Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги из ГПНТБ / Крылов, В. И. Методы приближенного преобразования Фурье и обращения преобразования Лапласа справочная книга

.pdf
Скачиваний:
39
Добавлен:
19.10.2023
Размер:
7.61 Mб
Скачать

40

МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО ОБРАЩЕНИЯ

[ГЛ. 3

сходимости

может

быть применена только что сформули­

рованная теорема.

Будем считать, что отрезок

I лежит

внутри [ — я, я].

 

Так как

множитель,

стоящий

справа

в (3.1.18)

перед

g(cos0),

непрерывен

на / и принимает

значения, не меньшие положительного числа, то непре­ рывность G (в) на / равносильна непрерывности там g (cos 0). Кроме того, этот множитель, очевидно, имеет ограничен­

ное изменение на /, и поэтому

ограниченности изменений

G (0) и g (cos 0) равносильны.

 

то

Если воспользоваться двумя приведенными теоремами,

относительно

возможности

разложения функции ср (х)

в

ряд (3.1.16)

по смещенным

многочленам Якоби или,

что равносильно, относительно сходимости последователь­ ности приближений qn(x) к ф(х) можно высказать приво­ димую ниже теорему.

Т е о р е м а 3. Пусть для функции ф(х),

0 ^ x s g ;l ,

выполняются условия:

 

1) имеют конечное значение интегралы

 

1

 

J х“ (1 — х)р | q> (*) | dx,

 

о

 

1

 

J х?!2 — (1 — лг)Р/2 —1/4 [ ср (х) | dx;

 

о

[0, 1], ф (х)

2) на отрезке I —[с, d\, лежащем внутри

имеет ограниченное изменение.

Тогда для всякой точки х, лежащей внутри I, верны равенства

 

 

СО

 

 

 

 

 

 

 

lim qn (х) =

У

 

P t (ot' р) (х) =

 

 

 

 

 

* = о

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— тг [ф (* + °) + Ф (* — 0)].

(3.1.20)

Если,

кроме

того,

ф (х)

непрерывна

на

I, то на всяком

 

 

 

 

 

 

/

 

1

\

отрезке вида c + 6 s c ;x ^ d — 6 (0 <С б <

у (d c)j равно­

мерно относительно х

будет верно равенство

 

 

 

 

 

СО

 

 

 

 

 

lim qn(x) =

 

2

 

Р) м =

ф м .

(3.1.21)

п

со

 

 

 

 

Возвратимся,

наконец,

к исходной задаче

о нахожде­

нии функции f(t)

по

изображению

F (р), определенному

§ з.и ПРИМЕНЕНИЕ ОРТОГОНАЛЬНЫХ МНОГОЧЛЕНОВ 41

равенством

(3.1.1).

Для

этого в

равенстве

вида (3.1.3)

с весовой

функцией со (х) — х* (1 — х)р заменим перемен­

ную х, положив х — е~(:

 

 

 

 

 

СО

 

 

 

 

F (р) =

$ е- pter <*+О<(1 _ e-tf f (t) dt.

 

о

 

 

 

Такая же замена должна быть сделана в

интегралах,

участвующих в условии

1) теоремы 3. Вычисления опу­

скаем ввиду их простоты.

 

 

 

Теорема

3 позволяет

сказать,

что для интересующей

нас задачи верным является приводимое ниже утверждение.

Пусть по значениям в целых точках i (t = 0, 1, 2 ,...)

изображения F (р) и многочленам Pt (“' Р) по правилам (3.1.15) и (3.1.12) вычислены величины rk и ak и состав­ лены функции

П

 

 

7п(е

0 =

2

ak

 

 

 

 

 

rk />:«*• р) (е~ %

 

которые принимаются за приближения к f{t).

 

Если выполняются условия:

 

 

 

1) имеют конечное значение интегралы

 

 

 

5е-(* + 1)/(1_

в-/)Р| f(t)\dt,

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

00

2 (“ + ! ) '( !

 

7

1/(7); dt,

 

 

 

2)

на

отрезке

[с, d]

(О <С с <

rf < со)

функция f(t)

имеет ограниченное изменение,

 

 

 

то при всяком t, c<t<Zd, верно равенство

 

 

СО

 

 

 

 

 

 

 

Пт ,„(«-')= У

А й » ' и (0 ')=

 

 

 

 

А= 0

*

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

у [/(* + 0 ) + /( 7 - 0 ) ] .

Если же, кроме того, функция / непрерывна на [с, d],

то при всяком б ^0 <

б

 

(d —с)]

равномерно относи­

тельно t

на

отрезке

c - \ - b ^ t ^ d —б

имеет

место схо­

димость

 

 

П т

qn{e-‘)=f{t).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

П~*оо

 

 

 

 

 

42

МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО ОБРАЩЕНИЯ

[ГЛ. 3

В следующих трех пунктах будут рассмотрены частные случаи многочленов Якоби — многочлены Лежандра, мно­ гочлены Чебышева первого и второго рода, представляю­ щие в вычислениях специальный интерес. В этих случаях вычисления могут быть выполнены с несколько большей полнотой.

3.1.3.

Обращение

преобразования Лапласа

с

помощью

смещенных многочленов Лежандра. Рассмотрим частный

случай

весовой функции

(3.1.9),

когда а = р = 0:

 

 

 

 

 

со (х) = 1

или

Р (t) = е~*.

 

 

 

Многочленами,

ортогональными

на отрезке [0,

1]

с

весом

со (л:) =

1,

будут смещенные многочлены Лежандра Р%(х).

Они задаются

формулой

(3.1.10)

при сг = 0, р =

0

или же

формулой

 

 

 

 

 

 

 

PJ (*) =

( - ! ) »

У ( _ 1)* (п+ В (" + 2 ) _ + А)

 

=

 

 

 

 

 

 

 

('n+k)\ k

 

 

 

 

 

 

n\k\

х

Величина

гп в этом случае равна

 

 

 

Г(/г + Ю+1)Г (и + Р +1)

=

 

 

 

пп\ (2п + а + Р + 1 ) Г ( л + а + р + 1 )

Г(я + 1)Г(я+1) ....

1

п\ (2 я+ 1) Г (п+1)

2я + 1 ’

и разложение функции f(t) по смещенным многочленам Лежандра имеет вид

СО

 

/(0= 23 ( 26+ 1) 0^ 1( 0 .

(3.1.22)

£ = 0

Величины ak вычисляются по формуле (3.1.15), в которой а<*> — коэффициенты смещенного многочлена Лежандра

Pt (х).

3.1.4.

Обращение

преобразования Лапласа с

помощью

смещенных многочленов

Чебышева

первого рода.

Поло­

жим теперь

а = р = —1/2.

Весовая

функция имеет вид

со (х) — х~ 1/2(1 — х)~ 1/2 и Р (/) = е~t/2(1 — е-*у~1/2. Смещен­

ные многочлены Чебышева

первого

рода Т% (х) являются

ортогональной системой на [О, 1] по весу х~ ,/2 (1 —х)~'/2,

§ 3.1]

ПРИМЕНЕНИЕ ОРТОГОНАЛЬНЫХ МНОГОЧЛЕНОВ

 

43

Многочлены

Якоби P l{ 1/2,

 

1/2)(х) отличаются

от Т%(х)

только численным множителем,

а именно

 

 

 

 

 

 

 

р* (- 1/2, - 1/2)

(х) = СпП(х),

 

 

 

 

где

 

4

П

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Г (2л)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Сп- 2 2 п- 1 Г (л) Г (л + 1) •

 

 

 

 

 

Многочлены

Т%(х) имеют вид

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

okn(n + l) ■■■(ti—k—l)

k

 

 

 

 

 

 

(2k

1)11

х

 

Значения гп вычисляются по формулам

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rn= \ x ~ m i1-

X)-1/2 [П (x)f dx = ~

(п ф О,

г0=

Я),

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а разложение функции /(/)

 

по смещенным

многочленам

Чебышева первого рода имеет вид

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

(3.1.23)

 

 

f(t) = п

 

 

 

 

 

 

Коэффициенты ak (k — Q, 1 ,...)

вычисляются

по формуле

(3.1.15),

в которой а <А) — коэффициенты

смещенного

мно­

гочлена Чебышева первого рода ТЦх).

 

 

 

 

 

В вычислениях удобнее

пользоваться

тригонометриче­

ской записью

многочленов

Т% (х), а именно:

 

 

 

 

 

Тп (х) — cos [п arccos (2л- — 1)].

