PDEs1-FormulaSheet-v1.5
Transcription
PDEs1-FormulaSheet-v1.5
מד"ח :1סיכום ודף נוסחאות גרסה ,1.5פברואר 2012 ברק שושני [email protected] | http://baraksh.co.il/ פרק 1 מערכות מסדר ראשון 1.1סיווג משוואה דיפרנציאלית חלקית מסדר ראשון היא משוואה שקושרת בין הפונקציה uונגזרותיה מסדר ראשון לפי כל אחד מהמשתנים. משוואה כמעט־לינארית ) (quasilinearהיא משוואה בה רק הנגזרות מופיעות בצורה לינארית ,כלומר משוואה מהצורה: )A (x, y, u) ux + B (x, y, u) uy = C (x, y, u משוואה לינארית )מקרה פרטי של כמעט־לינארית( היא משוואה מהצורה: )A (x, y) ux + B (x, y) uy = C (x, y) u + D (x, y 1.2שיטת הקווים האופייניים נתונה משוואה לינארית. המשוואות האופייניות: כדי לפתור אותה ,נרשום את מערכת dx ))(t) = A (x (t) , y (t dt dy ))(t) = B (x (t) , y (t dt du ))(t) = C (x (t) , y (t)) u (t) + D (x (t) , y (t dt ואת תנאי ההתחלה: x (0, s) = x0 (s) , y (0, s) = y0 (s) , )u (0, s) = u0 (s לדוגמה ,אם נתון תנאי ההתחלה ) u (x, 0) = f (xאז נרשום את תנאי ההתחלה בצורה: x (0) = s, y (0) = 0, )u (0) = f (s העקומה ההתחלתית Γמוגדרת כך: ))Γ (s) = (x0 (s) , y0 (s) , u0 (s 2.1הצורה הקנונית של משוואה היפרבולית הצורה הקנונית של משוואה היפרבולית ) (b2 − ac > 0היא: )wξη + `1 [w] = G (ξ, η כאשר `1הוא אופרטור לינארי מסדר ראשון ו־ Gהיא פונקציה כלשהי. = aבכל נקודה .אנו רוצים למצוא נניח בלי הגבלת הכלליות כי 6 0 פונקציות ) ξ (x, yו־) η (x, yכך ש: A (ξ, η) = aξx2 + 2bξx ξy + cξy2 = 0 aηx2 cηy2 = )C (ξ, η + 2bηx ηy + =0 ) A, B, C, D, E, F, Gהם המקדמים במשוואה לאחר החלפת המשתנים( .משוואות אלה שקולות למשוואות: p aξx + b + b2 − ac ξy = 0 p aηx + b − b2 − ac ηy = 0 ξו־ ηהן קבועות על הקווים האופייניים )בהתאמה(: √ b ± b2 − ac dy = dx a פותרים את המשוואה )אגף ימין הוא פונקציה של (x, yומקבלים את ξו־ ηבתור קבועי האינטגרציה של הפתרון. 2.2הצורה הקנונית של משוואה פרבולית הצורה הקנונית של משוואה פרבולית ) (b2 − ac = 0היא: )wξξ + `1 [w] = G (ξ, η = aבכל נקודה .אנו רוצים למצוא נניח בלי הגבלת הכלליות כי 6 0 פונקציות ) ξ (x, yו־) η (x, yכך ש־ .B√(ξ, η) = C (ξ, η) = 0למעשה מספיק לדרוש ,C = 0כי אז בהכרח יתקיים גם .B = AC = 0אז עלינו לפתור את המשוואה: 1 2 2 2 C (ξ, η) = aηx + 2bηx ηy + cηy = (aηx + bηy ) = 0 a כלומר .aηx + bηy = 0מכאן η ,הוא קבוע על הקווים האופייניים: b dy = dx a את ξניתן לבחור באופן שרירותי ,כל זמן שהיעקוביאן של החלפת המשתנים לא יתאפס באף נקודה: ξx ξy 6= 0 = J ηx ηy נתונה הבעיה: )בדר"כ בוחרים ξ = xאו .(ξ = y כעת נפתור את מערכת המשוואות ונמצא את x, y, uבמונחים של .s, t לכל sקבוע ,הפתרון מייצג קו אופייני ,אשר היטלו הוא )) .(x (t) , y (tהצורה הקנונית של משוואה אליפטית ) (b2 − ac < 0היא: )wξξ + wηη + `1 [w] = G (ξ, η לבסוף נחזור למשתנים ,x, yונמצא את uאשר פותר את המשוואה. )הערה :השיטה עובדת גם עבור משוואה כמעט־לינארית(. נניח בלי הגבלת הכלליות כי a 6= 0בכל נקודה .