Реферат по предмету "Математика"


Узагальнена функція Гріна

Найпоширенішоюзадачею в теорії звичайних рівнянь є задача Коші. Додаткові умови цієї задачіза своєю суттю є початковими: в них фігурують значення невідомої функції та їїпохідних( якщо порядок рівняння перевищує одиницю) при фіксованому значеннінезалежної змінної. Зрозуміло, що це не єдиний спосіб виділення того, чи іншогочастинного розв’язку з множини всіх функцій, які задовольняють диференціальнерівняння. Часто виникає потреба у знаходженні такого розв’язку, для якоговиконувалися б так звані крайові умови: значення шуканої функції та її похіднихмають задовольняти певні співвідношення в кількох фіксованих точках проміжку,який пробігає незалежна змінна. Причому, задачу відшукання такого розв’язкуназивають крайовою задачею. Такі крайові задачі мають прикладне значення і частішевиникають у практиці. Наприклад, задача про форму провислого каната із закріпленимикінцями зводиться до відшукання такого розв’язку диференціального рівняннядругого порядку, графік якого проходив би через дві наперед задані точки, або,щоб знайти Т-періодичний розв'язок лінійного Т-періодичного рівняння />, потрібно з усіхрозв’язків вибрати той, який задовольняє умову />.Для розв’язання крайових задач використовують так звану функцію Гріна,спробуємо зрозуміти, як вона будується у загальному випадку.
Розглянемовипадок, коли однорідна крайова задача
/> (1)
/>/> (2),
має хоча б одиннетривіальний розв’язок. При цьому, нехай функція /> неперервнодиференційована на />, а дійсніфункції /> - неперервні на />, та /> — задані числа, причому,/>/>
Позначимо цей розв’язокчерез />.

Твердження1.
Одноріднакрайова задача (1),(2) має нетривіальний розв'язок тоді і лише тоді, колирозв’язки /> та />лінійно залежні.
Доведення.
Нехайнеоднорідна крайова задача має нетривіальний розв'язок />. Оскільки як />, так і /> задовольняють першукрайову умову (2), а />, то вронскіанцих розв’язків дорівнює нулю, а отже, вони лінійно залежні. Так само можнадовести лінійну залежність розв’язків /> та/>. Звідси випливає, що /> та />також лінійно залежні.
Навпаки, нехайзазначені розв’язки лінійно залежні. Тоді для деякої сталої /> маємо />. Тепер зрозуміло, що,наприклад, функція />:=/> є розв’язком однорідноїкрайової задачі. Твердження доведено.
Звідси можназробити висновок, що множина всіх розв’язків задачі – це сім’я функцій вигляду,/>, де /> — довільна стала. Тому, необмежуючи загальності викладу, вважатимемо, що /> вибранотак, щоб справджувалась умова нормування
/>
Необхідну умовуіснування розв’язку неоднорідної крайової задачі встановлює таке твердження.
Твердження2.
 
Якщо задача
/> (3)
/>/> (2)
Має розв’язок />, то функція ортогональнадо нетривіального розв’язку /> відповідноїкрайової задачі (1),(2), тобто
/> (4)
Доведення.
Застосуємоформулу Гріна до пари функцій /> та/> . Оскільки вони задовольняютькрайові умови то згідно з властивістю симетричності оператора /> маємо:
/>
Урахувавши, що /> і/>, дістанемо(4).Зауважимо, що при довільному /> функція/>теж є розв’язком задачі(3),(2). Аби уникнути такої неоднозначності, умови (2) слід доповнити щеоднією. Найприроднішою додатковою умовою є вимога ортогональності
/> (5)
Твердження3.
 
Якщо задача(3),(2),(5) має розв’язок />, то він єдиний.
Доведення.
Справді, різницядвох розв’язків задачі (3),(2),(5) є розв’язком вигляду /> відповідної однорідноїзадачі. З умови (5) та нормованості функції /> одразувипливає, що
/>
Розв’яжемовироджену крайову задачу за допомогою методу варіації довільних сталих,вважаючи, що умова ортогональності (4) справджується. Виберемо лінійно незалежнийз /> розв’язок /> однорідного рівняння (1)так, щоб виконувалася рівність
/>
Цим ми дещоспростимо формули, які буде одержано нижче. Шукаємо розв’язок(3) методом варіації сталих у вигляді
/> (6)
отримаємо такусистему:
/>
Розв’яжемо їївідносно /> та /> за правилом Крамера.
Маємо рівняння
/>,/> (7)
При цьому
/>/>
Тому, аби розв’язок/>задовольняв крайову умову вточці />, необхідно вимагативиконання рівності />. Звідси /> і з урахуванням (4) />. Остання рівність забезпечитьсправдження крайової умови в правому кінці проміжку />.
Загальний розв’язокпершого з рівнянь (7) візьмемо у вигляді />, де />- довільна стала.Підставивши знайдені функції />,/> в (6), дістанемо однопараметричну сім’ю функцій
/>,(8)
Кожна з яких єрозв’язком крайової задачі (3),(2). Умову ортогональності (5) завжди можназадовольнити, відповідним чином обравши довільнусталус1.
Підсумкомнаведених міркувань є така теорема:
Теорема1
Розв’язоккрайової задачі (3) (2) існує тоді і лише тоді, коли функція />ортогональна до кожного розв'язкувідповідної однорідної крайової задачі.
Тепер покажемо, щорозв’язок(8) можна подати у вигляді інтегрального перетворення
/>,
Де функція /> задовольняє крайовіумови й при кожному />
є ортогональноюдо />.
Насамперед,запровадивши функцію
/>
за аналогією зне виродженим випадком, перепишемо (8) у вигляді
/> (9)
Оскільки />,/>/>,
/>,/>,
То />задовольняє умову лише влівому кінці проміжку /> ,адже розв’язок /> не задовольняєжодної умови (2). Отже, функцію />доведетьсявідповідним чином виправити. Для цього звернемо увагу на такий факт: якщо уформулі(9) зробити заміну />/>/>-/>, де /> довільні функції, то вонай надалі визначатиме розв’язок рівняння (3): адже />ортогональнадо />. Неважко зрозуміти, щоперетворена функція />задовольнятимеобидві крайові умови, якщо функцію /> вибратитак, щоб при деякому />виконувалисярівності
/>,/>,/>,/> (10)
Найзручнішимбуде такий вибір:
/>/>
Легкоперевірити, що ця функція не лише задовольняє умови (10), а й є розв’язкомнеоднорідного рівняння />= />. При цьому, якщо додаткововимагати, аби розв'язок /> бувортогональним до /> на />, то />.
Тепер залишилосьпокласти
/>
І вибратифункцію /> так, щоб /> була ортогональноюдо />. Для цього домножимо правучастину останньої нерівності на />, одержанийдобуток зінтегруємо за змінною /> ірезультат прирівняємо до нуля. З одержаного рівняння легко знайдемо
/>.
Остаточно маємо
/> (11)
З урахуваннямвластивостей цієї функції дамо таке означення.
Означення.
 
Функцію />називатимемо узагальненоюфункцією Гріна крайової задачі (2)-(3), якщо вона задовольняє такі умови:
1. Функція /> неперервнав квадраті К=/>, має неперервнічастинні похідні />,/> у кожному з трикутників />,/>;
2. Для кожного фіксованого /> функція />задовольняє рівняння Lx(t)=-/>/> привсіх />,/>, а також крайовій умові(2).
3. На діагоналі />квадратаК похідна />має розривпершого роду зі стрибком 1/p(s):/>-/>.
4. Для кожного фіксованого /> функція/> ортогональна до функції />: />.
5. 
Сформулюємоалгоритм відшукання узагальненої функції Гріна.
 
· Знаходимо таку фундаментальну систему />,/> лінійного однорідного рівняння(1), щоб розв'язок />задовольнявумови(2).
· Знаходимо будь-який розв'язокg(t,s)неоднорідногорівняння Lx(t)=-/>/>.
· Узагальнену функцію Гріна шукаємо увигляді
/>
Функції /> обираємо так, щоб останнійдоданок задовольняв пунктам 1 і 3 означення узагальненої функції Гріна; функцію /> — так, щоб /> задовольняла крайові умовизадачі; нарешті, вибором функції /> забезпечуємовиконання умови ортогональності 4.
Проаналізувавшивигляд правої частини формули (11), можна зробити висновок, що /> з потрібними властивостямиіснують.

