9 (1133476)

Файл №1133476 9 (Конспект лекций А.Н. Боголюбова)9 (1133476)2019-05-12СтудИзба
Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Глава 4. Методы исследованияматематических моделей.1.Вариационныеметодырешениякраевых задач и определения собственныхзначений.1. Принцип Дирихле.Рассмотрим функционал:D ( u ( x, y ) ) = ∫ F ( x, y, u, u x , u y )dxdy.Уравнение Эйлера:(1)D∂∂Fu − { Fp } − { Fq } = 0 ,∂x∂yp = ux , q = u y .(2)Уравнение Лапласа Δu ( x, y ) = 0 есть уравнение Эйлеразадачи на минимум интеграла ДирихлеD ( u ) = ∫ (u x 2 + u y 2 )dxdy.(3)DНепрерывные в D функции, кусочно-непрерывно дифференцируемые в D , которые принимают на кривой Г изнутри Dзаданные непрерывные значения φ ( x, y ) и интеграл Дирихлеот которых конечен, называются допустимыми функциями.(4)⎧Δu = 0, M ∈ D,⎨⎩u ( p) = φ ( p),p ∈ Γ.(5)Первая вариационная задача: среди допустимых функцийнайти такую, которая доставляет минимум интегралуДирихле.Теорема.Если заданная на кривой Г функция φ ( p ) такова, что классдопустимых функций не является пустым, то задача Дирихле(4), (5) и первая вариационная задача эквивалентны.Доказательство:(2)(1)u(x,y)∈C(D)∩C( D ) - решение первой1) Пустьвариационной задачи.

Класс допустимых функций ищем ввиде:u ( x, y ) + ε h( x, y ),где h( x, y ) ∈ C (2) ( D ) ∩ C (1) ( D ) , интеграл (3) от h конечен иh( p ) = 0, p ∈ Γ, ε - произвольная постоянная.(6)гдеD ( u + ε h ) = D ( u ) + 2ε D ( u , h ) + ε 2 D ( h ) ≥ 0,(7)D ( u , h ) = ∫ (u x hx + u y hy )dxdy.(8)DФункция u доставляет минимум интегралу (3), следовательноd= 2 D ( u , h ) = 0 ⇒ D ( u , h ) = 0.D (u + ε h)dεε =0Запишем первую формулу Грина для функций u и h:∂u∫D hΔudxdy = ∫Γ h ∂n dσ − ∫D grad u grad h dxdy.Из (9) и h( p ) = 0, p ∈ Γ ⇒∫ h Δu dxdy = − D ( u, h ) = 0,(9)(10)Du ( M ) ∈ C (2) ( D ) ⇒ Δu ∈ C ( D), h( x, y ) - произвольная функция =>Δu ( x, y ) = 0.(11)2) Пусть теперь u ( x, y ) - решение задачи (4),(5),а u ( x, y ) + ε h( x, y ) - класс допустимых функций, причем дляu ( x, y ) и h( x, y ) имеет место формула∂uD ( u , h ) = ∫ h dσ − ∫ h Δu dxdy.∂nΓD(12)Из (12) и того, что h( p ) = 0, p ∈ Γ и u ( M ) гармоническаяфункция следует, что D ( u , h ) = 0 .

Поэтому из (7) =>D (u ) ≤ D ( u + ε h ) ,то есть функция u минимизирует интеграл Дирихле иявляется решением первой вариационной задачи.(13)ЗамечаниеСуществуют и другие краевые задачи для уравненияЛапласа, которые имеют эквивалентные им вариационныезадачи для интеграла Дирихле, например задача Неймана.Метод сведения краевых задач для уравнения Лапласа кэквивалентным им вариационным задачам носит названиепринципа Дирихле.2. Задача о собственных значениях.⎧Δu + λ u = 0, M ∈ D,⎪⎨u ( P ) = 0, p ∈ Ã ,⎪u ( M ) ∈ C (2) ( D ) ∩ C (1) ( D ).⎩(14)(15)(16)Вторая вариационная задача: среди допустимых функций,удовлетворяющих условию (15), найти ту, для которойфункционалгдеD (u )J (u ) =,H (u )(17)H (u ) = ∫ u 2 ( x, y ) dxdy ,(18)Dпринимает наименьшее значение.Теорема 1.Если u(x,y) - решение второй вариационной задачи, то u(x,y)является решением задачи (14) - (16).Доказательство:Пусть u - решение второй вариационной задачи, причемнаименьшее значение J(u) удовлетворяет условию:D (u )= λ > 0.J (u ) =H (u )Для класса допустимых функцийu ( x, y ) + ε h( x, y ),где ε - произвольная постоянная, h(x,y) - произвольнаядопустимая функция, h( p ) = 0, p ∈ Γ , имеем(19)D (u + ε h) D (u ) + 2ε D (u , h) + ε 2 D (h)F (ε ) ==≥ λ,2H (u + ε h) H (u ) + 2ε H (u , h) + ε H (h)(20)H (u , h) = ∫ u h dxdy.(21)гдеDТак как F(ε) при ε=0 имеет минимум, тоF ′(0) = 2(19) =>H (u ) D (u , h) − D (u ) H (u , h)= 0.2H (u )(22)D (u ) = λ H (u ).(23)Подставляем (23) в (22):H (u ) D (u , h) − D (u ) H (u , h) = H (u ) { D (u , h) − λ H (u , h)} = 0.

