷òîáûJ = ρ (äëÿ íåêîòîðîãî ôèêñèðîâàííîãî ÷èñëà ρ).

Îïðåäåëåíèå 12 Ïîëó÷åííàÿ êðèâàÿ x2(p) íàçûâàåòñÿ êâàçèñôåðîé (âîëíîâûì ôðîíòîì).

Íàéäåì óñëîâèÿ ïåðåñå÷åíèÿ ïîëÿ ýêñòðåìàëåé è êâàçèñôåðû. Ïîñêîëüêó âäîëü êâàçèñôåðû(

F −n∑

i=1

y′i∂F

∂y′i

)δx +

n∑

i=1

∂F

∂y′iδyi = 0

èëè−Hδx +

n∑

i=1

piδyi = 0,

ïåðåñå÷åíèå ýêñòðåìàëåé è êâàçèñôåðû òðàíñâåðñàëüíî.Òàê êàê ýêñòðåìàëè íå ïåðåñåêàþòñÿ, à íà ëþáîé êâàçèñôåðå ôóíêöèîíàë J îïðåäåëåí, òî

îïðåäåëèì äåéñòâèå êàê ôóíêöèþ êîîðäèíàò è âðåìåíè ñëåäóþùèì îáðàçîì :

S(x,y) = J íà ñîîòâåòñòâóþùåé òî÷êå êâàçèñôåðû

Ôóíêöèþ S(x,y) ìîæíî ñòðîèòü èíà÷å. Çàôèêñèðóåì íåêîòîðóþ ãèïåðïîâåðõíîñòü (x,y), ïî-ñòðîèì ïîëå ýêñòðåìàëåé ïî óñëîâèþ òðàíñâåðñàëüíîñòè, ïîñëå ÷åãî ïîñòîèì êâàçèñôåðû è îïðå-äåëèì S(x,y) êàê áûëî ñäåëàíî âûøå. Çàìåòèì, ÷òî è â ýòîì ñëó÷àå ïåðåñå÷åíèå ïîëÿ ýêñòðåìàëåéñ êâàçèñôåðîé ïðîèñõîäèò òðàíñâåðñàëüíî.

4.20 Óðàâíåíèå Ãàìèëüòîíà-ßêîáèÇàïèøåì èçìåíåíèå (âàðèàöèþ) äåéñòâèÿ êàê ôóíêöèè êîîðäèíàò :

δS = −Hδx +∑

i

piδyi,

ïîñêîëüêó S ÿâëÿåòñÿ ôóíêöèåé x è y ïîëó÷àåì äèôôåðåíöèàë

dS = −Hdx +∑

i

pidyi.

Èç ýòîé çàïèñè âèäíî, ÷òî ∂S∂x = −H è ∂S

∂yi= pi (i = 1, . . . , n). Ïîñêîëüêó ôóíêöèÿ Ãàìèëüòîíà

H ÿâëÿåòñÿ çàäàííîé ôóíêöèåé òðîéêè ïåðåìåííûõ (x,y,p) òî äåéñòâèå êàê ôóíêöèÿ êîîðäèíàòóäîâëåòâîðÿåò ñëåäóþùåìó óðàâíåíèþ :

∂S

∂x+ H

(x, y1, . . . , yn,

∂S

∂y1, . . . ,

∂S

∂yn

)= 0 (4.30)

Ýòî óðàâíåíèå íàçûâàþò óðàâíåíèåì Ãàìèëüòîíà-ßêîáè. Çàìåòèì, ÷òî óðàâíåíèÿ Ãàìèëüòîíà ÿâ-ëÿþòñÿ óðàâíåíèÿìè õàðàêòåðèñòèê äëÿ óðàâíåíèÿ Ãàìèëüòîíà-ßêîáè.

Âñïîìíèì, ÷òî ïðåîáðàçîâàíèå Ëåæàíäðà ïðèìåíèìî â ñëó÷àå, åñëè ìàòðèöà[

∂2F

∂yi∂yk

]

68

Page 70: Методы математической физики. Конспект лекций

ïîëîæèòåëüíî îïðåäåëåíà.  ñëó÷àå îäíîðîäíîãî ôóíêöèîíàëà F (x,y, ky′) = kF (x,y,y′) ïî òåî-ðåìå Ýéëåðà ïîëó÷àåì, ÷òî