אנו רוצים למצוא פונקציות ) ξ (x, yו־) η (x, yכך שיתקיים: 1.3קיום ויחידות של הפתרון A (ξ, η) = aξx2 + 2bξx ξy + cξy2 = C (ξ, η) = aηx2 + 2bηx ηy + cηy2 נתבונן במשוואה כמעט־לינארית: 1.4תנאי רנקין־הוגוניו נתון חוק השימור: ∂ uy + F (u) = 0 ∂x עם תנאי ההתחלה: x<0 x>0 B (ξ, η) = aξx ηx + b (ξx ηy + ξy ηx ) + cξy ηy = 0 קיבלנו מערכת של משוואות מצומדות .נרשום את המשוואה הראשונה כך: a ξx2 − ηx2 + 2b (ξx ξy − ηx ηy ) + x ξy2 − ηy2 = 0 ונכפיל את המשוואה השנייה ב־ .iאז המשוואות שקולות למשוואה הדיפרנציאלית המרוכבת: 2 2 aφx + 2bφx φy + cφy = 0 כאשר .φ ≡ ξ + i ηזוהי משוואה זהה למשוואה שקיבלנו במקרה ההיפרבולי ,אך הפעם אין קווים אופייניים כי הפתרונות לא ממשיים. המשוואה שקולה ל: p aφx + b ± i ac − b2 φy = 0 הפתרונות φו־ ψהם קבועים על "הקווים האופייניים המרוכבים": √ dy b ± i ac − b2 = dx a נחזור למשתנים הממשיים באמצעות ξ = Re φו־ ,η = Im φונקבל משוואה בצורה הקנונית. נמצא את המסלול של גל־ההלם ) x = γ (yבאמצעות אינטגרציה של המשוואה ביחס למשתנה xלאורך הקטע ] ,[x1 , x2כאשר x1 < γ ו־ .x2 > γנקבל: ∂ )) (x2 − γ (y)) u+ + (γ (y) − x1 ) u− = F (u (x1 ))−F (u (x2 ∂y לכן: ) F (u+ ) − F (u− ] [F = )γy (y ≡ u+ − u− ][u כאשר ] [vמסמן את הקפיצה בפונקציה vבגל־ההלם ,שם vאינה בהכרח רציפה .תנאי זה נקרא תנאי רנקין־הוגוניו )Rankine- .(Hugoniot פרק 2 סיווג מערכות מסדר שני נתבונן במשוואה: auxx + 2buxy + cuyy + dux + euy + f u = g כאשר המקדמים הם פונקציות של .x, yהמשוואה היא היפרבולית בנקודה כלשהי אם b2 − ac > 0בנקודה ,פרבולית אם b2 − ac = 0 ואליפטית אם .b2 − ac < 0סיווגים אלה הם אינווריאנטיים להחלפת משתנים. 2 )utt − c uxx = F (x, t u (x, 0) = f (x) , )ut (x, 0) = g (x אם הפונקציות f, g בתחום ∞ < −∞ < xו־.t > 0 זוגיות/אי־זוגיות/מחזוריות ,ולכל t ≥ 0הפונקציה ) F (·, tזוגית/אי־ זוגית/מחזורית אז הפתרון הוא פונקציה זוגית/אי־זוגית/מחזורית בהתאמה של .xלכן ,אם נתונה בעיה עבור ) x > 0או תחום סופי( ,ניתן להרחיב אותה לבעיה של מיתר אינסופי באמצעות הרחבה זוגית/אי־זוגית/מחזורית של הפונקציות. הוכחה :נוכיח למשל במקרה הזוגי .יהי uפתרון ,ונגדיר ≡ )v (x, t ) .u (−x, tאז: vx (x, t) = −ux (−x, t) , )vt (x, t) = ut (−x, t vxx (x, t) = uxx (−x, t) , )vtt (x, t) = utt (−x, t ומכאן: 2 2 )vtt (x, t) − c vxx (x, t) = utt (−x, t) − c uxx (−x, t )= F (−x, t) = F (x, t כלומר v ,היא פתרון של המשוואה המקורית .בצורה דומה v ,גם מקיימת את תנאי ההתחלה .מיחידות הפתרון נובע כי = )v (x, t ) ,u (x, tכלומר uזוגית ב־.x 3.4שימור אנרגיה נכפיל את משוואת הגלים ב־ uונבצע אינטגרציה .נסמן .c2 = T /ρ נגדיר את האנרגיה הקינטית Kוהאנרגיה הפוטנציאלית :P ˆ ˆ ∞1 + 1 +∞ 2 ρut dx, = P T u2x dx ≡K ∞2 − ∞2 − ובנוסף את האנרגיה הכוללת: ∞ˆ + 1 = E ≡K +P ρu2t + T u2x dx ∞2 − אז מתקיים: ∞ˆ + ∞ˆ + dK = = ρut utt dx T ut uxx dx dt ∞− ∞− ∞ˆ + =− T uxt ux dx ∞− ∞+ ˆ T uxt ux dx ∞− dP = dt ולכן .dE/dt = 0 3.5יחידות הפתרון פרק 3 ( u− = )u (x, 0 u+ נניח כי לפתרון יש צורה של גל־הלם: ( )u− x < γ (y = )u (x, y )u+ x > γ (y עבור משוואת גלים לא־הומוגנית ) utt − c2 uxx = F (x, tעם אותם תנאי התחלה יש להוסיף איבר נוסף לנוסחת ד'אלמבר: ) ˆ t ˆ x+c(t−τ 1 = )U (x, t F (ξ, τ ) dξ dτ ) 2c 0 x−c(t−τ הוכחה :גוזרים את Uלפי כל אחד מהמשתנים ומראים כי הוא פותר את משוואת הגלים הלא־הומוגנית עם תנאי ההתחלה = )U (x, 0 .Ut (x, 0) = 0 3.3מיתר חצי־אינסופי 2.3הצורה הקנונית של משוואה אליפטית )A (x, y, u) ux + B (x, y, u) uy = C (x, y, u עם תנאי התחלה: x (0, s) = x0 (s) , y (0, s) = y0 (s) , )u (0, s) = u0 (s נאמר שהמשוואה מקיימת את תנאי החיתוך בנקודה sעל העקומה Γ אם הקו האופייני אשר יוצא מ־) Γ (sחותך את Γבכיוון לא־מקביל, כלומר: a b 6= 0 = )xt (0, s) ys (0, s) − yt (0, s) xs (0, s )x0 (s) y0 (s אם המקדמים A, B, Cהם פונקציות חלקות בסביבה של העקומה ההתחלתית ,ותנאי החיתוך מתקיים בכל נקודה sבסביבה של הנקודה s0על העקומה ההתחלתית ,אז לבעיה קיים פתרון יחיד בסביבה של ) (0, s0על העקומה ההתחלתית .אם תנאי החיתוך לא מתקיים ,אז או שלא קיים בכלל פתרון ,או שיש אינסוף פתרונות. )ϕ0 (x) − 1c ψ (x = )g (x 2 נבצע אינטגרציה ונקבל: ˆ s 1 )ϕ (s + ψ (z) dz + A = )f (s 2 2c 0 ˆ s 1 )ϕ (s − ψ (z) dz + B = )g (s 2 2c 0 ומכאן נקבל את נוסחת ד'אלמבר: ˆ x+ct )ϕ (x + ct) + ϕ (x − ct 1 + ψ (z) dz = )u (x, t 2 2c x−ct 0 משוואת הגלים 3.1קווים אופייניים משוואת הגלים היא: 2 2 ∂ u ∂ u − c2 2 = 0 ∂t2 ∂x נחליף משתנים: η = x − ct ξ ≡ x + ct, 0 = utt + c2 uxx = −4c2 uξη ונקבל: )u (x, t) = f (ξ) + g (η) = f (x + ct) + g (x − ct הקווים האופייניים הם .x ± ct = const 3.2נוסחת ד'אלמבר נתונה משוואת הגלים בתחום ∞ < −∞ < xעם תנאי ההתחלה: ∂u u (x, 0) = ϕ (x) , )(x, 0) = ψ (x ∂t אז: )ϕ (x) = f (x) + g (x ))ψ (x) = c (f 0 (x) − g 0 (x מכאן: )ϕ0 (x) + 1c ψ (x = )f 0 (x 2 כדי להוכיח את יחידות הפתרון של משוואת הגלים ,נניח כי קיימים שני פתרונות שונים ,u1 , u2ונגדיר .w ≡ u1 −u2נשתמש בשימור האנרגיה כדי להראות שהאנרגיה שווה תמיד לאפס .מכאן ,האינטגרנד בתוך אינטגרל האנרגיה שווה תמיד לאפס )כי הוא אי־שלילי( ולכן הנגזרות של wמתאפסות ,כלומר w ,קבועה .מתנאי ההתחלה )שיהיו הומוגניים עבור פונקציית ההפרש( נמצא ש־ wהיא אפס לכל xו־ ,tלכן .u1 = u2 3.6תחומי השפעה ותלות המידע על הגל מתפשט במהירות סופית cלאורך הקווים האופייניים .x ± ct = constהערך של uבנקודה כלשהי ) (x0 , t0בזמן ובמרחב מושפע מהערכים בתחום התלות במישור ) xtשצורתו היא משולש מתחת ל־) ,(x0 , t0אשר קדקודו בנקודה זו ובסיסו מקביל לציר (x ומשפיע על הערכים בתחום ההשפעה )שצורתו היא משולש מעל ל־ ) .