(24)Так как H (u ) ≠ 0 , то из (24) =>D (u , h) − λ H (u , h) = 0.(25)Если u , h ∈ C (2) ( D ) ∩ C (1) ( D ) и контур Г достаточно гладкий,тоD (u , h) = ∫ (u x hx + u y hy ) dxdy = − ∫ Δu h dxdyD(26)Dи из (26) получаем:D (u , h) − λ H (u , h) = − ∫ ( Δu + λ u ) hdxdy =D= − H ( Δu + λ u, h ) = 0. (27)Поскольку u ∈ C (2) ( D ) => Δu ∈ C ( D )и h-произвольная функция, то из (27) следует, чтоΔu + λ u = 0.(28)Теорема 2.Среди собственных значений задачи (14) – (16) найденноесобственное значение является минимальным.Доказательство:Пусть λ ≠ λ некоторое собственное значение и u ( x, y ) −соответствующая собственная функция. Тогда:H ( Δu + λ u , u ) = ∫ Δuudxdy + λ ∫ u dxdy =2DD∂u= ∫ u dσ − ∫ (u x2 + u y2 ) dxdy + λ H (u ) =∂nDΓ= − D (u ) + λ H (u ) = 0(29)и из (29) получаем, чтоа так какD (u ),λ = J (u ) =H (u )λ = min J (u ),u ∈Ρ(30)(31)где Р – класс допустимых функций, тоλ < λ.(32)2.

Некоторые алгоритмы проекционногометода.1. Общая схема алгоритмов.Рассмотрим уравнение:Lu = Au + Bu = f ,f ∈ H,(1)где А, В – линейные операторы в гильбертовом пространствеН; D(A), D(B) – области их определения. D(A) - плотно в Н.Введем оператор К: D ( K ) ⊃ D ( A) .Введём систему базисных (координатных) функций:(N )(N )φ,φ{ i } i ∈ D( A), i = 1, 2,...N ; N = 1, 2,...,HN – линейная оболочкаφi( N ) , i = 1, 2,...N , {φi( N ) }- базис в HN.Предположим, что:1)при любом N функцииφi( N ) , i = 1, 2,...Nлинейно независимы;2) последовательность подпространств{ H N } предельно полна в Н:для∀u ∈ H∃ u N ∈ H N , N = 1, 2,..., чтоu − u N = inf u − ω ≤ ε (u , N ), ω ∈ H N ,ωε (u , N ) → 0, N → ∞, ε (u , N )- оценка погрешности аппроксимации.Введем также базисные функции: {ψ i } , ψ i ∈ D ( K ) .(2)Ищем приближенное решение (1) в видеNu N = ∑ aiφi ,(3)i =1где ai , i = 1, 2,..., N определяется из системы уравнений:( Au N + Bu N − f , Kψ j ) = 0,j = 1, 2,..., N ,(4)1где (u , v) - скалярное произведение в Н и u = (u , u ) 2.Разрешимость системы (4) и сходимость u N к u при N → ∞зависят от свойств операторов А, В и выбора оператора Kи систем функций{φi } , {ψ j }.2.

Метод Ритца.Пусть дано уравнение:Au = f ,f ∈ H,(5)где ( Au ,υ ) = (u , Aυ ), ( Au , u ) ≥ γ 2 u , γ > 0, u ,υ ∈ D ( A).21) Выбирается базис {φi } , φi ∈ D ( A), i = 1, 2,...N .;2) Приближенное решение ищется в виде (3).3) Коэффициенты ai находятся из системы уравнений( Au N , φ j ) = ( f , φ j ), j = 1, 2, ..., Nˆ = b, Aˆ = { A } , A = ( Aφ , φ ),Aai, ji, jij(6)a = (a1 ,..., aN )T , b = ( f1 ,..., f N )T , fi = ( f , φi ),(7)i, j = 1, 2,..., N .Вариационная трактовка метода Ритца.Рассмотрим квадратичный функционал энергииF ( u ) = ( Au , u ) − 2 ( u , f ) .Теорема. Для того, чтобы некоторый элемент(8)u0 ∈ D ( A)сообщал минимальное значение функционалу энергии F(u),необходимо и достаточно, чтобы этот элемент удовлетворялуравнению (5).

