Главная > ЛЕКЦИИ ПО КОЛЕБАНИЯМ (1930-32 гг) (И.И. МАНДЕЛЬШТАМ)-ТОМ IV
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

Невозможность построить функцию Грина в случае стержня со свободными концами. Предельный переход от задачи о колебаниях дискретной цепочки к интегральному. уравнению колебаний стержня. Эквивалентность интегрального уравнения и дифференциальной схемь задачи ШтурмаЛиувиляя. Пример фияической задачи другого типа, приводящей к интегральному уравнению: задача об идеальном оптическом ияображении.
Если задана внешняя сила
g(x,t)=g(x)cosλt
( λ здесь дано) и смещение стержня
y(x,t)=φ(x)cosλt,

то, как мы видели, для φ(x) получается интегральное уравнение
φ(x)=λ0lV(x,ξ)q(ξ)φ(ξ)dξ+f(x),

где
f(x)=0lV(x,ξ)g(ξ)dξ
-заданная функция x. Если нет внешней силы, интегральное уравнение принимает вид
φ(x)=λ0lV(x,ξ)q(ξ)φ(ξ)dξ.

Здесь λ должно быть определено из самого интегрального уравнения.
V(x,ξ) — функџия Грина нашей задачи. Функџия V(x,ξ)q(ξ) называется ядром интегрального уравнения. На основании физического смысла функции Грина ее часто называют функцией влияния.

Мы нашли V(x,ξ) для двух частных случаев: для стержня с закрепленными конџами и стержня с одним закрепленным конџом. Если оба конда свободны, то функџию Грина построить нельзя. Это очень типичное и интересное обстоятельство. Постараемся его связать с уже известными нам свойствами.

Если стержень свободен, производная yx равна нулю на обоих конџах. Кроме того, при равновесии 2yx2 равно нулю всюду, кроме точки приложения силы. Таким образом, y должно быть постоянно на протяжении всего стержня, и нельзя удовлетворить условию скачка производной в точке приложения силы. Подчеркнем, что несуществование функџии Грина связано не с дифференџиальным уравнением, а с граничными условиями.

В случае свободных конџов одно из собственных значений есть нуль. Уравнение
φ+λqφ=0

преврашается при λ=0 в уравнение
φ=0

с непрерывным решением
φ= const. 

Если существует непрерывная функџия, удовлетворяющая уравнению и граничным условиям, то не существует удовлетворяющей ему разрывной функџии. Наоборот, если не существует непрерывной функции, удовлетворяющей дифференџиальному уравнению и граничным условиям, то существует разрывная.

Существование или несуществование функции Грина имеет ясный физический смысл. Если стержень свободен на обоих концах, то при действии на него силы не существует состояния равновесия. Физически этот случай является исключительным: стержень может не только колебаться, но и двигаться равномерно.

Однако для случая свободных конџов можно построить функцию Грина в обобщенном смысле. Для этого, кроме единичной сосредоточенной силы, нужно приложить к стержню еше компенсирующую ее распределенную силу.

Можно рассматривать стержень как совокупность масс, соединенных „пружинами“ (довольно трудно ответить на вопрос: что лучше отражает — действительный стержень, сплошная или дискретная модель). Мы уже рассматривали предельный переход от дискретной модели к сплошной и показали, что решение, получаемое для дискретной системы, в пределе переходит в решение некоторого дифферендиального уравнения в частных производных 1. Интересно провести рассуждение так, чтобы от уравнений дискретной системы перейти к интегральному уравнению.

Возьмем „стержень“, закрепленный на одном конде и свободный на другом (рис. 180), и поставим сначала статическую задачу (здесь также можно перейти от статической задачи к динамической с помощью принџипа Даламбера). Пусть на каждую точку действует некоторая сила. Обозначим через g¯k силу, действующую на k-ую точку. Нужно определить смещения y1,y2,,yn наших n частиџ.

Рассмотрим сначала частный случай, когда внешняя сила, равная единиџе, действует только на k-ую частиду.
1 [С . 32-ю лекцию части I и 1-ю лекџию части II.]

Пусть α-коэффиџиент упругости каждой пружины. Тогда результирующая упругая сила, действующая на i-ую частиџу (ieqk), есть
α(yiyi1)α(yi+1yi)
(на все частиџы, кроме k-ой, другие силы не действуют). При равновесии эта результирующая сила равна нулю, т. е.
yi1+2yiyi+1=0

Напишем уравнение для первой частиџы:
y1y2=0

Рис. 180.
и для последней:
ynyn1=0.

Нужно еше написать уравнение для k-ой частиџы. Здес результирующая упругая сила уравновешивается внешней силой, равной единице, т. е.
yk1+2ykyk+1=1α.

Для i<k смешения yi образуют арифметическую прогрессию:
yi=ir(i<k).

Все частиды с ik имеют одинаковое смещение. Так как џепочка не имеет разрыва, то
yi=kr(ik).

Не трудно определить, что r=1/α. Таким образом, значения yi (i=1,2,) являются функциями номера i и номера k той частиџы, к которой приложена сила, а именно:
Vik={iα(ik),kα(ik).

Если сила равна не единиџе, а g¯, то yi просто умножается на g¯. Если теперь силы действуют на все точки и g¯k-сила, приложенная к k-ой точке, то
yi=k=1nVikg¯k.

Если
g¯i=gicosλt,yi=φicosλt,

то, применяя принџип Даламбера, получаем окончательно для динамической задачи:
φi=λkVikmkφk+kVikgk.

Здесь уместно поставить вопрос о том, как поступить, если мы хотим вычислить период колебаний распределенной системы, апроксимируя ее посредством дискретной системы. Подход, основанный на дифференџиальных уравнениях, проџе. Имея в виду только простоту, можно было бы не переходить к анализу посредством интегральных уравнений.
Для перехода от (5) к интегральному уравнению напишем
α=pa,

где p-макроскопический модуль упругости, a-длина отдельной „пружины“. Тогда
Vik={aiαa(i<k),akαa(ik).

Пусть теперь ia=x, причем

и, кроме того,
a0,i,
mka=q(ξ),a=Δξ.

Мы получаем в пределе
φ(x)=λ0lV(x,ξ)q(ξ)φ(ξ)dξ+0lV(x,ξ)g(ξ)dξ.

Итак, исходя из дискретной модели и перейдя к пределу (мы не вдаемся в вопрос о законности перехода), мы снова получили интегральное уравнение (3). Интегральное уравнение устанавливается на основании физической картины явления так же хорошо, как и дифференџиальное.

Пусть дана краевая задача, которая формулируется на языке дифференџиальных уравнений следуюшим образом:
ddx(pdφdx)+λqφ=g(x),(α1φα2dφdx)0=0,(β1φ+β2dφdx)l=0
(общие граничные условия Штурма-Лиувилля). Для нее существуют определенные собственные числа и собственные функџии. Можно доказать, что все собственные функџии и собственные числа краевой задачи удовлетворяют интегральному уравнению для той же задачи, и наоборот. Совокупность собственных чисел и собственных функџий в обеих задачах одинакова.

Разумеется, то, что мы из физики получили для обоих случаев обе картины, в значительной степени предрешает этот результат, но мы постараемся его теперь доказать. Мы докажем, что решения интегрального уравнения (3) удовлетворяют дифференџиальному уравнению (6) при краевых условиях (7) и (8), и наоборот.
Функџия V(x,ξ) непрерывна и удовлетворяет уравнению
ddx(pdVdx)=0.

Ее производная непрерывна всюду, кроме точки x=ξ, где она претерпевает скачок
V(x,ξ)x=ξ0V(x,ξ)x=ξ+0=1p.

Уравнение (9) можно проинтегрировать в квадратурах. Мы найдем одно решение для левой части системы (x<ξ), другое-для правой (x>ξ). Обозначим эти решения соответственно через ? и б. Имеем:
ddx(pρ)=0,ddx(pσ)=0,

откуда
ddx[p(σρρσ)]=0

или, интегрируя,
p(σρρσ)= const. 

Для случая, когда λ не есть собственное значение, всегда можно построить функџию Грина из следующих соображений: ри σ выбраны так, чтобы ρ удовлетворяло краевому условию (7), а σ-краевому условию (8). При этом ρ и линейно независимы (σρρσeq0) и при подходящей нормировке
p(σρρσ)=1.

Возьмем теперь
V(x,ξ)=p(x)σ(ξ)(0<x<ξ),V(x,ξ)=p(ξ)σ(x)(ξxl)

и проверим, что построенная таким способом функџия V(x,ξ) удовлетворяет всем поставленным условиям.
Имеем, дифференџируя (10) и (11) по x :
V(x,ξ)x=ξ0=pσ,V(x,ξ)x=ξ+0=pσ

и, следовательно,
V(x,ξ)x=ξ0V(x,ξ)x=ξ+0=1p.

Я утверждаю, что составленное с таким V(x,ζ) интегральное уравнение эквивалентно дифференџиальной схеме (6) — (8). Можно показать обычным способом, что функция V(x,ξ) — единственная функџия, удовлетворяющая всем поставленным условиям.

Покажем, что функџия φ, удовлетворяющая дифференциальному уравнению и краевым условиям, удовлетворяет и найденному интегральному уравнению.
Имеем:
ddx(pφ)=λqφg(x);ddx(pV)=0.

Умножив (13) на V, (14) — на φ и вычитая, мы получаем:
ddx[p(φVVφ)]=λVqφVg.

Будем теперь интегрировать по x в интервале ( 0,l ). Так как при: этом нужно учитывать разрывность V, мы разделим интервал (0,l) на интервалы (0,ξ) и (ξ,l) и будем интегрировать отдельно по каждому интервалу:
p(φVVφ)|0ξ0=λ00Vqφdx0ξ0Vgdx;p(φVVφ)|ξ+0l=λξ+0lVqφdxξ+0lVgdx.

Левые части обращаются в нуль соответственно при x=0,x=l, так что после сложения (15) и (16) остается:
pφ(ξ)[Vξ0Vξ+0]=λ0lV(x,ξ),q(x)φ(x)dx0lV(x,ξ)g(x)dx.

Учитывая (12), получаем далее:
φ(ξ)=λ0lV(x,ξ)q(x)φ(x)dx+0lV(x,ξ)g(x)dx,

откуда, после замены x на ξ и ξ на x, следует уравнение
φ(x)=λ0lV(ξ,x)q(ξ)φ(ξ)dξ+0lV(ξ,x)g(ξ)dξ.

Это уравнение отличается от (3) лишь тем, что вместо V(x,ξ) стоит V(ξ,x), но так как функџия Грина симметрична:
V(x,ξ)=V(ξ,x)
(и это здесь существенно), уравнение (17) совпадает с (3).
Итак, мы убедились, что всякая функџия, удовлетворяющая схеме (6) — (8), одновременно удовлетворяет и интегральному уравнению (3). Можно также путем простого дифференџирования показать и обратное.

Дифференџиальная схема нашей задачи эквивалентна интегральному уравнению с функџией Грина, определенной выше. В этой эквивалентности заключается, с одной стороны, интерес, который представляют интегральные уравнения, с другой стороны, 一их слабость, если бы дело этим ограничивалось.

Из того, что было сказано, следует, что интегральное уравнение (3) имеет бесконечное множество собственных значений и каждому собственному значению соответствует одна собственная функция.

Мы вывели интегральное уравнение, соответствующее определенному узкому классу дифференциальных уравнений. Вид ядра связан определенным образом с задачей Штурма-Лиувилля. Для спеџиального типа интегральных уравнений, ядра которых соответствуют дифферендиальной схеме (6) — (8), мы доказали некоторые свойства собственных чисел и собственных функцй. Однако необходима более общая теория, пригодная при любом ядре. Такая теория существует. Теория интегральных уравнений гораздо шире, чем проблема Штурма-Лиувилля. Ряд вопросов (например, вопрос о разложимости функџий по собственным функџиям) легче, проще и изящнее решается с помоџью интегральных уравнений. Даже ради одного этого стоит их изучить.

Мне хочется изложить задачу, где ссылка на дифференџильные уравнения не поможет. Мы получим в ней интегральное уравнение другого типа, чем (3). Эта задача относится к теории оптического изображения 1.

Пусть имеется система линз, дающая изображение (рис. 181). Каждой точке объекта соответствует определенная точка изображения. Предположим, что система не дает увеличения (или уменьшения). Согласно геометрической оптике яркость в точке M определяет освещенность в точке M. Но в действительности геометрическая оптика несправедлива. Вследствие диффракџии каждой точке предмета соответствует в плоскости изображения некоторое распределение интенсивности. Максимум находится в точке, где было бы изображение согласно геометрической оптике, но с удалением от этой точки интенсивность спадает постепенно.

Пусть одна точка предмета дает в плоскости изображения распределение амплитуды
K(x,ξ)
1 [Cр. том I, стр. 229.]

(амплитуда есть функџия координаты точки объекта ξ и координаты точки изображения x ). Если диафрагма имеет вид щели, то
K(x,ξ)=sinc(xξ)xξ,

где
c=2πdLf
( d — половина ширины щели; L — длина волны; f — фокусное расстояние). Если точка объекта перемещается, то перемещается
Рис. 181. вся картина; поэтому K(x,ξ) есть функция от xξ.
Амплитуда в точке x от элемента предмета длины dζ есть
z(ξ)K(x,ξ)dξ,

где z(ξ) характеризует распределение амплитуды по предмету. Картины от отдельных элементов предмета накладываются, и результирующая амплитуда в плоскости наблюдения имеет распределение
A(x)=abK(x,ξ)z(ξ)dξ
(здесь предполагается, что предмет освещен так, что отдельные его өлементы посылают когерентные колебания).

Конечно, распределение A(x), вообще говоря, не подобно распределению z(ξ). Они только связаны между собой соотношением (18). Вообще говоря, при изображении предмет искажается, распределение света в изображении иное, чем в предмете. Возникают вопросы: как нужно строить оптический прибор для того, чтобы искажение было возможно меньше? Существуют ли такие предметы, которые не искажаются заданной оптической системой? Если бы оказалось, что существуют такие Функџии z(x), для которых
A(x)=1λz(x)

где λ-постоянная, то это означало бы, что распределения вида z(x) не искажаются.

Подставляя (19) в (18), получаем:
z(x)=λa0K(x,ξ)z(ξ)dξ.

Неискажаемые структуры должны удовлетворять интегральному уравнению (20), ядро которого задано свойствами оптической системы.

Ядро уравнения (20) симметрично, но оно совсем другого типа, чем в задаче Штурма-Лиувилля. Оно не имеет разрыва производной.
Существует ли структура, удовлетворяющая уравнению (20)?
К сожалению, ответ неутешителен. Интегральное уравнение (20) имеет решения, но эти решения — бесконечные синусоиды. Только такие распределения изображаются точно. Таким образом, решение существует, но физически оно мало интересно.

Но можно поставить вопрос иначе: насколько можно приблизиться к точному изображению? Оказывается, можно указать такие структуры, которые мало искажаются. Можно высказать на этот счет ряд общих теорем.

Таким образом, области дифференџиальных и интегральных уравнений далеко не перекрываются. Интегральные уравнения представляют интерес и независимо от дифференџиальных уравнений.

1
Оглавление
email@scask.ru