Вычисление собственных чисел и собственных функций опрератора Штурма-Лиувилля на полуоси
Абзалимов Р.Р.
В настоящей работе предлагается метод расчета приближенных собственных чисел и собственных функций краевой задачи на полуоси для дифференциального уравнения второго порядка. Для численного расчета собственных чисел интервал
заменяется на
, после чего задача решается на конечном отрезке. Точность приближенных собственных чисел будет зависеть от выбора граничного условия в точке R.
I. Регулярная задача
Рассмотрим следующую краевую задачу:
, (1.1)
, (1.2)
. (1.3)
Здесь предполагается, что q(x) кусочно-непрерывна на [a, b]. Наряду с данной задачей рассмотрим дифференциальные операторы вида:
, (1.4)
с граничными условиями
, (1.5)
, (1.6)
где
. (1.7)
Под собственными функциями краевой задачи (1.4)-(1.6) будем понимать функцию y(x), удовлетворяющую следующим условиям (см. [1]):
;
;
удовлетворяет граничным условиям (1.5) и (1.6);
удовлетворяет так называемым условиям сопряжения
(1.8)
В каждом интервале
решения
уравнения (1.4) имеют вид:
. (1.9)
Из условий сопряжения (1.8) и (1.9) имеем:
, (1.10)
где
,
выписываются явно (i=1,2; j=1,2; k=1..N). Таким образом, получаем:
(1.11)
Из первого краевого условия получаем зависимость
от
, затем, подставляя во второе краевое условие (1.6), получаем уравнение для собственных значений задачи (1.4)-(1.6):
, (1.12)
где
выписывается явно.
Пусть
- собственные значения и
- соответствующие им собственные функции задачи (1.4)-(1.6), где через h обозначено
,
и пусть
- собственные значения задачи (1)-(3) и
соответствующие им собственные функции. Введем обозначение:
. (1.13)
Заметим прежде, что
при
.
Тогда имеет место следующая
ТЕОРЕМА 1.1 Справедливы равенства
, (1.14)
. (1.15)
Доказательство. Вначале докажем равенство (1.15). Для этого рассмотрим уравнение (1.1) на интервале
. Представим ее в виде
, (1.16)
где
вычисляется по формуле (1.7). Для уравнения (1.16) получаем интегральные уравнения:
,
.
Применяя метод последовательных приближений, получаем:
, (1.17)
где
- решения уравнения (1.4).
Следовательно, для всего промежутка [0,p] справедливо равенство (1.15).
Из (1.15) нетрудно установить неравенство:
, (1.18)
где
при
.
Тогда имеет место следующее равенство:
(1.19)
при
, где
- оператор Штурма-Лиувилля задачи (1.1)-(1.3), а
- оператор задачи (1.4)-(1.6). Из (1.18) и (1.19) нетрудно показать справедливость оценки (1.14). Теорема доказана.
Следствие 1.1
,
.
Следствие 1.2
, где
- характеристическое уравнение для собственных значений задачи (1.4)-(1.6),
- характеристическое уравнение для собственных значений задачи (1.1)-(1.3).
Следствие 1.3
и
совпадают со всеми корнями уравнения
.
Следствие 1.4
образуют полную систему собственных функций.
II. Сингулярная задача. Случай
.
Будем рассматривать задачу
, (2.1)
, (2.2)
где
монотонно, т.е. уравнение (2.1) имеет не более одной точки поворота. Таким образом, для любого
. В случае, когда
, спектральная задача имеет дискретный спектр. Из представленного метода решения регулярной задачи следует, что
; таким образом, для каждого
задачи на полуоси ставится в соответствие своя регулярная задача на конечном отрезке
. Если бы мы знали все значения собственных функций
, соответствующие собственным числам
задачи на полуоси, в точке
, то, решая задачи на конечном промежутке
с дополнительным граничным условием
, мы могли бы вычислить все собственные числа задачи на
достаточно точно. Исходя из сказанного, можно утверждать, что погрешность определения собственных чисел тем меньше, чем точнее выбор второго краевого условия. В связи с этим рассмотрим два краевых условия
(условие Дирихле) и
(условие Неймана). Пусть
- собственные числа задач на конечном промежутке с дополнительными условиями Дирихле и Неймана соответственно. С помощью метода решения регулярной задачи доказываются следующие утверждения:
ТЕОРЕМА 2.1 Справедлива асимптотическая формула собственных чисел задачи на полуоси
, (2.3)
где
[1]
.
