Главная » Просмотр файлов » А.Н. Боголюбов, В.В. Кравцов - Задачи по математической физике (DJVU)

А.Н. Боголюбов, В.В. Кравцов - Задачи по математической физике (DJVU) (1125167), страница 4

Файл №1125167 А.Н. Боголюбов, В.В. Кравцов - Задачи по математической физике (DJVU) (А.Н. Боголюбов, В.В. Кравцов - Задачи по математической физике (DJVU)) 4 страницаА.Н. Боголюбов, В.В. Кравцов - Задачи по математической физике (DJVU) (1125167) страница 42019-05-11СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Ттрн Уравнение (1.9) имеет нулевое решение Ло = О. Ему будет соответствовать ненулевая функция уо(х), определяемая (1.11), если Д = 0 и ~вг — — О, и эта функция равна 1. Следовательно, при Ле = 0 ))уо))г = 1. представляет собой норму собственной функции. Если постоянная выбрана так, что М„= 1, то собственные функции у„(х) будут ортонормированными.

Итак, ненормированные собственные функции задачи Штурма— Лиувилля Выделим частные случаи. 1. Граничные условия; у(0) = у(1) = 0 (ог = ог = О, Д = )3г — — 1), тяотг г у„(х) = е1п ~/Л„х, Л„= ! — ), !!у )! в = 1,2,...,оо. 2. Граничные условия: у'(0) = у'(1) = О, (аг — — аг = 1, Д = Рг = 0), у„(х) = сок ~/Л„х, Л„= ( — ), !!у„)!~ = -(1+ Б„о), и = О, 1,..., оо. Заметим, что в этом случае существует нулевое собственное значение Ле = О, которому соответствует собственная функция уе(х) = 1.

3. Граничные условия: у(0) = у'(1) = 0 (аг = Рг = 0 А = аг = 1), и = О, 1, 2,..., оо. 4. Граничные условия: р'(0) = р(1) = О, (Д = аг = О, Рг = ог = 1), г 1 !!ре )! и = 0,1,...,оо. 5. Граничные условия: у(0) = О, у'+ Ьгу!, = 0 (ад — — О, 13д = 1, ог = 1~ Рг Иг)~ г 1 Иг уюз(х) = яп ~/Лах, ))уе!! = + и = 1,2,...,со, Л„ — корни уравнения 6. Граничные условия: у'(0) = О, у'(1) + Ьгу(1) = 0 ()у, = О, о, = 1, ог=1 Рг=Иг), у„(х) = сов~/Л„х, !!у„)!г = — ч-, в = 1 2,, оо Ьг 2 2(Л„ + Игг)' ˄— корни уравнения 1~д/Л1 = —.

Ьг Л Т. Граничные условия: у'(0) — Ьду(0) = О, у(1) = 0 (ад — — 1, !уд = Ьд, аг = О, ддг = 1), г ! Ьд Оу»)) = — + 2„Ьг,, в = 1,2,...,оо, у»(х) = 8дп д/Л»»(! х) Л„ — корни уравнения /Х дк /Л1=- —. Ь г ! Ьд У»(х) =совД/Л»»(1 — х), 0У»)! = — +, г,~ в=1,2,...,оо, 2 2(Л„ + Ьг)' Л„ — корни уравнения дк,/Х! = —. Ь д/Л' 9. Граничные условия: у'(0) — Ьду(0), у'(1) + Ьгу(1) = 0 (ад = 1 Д = Ьд, аг = 1, Рг = Ьг).

у„(х) = (Ьд эдп д/Л»х+ д/Л» »соа д/Л»»х), 1 /Л„+ Ьд г ! 1 (Ьд + Ьг)(Л„+ ЬдЬг) 2 2 (Л„+ Ьгд)(Л + Ьг) ' ˄— корни уравнения ЬЬ' Л вЂ” ЬдЬг Заметим, что в этом случае собственную функцию можно записать также в виде 1дг8дпд/Х»(1 х) + д/Х» со8д/Х»(1 — х) у„(х)— дуЛ„+ Ьг где ˄— корни уравнения 1К д/Л! = д/Л Л+Ь,Ь ' 28 8. Граничные условия: у'(0) — Ьду(0) = О, у'(!) = О (ад = 1, !Уд = Ьд, аг = 1, Рг = О), 1 2. ОДНОМЕРНЫЙ СЛУЧАЙ: ПЕРИОДИЧЕСКИЕ ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ Рассмотрим задачу Ш1турм-Ллнувилл на отрезке [О, 1] с условием периодичности ун+Лу=О, 0<я<1, у(х) = у(х +1) при любом х б [О, 1], у(х) у: О.