((x0 , t0 פרק 4 משוואות פרבוליות )משוואת החום( 4.1אינטגרל האנרגיה משוואת החום היא: k>0 ∂w ∂2w − k 2 = 0, ∂t ∂x עם תנאי ההתחלה: w (x, 0) = ϕ (x) , w (0, t) = w (l, t) = 0 נגדיר את האנרגיה: ˆ l 2 w ≡ )E (t dx 0 2 נכפול את משוואת החום ב־:w − (kwwx )x + kwx2 t w2 2 נבצע אינטגרציה: − (kwwx )x + kwx2 dx = ) 0 = w (wt − kxx 2 t w 2 ˆ l l ˆ l w2 dx − kwwx +k wx2 dx 2 0 0 לכן: l ˆ 2 =0 ˆ l 0 l 0 d = dt ˆ d w dx = −k wx2 dx ≤ 0 dt 0 2 0 ומכאן ,האנרגיה היא פונקציה לא־עולה של הזמן ,כלומר: )0 ≤ E (t) ≤ E (0 כדי להוכיח יחידות נראה כי ,E (0) = 0לכן E (t) = 0ומכאן .w1 − w2 = 0 4.2עקרון המקסימום נגדיר: X ∂u X ∂2u ∂u L [u] = − + )aij (x, t + )bi (x, t +c (x, t) u ∂t i,j ∂xi ∂xj ∂xi i ונתבונן במשוואה .L [u] = fנניח כי L [u] ≥ 0ו־.M = maxD u בנוסף u = Mבנקודה פנימית ב־ ,Dואחד מהתנאים הבאים נכון: c = 0 .1ו־ Mשרירותי c ≤ 0 .2ו־M ≥ 0 M = 0 .3ו־ cשרירותי אז u = Mבכל מקום ב־ .Dזוהי הגרסה החזקה של עקרון המקסימום. אנו נוכיח את הגרסה החלשה ,במקרה החד־ממדי :אם L [u] ≥ 0ו־ c = 0אז המקסימום יכול להתקבל בכל נקודה על השפה: ))∞ (x, t) ∈ ([0, l] × {0}) ∪ ({0, l} × [0, כלומר ,אם |u| < Mב־ x = 0 ,t = 0ו־ x = lאז u < Mבכל מקום. הוכחה )עבור משוואת החום( :נתבונן במשוואה: ∂u ∂2u =k 2 ∂t ∂x נגדיר: 2 v (x, t) ≡ u (x, t) + εx כאשר .ε > 0אז: 2 v (x, t) < M + εl עבור x = 0 ,t = 0ו־ .x = lבנוסף: vt − kvxx = ut − k u + εx2 xx = ut − kuxx − 2εk = −2εk < 0 בכל נקודה .נניח כי המקסימום של vמתקבל בנקודה פנימית .(x0 , t0 ) ∈ Dבנקודה כזאת vt = 0ו־ ,vxx ≤ 0לכן ,vt − kvxx ≥ 0 בסתירה .לפיכך v (x, t) < M + εl2 ,בכל נקודה ב־ .Dממשיכים כמו בסעיף .6.3 4.3פתרון מדויק בתחום אינסופי הפתרון למשוואת החום בתחום אינסופי: ut = kuxx , )u (x, 0) = φ (x כאשר ∞ < ,0 < t < ∞ ,−∞ < xהוא: ∞ˆ + 2 1 √ = )u (x, t e−(x−y) /4kt φ (y) dy ∞4πkt − הוכחה :נשתמש במספר תכונות אינווריאנטיות של משוואת החום: .1ההזזה ) u (x − y, tשל הפתרון ) u (x, tאף היא פתרון. .2כל נגזרת של הפתרון ) uxx ,ut ,uxוכו'( אף היא פתרון. .3כל צירוף לינארי של פתרונות אף הוא פתרון. .4אם ) S (x, tהוא פתרון אז גם: ∞ˆ + = )v (x, t S (x − y, t) g (y) dy ∞− הוא פתרון ,לכל פונקציה ) ,g (yכל עוד האינטגרל מתכנס. √ .5אם ) u (x, tפתרון ,אז גם ) u ( ax, atהוא פתרון ,לכל .a > 0 נחפש כעת פתרון מסוים ,אותו נסמן ב־) ,Q (x, tאשר מקיים את תנאי ההתחלה: ( 1 x>0 = )Q (x, 0 0 x<0 נשים לב כי תנאי ההתחלה לא משתנה תחת מתיחה )תכונה .(5נמצא את Qבארבעה שלבים .בשלב הראשון ,נחפש פתרון מהצורה: x Q (x, t) = g (p) , √ ≡p 4kt בשלב השני ,נמיר את הבעיה למד"ר עבור gבאמצעות שימוש בכלל השרשרת : 1 0 1 00 1 )− pg (p) − g (p = 0 = Qt − kQxx t 2 4 כלומר: g 00 + 2pg 0 = 0 2 נפתור את המשוואה באמצעות גורם אינטגרציה epונקבל: ˆ x/√4kt 2 Q (x, t) = g (p) = C1 e−p dp + C2 0 בשלב השלישי ,ניקח את הגבול t → 0בנוסחה לעיל עבור x > 0 ו־ x < 0בנפרד ,ונציב בתנאי ההתחלה .נקבל את המקדמים ,C1 , C2 ומכאן: ˆ x/√4kt 2 1 1 √ Q (x, t) = + e−p dp 2 π 0 עבור .t > 0בשלב הרביעי ,נגדיר .S ≡ ∂Q/∂xבשל תכונה S ,2גם היא פתרון של הבעיה .בהינתן כל פונקציה ,φנוכל להגדיר: ∞ˆ + = )u (x, t S (x − y, t) φ (y) dy ∞− ולפי תכונה ,4גם זה פתרון של הבעיה .נחשב את האינטגרל באמצעות אינטגרציה בחלקים ,ונניח כי φמתאפסת ב־∞ .±אז נקבל: ∞ˆ + = )u (x, 0 Q (x − y, 0) φ0 (y) dy ∞− ˆ x = )φ0 (y) dy = φ (x ∞− בגלל תנאי ההתחלה של .Qלפיכך uמקיימת את תנאי ההתחלה של הבעיה ,ומכיוון ש: 2 ∂Q 1 =S √= e−x /4kt ∂x 4πkt נקבל את הנוסחה שרצינו להוכיח. פרק 5 5.2.4 ערכים עצמיים ממשיים הערכים העצמיים בבעיית שטורם־ליוביל רגולרית או מחזורית הם ממשיים. הוכחה :נניח כי λ ∈ Cהוא ערך עצמי עם הפונקציה העצמית .uאז: L [u] + λru = 0, Ba [u] = Bb [u] = 0 מכיוון שהמקדמים במשוואות אלה הם ממשיים ,נוכל לקחת את הצמוד המרוכב שלהן ולקבל: L [u] + λru = 0, Ba [u] = Bb [u] = 0 לפיכך גם uהיא פונקציה עצמית ,עם הערך העצמי .λאם נניח בשלילה כי ,λ 6= λאז נקבל מאורתוגונליות: ˆ b 2 |u (x)| r (x) dx > 0 = 0 = hu, uir a בסתירה. תורת שטורם־ליוביל 5.2.5 5.1תיאור הבעיה בעיית שטורם־ליוביל רגולרית היא מהצורה: 0 (pu0 ) + qu + λru = 0, )x ∈ (a, b Ba [u] = αu (a) + βu0 (a) = 0 Bb [u] = γu (b) + δu0 (b) = 0 כאשר p, q, rהן פונקציות גזירות ברציפות ב־] [a, bומתקיים .p, r > 0 בנוסף α, β, γ, δ ∈ Rומתקיים: |α| + |β| > 0, |γ| + |δ| > 0 בהינתן כל משוואה דיפרנציאלית רגילה לינארית מסדר שני: )A (x) u00 + B (x) u0 + C (x) u = F (x האינטגרציה: נגדיר את גורם ˆ )B (x p (x) ≡ exp dx )A (x נכפיל את המשוואה ב־) ,p (x) /A (xונקבל משוואת שטורם־ליוביל. בעיית שטורם־ליוביל מחזורית היא מהצורה: 0 0 (pu ) + qu + λru = 0, )x ∈ (a, b )u0 (a) = u0 (b כאשר p, q, rהן פונקציות מחזוריות. u (a) = u (b) , 5.2פונקציות עצמיות וערכים עצמיים כל התכונות שלהלן תקפות בבעיות שטורם־ליוביל רגולריות או מחזוריות. 5.2.1 נתבונן בבעיית שטורם־ליוביל הרגולרית הבאה: L [u] + λru = 0, )x ∈ (a, b Ba [u] = Bb [u] = 0 נניח כי זוג הפונקציות uλ , vλמהוות בסיס למרחב הפתרונות של המשוואה .אז λהוא ערך עצמי של הבעיה אם ורק אם: ] Ba [uλ ] Ba [vλ Bb [uλ ] Bb [vλ ] = 0 הוכחה :הפונקציה wהיא פתרון לא־טריוויאלי של המשוואה אם ורק אם קיימים ,c, d ∈ Rלא שניהם אפס ,כך ש: )w (x) = cuλ (x) + dvλ (x wתהיה פונקציה עצמית של הבעיה ,עם ערך עצמי ,λאם ורק אם היא מקיימת גם את תנאי השפה: Ba [w] = cBa [uλ ] + dBa [vλ ] = 0 Bb [w] = cBb [uλ ] + dBb [vλ ] = 0 במלים אחרות ,הווקטור ) (c, dהוא פתרון לא־טריוויאלי של מערכת לינארית הומוגנית עם מטריצת מקדמים: ] Ba [uλ ] Ba [vλ ] Bb [uλ ] Bb [vλ פתרון כזה קיים אם ורק אם הדטרמיננטה מתאפסת. 5.2.2 סימטריה יהי Lאופרטור שטורם־ליוביל מהצורה: 0 L [u] = (pu0 ) + qu אז עבור פונקציות u, vניתן לקבל את זהות לגרנג': 0 )) uL [v] − vL [u] = (p (uv 0 − vu0 אם נבצע אינטגרציה לזהות נקבל את נוסחת גרין: b ˆ b 0 0 ) (uL [v] − vL [u]) dx = p (uv − vu אם uו־ vמקיימות את תנאי השפה ,אז הביטוי באגף ימין מתאפס, ונגלה כי Lהוא אופרטור סימטרי במרחב הפונקציות. 