Справедливость теоремы 2.1 следует из следствия 1.1.
ТЕОРЕМА 2.2 Справедливо неравенство:
. (2.4)
Доказательство теоремы 2.2 можно провести с помощью функций распределения собственных чисел (см. [2]) или с помощью метода, предложенного в первой части работы, и следствия 1.1.
Замечание В случае полуограниченного оператора (
), данный выбор краевых условий позволяет получать лишь верхнюю и нижнюю оценку собственных чисел.
Следствие 2.1
, где
- длина промежутка
.
Пример
.
Известно, что
, где
вычисляется явно. Из следствия 2.1 следует:
.
III. Сингулярная задача. Случай
.
Будем рассматривать задачу
, (2.1)
. (2.2)
Имеет место следующая (см. [3])
ТЕОРЕМА 3.1 Пусть потенциальная функция
удовлетворяет следующим условиям
;
, при
;
сохраняет знак для больших
;
, где
, при
;
.
Тогда спектр оператора
- чисто дискретный и состоит из двух серий собственных чисел, уходящих на
и
.
Аналогично (как и для полуограниченного оператора) задача на полуоси для расчета собственных чисел
заменяется на регулярную задачу, т.е. интервал
заменяется на
, где
- достаточно большое положительное число с дополнительным краевым условием
. Нетрудно установить, что погрешность приближенных собственных чисел неполуограниченного оператора (при
) стремится к нулю при
. С помощью решения регулярной задачи доказывается следующая
ТЕОРЕМА 3.2 Пусть выполнены все условия теоремы 3.1. Тогда если
- собственные числа задачи (2.1)-(2.2) на конечном промежутке
с дополнительным краевым условием
, то справедливо равенство
для всех .
Замечание 1 Известны более общие условия дискретности спектра задачи (2.1)-(2.2) (см. например [4]).
Замечание 2 Для расчета собственных чисел
задачи (2.1)-(2.2), промежуток
заменяется на
, где
- достаточно большое положительное число, с краевыми условиями
и .
IV. Сингулярная задача. Случай
.
Будем рассматривать задачу
, (3.1)
(3.2)
с дополнительными условиями:
;
голоморфна в точке
, причем
;
при
монотонно, и
, где ;
при
,
.
Данная задача рассматривалась в работе Е.ПЖидкова. и А.Г.Соловьева (см. [5]). Известно, что задача имеет собственные числа и собственные функции такие, что все ее собственные числа простые, отрицательные и образуют бесконечно возрастающюю последовательность
с единственной предельной точкой
, а собственные функции
, отвечающие собственным значениям
, имеют в интервале
в точности
нулей. В этом случае справедливы все результаты, полученные для случая полуограниченного оператора.
Пример
.
Известно (см. [3]), что
- собственные числа.
Введем обозначения:
- приближенные собственные числа, полученные Е.П.Жидковым и А.Г.Соловьевым, а
- приближенные собственные числа, полученные методом, описанным выше. Были рассчитаны собственные числа, которые представлены в таблице (см. ниже). Используя асимптотическую формулу (2.3), можно показать (достаточно грубая оценка), что
,
где
вычисляется явно. Для более точной асимптотики необходимо точно решить уравнение
.
n
|
|
|
|
Промежуток |
|
|
|
1 |
0.2500 |
0.25000… |
0.247… |
|
|
(1.16,6.82) |
2 |
0.1111 |
0.11107… |
0.111… |
|
|
(1.06,16.9) |
3 |
0.0625 |
0.06249… |
0.063… |
|
|
(1.03,30.9) |
4 |
0.0400 |
0.39995… |
0.041… |
|
|
(1.02,48.9) |
5 |
0.0277 |
0.0277715 |
0.028… |
|
|
(1.01,70.9) |
Список литературы
Митрохин С.И. // ДАН. 1997. Т. 356. № 1. С. 13-15.
Рид, Саймон. Методы современной математической физики. М.: Мир, 1977. Т. 1, 4
Титчмарш. Разложения по собственным функциям, связанные с дифференциальными уравнениями второго порядка. Т. 1. М.: Наука, 1960. 276 с.
Султанаев Я.Т. // ДАН. 1984. Т. 276. № 5. С. 1072-1074.
Жидков Е.П., Соловьев А.Г. // ЖВММФ. 1999. Т. 39. № 3. С. 1098-1118.
[1]
Вопрос о том, как находить значения
для расчета собственных чисел, остается нерешенным
|