Розглянемоприклад.
Розв’яжемокрайову задачу
/>,/> ;
/>
Розв'яжемо відповіднеоднорідне рівняння />, застосувавши методЕйлера. Тобто розв'язок /> шукаємоу вигляді/>= />. Знайшовши
/> =/>,/>=/>, підставивши ці значення врівняння та скоротивши на /> маємотак зване характеристичне рівняння:/>, з якогознайдемо корені />:/>
З цього маємофундаментальну систему розв’язків рівняння:
/>
За теоремою прозагальний розв'язок однорідногорівняння, маємо:
/>де/>
Тому можемосказати, що відповідна однорідна задача має однопараметричну сім’юрозв’язків /> , де /> – довільна стала, для якоїумова теореми 1 виконано, бо /> . Методомневизначених коефіцієнтів знайдемо частинний розв’язок диференціальногорівняння задачі: />. Загальнийрозв’язок цього рівняння має вигляд:
/>
Для того, щобзадовольнити крайовій умові, достатньо покласти />.Сталу /> виберемо так, щобсправджувалась умова ортогональності шуканого розв’язку й функції />:
/>
Звідси />=/>. Остаточно маємо:
/>
Знайдемо функціюГріна для цієї крайової задачі
За функцію /> візьмемо />(коефіцієнт /> вибирається з умови нормованості/>) Розв'язком однорідногорівняння, який не задовольняє крайові умови, є, наприклад />.
Далі рівняння
/>
Має частиннийрозв'язок вигляду />, отже, узагальненуфункцію Гріна шукаємо у вигляді
/>
(коефіцієнт /> вбирають у себе функції /> і /> ).
Оскільки внашому випадку />,то умови неперервності і стрибка похідної функції /> при/> мають вигляд
/>,/>.
Звідси />,/>;
Наслідкомкрайової умови в точці /> є рівність />. Тоді в точці /> маємо: />.Отже, функція
/>
задовольняє пунктам1-3 означення узагальненої функції Гріна.
Нарешті, функцію/> визначимо з умови ортогональності
/>.Обчисливши відповідні інтеграли, знаходимо
/>/>
Остаточно маємо
/>


Не сдавайте скачаную работу преподавателю!
Данный реферат Вы можете использовать для подготовки курсовых проектов.

Поделись с друзьями, за репост + 100 мильонов к студенческой карме :

Пишем реферат самостоятельно:
! Как писать рефераты
Практические рекомендации по написанию студенческих рефератов.
! План реферата Краткий список разделов, отражающий структура и порядок работы над будующим рефератом.
! Введение реферата Вводная часть работы, в которой отражается цель и обозначается список задач.
! Заключение реферата В заключении подводятся итоги, описывается была ли достигнута поставленная цель, каковы результаты.
! Оформление рефератов Методические рекомендации по грамотному оформлению работы по ГОСТ.

Читайте также:
Виды рефератов Какими бывают рефераты по своему назначению и структуре.

Сейчас смотрят :

Реферат Something To Write Home About Essay Research
Реферат «Формирование первоначальных знаний о правилах дорожного движения младших дошкольников»
Реферат Польский Ренессанс
Реферат Закономерности внутреннего и внешнего порядка в организации и построения пространственно-временного континуума народов Сибири
Реферат Технология и организация строительства объектов природообустройства
Реферат Глубоководные желоба
Реферат Финансовая деятельность коммерческих банков
Реферат Локалізація екологічної загрози забруднення атмосфери від пилу спалювання вугілля на ТЕС
Реферат Технология изготовления газосиликатных блоков
Реферат Социальное партнерство в зарубежных странах
Реферат Причины неудач перестройки
Реферат Получение магнитопроводов из ферритов и магнитодиэлектриков
Реферат Экспериментальная проверка помехозащищенности американской спутниковой навигационной системы GPS.
Реферат Организация государственной службы в гражданских ведомствах
Реферат Формирование колониальной системы и модернизация цивилизаций Востока в XIX веке