5.2.3 אורתוגונליות פונקציות עצמיות אשר שייכות לערכים עצמיים שונים של בעיית שטורם־ליוביל רגולרית או מחזורית הן אורתוגונליות ביחד למכפלה הפנימית: ˆ b ≡ hu, vir u (x) v (x) r (x) dx a הוכחה :יהיו un , umפונקציות עצמיות המתאימות לערכים העצמיים .λn 6= λmאז מתקיים: L [un ] = −λn run , L [um ] = −λm rum נכפיל את המשוואה השמאלית ב־ umואת הימנית ב־ ,unנחסר בין המשוואות ונבצע אינטגרציה .נקבל: ˆ b ˆ b ) (um L [un ] − un L [um ]) dx = (λm − λn um un r dx a 5.2.6 ערכים עצמיים פשוטים הערכים העצמיים של בעיית שטורם־ליוביל רגולרית )בלבד( הם כולם פשוטים ,כלומר ,המרחב העצמי המתאים להם הוא בעל ממד .1 הוכחה :יהיו u1 , u2פונקציות עצמיות המתאימות לאותו ערך עצמי .λ אז מתקיים: u2 L [u1 ] − u1 L [u2 ] = −λru2 u1 + λru1 u2 = 0 לכן ,מזהות לגרנג': 0 0 Q (x) ≡ p (u2 u1 − u1 u2 ) = const מצד שני ,ראינו כי שתי פונקציות אשר מקיימות את אותם תנאי שפה מקיימות גם .Q (a) = Q (b) = 0מכיוון ש־ ,p > 0הוורונסקיאן: W ≡ u2 u01 − u1 u02 מתאפס בכל הקטע ,ולכן הפונקציות u1 , u2בהכרח תלויות לינארית. קיום סדרה אינסופית של ערכים עצמיים קבוצת הערכים העצמיים של בעיית שטורם־ליוביל רגולרית יוצרת סדרה לא־חסומה ומונוטונית־ממש: · · · < λ0 < λ1 < λ2 בפרט ,יש אינסוף ערכים עצמיים ,ומתקיים ∞ = .lim λn לפונקציה העצמית unיש בדיוק nשורשים )אפסים( בקטע ).(a, b בפרט ,הפונקציה u0לא מחליפה סימן בקטע. 5.3שלמות והתכנסות של פיתוח פורייה המערכת האורתונורמלית } {unשל הפונקציות העצמיות של בעיית שטורם־ליוביל רגולרית או מחזורית היא שלמה במרחב המכפלה הפנימית של הבעיה .ניתן לפתח פונקציה uכטור של הפונקציות העצמיות } ,{unוהפיתוח מתכנס בנורמה. תהי fפונקציה גזירה למקוטעין ב־] .[a, bאז לכל ) ,x ∈ (a, bהפיתוח של fכטור של } {unמתכנס לממוצע של הגבולות החד־צדדיים של fב־:x 1 )) (f (x+ ) + f (x− 2 אם ניקח מספר סופי של איברים בפיתוח לטור נקבל תנודות בסביבת נקודות האי־רציפות .תנודות אלה נקראות תופעת גיבס. אם fרציפה ,גזירה למקוטעין ומקיימת את תנאי השפה של בעיית שטורם־ליוביל נתונה ,אז הפיתוח של fלפי } {unמתכנס במידה שווה ל־ fב־].[a, b במקרים רבים ,גם אם fלא רציפה ,ההתכנסות היא במידה שווה על כל קטע חלקי ל־) (a, bשאינו כולל את נקודות האי־רציפות. 5.4מנת ריילי a a יהי λערך עצמי של בעיית שטורם־ליוביל רגולרית או מחזורית ,ויהי Vλתת־המרחב הנפרש ע"י הפונקציות העצמיות המתאימות ל־ .λאז ל־ Vλיש בסיס אורתונורמלי של פונקציות ממשיות. הוכחה :תהי .u ∈ Vλהן החלק הממשי והן החלק המדומה של u פותרים את בעיית שטורם־ליוביל .מכיוון שלפחות אחד מהם אינו אפס ,לפחות אחד מהם הוא פונקציה עצמית .אם λהוא ערך עצמי פשוט ,פונקציה זו מהווה בסיס .אם ל־ λריבוי ,2נתבונן בחלקים הממשי והמדומה של שתי פונקציות עצמיות בלתי־תלויות ב־ .Vλמשיקולי ממדים ,ניתן לבודד לפחות זוג אחד של שתי פונקציות בלתי־תלויות מתוך הארבע .נפעיל את תהליך גרהם־שמידט ונקבל בסיס אורתונורמלי ל־ .Vλ 5.2.7 תנאי לערכים העצמיים בסיס של פונקציות עצמיות ממשיות a מכיוון ש־ un , umמקיימות את תנאי השפה ,נוסחת גרין תקפה ,והביטוי = ,λmהאינטגרל באגף ימין באגף שמאל שווה לאפס .מכיוון ש־ 6 λm מתאפס. הערך העצמי הקטן ביותר λ0עבור בעיית שטורם־ליוביל מהצורה: 0 L [u] + λru = 0, L [u] ≡ (pu0 ) + qu עם תנאי שפה בקטע ] [a, bמקיים: ! ´b uL [u] dx a λ0 = inf R (u) = inf − ´ b u∈U u∈V u2 r dx a כאשר ) R (uנקראת מנת ריילי ,ו־ Uהיא הקבוצה של הפונקציות הגזירות פעמיים ברציפות בקטע ] [a, bאשר מקיימות את תנאי השפה. מאינטגרציה בחלקים ניתן לקבל: b ´b 0 2 2 p (u ) − qu dx − puu0 a a λ0 = inf ´b u∈U u2 r dx a בפרט ,עבור בעיית דיריכלה ,ניומן ,או מחזורית ,נקבל: ´b 0 2 2 p (u ) − qu dx a λ0 = inf ´b u∈U u2 r dx a הוכחה :תהי } {λnהסדרה העולה של הערכים העצמיים בבעיה ,ותהי } {unהסדרה המתאימה של פונקציות עצמיות .אם ,u ∈ Uאז ניתן לפתח את uבטור של פונקציות עצמיות: ∞ X = )u (x )an un (x n=0 לפיכך: )an λn r (x) un (x ∞ X n=0 an L [un ] = − ∞ X n=0 = ]L [u כלומר ,אנו רוצים למצוא פונקציה הרמונית בעיגול r < aאשר שווה ל־) f (θעל שפת העיגול .הלפלסיאן בקואורדינטות קוטביות הוא: 1 1 ∇2 u = urr + ur + 2 uθθ r r נפריד משתנים ) ,u (r, θ) = R (r) Θ (θנחלק ב־ ,RΘנכפיל ב־ r2 ונקבל: 00 0 00 R R Θ r2 +r =− =λ R R Θ כאשר λהוא קבוע הפרדה .קיבלנו ,אם כן ,את שתי המשוואות: ( r2 R00 + rR0 − λR = 0 Θ00 + λΘ = 0 = פתרון המשוואה ל־ Θהוא: √ λθ + B sin λθ לכל .x ∈ Dהמקסימום מתקבל בנקודה כלשהי ,xM ∈ ∂Dלכן ) u (x) ≤ u (xMלכל ,x ∈ Dכפי שרצינו להוכיח .ניתן להוכיח בצורה אנלוגית משפט דומה עבור מינימום. גרסה חזקה :המקסימום מתקבל רק על השפה ,∂Dאלא אם u פונקציה קבועה. הוכחה :נניח כי המקסימום מתקבל בנקודה ) xM ∈ Dשאינה על השפה( .נצייר מעגל מסביב ל־ ,xMאשר מוכל כולו ב־ .Dמתכונת הערך הממוצע u (xM ) ≡ M ,שווה לממוצע של uעל־פני המעגל; מצד שני ,באף נקודה על המעגל לא יכול להתקבל ערך גדול יותר מ־ .Mלפיכך u (x) = Mעל כל המעגל .תוצאה זו נכונה למעגל בכל רדיוס ,לכן נקבל עיגול מלא מסביב ל־ xMבו מתקיים u (x) = M לכל .xניתן לחזור על התהליך עבור כל נקודה בתוך העיגול ,ומכיוון שהנחנו כי Dקשירה ,נקבל כי u (x) = Mלכל נקודה .x ∈ Dלפיכך uקבועה ב־.D ≥ נדרוש ,כמובן ,תנאי שפה מחזוריים: )Θ (θ + 2π) = Θ (θ √ מכאן בהכרח , λ = n ∈ Nכלומר ,הפתרון הוא מהצורה: )Θn (θ) = An cos (nθ) + Bn sin (nθ עבור המשוואה ל־ ,Rנציב R (r) = rαונקבל: α (α − 1) rα + αrα − n2 rα = 0 מכאן .α = ±nלפיכך ,עבור ,n > 0הפתרון הוא מהצורה: Rn (r) = Cn rn + Dn r−n עבור n = 0קל לראות כי הפתרון הוא: R0 = C0 + D0 log r כעת ,הפונקציה צריכה להיות סופית ב־ ,r = 0לכן הביטויים מהצורה r−nו־ log rנופלים .