Такой элемент единственный.Вариационная задача: найти функцию uN такую, чтоF (u N ) = min F (υ ), u N ,υ ∈ H N .(9)υNТак как υ = ∑ aiφi , то F (u N ) = min F (υ ) ,aii =1где F (υ ) = F (a1 ,..., aN ) =NN∑ a a ( Aφ , φ ) − 2∑ a ( f , φ )i , j =1ijiji =1∂F (υ )= 0, i = 1, 2,..., N .∂aiИз (10) следует (7) и (6).ii⇒(10)Теорема.Если для любой функции u ∈ D ( A) можно построить такуюNпоследовательность элементов u N = ∑ aiφi ∈ H N , N, что= 1, 2, ...i =1A(u − u N ) → 0 при N → ∞ , то приближенные решения uNсходятся к точному решению u0 уравнения (5) при N → ∞ иимеет место оценкаu0 − u N ≤ C min A(u0 − u N ) ,aiгде C > 0 не зависит от u0 и u N .Доказательство:Пусть υ ∈ D ( A) - произвольная функция.( A(u0 − υ ), u0 − υ ) = ( Au0 , u0 ) + ( Aυ ,υ ) − 2( Au0 ,υ ) == ( Au0 , u0 ) + ( Aυ ,υ ) − 2( f ,υ ) = F (υ ) + ( Au0 , u0 ) −− F (u0 ) + F (u0 ) = F (υ ) − F (u0 ) + 2( Au0 , u0 ) − 2(u0 , f ) == F (υ ) − F (u0 ) ⇒ ( A(u0 − υ ), u0 − υ ) = F (υ ) − F (u0 )Поскольку u0 минимизирует функционал F(υ) на D(A), а uNминимизирует F(υ) на HN , то( A(u0 − u N ), u0 − u N ) = F (u N ) − F (u0 ) ≤≤ F (υ N ) − F (u0 ) =N ( A(u0 − υ N ), u0 − υ N )при произвольной функции υ N = ∑ Ciφi из H N ⇒i =1γ u0 − u N22≤ ( A(u0 − u N ), u0 − u N ) ≤≤ ( A(u0 − υ N ), u0 − υ N ) ≤ Au0 − u N2≤A −1γ2−1⋅ A(u0 − υ N ) ⇒A(u0 − υ N )22В силу произвольности выбора коэффициентов Ci , i=1,2,…,N вразложении υN , положив υN =ũN получаем утверждениетеоремы.Замечание.

При рассмотрении классической формулировкиметода Ритца решение вариационной задачи может несуществовать.Введем в D(A) энергетическое скалярное произведение инорму[u , υ ] = ( Au , υ ), [u ]=[ u , u ]½(11)и пополним D(A) по энергетической норме.Получим энергетическое пространство НА, порождаемое оператором А.

В НА могут появиться предельные элементы непринадлежащие D(A).Расширим функционал энергии на НА:F (u ) = [u , u ] − 2( f , u )и будем искать его минимум на НА:(12)Пусть минимум достигается на u0 ∈ H A . Если u0 ∉ D ( A) , тоu0 - обобщенное решение (5), если u0 ∈ D ( A) , то u0 - классическое решение (5).Краевые условия, которым удовлетворяют элементы из D(A),называются естественными для оператора А, а краевыеусловия, которым удовлетворяют как элементы из D(A), таки элементы из НА, называются главными. Базисные функциивыбираются из НА.3. Метод Галёркина.Основной недостаток метода Ритца: он применим только длясамосопряженных положительно определенных операторов.Метод Бубнова - Галёркина.Lu = Au + Bu = f , f ∈ H ,(13)1) Выбирается базис {φi } , φi ∈ D ( A), i = 1, 2,...N ;2) Приближенное решение ищется в виде (3);3) Коэффициенты ai находятся из условия ортогональностиневязки Lu N − f к φ1 , φ2 , … , φN :(14)( Lu − f , φ ) = 0, i = 1, 2, ..., N .NiЗамечание.

Характеристики

Тип файла
PDF-файл
Размер
249,04 Kb
Тип материала
Высшее учебное заведение

Тип файла PDF

PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.

Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.

Список файлов лекций

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
6358
Авторов
на СтудИзбе
311
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее