WikiSort.ru - Не сортированное

ПОИСК ПО САЙТУ | о проекте

Краевая задача (граничная задача) — задача о нахождении решения заданного дифференциального уравнения (системы дифференциальных уравнений), удовлетворяющего краевым (граничным) условиям в концах интервала или на границе области. Краевые задачи для гиперболических и параболических уравнений часто называют начально-краевыми или смешанными, потому что в них задаются не только граничные, но и начальные условия.

Обыкновенные дифференциальные уравнения

Линейные уравнения n-го порядка

Краевая задача для линейного уравнения n-го порядка имеет вид

где

функции и непрерывны на отрезке , , краевые условия заданы линейными формами

— заданные числа. Матрица, составленная из коэффициентов имеет ранг , при этом краевые условия линейно независимы. Если и , краевая задача называется однородной, если только — полуоднородной.[1]

Задача на собственные значения

Собственными значениями называются те значения параметра , при которых однородная краевая задача

имеет нетривиальное (т.е. не равное тождественно нулю) решение. Совокупность собственных значений называют спектром, а соответствующие нетривиальные решения — собственными функциями этой задачи.

Если — фундаментальная система решений рассматриваемого дифференциального уравнения, такая что

то собственные значения являются нулями характеристического детерминанта (определителя)

. Если , то множество собственных значений не более чем счётно как множество нулей целой функции.[2]

Для краевой задачи на собственные значения решаются следующие две стандартные проблемы:

  • Задача о нахождении собственных значений. При каких предположениях относительно краевой задачи у неё существуют собственные значения? В каком случае их число бесконечно? Когда они действительны? Что можно сказать об их величине?
  • Задача о разложении по собственным функциям. Если — собственные функции краевой задачи, то при каких условиях заданная функция может быть разложена в сходящийся ряд

по функциям ?[3][4]

Частным случаем краевой задачи на собственные значения является задача Штурма-Лиувилля:

Функция Грина

Теорема 1. Если однородная краевая задача имеет только тривиальное (нулевое) решение, то для любой функции , непрерывной на отрезке , существует решение полуоднородной краевой задачи , задаваемое формулой

где — функция Грина однородной краевой задачи.[5]

С точки зрения теории операторов, краевая задача задает линейный дифференциальный оператор с областью определения, состоящей из раз непрерывно дифференцируемых на отрезке функций , удовлетворяющих краевым условиям , и действующий по правилу . При условиях теоремы 1 этот оператор имеет обратный, который является интегральным оператором с ядром .

Функция Грина однородной краевой задачи определяется как функция, удовлетворяющая следующим условиям:

  1. непрерывна и имеет непрерывные производные по до -го порядка включительно для всех значений и из интервала .
  2. При любом фиксированном из отрезка функция имеет непрерывные производные -го и -го порядка по в каждом из интервалов и , причем производная -го порядка имеет при скачок .
  3. В каждом из интервалов и функция , рассматриваемая как функция от , удовлетворяет уравнению и краевым условиям .

Теорема 2. Если однородная краевая задача имеет только тривиальное (нулевое) решение, то у неё существует единственная функция Грина.[6]

С помощью функции Грина можно решить и неоднородную краевую задачу

Решение имеет вид

где — решения краевых задач

[7]

Краевая задача с параметром

эквивалентна интегральному уравнению Фредгольма второго рода:

где

Собственные значения и собственные функции соответствующей однородной краевой задачи совпадают с характеристическими числами и собственными функциями ядра .[8]

Системы линейных дифференциальных уравнений

Краевая задача состоит в отыскании системы функций , удовлетворяющей системе линейных дифференциальных уравнений

и краевым условиям

где — функции, непрерывные на отрезке ,

матрица

имеет ранг , — заданные числа.[9]

Численные методы решения

Большинство численных методов решения краевых задач разработано для уравнений второго порядка.

удовлетворяет дифференциальному уравнению

,

где функции находятся как решения задачи Коши

Затем находится как решение уравнения (*) удовлетворяющее начальному условию .[18][19]

Применение

Задачи о продольных и крутильных колебаниях упругого стержня приводят к краевым задачам для уравнения второго порядка, задача о поперечных колебаниях стержня — к уравнению четвертого порядка.[1] Решение уравнений в частных производных по методу Фурье приводит к задаче нахождения собственных значений и собственных функций краевой задачи, а также разложения произвольной функции в ряд по собственным функциям.[20]

Уравнения в частных производных

Обозначения

Пусть — ограниченная область в с кусочно-гладкой границей , — вектор нормали к границе , направленный во вне области , — производная по направлению нормали, . Функции удовлетворяют условиям:

Здесь — замыкание области , — множество функций, непрерывных в , — множество функций, раз непрерывно дифференцируемых в .

Уравнения гиперболического типа

Смешанная (краевая) задача для уравнения гиперболического типа — это задача нахождения функции , удовлетворяющей уравнению

начальным условиям

и граничному условию

Для существования решения необходимо, чтобы выполнялись условия гладкости

и условие согласованности

.

Решение смешанной задачи единственно и непрерывно зависит от .[21]

Уравнения параболического типа

Смешанная (краевая) задача для уравнения параболического типа состоит в нахождении функции , удовлетворяющей уравнению

начальному условию

и граничному условию

Для существования решения необходимы следующие условия гладкости

и условие согласованности

Решение смешанной задачи единственно и непрерывно зависит от .[22]

Уравнения эллиптического типа

Изучаются следующие краевые задачи для трехмерного уравнения Лапласа

.

Пусть область такова, что .

  • Внутренняя задача Дирихле: найти гармоническую в области функцию , принимающую на границе заданные (непрерывные) значения .
  • Внешняя задача Дирихле: найти гармоническую в области функцию , принимающую на заданные (непрерывные) значения и обращающуюся в нуль на бесконечности.
  • Внутренняя задача Неймана: найти гармоническую в области функцию , имеющую на заданную (непрерывную) правильную нормальную производную .
  • Внешняя задача Неймана: найти гармоническую в области функцию , имеющую на заданную (непрерывную) правильную нормальную производную и обращающуюся в нуль на бесконечности.

Аналогичные краевые задачи ставятся для уравнения Пуассона:

.

Решение внутренней и внешней задач Дирихле единственно и непрерывно зависит от граничных данных. Решение внутренней задачи Неймана определяется с точностью до произвольной аддитивной постоянной. Решение внешней задачи Неймана единственно.[23]

Методы решения

См. также

Примечания

  1. 1 2 Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 1971, с. 187.
  2. ↑ Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 1971, с. 193.
  3. ↑ Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 1971, Часть вторая, глава I, §2.
  4. ↑ Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы, 1969, Часть первая, главы I, II.
  5. ↑ Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы, 1969, с. 40.
  6. ↑ Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы, 1969, с. 38-39.
  7. ↑ Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 1971, с. 190.
  8. ↑ Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы, 1969, с. 44.
  9. ↑ Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 1971, с. 249.
  10. ↑ Калиткин Н. Н. Численные методы, 1978, с. 262.
  11. ↑ Калиткин Н. Н. Численные методы, 1978, с. 268.
  12. ↑ Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений, 1959, с. 372.
  13. ↑ Калиткин Н. Н. Численные методы, 1978, с. 276.
  14. ↑ Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений, 1959, с. 391.
  15. ↑ Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям, 1971, с. 222.
  16. ↑ На Ц. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач, 1982, глава 12.
  17. ↑ На Ц. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач, 1982, глава 2.
  18. ↑ Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений, 1959, глава 9, §9.
  19. ↑ На Ц. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач, 1982, глава 3.
  20. ↑ Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы, 1969, с. 88.
  21. ↑ Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики, 2004, §6.2.
  22. ↑ Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики, 2004, §6.3.
  23. ↑ Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики, 2004, §5.6.
  24. ↑ Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики, 2004.
  25. ↑ Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики, 1999.
  26. ↑ Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики, 1999, с. 70.
  27. ↑ Владимиров В. С., Жаринов В. В. Уравнения математической физики, 2004, §5.7.
  28. ↑ Самарский А. А. Численные методы, 1989, часть III.
  29. ↑ Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений, 1959, глава 10, §9.

Литература

Обыкновенные дифференциальные уравнения

  • Камке Э. Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям. Пер. с нем.. — 4-е изд., испр.. — М.: Наука, Гл. ред. физ-мат. лит., 1971. — 576 с.
  • Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы. — М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1969.

Уравнения в частных производных

Численные методы

  • На Ц. Вычислительные методы решения прикладных граничных задач. Пер. с англ.. — М.: Мир, 1982. — 286 с.
  • Березин И. С., Жидков Н. П. Методы вычислений. Том II. — М.: Гос. изд-во физ.-мат.лит., 1959.
  • Калиткин Н. Н. Численные методы. — М.: Наука, 1978.
  • Гулин А. В.,Самарский А. А. Численные методы:учебное пособие для вузов. — М.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1989. — 432 с. — ISBN 5-02-013996-3.

Данная страница на сайте WikiSort.ru содержит текст со страницы сайта "Википедия".

Если Вы хотите её отредактировать, то можете сделать это на странице редактирования в Википедии.

Если сделанные Вами правки не будут кем-нибудь удалены, то через несколько дней они появятся на сайте WikiSort.ru .




Текст в блоке "Читать" взят с сайта "Википедия" и доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike; в отдельных случаях могут действовать дополнительные условия.

Другой контент может иметь иную лицензию. Перед использованием материалов сайта WikiSort.ru внимательно изучите правила лицензирования конкретных элементов наполнения сайта.

2019-2026
WikiSort.ru - проект по пересортировке и дополнению контента Википедии