Главная > Лекции об уравнениях математической физики
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
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

6.4. Решение задачи Коши для уравнения теплопроводности. Интеграл Пуассона

Мы исследуем сейчас задачу Коши (6.2). Будем вначале считать, что при каждом причем является непрерывной функцией от t при со значениями в и, более того, бесконечно дифференцируемой функцией от t при значениями в . Как мы увидим ниже, решение с описанными свойствами существует (и в очень широком классе решений единственно). Пока же заметим, что мы можем сделать преобразование Фурье по х, а поскольку оператор преобразования Фурье осуществляет топологический изоморфизм , то его можно менять местами с производной . Итак, пусть

(здесь и в дальнейшем при отсутствии указания области интегрирования подразумевается интеграл по ).

Стандартное интегрирование по частям даёт:

Таким образом, уравнение (6.1) равносильно уравнению

Начальное же условие, очевидно, приобретает вид

где .

Уравнение (6.10) представляет собой обыкновенное дифференциальное уравнение по t с параметром Оно легко решается, и мы получим с учётом начального условия (6.11):

Взглянув на эту формулу, мы видим, что действительно является непрерывной при и бесконечно дифференцируемой при функцией от t со значениями в . Поэтому совершая обратное преобразование Фурье, мы получим решение задачи Коши удовлетворяющее описанным выше условиям. Напишем более явную формулу. Имеем:

Меняя порядок интегрирования (это возможно по теореме Фубини), мы получаем:

где

(по существу мы повторили выкладку, доказывающую, что преобразование Фурье переводит умножение в свёртку). Вычислим явно взяв интеграл в (6.14). Для этого нужно выделить полный квадрат в показателе экспоненты:

Делая замену переменных , т. е. сдвигая контур интегрирования по каждому , мы получим:

(мы сделали ещё замену переменных ). Используя формулу

получим окончательно:

Решение задачи Коши записывается в виде

называемом интегралом Пуассона. Проанализируем эту формулу.

Заметим прежде всего, что она имеет смысл для значительно более широкого класса начальных функций , чем класс , с которого мы начинали. Ясно, например, что если непрерывна и

то интеграл в (6.16) сходится при т.е. при При этом сам интеграл и интегралы, полученные из него взятием любых производных по t и сходятся равномерно для , где . Поэтому можно дифференцировать сколько угодно раз под знаком интеграла. Полученная функция будет при указанных значениях t решением уравнения теплопроводности (6.1). В самом деле, достаточно показать, что функция является решением уравнения (6.1) при . Это можно проверить непосредственно, а можно вместо непосредственной проверки заметить, что мы уже знаем, что

для любой функции откуда следует, что

Легко проверяется также, что в этом случае выполнено начальное условие в смысле, что при каждом

Мы сделаем это даже двумя способами.

1-й способ. Заметим, что где так что при . Мы имеем дело с классическим -образным семейством положительных функций (в частности, ) при Теперь проверка (6.18) проводится по стандартной схеме доказательства -образности (см. § 4, пример 4.5). Соответствующие подробности, которые мы опускаем, читателю полезно восстановить в качестве упражнения.

2-й способ. Пусть мы хотим проверить соотношение (6.18) при . Разложим функцию в сумму

где непрерывна, совпадает с при и равна 0 при . Соответственно, непрерывна, равна 0 при и удовлетворяет оценке (6.17).

Интеграл Пуассона (6.16) для распадается в сумму таких интегралов для и для (мы обозначим их ) . Соотношение (6.18) достаточно проверить отдельно для и для .

Займёмся вначале функцией Имеем:

Ясно, что подынтегральная функция стремится к 0 при (поскольку при ), причём она имеет при интегрируемую мажоранту (вида ), не зависящую от . По теореме Лебега .

Остаётся рассмотреть случай финитной начальной функции. Здесь рассуждения из примера 4.5, § 4 проходят без всяких изменений. Однако есть и другой способ, основанный на аппроксимации гладкими функциями и последующем предельном переходе. Здесь полезно вначале заметить, что имеет место

Лемма 6.3 (принцип максимума). Пусть функция задаётся интегралом Пуассона (6.16). Тогда

При этом если одно из неравенств здесь обращается в равенство при каких-нибудь то .

Доказательство. Имеем:

Аналогично доказывается второе неравенство в (6.19). Поскольку при всех то равенство возможно лишь если почти всюду, а тогда , что и требовалось.

Закончим доказательство соотношения (6.18). Пусть — финитная непрерывная функция, — такая последовательность функций из что при к (последовательность можно построить, например, с помощью операции усреднения — см. § 4, п. 4.2.

Пусть

Поскольку то в топологии (и, в частности, равномерно на ). Но по лемме 6.3

откуда ясно, что . В самом деле, если дано , то мы можем выбрать такое к, что затем такое что при . Отсюда ясно, что

что и требовалось.

Отметим ещё, что интеграл Пуассона часто имеет смысл и для обобщённых функций . Например, если , то он имеет следующий естественный смысл:

поскольку при любых . Здесь также легко проверяется, что — решение уравнения (6.1). Соотношение верно теперь в смысле слабой сходимости в . В самом деле, легко проверить, что если то

где интеграл Пуассона, соответствующий начальной функции (проверка перестановочности интеграла по а: и операции применения функционала обеспечивается тем, что интеграл сходится в топологии — см. точно такое же рассуждение в доказательстве предложения 5.2).

Поскольку при в топологии , то

а это и означает, что .

Выше мы уже отмечали, что . Это соотношение часто записывается более коротко в виде

и является частным случаем только что доказанного утверждения.

Наконец, пусть оценка (6.17) выполнена для любого (с постоянной , зависящей от b). Тогда интеграл Пуассона и, следовательно, решение задачи Коши определены при любом . Так будет, например, если при некотором и, в частности, если функция ограничена.

Если при каком-нибудь , то интеграл Пуассона сходится в силу неравенства Гёльдера. В этом случае по норме (доказательство аналогично рассуждениям, доказывающим сходимость усреднений по — см. п. 4.2).

Легко проверить, что если удовлетворяет оценке (6.17), то для функции задаваемой интегралом Пуассона, верна аналогичная оценка

где постоянные зависят от и В. Оказывается, что решение, удовлетворяющее такой оценке, единственно — мы докажем это ниже. В то же время оказывается, что оценка

ни при каком не обеспечивает единственность.

Единственность решения обеспечивает естественность применения интеграла Пуассона для нахождения разумного решения (как правило, быстро растущие решения не имеют физического смысла). Например, имеется единственность решения в классе ограниченных функций.

Благодаря принципу максимума (лемма 6.3) задача Коши корректна в классе ограниченных функций (если равномерно мало меняется, то равномерно мало меняется и ).

В заключение заметим, что тот факт, что при всех означает, что имеется «бесконечная скорость распространения тепла» (ведь начальное возмущение сосредоточено в нуле!). Однако функция быстро убывает при что практически равносильно конечной скорости распространения тепла.

1
Оглавление
email@scask.ru