 

 

(3.1.24)

Сделав

замену

переменной

 

2л: — 1 = cos 0

(0 ==£ 8 ==^ л) и

учитывая, что х = е~*, t = —2 In cos у , разложение (3.1.23)

можно переписать в виде

f [—2 In cos у

(3.1.25)

3.1.5.Обращение преобразования Лапласа с помощью

смещенных многочленов Чебышева второго рода. Для

а Р = 1/2 весовая функция со (х) и соответственно (3 (t) имеют вид

CO (.V) = Л1/2 ( 1 - л )'/2 ,

р (/) = е-31/2 ( 1 _ g -ty /2 '

44

 

МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО ОБРАЩЕНИЯ

[ГЛ. 3

на

Ортогональной

системой

многочленов

по

этому весу

отрезке [0,

1]

является

система смещенных

многочле­

нов

Чебышева

второго рода U%(ж), которая

отличается

от смещенных

многочленов

Якоби Д*<1/2,

1/2)

только по­

стоянным множителем

 

 

 

p*(U2. т {х)г=Сяц* {х}>

где

г(2п+1)1

°п 2алл! (я+ 1)!'

Многочлены U* (х) можно вычислять по формуле

U%(x) =

(—1)п 2Л (2«+ 1)4

у

,

n J »

\ 2*(n + 2)...(n + fe +

l) ь

“ (п+ 2)(л + 3)...(2пН-1) L

1

\k)

(2ft+1)11

 

Для многочленов U%(х) величина гп вычисляется по фор­

муле

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гп= \ Xх'2(1 -

*)1/2 [U%(x)f dx = |

,

 

а разложение

/(() по этим многочленам

имеет вид

 

 

 

 

00

 

 

 

 

 

 

 

/( 0

= 4

2

akVHe-<).

 

(3.1.26)

 

 

 

k—O

 

 

 

 

 

Коэффициенты

ak вычисляются

по формуле

(3.1.15),

где

а<М — коэффициенты

смещенного

многочлена Чебышева

второго рода.

Для многочленов U* (х) также удобнее пользоваться тригонометрической записью

U%(x) = sin [(« -j-1) arccos (2х— 1)]

(3.1.27)

2 (1 — х)

 

Разложение (3.1.26) в этом случае примет вид

 

СО

 

/(--21ncos4) = jr|ry-2 ^ sin(^+l)e-

(ЗЛ-28)

£ = 0

 

где сделана та же замена переменной, что и в предыду­ щем случае.

§ 3.1]

ПРИМЕНЕНИЕ ОРТОГОНАЛЬНЫХ МНОГОЧЛЕНОВ

45

3.1.6. Другой способ вычисления коэффициентов а,,. Вернемся к разложению функции /(/) в ряд по смещен­ ным многочленам Якоби, т. е. к формуле (3.1.16), и вы­ ясним, какое разложение функции F (р), являющейся преобразованием Лапласа функции р (/) f (/), соответствует разложению (3.1.16). Для этого разложим в ряд по сме­ щенным многочленам Якоби функцию хр(Re р Эа 0):

СО

хр= У Ь - Р \{а'*\х),

' k

bk= \x a ( \ - x f x pP tia’ ®{x)dx.

о

Для вычисления Ьк воспользуемся формулой (3.1.10) для

многочленов Р%{а’ Р)(х),

тогда получим

 

1

 

 

 

bk— ^ ха (1 — х)$ хр

х~а (1 — х)-& х

 

о

 

1

 

 

 

 

 

X

[дг“+* (1 — х)^к] dx = -——

? хр

[xa+ft (1 — я)^*] dx

 

dx*

k\

J0

dxk

Теперь, проинтегрировав по частям k раз, получим

Ьк = р (р -')"Л Р -к + \)

J xpHx( l - x ) ^ kd x ^

 

 

о

Г(р + а + 1)Г(^ + р+1) (Р\

 

 

 

 

 

 

Г (p-f-“ + P + fe + 2) \ k ) ‘

Таким образом, разложение хр по многочленам Рп(а" Р) (х) имеет вид

хр= 1

Г (р + сс+ 1) Г (fe-{-p-|-1)

Р р* (°. Р)

(*)>

(3.1.29)

гАГ (&-t-p + a-f-P-|-2)

4 k

 

feesГ

 

 

А

 

 

 

 

где rk определяется формулой (3.1.12).

 

 

 

 

З а м е ч а н и е .

Обозначим Lp (.*) множество

функций

/, опреде­

ленных на отрезке

[а, b] и интегрируемых

там с квадратом по весу

р(х). Пусть ортонормируемая система функций

ц>к (х) ( k = l ,

2, ...)

замкнута в множестве Lp(X), т. е. такова,

что для f <= Lp (Х)

верно

46' МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО ОБРАЩЕНИЯ [ГЛ. 3

равенство Парсеваля

 

со

ь

 

 

ь

 

 

 

 

 

2 f % = \ p ( x) f 2 W dx>

f k = \ p ( x) f (*) ф* (ж) dx.

 

(*)

 

k=\

а

 

 

а

 

 

 

 

Тогда для всяких двух

функций f{x) и g(x),

принадлежащих

Lp (*),

верно обобщенное равенство Парсеваля

 

 

 

 

 

 

 

со

Ь

 

 

 

 

 

 

 

2

fkgk = \ p ( x)f(.x) g ( x)dx.

 

(**)

 

 

k = I

а

 

 

 

 

 

Для доказательства

рассмотрим функцию /-f-g. Так как она при­

надлежит Lp(X),

для

нее, ввиду (*), верно

равенство

 

 

Ь

 

 

 

со

со

 

со

со

 

a

 

 

 

^ ( f k + S k ) 2 = 2

/1+2 £ fkgk+

2

gh

 

 

 

k —1

k — 1

k = 1

k — 1

С другой

стороны,

 

 

 

 

 

 

 

Ъ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

$/>(*) I/ W x g W ] 2 +

=

 

 

 

 

 

 

a

b

 

 

b

 

 

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=

$ P (*) P (x) dx+ 2 ^ p (x) f (x) g (x) dx +

$ p (x) g2 (x)dx =

 

 

a

 

 

a

b

 

a

 

 

 

 

 

 

со

 

 

oo

 

 

 

 

 

= 2

/1+ 2 jp(*)/ (*)g(*)dx+ 2

gk.

 

 

 

 

k—l

a

 

k —\

 

Из сравнения правых частей двух последних равенств сразу же сле­ дует (**).

Воспользуемся теперь обобщенным равенством Парсе­ валя, применив его к разложениям (3.1.16) и (3.1.29):

1

F (р) = $+* (1 — *)Рф (х)хр dx =

 

 

&Фk __

 

Г (р + к + 1) Г (fe +

p +

1)

Р

 

 

 

 

 

 

k=o

 

 

Г (Р+ 01 + Р Ч—* 2)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

k\ (2fe +

« +

1)Г (fe-f-a-f-p + 1) Г ( р + и - |- 1) Г (feЧ-Р~Ь 1)

X

 

 

 

Г ( й + а + 1 )

Г (fe + p+ l) Г (р+

а-ЬР + й+ 2)

 

 

й = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

ak = Г Н~« + 1) 2

+ а + Р + 1) X

 

 

У

fe' Г (fe + a + p+

1) р (р— 1),,. (р— Р +

1)

__г /

|

i n

v

 

Х

 

Г ( й + а + 1)Г (р + а + р + й-|-2)Н

 

йк

М Р + “ + 1 ) Х

 

 

СО

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А2= 0

/ оа I „ , й , 1чГ ( й + а + р + 1 ) р ( р - 1 ) . . . ( р - й + 1 ) „

 

X

(2^ +

а + р + 1)

р

 

 

р

fe

2

ак

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(3.1.30)

§ 3.1] ПРИМЕНЕНИЕ ОРТОГОНАЛЬНЫХ МНОГОЧЛЕНОВ 47

З а м е ч а н и е . Неравенством Шварца — Буняковского ( Буняков-

скогоКоши) для сходящихся бесконечных рядов называется нера­ венство

СО СО СО

2

(«А)2^ S

2]

п = 1

 

п = \

п = 1

где ап и Ь„—коэффициенты

рядов.

сходящихся интегралов яв­

Аналогом того же

неравенства для

ляется неравенство

 

 

 

ь

\ 1/2

■ \ f ( x ) g ( x ) d x ^

J[f(x)]»d*

$[*(*)]*

а

\ а

/

Используя неравенство Шварца —Буняковского, можно показать, что последний ряд сходится абсолютно и равно­ мерно в полуплоскости Re р 5= 0.

В частности, если р положить равным целому поло­ жительному числу п, то разложение (3.1.30) примет вид

F (п) = п\ Г (n + a-j- 1) х

X

Vi

Г (fe-)-a-|-p4~ 1)

ak.

(3.1.31)

 

L

( n--kt) \ Г(й + а + 1 ) Г (n-{-a+ $ + k + 2)

 

 

Полагая в (3.1.31) п = 0, 1 ,2 ,..., получим бесконечную треугольную систему уравнений относительно коэффи­ циентов ak. (Заметим, что предполагается 01=1.)

Для того чтобы коэффициент при ап в n -м уравнении системы сделать равным 1, систему (3.1.31) перепишем

ввиде

Г(2п-{- та-{-р-f-1) р , ,

nl Г (п+ сх + р+ 1)

и ;

 

 

Г (п-\-а + 1) ^

(2£+ « + Р + 1)Г(2я + к + р -Н )

X

 

 

(n— k)1Г (n-j-a + p + l)

 

 

 

Г(6 + а + р + 1)

 

X

Г (й + а + 1) Г (rt+ a-|-f5-ffe-|-2) ak.

(3.1.32)

Системой (3.1.32) можно пользоваться для нахождения коэффициентов ak разложения (3.1.16).

В случае разложения по смещенным многочленам Ле­ жандра в (3.1.32) положим а = р = 0; тогда коэффициенты

48 МЕТОДЫ ЧИСЛЕННОГО ОБРАЩЕНИЯ [ГЛ. 3

ак разложения (3.1.22) вычисляются

из системы

Г ( 2 я +1)

F {

-

П

(2fe+l) Г(2д + 1)

V

nl Г ( я + 1)

v

>

Z j

( n - k ) \

Y(n + k + 2) Uk

(n = 0, 1, 2, ...),

или

n

(3.1.33)

Для разложений (3.1.25) и (3.1.28) по смещенным мно­ гочленам Чебышева первого и второго рода нельзя полу­ чить систему для определения ak непосредственно из (3.1.32), так как эти многочлены отличаются от многочле­

нов р р ~ 1/2’ _1/2) (х) и 1/2) (х) постоянным множите­ лем. Но, проделав аналогичные выкладки, можно полу­ чить треугольные системы уравнений для определения коэффициентов ак разложений (3.1.25) и (3.1.28). Для

разложения (3.1.25) система имеет вид

П

ак (п = 0, 1, 2,...),

(3.1.34)

для разложения (3.1.28) —вид

П

3.1.7. Замечание о приведении полуплоскости регуляр­ ности изображения к виду R e /> ^ 0 (рфсю). Во всех пре­ дыдущих пунктах мы рассматривали задачу восстановле­ ния функции /((), если известно преобразование Лапласа

F (р) функции f (t) с весовым множителем §(/), т. е. функ­ ции Р (() f (t), причем абсцисса абсолютной сходимости равнялась нулю. Но чаще всего на практике известно преобразование Лапласа F (р) функции /(/) с некоторой абсциссой абсолютной сходимости уа, не обязательно рав­ ной нулю, а именно известно, что преобразование рас­ сматривается в условиях

СО

F{p) = ] erPtftydt, R epS=y0> 7 a -

(3.1.36)

о

 

§ 3.1]

ПРИМЕНЕНИЕ ОРТОГОНАЛЬНЫХ МНОГОЧЛЕНОВ

49

В этом случае поступаем следующим образом. Исполь­ зуя теоремы подобия и смещения для преобразования Лапласа, соотношение (3.1.36) перепишем в виде

hF (у,, + ph) = е~4h f ( ^ j e-ptdt

(3.1.37)

о

 

для любого h > 0. Абсцисса абсолютной сходимости ин­ теграла (3.1.37) будет равна нулю.

Теперь для того, чтобы получить разложение функции

/ (д ) в классе многочленов, ортогональных с весом р (t),

соотношению (3.1.37) придадим вид

СО

 

hF (То+ p h )= \ е-Р‘ р (t) ф (t) dt,

(3.1.38)

О

где

(3.1.39)

или

Для функции ф (t) получим разложение по многочленам, ортогональным с весом р (t), по схемам, описанным в пре­ дыдущих пунктах.

Тогда разложение для функции /

получится умно­

жением разложения

для ф (/) на Р (/)

как видно из

формулы (3.1.39).

 

 

Положим h То >

То и рассмотрим разложения функции

/= р (t) е^ф (t) по смещенным многочленам Лежандра,

смещенным многочленам Чебышева первого и второго рода. Для многочленов Лежандра Р%(е^) разложение для функции ф(/) имеет вид (3.1.22), весовая функция р (t) =

= ег4, поэтому

;({■ ) = р ( о ( о= ф (о = 2 {2k+ a«Pt («"О- (з- Ь40)

Соседние файлы в папке книги из ГПНТБ