Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Скачиваний:
14
Добавлен:
28.03.2016
Размер:
238.04 Кб
Скачать

 

1

§16 Метод потенциалов

 

В x12 мы уже вводили объемный потенциал

 

Z

(1)

u0(x) = U(x ¡ »)½0(»)»

-

 

с плотностью ½0(»), потенциалы простого слоя и двойного слоя

Z

u1(x) =

U(x ¡ »)½1(»)dS»;

@-

 

 

 

u2(x) =@Z-

@U(x »)

 

¡

 

½2(»)dS»

@N»

(2)

(3)

с плотностями ½1(»), ½2(») соответственно.

Замечание.

1) Из теоремы 1 x12 следует, что для любой функции u(x) 2 C2(-), n ¸ 2 имеет место представление (- - ограниченная область)

u(x) = u0(x) + u2(x) ¡ u1(x); x 2 -;

(4)

½0(») = 4»u(»); ½2(») = u(»); ½1(») =

@u(»)

;

 

@N»

а также некоторое, обобщающее (4), равенство:

 

 

 

 

 

u0(x) + u2(x) u1(x) =

8 2 u(x); x 2 @-;

 

 

u x

;

x

2 -;

 

:

1 ( )

 

 

 

 

 

 

2

 

 

¡

<

0;

 

 

 

 

 

x = -:

В частности, если u(x) ´ 1, то:

Z

@N»

 

 

0;

x = -:

 

@U(x »)

 

<

1;

x

2

-;

 

 

1

 

 

@-

¡

 

dS» =

2 ; x 2 @-;

 

 

8

 

 

 

 

:

 

 

2

 

2)

(5)

(6)

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@N¡»

 

 

 

 

12)¾n

x

 

 

1» 2 ¾;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

= ¡

(n

¢ @N» ½ x

 

 

 

 

 

 

@U(x »)

 

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

 

 

j

¡

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@N» ½jx ¡1»j2 ¾ = µN»; r»½jx ¡1»j2 ¾¶ =

 

 

 

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

 

½

 

 

¡

 

 

 

 

¾

n

 

 

 

 

 

 

 

 

j

¡ j

X

h

@

 

 

 

1

 

 

X

h

 

 

n ¡ 2

 

=

 

 

 

 

 

 

=

 

 

k ¢ ¡

¢

2(»k ¡ xk)

k=1

 

k

k

[(»1

 

x1)2 + : : :]2 2

k=1

 

 

2

 

 

 

x » n

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

=

 

(n

 

2)

 

n

 

hk(»k ¡ xk)

=

 

 

 

 

n ¡ 2

 

cos(N[; r);

¡

¡

Xk

 

¡

 

x

 

 

 

 

 

j

x

¡

»

n

 

 

 

j

¡

»

1

»

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

j

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r = » ¡ x; N» = (h1; : : : ; hn);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@U(x ¡ »)

 

 

1

 

 

 

 

 

[

 

 

 

 

 

 

 

 

=

¢

 

cos(N»; r)

:

(7)

 

 

 

 

 

 

¾n

 

jx ¡ »j1

 

 

 

 

 

 

 

@N»

 

 

 

 

 

 

Аналогично находим:

Nx N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

r

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@Nx

 

 

 

¡

(n ¡ 2)¾n

¢ @Nx

½jx ¡ »j2

¾

 

 

@U(x ¡ »)

=

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

@

 

 

 

 

 

1

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@Nx ½jx ¡1»j2 ¾ = µNx; rx½jx ¡1»j2 ¾¶ =

 

@

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

n

 

 

 

n ¡ 2

 

2(xk ¡ »k)

 

 

 

n ¡ 2

 

 

cos(N[; r);

 

=

 

h

k ¢ ¡

¢

 

=

 

 

 

 

Xk

e

2

 

j

x

¡

» n

 

x

 

»

j

1

 

 

x

 

 

 

 

 

 

 

 

 

j

 

j

¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

=1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nx = (h1; : : : ; hn);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

e

 

 

@U

x

¡

»

 

 

 

 

 

1

 

 

cos(

N[; r)

 

 

 

 

 

 

 

 

(

 

 

)

=

 

 

 

x

:

 

 

 

(8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@Nx

 

 

 

 

 

¡¾n

¢ jx ¡ »j

¡

 

 

 

 

 

3) Справедлива следующая теорема:

Теорема 1.