(2.1) (2.2) у(х) = Се сов~/Л!+ Све1п~/Л! (2.3) подставим в условия (2.2): Сесое~ГЛ(х+1) +Сзв1п~/Л(х+1) = Сев)п~/Ля+ Стсов~/Лх. Воспользовавшись линейной независимостью функций сеет/Лх и е1п ~/Лх, отсюда получим Се (сов ч'Л! — 1) + Се в1п~/Л! = О, -Се в( и т/а! + Сз (сов т/Л1 — 1) = О. (2.4) Система (2.4) имеет ненулевое решение только при условии сое ъ/Л! — 1 в(п чГЛ1 =О, — 8!П 1/Л! сов 1Я вЂ” 1 или сов Л1 = 1. Отсюда находим Л„= (~~"), и = 0,1,2,...,оо. При найденных значениях Л„система (2.4) имеет два линейно независимых ненулевых решения: [т) 0 и Се = т!21 1 (2.5) Подставляя (2.5) в (2.3), находим собственные функции у;., 1(х) = 81п ~/Л„х. у!е1(х) = сов ~/Л„х, 29 Условия периодичности (2.2) можно заменить граничными условиями у(0) = у(!) у'(О) = у'(1).

Обшее решение уравнения (2.1): Заметим, что собственному значению Ао = 0 соответствует одна собственная функция уе(х): — 1, в то время как все ненулевые собственные значения А„имеют ранг, равный двум. Таким образом, задача (2.1), (2.2) с периодическими граничными условиями имеет следующие наборы собственных значений и собственных функций: (2лп1 хг (2.6) соз -Г- х, г» уо(х) — 11 уп (х)— 1 81п г'"х (2.7) г 1 2' п = 1,2,...,оо.

1 сое пх При!=2л А„=п, у (х) = ~ ., уа=1 81п пх 1 8. ООБСТВЕННЫЕ ФУНКЦИИ ПРЯМОУГОЛЬНИКА Рассмотрим задачу Штурма — Лиувилля для оператора Лапласа в прямоугольнике: где а;, д1 — постоянные, причем )аь) + )Д( ф О. Задачу (3.1)-(3.3) будем решать методом разделения переменных.

Найдем ненулевые решения уравнения (3.1), представимые в виде и(х, у) = Х(х)У(у) ф О. (3.4) Подставляя (3.4) в уравнение (3.1) и разделяя переменные, получим Х"(х) Рп(у) — А=-д. Х(х) У(у) Следовательно, для функции Х(х) и У(у) получаем одномерные за- дачи Штурма-Лиувилля для отрезка: Х" + УХ = О, 0 < х < а, Р1(Х)/, , О, Рг(ХЯ = О, зо 1зи+Аи=О, 0< ди Р1(и) = а1 — — дги~ = О, ди Рз(и) = аз 9 дзи~„е = О, х<а, 0<у<Ь, (3.1) ди Рг(и) = аг — + дги~ = О, (3.2) ди Р4(и) = а4 — + д4и) = О, (3.3) 8=8 У" + аУ = О, 0 < у < Ь, Р.(У)/„», = О, Р,(У)/„», = О, где а = Л вЂ” р. Решив каждую из этих задач, собственные функции задачи (3.1) — (3.3) найдем согласно (1.11), а собственные значения Л вычислим по формуле Л = р + ю Таким образом, справедливо следуюшее утверждение: собственные функции оператора Лапласа для прямоугольника равны произведению собственных функций по каждой переменной с соответствующими граничными условиями и„= К„(х)У (у), а собственные значения равны сумме собственных значений одномерных задач Л»»1 — И» + ~т ° В качестве примера приведем собственные функции и собственные значения для задач Дирихле и Неймана: а) задача Дирихле и~ = О, где С вЂ” контур прямоугольника; яп, ят и„(х,у) = е1п — хзш — у, а Ь л„= ( — ") +~ —;), п,т=1,2,..., ))и»п~О = О 81п хО )) Б1п ф а Ь 4 б) задача Неймана Уе„"-~с = О, где и — внешнЯЯ ноРмаль к контУРУ прямоугольника: яп ят и„(х, у) = сов — хсоз — у, а Ь Л„= ( — ) +( — ), п,т=0,1,2,..., ~) „О =1)К„))'ОУ !!'.

Ьи+61и +Ьтиэ+си+Ли=О, 0<я<а, 0<у<6, (35) и1с О, (3.6) где С вЂ” граница прямоугольника. Собственные функции и собственные значения для других граничных условий легко выписать, используя результаты 6 1. Рассмотрим также задачу Штурма-Лиувилля для оператора Ьи = с и+ Ь1и~ + Ьтиэ + си (6ю 6ю с — постоянные) в прямоугольнике: Как было указано ранее, удобно ввести новую неизвестную функцию в(х, у) следующим соотношением: и = е-Ь(ь1еььгв)„(х у) (3.7) Тогда для функции в получаем задачу и„(х,у) = е ь ' ' в(п — хв(п — у, »(ь! +ь,в1 . Яп . Ягп а Ь Л~т = ( — ) + ~ — ) — с+ -(Ь, + Ьг), причем при е < О и = 1,2,., пг = 1,2,..., а при с > О начальные значения и и пь выбираются так, чтобы Л„> О.

При граничных условиях второго и третьего рода рассмотрение проводится аналогично, следует только при замене (3.7) преобразо- вать и граничное условие. В 4. ООБСТВЕННЫЕ Фв'НКЦИИ ПРЯМО в'ГОЛЬНОГО ПАРАЛЛЕЛЕПИПЕДА Задача Штурма — Лиувилля для оператора Лапласа в прямоугольном параллелепипеде ямеет вид Ьи+ Ли = О, О < х < а, О < у < Ь, О < г < е, ! ди = О, Рг(и) = а»вЂ +,Зги~ = О, е=в дх )я=а ди Рг ( и) = а1 — — дг и дх ди Рз(и) = аз — — дзи ду ди Р4(и) = ав — + рви = О, ду д=ь =О, в=о д.

= О, Рв(и) = ав — +дви~ = О, «=0 дг )л=е ди Рв(и) = ав — — дви дг а;, дь = сопев, )а;)+ )Д) ф О, 1= 1,2,...,6. Используя результаты 1 3, легко показать, что собственные функции и собственные значения для прямоугольного параллелепипеда имеют вид и„ь(», у, г) = Х„(х)У,„(у)Яь(г), Лить = р» + ь'м + ге»1 Ьв+рв=О, О<х<а, О<у<Ь, в(с — -О, в~О, ь'+ь* где введено обозначение д = Л + с — -»ь», решение которой только что было рассмотрено. Следовательно, собственные значения и собственные функции за- дачи (3.5), (3.6) имеют вид где (Х„(х), д„), (У„,(у), и„,), (хг(г), гть) — собственные функции и собственные значения соответствующих одномерных задач Штурма— Лиувилля по каждой переменной. На доказательстве этого утверждения мы не останавливаемся, поскольку оно полностью аналогично приведенному в г 3.

5 3. ООВстВенные Фг~нкцни кРнГА Рассмотрим задачу Штурма — Лиувилля для круга К,: Ьи+ Аи'= О, (х, у) б К„ ди о — + ди~ = О, )о)+ Щ ф О, и ф О. с (5.1) (5.2) Введем полярную систему координат (г, 1а) с началом в центре круга К,. Напомним, что оператор Лапласа в полярной системе координат равен д / ди'1 1 дги Ьи = — — ( т — ~ + — —. т дт ~, дт) ггдрг' Собственную функцию будем искать в виде и(г,~р) = Й~г)ф(~р) ф О. (5 3) г-4 (тф) + лггй фа и (5.4) В(г) ф( р) Поскольку собственная функция должна быть периодической по ~р с периодом 2к, то для Ф получаем задачу Штурма — Лиувилля Ф" + иф = О, О < 1а < 2я, Ф(1г) = Ф(~р+ 2я), решение которой имеет вид (см.

г 2) Ф=ф„(1а) =( 1 ьбпп1а, г ц — ~'» — в (5.5) и = 0,1,2,...,оо. При каждом и = иг получаем задачу для В(т): г — 1 г — ) + (Лг — и )Я = О, О < г < а. а' / аИ'г г г дт 1 ат) (5.6) зз Уравнение (5.1) запишем в полярной системе координат, подставим в него (5.3) и разделим переменные. Получим Функция В должна удовлетворять граничному условию а — +)УВ = О, )а)+ ф ф О, ~И Й г=а вытекающему из (5.2), и естественному условию ограниченности при г=О: !В(0)/ < со, поскольку г = 0 является особой точкой уравнения (5.6).

Характеристики

Тип файла
DJVU-файл
Размер
2,05 Mb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Список файлов книги

Свежие статьи
Популярно сейчас
А знаете ли Вы, что из года в год задания практически не меняются? Математика, преподаваемая в учебных заведениях, никак не менялась минимум 30 лет. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
6376
Авторов
на СтудИзбе
309
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее