Сандаков Методы решения задач по теме Интегралные уравнен 2012

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

Е.Б. Сандаков, Ю.Н. Гордеев, В.М. Простокишин

МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПО ТЕМЕ «ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, КРАЕВЫЕ И СПЕКТРАЛЬНЫЕ ЗАДАЧИ»

Учебно-методическое пособие

Москва 2012

3

Первое занятие.

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ.

ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ТЕОРЕМЫ СУЩЕСТВОВАНИЙ

Интегральные уравнения содержат искомую функцию под знаком интеграла.

Пусть G − ограниченная область из Rn с кусочно-гладкой границей. Рассмотрим линейные интегральные уравнения вида

функции, определенные, соответственно, в G и G ×G ; μ − комплексное число (параметр). Функция K(t, s) − ядро интегрального уравнения, а функция y(t) − свободный член уравнения.

Интегральные уравнения (1) и (2) − линейные интегральные уравнения Фредгольма, соответственно, первого и второго рода.

Пусть n =1, а G = (a, b). Тогда уравнения (1) и (2) примут вид

a

4

называются линейными интегральными уравнениями Вольтерра, соответственно, первого и второго рода.

Замечание 1. Очевидно, что уравнение Вольтерра можно рассматривать как уравнение Фредгольма, в котором ядро K(t, s)

удовлетворяет условию:

K(t, s) = 0 при s > t.

Решением интегральных уравнений (1), (2), (3), (4) будет функция ϕ(t), которая будучи подставлена в эти уравнения обращает их

в тождество (по t).

Для интегрального уравнения Вольтерра второго рода справедлива теорема 1.

Теорема 1. Если ядро K(t, s) интегрального уравнения (4) Вольтерра второго рода непрерывно в квадрате P ={(t, s) : a ≤ s, t ≤ b}

(a и b конечны), то для любого числа μ и для любой функции y(t) C[a, b] существует единственное непрерывное решение x(t)

уравнения (4), причем это решение может быть найдено методом

последовательных приближений, т.е. x(t) = lim xn(t) (сходимость

n→∞

по норме пространства C[a, b], т.е. равномерная), где xn(t) задает-

ся рекуррентным соотношением

t

xn(t) = μ∫K(t, s)xn−1(s)ds + y(t), n =1, 2,...,

a

а x0(t) − произвольная непрерывная на [a, b] функция.

Для интегрального уравнения Фредгольма второго рода решение, как будет показано дальше, может существовать не для любых μ, а в случае его существования может быть не единственным. Тем не менее следующая теорема дает условия, при которых решение уравнения Фредгольма второго рода всегда существует и единственно.

Теорема 2. Если ядро K(t, s) интегрального уравнения (2) Фред-

гольма второго рода определено и непрерывно в G ×G, и μ < d1 ,

где

5

d = max ∫ K (t, s) ds,

t G G

то для любой функции y (t ) C (G) существует единственное решение x (t ) C (G) уравнения Фредгольма второго рода (2), причем это решение может быть найдено методом последовательных

приближений, т.е. x (t )= lim xn (t ) (сходимость по норме про-

n→∞

странства C (G), т.е. равномерная), где

xn (t )= μ∫K (t, s)xn−1 (s)ds + y (t ), n =1, 2, ... ,

G

а x0 (t ) − любая непрерывная в G функция.

Пример 1.1. Составить интегральное уравнение, соответствующее следующему дифференциальному уравнению с заданными начальными условиями:

ное уравнение

t

ϕ(t )= t −sin t +et (t −1)+ ∫ sin t −et (t − τ) ϕ(τ)dτ.

0

6

Пример 1.2. Методом дифференцирования решить следующее интегральное уравнение:

t

x (t )= 2∫0 (2t +1)2 x (s)ds +1.

Решение. Дифференцируя данное интегральное уравнение Вольтерра, получим

x′(t )= 2t2+1 x (t )−8∫t ( 2s++1)3 x (s)ds.

0 2t 1

Воспользовавшись заданным уравнением, перепишем это уравнение в виде

x′(t )= 2t2+1 x (t )− 2t4+1 x (t )+ 2t4+1 ,

Решая ее стандартным методом [7], получим x (t )= 42tt ++11.

Второе занятие.

ИТЕРИРОВАННЫЕ ЯДРА. РЕЗОЛЬВЕНТА ОПЕРАТОРА

7

Тогда уравнение (2) в операторной записи примет вид x (t ) =μTx + y (t ).

Пусть даны два интегральных оператора T1 и T2 с непрерывными ядрами K (t, s) и L (t, s), т.е.

Теперь можно определить произведение операторов T2T1 :

Таким образом, ядро оператора T2T1 находится по формуле

K (t, s)= ∫L (t, s1 )K (s1, s)ds1.

G

Введем итерированные ядра, соответствующие целым положительным степеням оператора T, заданного формулой (5), причем основное ядро K (t, s) обозначим для симметрии через K1 (t, s):

K1 (t, s)= K (t, s); Kn (t, s)= ∫Kn−1 (t, s1 )K1 (s1, s)ds1. (50)

G

8

Это равенство можно переписать в виде

n=1

резольвента уравнения (2).

Пример 1.3. Построить резольвенту для интегрального уравнения Фредгольма второго рода

π2

x (t )= λ ∫ (sin t cos s)x (s)ds + y (t ).

0

Решение. Резольвента интегрального уравнения Фредгольма второго рода вычисляется по формуле (60). Следовательно, для нахождения резольвенты необходимо вычислить итерированные ядра Kn (t, s). По формуле (50)

Методом математической индукции нетрудно показать, что

Таким образом, резольвента заданного интегрального уравнения имеет вид

9

Пример 1.4. Найти резольвенту для интегрального уравнения Вольтерра второго рода

t

x (t )=λ∫at−s x (s)ds + y (t ), a > 0.

0

Решение. Согласно формуле (60) резольвента Γ(t, s, λ) имеет

∞

вид Γ(t, s, λ)= ∑λn−1Kn (t, s), где Kn (t, s) − итерированные яд-

n=1

ра, которые могут быть вычислены по формуле:

t

Kn (t, s)= ∫Kn−1 (t, s′)K1 (s′, s)ds′.

Подставляя выражения Kn (t, s) в (60), получим

Пример 1.5. С помощью резольвенты найти решение интегрального уравнения

t

x (t )= ∫at−s x (s)ds + 2t et.

0

Решение. Согласно примеру 1.4 резольвента заданного интегрального уравнения Вольтерра второго рода имеет вид

Γ(t, s, λ)= at−s eλ(t−s).

10