Если поверхность @- - ограниченная, то существует такая постоянная C > 0,

что

@-

¯

@U(x

»)

¯

 

 

 

 

 

¯

¯

 

 

 

 

 

 

 

Z ¯

¡

 

¯dS» · C 8x 2 Rn:

(9)

 

@N»

 

 

 

¯

 

 

¯

 

Отметим теперь некоторые свойства потенциалов (1), (2), (3). 1) Теорема 2.

Если ½0(») 2 C1(-), то u0(x) 2 C2(-) \ C1(-) и для 8x 2 -:

4xu0(x) = ½0(x):

(10)

Замечание а) к формулировке теоремы 2

- - ограниченная область из Rn. Теорема 2 справедлива и в случае неограниченной области, если положить, например, что supp½0(») - ограниченное множество.

Замечание б)

Доказательство формулы (10) аналогично тому, как это делается в конце x13 при доказательстве того, что

4xw(x) = f(x);

 

 

3

где

Z

 

w(x) = ¡

GR(x; »)f(»)d»:

j»j<R

Заметим, что с учетом свойства функции u0(x) можно изменить формули-

ровку краевых задач для уравнения Пуассона:

 

 

 

 

 

 

 

 

4xu(x) = f(x); x 2 -;

 

 

(D)

 

 

 

 

½ uj@- = '(x); x 2 @-;

 

 

 

 

 

 

 

½

4@uxu(x) = f(x); x 2 -;

 

 

(N)

 

 

 

 

@N ¯@- = '(x); x 2 @-:

 

 

 

В самом деле, положим

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

u = v + u0(x); u0(x) = Z-

U(x ¡ »)f(»)»;

 

f(x) 2 C1(

 

) (u0(x) 2 C2(-) \ C1(

 

) в силу теоремы 2).

 

-

-

 

Тогда

 

 

4xv(x) = 0; x 2 -;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@-;

(D)

 

 

½ v @- = '(x) u0(x) = '(x); x

 

 

 

 

4xjv(x) = 0; ¡x 2 -;

e

 

2

 

(N)

 

 

½

@v

¯

 

 

@u0(x)

e

 

 

 

 

 

@N

¯@- = '(x) ¡ @N

= '(x); x 2 @-:

 

2) Теорема 3.

Потенциалы u1; u2(x) являются гармоническими функциями в Rn n @- для любых интегрируемых на @- функций ½1; ½2(»).

Замечание.

Доказательство теоремы 3 основано на том факте, что

@U

4xU(x ¡ ») = 0; 4x @N» (x ¡ ») = 0 при x 6= »:

3) Теорема 4.

Если @- - гладкая поверхность, ½2(») - непрерывная плотность, то для u2(x) справедливы следующие предельные соотношения:

(e)

lim u2(x) = u2e(x0) =

 

21

½2(x0) + u2(x0); )

(11)

(i)

lim u2(x) = u2i(x0) =

1 ½2

(x0) + u2(x0);

 

 

x!x0

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

 

x!x0

 

 

 

 

 

 

где

 

 

 

 

 

 

 

 

u2(x) =@Z-

@U(x0

»)

 

 

 

 

 

¡

 

½2

(»)dS»; x0 2 @- ¡

 

@N»

 

 

прямое значение потенциала u2(x) в т.x0 2 @-. Доказательство (схема).

Поскольку

Z

u2(x) =

@-

@U(x ¡ ») @N»

½2(»)dS» =@Z- 2(») ¡ ½2(x0)g

@U(x

»)

 

¡

 

dS»+

@N»

 

+½2(x0)@Z-

@U(x »)

dS» = w(x) + ½2(x0)@Z-

@U(x »)

 

¡

 

¡

dS»; x 2= @- (см. (6))

@N»

@N»

@
(½2(»)¡½2(x0))@N» fU(x¡»)¡U(x0 ¡»)gdS» +

4

 

 

S ,x

 

 

0

 

 

N

.

x0

r0

x

 

r

 

n

 

 

 

.

 

 

x

 

то

 

½2(x0); x 2

-

;

u2

(x) = w(x) +

 

 

½

0;

x 2= -:

Покажем теперь, что функция w(x) непрерывна в т.x0 2 @-, т.е.

9± > 0, что как только jx ¡ x0j < ±, то jw(x) ¡ w(x0)j < ", x0 2 @-.

Z Z

w(x)¡w(x0) =

(¤)

8" > 0

: : : ;

@-

 

 

 

 

 

 

@-

 

j»¡x0j<±

 

½ x »»1

¡

 

 

j»¡x0j¸±

@N» fU(x ¡ ») ¡ U(x0 ¡ »)g =

¾n

x0

» 1 ¾;

@

 

1

 

cos(N ; r)

cos(N»; r0)

 

 

 

j ¡ j

 

j

¡ j

 

Пусть jx¡x0j < 2± , тогда jx¡»j ¸ j» ¡x0j¡jx¡x0j ¸ ± ¡ 2± = 2± . Следовательно, 8" > 0 9± > 0, что как только jx ¡ x0j < 2± , то |2слаг.|<3" Далее:

j1слаг.j · ¯¯¯¯ Z (½2(») ¡ ½2(x0))@U(x ¡ »)dS»¯¯¯¯+ @N»

@- j»¡x0j<±

 

 

 

+¯

@Z-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@U(x0

 

»)

 

 

¯

 

 

"

 

"

 

 

 

 

 

 

 

 

(½2(») ¡ ½2(x0))

 

 

 

¡

 

 

 

dS»

<

 

 

+

 

 

(в силу (9));

 

 

 

 

 

 

 

 

@N»

 

 

 

3

3

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯»

 

x0

j

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯j ¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¯

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

т.е. w(x) непрерывна в т.x0 2 @-.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из (¤) получаем:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@Z-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

 

lim u

(x) = u

 

(x

) = w(x

) + ½

 

(x

) =

½

(»)

@U(x0

»)

dS

»¡

 

 

 

 

 

 

 

(

)

x!x0

 

2

 

 

 

2i

0

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

2

 

 

0

 

 

2

 

 

 

@N»¡

 

 

 

 

 

 

¡½2(x0)@Z-

@U(x0

 

 

»)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

dS» + ½2(x0) =

 

½2(x0) + u2(x);

 

 

 

 

 

 

@N»

 

 

 

2

 

e

lim u

(x) = u

 

(x

) =

¡

1

½

(x

) + u

(x);

что и требовалось доказать.

( )

x

 

x0

2

 

 

 

 

2e

 

0

 

 

2

 

 

2

 

0

 

 

 

2

 

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4) Потенциал u1(x) обладает следующими свойствами:

а) Если @- - достаточно гладкая поверхность, плотность ½1(») непрерывна на @-, то u1(x) непрерывна во всем пространстве Rn.

б) Если обозначить через V (x) нормальную производную от u1(x), x 2= @-

V (x) =

@u1(x)

=

@Z-

½

(»)

@U(x ¡ »)

dS

;

 

 

 

@Nx

1

 

@Nx

»

 

то справедлива следующая

Теорема 5.

5

Если @- - достаточно гладкая поверхность, плотность ½1(») непрерывна на @-, то на поверхности @- потенциал u1(x) имеет правильную нормальную производную (как изнутри, так и снаружи @-), при этом справедливы следующие предельные соотношения:

(e)

lim V (x) = V (x ) = 1 ½ (x ) + V (x );

9

(12)

(i)

lim V (x) = V

(x

) =

1

½ (x

) + V (x

);

=

 

 

x

x0

i

 

0

 

 

¡2

1

 

0

 

 

 

 

 

0

 

 

 

!

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x

x0

e

0

 

2

1

0

 

0

 

 

 

где

!

 

@Z- ½1(»)

@U(x0

»)

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

V (x0) =

 

¡

 

 

dS» ¡

 

 

 

 

 

 

 

@Nx0

 

 

 

 

 

 

прямое значение нормальной производной потенциала u1(x) в т.x0 2 @-. Рассмотрим теперь применение потенциалов при нахождении решений за-

дач (D) или (N):

 

 

 

 

 

 

 

 

4xu(x) = 0; x 2 -;

(D)

 

½ uj@- = '(»); » 2 @-;

 

 

4@uxu(x) = 0; x 2 -;

 

(N)

 

¯

@- = '(»); » 2 @-:

 

 

½ @N

 

Здесь - - ограниченная (или¯

неограниченная) область; @- - ограниченное

множество; '(») - непрерывная функция, » 2 @-.

 

Предположение.

 

 

 

 

 

 

 

Будем искать решение задач Di, De в виде

 

 

 

 

 

@Z- ½(»)

@U(x

»)

 

 

 

u(x) =

¡

 

dS»;

(13)

 

@N»

 

задач Ni, Neв виде:

u(x) = Z

 

 

 

 

 

 

½(»)U(x ¡ »)dS»;

(14)

@-

½(») - непрерывная на @- функция.

Ясно, что, как в первом, так и во втором случае

 

 

4xu(x) = 0; x 2= @-:

 

 

 

 

 

В случае задачи D имеем (см. формулы (11)):

 

 

 

 

 

 

 

(i) lim

u(x) = ui(x0) = '(x0) =

1

½(x0) +

Z

½(»)

@U(x0 ¡ »)

dS»;

 

 

x0!@-

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

@N»

x x0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

@-

 

 

 

 

 

т.е.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Di) : ½(x) + 2@Z- ½(»)

@U(x

 

»)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

dS» = 2'(x); x 2 @-;

@N»

 

 

 

II)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(De) : ½(x) ¡ 2@Z- ½(»)

@U(x

»)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

¡

 

 

 

dS» = ¡2'(x); x 2 @-:

 

@N»

 

 

 

Аналогично, для задачи N получим (см. формулы (12)):

 

 

 

III)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(N

) : ½(x)

2 ½(»)

@U(x ¡ »)

dS

 

=

 

2'(x); x

 

@-;

 

i

 

¡ @Z-

 

@Nx

 

 

 

 

 

»

 

¡

 

 

2

 

 

6

IV)

(N

) : ½(x) + 2 ½(»)

@U(x ¡ »)

dS

 

= 2'(x); x

 

@-:

e

@Z-

@Nx

»

 

2

 

Интегральные уравнения I)-IV) - интегральные уравнения теории потенциалов. Найдя их решения, по формулам (13), (14) найдем решения задач D, N. К уравнениям I)-IV) применимы теоремы Фредгольма. Краткие выводы таковы.

Если @- - достаточно гладкая поверхность, то задачи Di и Ne разрешимы при любых непрерывных функциях '(x) и эти решения можно представить в виде (13), (14).

Пусть @- - достаточно гладкая поверхность. Тогда необходимым и достаточным условием того, что задача Ni имеет решение является условие

Z

'(x)dSx = 0;

@-

при этом решение задачи Ni представляется в виде (14).

При определенных условиях однозначно разрешима задача De.

Пример.

Пусть

- = R+n = fx = (x0; xn); x0 2 R1; xn > 0g:

Рассмотрим в области - задачи Di, Ni

 

 

4xu(x) = 0; x 2 R+n ;@u

¯

= '(x0); x0 2 R1:

cos(N»; r0) = 0, cos(Nx0 ; r0) = 0

½ ujxn=0 = '(x0) или @N

¯xn=0

x n

x x2, ... ,xn-1

x0 =(x0,0 )

x1

N =( 0, - 1)

(Di): ½(x00) = 2'(x00), (Ni): ½(x00) = ¡2'(x00).

По формулам (13), (14) находим (см. также, формулу (7)):

Z

(Di) : u(x) = 2 '(»0) cos(N»; r) 0 =

¾njx ¡ »j1

= ¾n

nZ 1

 

 

 

 

R1

 

 

 

nZ 1

jx ¡ »0

jn 0

 

 

'(»0)jx ¡» »jn 0 = ¾nn

;

 

 

2

 

 

 

 

 

(N ; r)

 

 

2x

 

'(» )

 

 

 

 

 

 

 

R ¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R ¡

 

 

 

 

 

 

 

» = (»0; 0); r = » ¡ x = (»0 ¡ x0; ¡xn);

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(N

) : u(x) =

 

2

'(»0)

 

¡1

 

1

 

 

0

=

¡

¢

(n ¡ 2)¾n ¢ jx ¡ »j2

i

 

 

 

 

 

nZ 1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R ¡

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

= (n ¡ 2)¾n

nZ 1

jx ¡(»j02 0

;

nZ 1

'(»0)0 = 0:

2

 

' » )

 

 

 

 

 

 

R ¡

 

 

 

R ¡

 

Замечание.

1)сравнение метода потенциалов и метода функций Грина.

2)о численном решении интегральных уравнений.

Соседние файлы в папке 2011-03-24