0 =n∑

i=1

y′i∂2F

∂yi∂yk, k = 1, .., n,

ò. å. ïðåîáðàçîâàíèå Ëåæàíäðà íåâîçìîæíî (ìàòðèöà âòîðûõ ïðîèçâîäíûõ âûðîæäåíà). Ïîýòîìóäåéñòâèå êàê ôóíêöèþ êîîðäèíàò ââåäåì ñëåäóþùèì îáðàçîì

dS =

(F −

i

y′i∂F

∂y′i

)dx +

i

∂F

∂y′idyi,

èíà÷å ãîâîðÿ,∂S

∂x= 0

è∂S

∂yi=

∂F

∂y′i, i = 1, . . . , n

Ïîñêîëüêó F îäíîðîäíà ïî y′ ñ ïîêàçàòåëåì îäíîðîäíîñòè 1, òî ∂F/∂y′i îäíîðîäíà ïî y′ ñïîêàçàòåëåì îäíîðîäíîñòè 0.  òàêîì ñëó÷àå ââåäåì

y′iy′1

= ϕi

(y,

∂S

∂y

),

ïîäñòàâëÿÿ ýòè ôóíêöèè â òåîðåìó Ýéëåðà F =∑n

i=1 y′i∂F∂yi

ïîëó÷àåì àíàëîã óðàâíåíèÿ Ãàìèëüòîíà-ßêîáè.

Ìîæíî ïîñòóïèòü èíà÷å, à èìåííî, çàìåíèòü F íà F 2, ýòà ôóíêöèÿ óæå íå áóäåò îäíîðîäíîé èïîñòðîèòü S(x,y) ïî íåé (ñì. Ðóíä).

Ïðèìåð Ôóíêöèîíàë ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè

F = n(x1, . . . , xn)√

x′12 + . . . + x′n

2,

∂F

∂x′i= n(x)

x′i√x′1

2 + . . . + x′n2

=∂S

∂xi,

òîãäà óðàâíåíèå Ãàìèëüòîíà-ßêîáè äëÿ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè çàïèñûâàåòñÿ

n2(x) =(

∂S

∂x1

)2

+ . . . +(

∂S

∂xn

)2

.

Ñôîðìóëèðóåì (áåç äîêàçàòåëüñòâ) íåñêîëüêî çàìå÷àíèé

4.21 Êîðîòêîâîëíîâàÿ (êâàçèêëàññè÷åñêàÿ) àñèìïòîòèêàÐàññìîòðèì óðàâíåíèå Ãåëüìãîëüöà (ñòàöèîíàðíîå âîëíîâîå óðàâíåíèå)

∆u + k2n2(x)u = 0. (4.31)

Çäåñü n(x) ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ.Ðàññìîòðèì ñëó÷àé k >> 1 (êîðîòêîâîëíîâûé ñëó÷àé äëÿ âîëíîâîãî óðàâíåíèÿ, êâàçèêëàññè-

÷åñêàÿ àñèìïòîòèêà - äëÿ óðàâíåíèÿ Øðåäèíãåðà). Äåáàé ïðåäëîæèë ñëåäóþùèé àíçàö (ensatz)âèäà ðåøåíèÿ:

u = eikS(x)

(a0 +

1k

a1 +1k2

a2 + . . .

),

ãäå ai ÿâëÿþòñÿ ôóíêöèÿìè x. Âû÷èñëèì ïðîèçâîäíûå ðåøåíèÿ :

∂u

∂xi= eikS(x)ik

∂S

∂xi

(a0 +

1k

a1 +1k2

a2 + . . .

)+ eikS(x)

(∂a0

∂xi+

1k

∂a1

∂xi+ . . .

)

69

Page 71: Методы математической физики. Конспект лекций

∂2u

∂x2i

=

[−k2

(∂S

∂xi

)2

+ ik∂2S

∂x2i

]eikS(x)

(a0 +

1k

a1 +1k2

a2 + . . .

)

+2eikS(x)ik∂S

∂xi

(∂a0

∂xi+

1k

∂a1

∂xi+ . . .

)+ eikS(x)

(∂2a0

∂x2i

+1k

∂2a1

∂x2i

+ . . .

).

Ïîäñòàâëÿÿ ýòè ïðîèçâîäíûå â (4.31) ïîëó÷àåì

−k2

[(∂S

∂x1

)2

+ . . . +(

∂S

∂xn

)2]

eikS(x)a0 + k2n2(x)eikS(x)a0

+ik

[∆S + 2

∂S

∂xi

∂a0

∂xi

]eikS(x) − (∇S)2ka1e

ikS(x) + kn2(x)eikS(x)a1 + O(1) = 0, k →∞

Òîãäà, ñîáèðàÿ ñëàãàåìûå ïðè ðàçëè÷íûõ ñòåïåíÿõ k ïîëó÷àåì

k2 :[− (∇S)2 + n2(x)

]eikS(x)a0 = 0,

ïîëîæèì, ÷òî a0 6= 0, òîãäà ïîëó÷àåì óðàâíåíèå

(∇S)2 = n2(x), (4.32)

èk :

(∆S + 2

∂S

∂xi

∂a0

∂xi

)+

[− (∇S)2 + n2(x)

]a0 = 0,

ïðè÷åì ñëàãàåìîå â [] îáðàùàåòñÿ â íóëü â ñèëó (4.32).Óðàâíåíèå (4.32) - óðàâíåíèå ýéêîíàëà (ñð. ñ óðàâíåíèåì Ãàìèëüòîíà-ßêîáè). Ôóíêöèþ S íà-

çûâàþò ýéêîíàëîì (îò iconal - èçîáðàæåíèå).  ñëåäóþùåì ïðèáëèæåíèè (êîýôôèöèåíò ïðè kïîëó÷àåì íåîäíîðîäíîå óðàâíåíèå â ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ íà a0(x) è ò. ä.  êà÷åñòâå ãðàíè÷íûõóñëîâèé èñïîëüçóþò ëèáî óñëîâèÿ íà ïëîñêîñòè, ëèáî óñëîâèå íàëè÷èÿ (îòñóòñòâèÿ) ôðîíòà íàáåñêîíå÷íîñòè.

4.22 Èíâàðèàíòíûé èíòåãðàë Ãèëüáåðòà. Ôóíêöèÿ Âåéðøòðàñ-ñà

Ïóñòü S(x,y) äåéñòâèå êàê ôóíêöèÿ êîîðäèíàò. Òîãäà

dS = −Hdx +n∑

i=1

pidyi =(

F −∑

y′i∂F

∂y′i

)dx +

∑ ∂F

∂y′idyi.

Ââåäåì ôóíêöèè íàêëîíà ïîëÿ ti(x,y) : y′i = ti(x,x), òîãäà F = F (x,y, t(x,y)). (Çàìåòèì,÷òî ôóíêöèè ti è pi çàäàþòñÿ ÷åðåç ïîëå ýêñòðåìàëåé.) Òîãäà äèôôåðåíöèàë äåéñòâèÿ ìîæíîïðåäñòàâèòü â âèäå

dS =(

F −∑

ti∂F

∂y′i

)dx +

∑ ∂F

∂y′idyi,

â ýòîì ñëó÷àå

S(x,y) =∫ x

x0

(F +

n∑

i=1

(y′i − ti)∂F

∂y′i

)dx, (4.33)

ïðè÷åì èíòåãðàë íå çàâèñèò îò âûáîðà ïóòè èíòåãðèðîâàíèÿ. Ýòîò èíòåãðàë íàçûâàþò èíâàðè-àíòíûì èíòåãðàëîì Ãèëüáåðòà.

Ïóñòü êðèâàÿ λ : y(x) ÿâëÿåòñÿ ýêñòðåìàëüþ, òîãäà

J [y(x)] =∫

λ

F (x, y, y′)dx,

ñ äðóãîé ñòîðîíû

J [y(x)] = S(x,y) =∫

l

(F +

n∑

i=1

(y′i − ti)∂F

∂y′i

)dx,

70

Page 72: Методы математической физики. Конспект лекций

ãäå l - ïðîèçâîëüíàÿ êðèâàÿ, çàäàííàÿ ôóíêöèåé y(x).  òàêîì ñëó÷àå

J [y]− J [y] =∫

l

[F (x,y,y′)− F (x, y, t)−

n∑

i=1

(y′i − ti)∂F

∂y′i

]dx.

Ââåäåì ôóíêöèþ Âåéðøòðàññà

E(x,y, ξ, η) = F (x,y, η)− F (x,y, ξ)−∑

i

∂F

∂ηi(ξi − ηi),

ñëåäîâàòåëüíîJ [y]− J [y] =

∫E(x,y, t,y′)dx.

Îáðàòèì âíèìàíèå íà òî, ÷òî ïîñëå òîãî, êàê ïîñòðîåíî ïîëå ýêñòðåìàëåé E ñòàíîâèòñÿ èçâåñòíîéôóíêöèåé. Ñôîðìóëèðóåì äîñòàòî÷íîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà

Òåîðåìà 4.22.1 Åñëè ýêñòðåìàëü λ îêðóæåíà ïîëåì ýêñòðåìàëåé è E(x,y, t,y′) ≥ 0, òî íà λäîñòèãàåòñÿ ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà.

 îêðåñòíîñòè ýêñòðåìàëè

E(x,y, t,y′) = E(x,y, t, t) +n∑

i=1

(y′i − ti)∂E

∂y′i+ . . . =

i,k

∂2F

∂y′i∂y′k(y∗i − ti)(y∗k − tk) + . . . ,

ïîýòîìó èìååò ìåñòî òåîðåìà

Òåîðåìà 4.22.2 Åñëè êâàäðàòè÷íàÿ ôîðìà

∂2F

∂y′i∂y′kηiηk

ïîëîæèòåëüíî îïðåäåëåíà, òî íà λ äîñòèãàåòñÿ ìèíèìóì ôóíêöèîíàëà.

71

Page 73: Методы математической физики. Конспект лекций

Îãëàâëåíèå

1 Ñèíãóëÿðíàÿ çàäà÷à Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ 21.1 Ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ íà ïîëóîñè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21.2 Îáîáùåííîå ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ. Òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.3 Êðóã è òî÷êà Âåéëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71.4 Ôóíêöèÿ Ãðèíà êðàåâîé çàäà÷è íà ïîëóîñè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.5 Ñâÿçü ìåæäó ôóíêöèåé Âåéëÿ-Òèò÷ìàðøà è ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòüþ . . . . . . . 91.6 Ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå íà ïîëóîñè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.7 Ïðåîáðàçîâàíèå Âåáåðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111.8 Ðàâåíñòâî Ïàðñåâàëÿ è òåîðåìà ðàçëîæåíèÿ íà âñåé îñè . . . . . . . . . . . . . . . . 121.9 Ôóíêöèÿ Ãðèíà êðàåâîé çàäà÷è äëÿ óðàâíåíèÿ Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ íà âñåé îñè . . . 141.10 Ñâÿçü ìåæäó ôóíêöèÿìè Âåéëÿ-Òèò÷ìàðøà è ýëåìåíòàìè ìàòðèöû ñïåêòðàëüíîé

ïëîòíîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151.11 Ïðåîáðàçîâàíèå Ôóðüå íà âñåé îñè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171.12 Ïðåîáðàçîâàíèå Õàíêåëÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181.13 Ëåììà Ðèìàíà-Ëåáåãà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191.14 ßäðî Äèðèõëå - δ-îáðàçíàÿ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.15 Îðòîãîíàëüíîñòü ñîáñòâåííûõ ôóíêöèé íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà. . . . . . . . . . . . . 211.16 Àñèìïòîòèêà ðåøåíèé ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ñ ñóììèðóåìûì ïî-

òåíöèàëîì. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231.17 Îðòîãîíàëüíîñòü ðåøåíèé ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ñ ñóììèðóåìûì

ïîòåíöèàëîì. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251.18 Èíòåãðàëüíûå ðàçëîæåíèÿ ïî ôóíêöèÿì íåïðåðûâíîãî ñïåêòðà ñèíãóëÿðíîé çàäà÷è

Øòóðìà-Ëèóâèëëÿ ñ ñóììèðóåìûì ïîòåíöèàëîì. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2 Ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà 292.1 Ïðåîáðàçîâàíèå Ëàïëàñà. Îïðåäåëåíèå. Àíàëèòè÷íîñòü . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.2 Îñíîâíûå ñâîéñòâà ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.3 Òåîðåìà î ñâåðòêå (Ý. Áîðåëÿ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322.4 Îáîáùåííàÿ òåîðåìà î ñâåðòêå . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.5 Ôîðìóëà Ðèìàíà-Ìåëëèíà. Îáðàùåíèå ïðåîáðàçîâàíèÿ Ëàïëàñà . . . . . . . . . . . 342.6 Òåîðåìû ðàçëîæåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.7 Ïðèìåðû âû÷èñëåíèÿ èíòåãðàëîâ îò íåîäíîçíà÷íûõ îáðàçîâ . . . . . . . . . . . . . . 36

3 Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ 383.1 Êëàññèôèêàöèÿ ëèíåéíûõ èíòåãðàëüíûõ óðàâíåíèé . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.2 Àíàëîãèÿ ìåæäó ëèíåéíûì èòåãðàëüíûì óðàâíåíèåì Ôðåäãîëüìà 2-ãî ðîäà è ñèñòå-

ìîé ëèíåíåéíûõ àëãåáðàè÷åñêèõ óðàâíåíèé. Ôîðìóëèðîâêà òåîðåì Ôðåäãîëüìà . . 383.3 Óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà 2-ãî ðîäà ñ ìàëûìè ÿäðàìè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.4 Óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà ñ âûðîæäåííûìè ÿäðàìè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.5 Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà 2-ãî ðîäà, áëèçêèå ê âûðîæäåííûì . . . . . . 413.6 Èíòåãðàëüíûå óðàâíåíèÿ Ôðåäãîëüìà ñ íåïðåðûâíûìè ÿäðàìè . . . . . . . . . . . . 413.7 Èíòåãðàëüíîå óðàâíåíèå Ôðåäãîëüìà ñ ýðìèòîâûì ÿäðîì . . . . . . . . . . . . . . . 423.8 Áèëèíåéíàÿ ôîðìóëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423.9 Òîåðåìà Ãèëüáåðòà-Øìèäòà. Ðåãóëÿðíàÿ ñõîäèìîñòü ðÿäà . . . . . . . . . . . . . . . 433.10 Âïîëíå íåïðåðûâíûå îïåðàòîðû . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433.11 Òåîðåìà ñóùåñòâîâàíèÿ õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443.12 Òåîðåìà Ãèëüáåðòà-Øìèäòà. Ïîñëåäîâàòåëüíîñòü õàðàêòåðèñòè÷åñêèõ ÷èñåë. . . . . 45

72

Page 74: Методы математической физики. Конспект лекций

3.13 Ôîðìóëà Øìèäòà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

4 Âàðèàöèîííîå èñ÷èñëåíèå 474.1 Îñíîâíûå ëåììû âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.2 Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòåìóìà â ïðîñòåéøåé çàäà÷å âàðèàöèîííîãî èñ÷èñëåíèÿ . 484.3 Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà, çàâèñÿùåãî îò íåñêîëüêèõ ôóíêöè-

îíàëüíûõ àðãóìåíòîâ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.4 Íåîáõîäèìîå óñëîâèå ýêñòðåìóìà ôóíêöèîíàëà, çàâèñÿùåãî îò âûñøèõ ïðîèçâîäíûõ 504.5 Íåîáõîäèìûå óñëîâèÿ ýêñòðåìóìà äëÿ ôóíêöèîíàëà, çàâèñÿùåãî îò ôóíêöèè íåñêîëü-

êèõ ïåðåìåííûõ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.6 Èçîïåðèìåòðè÷åñêàÿ çàäà÷à . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.7 Óñëîâíûé ýêñòðåìóì . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.8 Åñòåñòâåííûå êðàåâûå óñëîâèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554.9 Åñòåñòâåííûå êðàåâûå óñëîâèÿ äëÿ ñëó÷àÿ ôóíêöèîíàëîâ, ñîäåðæàùèõ âíåèíòåãðàëü-

íûå ÷ëåíû (èëè èíòåãðàëû ïî ïîâåðõíîñòè) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 564.10 Ìåòîä Ðèòöà. Ñõåìà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574.11 Ìåòîä Ðèòöà äëÿ ïðîñòåéøåãî êâàäðàòè÷íîãî ôóíêöèîíàëà . . . . . . . . . . . . . . 584.12 Çàêîíû ñîõðàíåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604.13 Äèôôåðåíöèàëüíûå çàêîíû ñîõðàíåíèÿ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 614.14 Ïàðàìåòðè÷åñêàÿ ôîðìà íåîáõîäèìûõ óñëîâèé ýêñòðåìóìà . . . . . . . . . . . . . . . 624.15 Îáùàÿ ôîðìà âàðèàöèè ôóíêöèîíàëà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.16 Óñëîâèå òðàíñâåðñàëüíîñòè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654.17 Ïðåîáðàçîâàíèå Ëåæàíäðà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.18 Êàíîíè÷åñêèå ïåðåìåííûå. Óðàâíåíèÿ Ãàìèëüòîíà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.19 Ïîëå ýêñòðåìàëåé. Äåéñòâèå êàê ôóíêöèÿ êîîðäèíàò. Ïðèíöèï Ãþéãåíñà . . . . . . 674.20 Óðàâíåíèå Ãàìèëüòîíà-ßêîáè . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.21 Êîðîòêîâîëíîâàÿ (êâàçèêëàññè÷åñêàÿ) àñèìïòîòèêà . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.22 Èíâàðèàíòíûé èíòåãðàë Ãèëüáåðòà. Ôóíêöèÿ Âåéðøòðàññà . . . . . . . . . . . . . . 70

73