לפיכך הפתרון הכללי יהיה: ∞ X 1 u (r, θ) = A0 + (An cos (nθ) + Bn sin (nθ)) rn 2 n=1 6.4משוואת לפלס בטבעת נציב את uואת ] L [uבמנת ריילי ונבצע אינטגרציה איבר־איבר. במכנה ,נשתמש בזהות פרסבל: ˆ b ∞ X = u2 r dx a2n a n=0 במונה נקבל: ∞ X am an λn rum un dx rum un dx − a am an λn a b = uL [u] dx a m,n=0 ∞ X ˆ b b ˆ ˆ = m,n=0 ∞ X a2n λn n=0 ∞ X a2n λ0 n=0 ובסה"כ נקבל .R (u) ≥ λ0קל לראות כי שוויון מתקבל אם ורק אם u = Cu0כאשר Cקבוע כלשהו ) λ0הוא תמיד ערך עצמי פשוט(. 5.5הלמה של רימן־לבג לפי הלמה של רימן־לבג ,התמרת פורייה של פונקציה במרחב L1 מתאפסת באינסוף. התמרת פורייה מוגדרת בסעיף .8.7המרחב Lpמוגדר בתור מרחב הפונקציות המקיימות: ˆ 1/p p ≡ kf kp |f (x)| dx ∞< הלמה של רימן־לבג אומרת כי: ˆ ∞ f (x) e− i ωx dx = 0 lim ∞→ω ∞− הוכחה :עבור פונקציה ) ,f (x) = χ(a,b) (xששווה ל־ 1בקטע )(a, b ול־ 0מחוץ לקטע ,נקבל: ˆ b ∞ ˆ e− i ωb − e− i ωa = e− i ωx dx = f (x) e− i ωx dx →0 −iω a ∞− לפיכך הלמה נכונה גם עבור פונקציות המוגדרות כך: X = )f (x )cn χ(ai ,bi ) (x i פונקציות אלה הן צפופות ב־ .L1כעת ,תהי f ∈ L1פונקציה כלשהו, יהי ε > 0וניקח פונקציה מהצורה הנ"ל ,אותה נסמן ב־ ,gNכך שמתקיים: ˆ |f (x) − gN (x)| dx < ε אז עבור Nגדול מספיק: − i ωx f (x) e dx ∞− ∞ ˆ |f (x) − gN (x)| dx + |gN (x)| dx ˆ ∞ ∞− ∞ ˆ ≤ נציב את תנאי השפה ב־:r = a ∞ X 1 A0 + )(An cos (nθ) + Bn sin (nθ)) an = f (θ 2 n=1 זה )כמעט( פיתוח פורייה של ) .f (θלפיכך המקדמים הם: ˆ 2π 1 f (φ) cos (nφ) dφ = An πan 0 ˆ 2π 1 = Bn f (φ) sin (nφ) dφ πan 0 6.1.2 5.6טורי פורייה )סטנדרטיים( כל פונקציה f (x) : [x0 , x0 + L] → Rניתנת לפיתוח בטור פורייה: X ∞ ∞ X 2π 2π 1 an cos nx + bn sin nx f (x) = a0 + 2 L L n=1 n=1 2π L nx = )f (x ∞n=− באמצעות כללי האורתוגונליות: 2π mx sin nx cos 2π 0 L L L 2π sin 2π L mx sin L nx dx = 2 δmn 2π 2π L cos L mx cos L nx 2 δmn ˆ x0 +L 2π 2π ei L mx e− i L nx dx = Lδmn x0 +L ˆ x0 x0 נמצא את המקדמים: dx 2π L nx 2π L nx dx cos sin 2π L nx ˆ x0 +L )f (x f (x) e− i x0 x0 +L ˆ x0 2 L 1 L = an bn 5.7אי־שוויון בסל וזהות פרסבל תהי } {unסדרה אורתונורמלית סופית או אינסופית במרחב מכפלה פנימית ,Vותהי u ∈ Vפונקציה .אז מתקיים אי־שוויון בסל: X 2 2 hu, un i ≤ kuk n בפרט .limn→∞ hu, un i = 0טענה זו שקולה ללמה של רימן־לבג )סעיף .(5.5הסדרה } {unנקראת שלמה ב־ Vאם לכל u ∈ V מתקבל שוויון באי־שוויון בסל .במקרה זה השוויון נקרא זהות פרסבל. משוואת לפלס 6.1נוסחת פואסון 6.1.1 פתרון כללי לפונקציה הרמונית בעיגול נתונה הבעיה: r<a 2 ∇ u = 0, )u (a, θ) = f (θ נוסחת פואסון )e− i n(θ−φ ∞ n X r a ei n(θ−φ) + n=1 ∞ n X r a =1+ n=1 )r ei(θ−φ )r e− i(θ−φ + )i(θ−φ a−re )a − r e− i(θ−φ 2 2 a −r = 2 a − 2ar cos (θ − φ) + r2 מכאן נקבל את נוסחת פואסון: ˆ 2π )f (φ dφ u (r, θ) = a2 − r2 2 − 2ar cos (θ − φ) + r 2 2π a 0 אם נסמן ) x = (r, θו־) x0 = (a, φנוכל לרשום את הנוסחה בצורה וקטורית: ˆ 2 0 2 ) u (x |a − |x ds0 = )u (x 0 2 2πa | |x0 |=a |x − x כאשר .ds0 = a dφ =1+ 6.2תכונת הערך הממוצע תהי uפונקציה הרמונית בעיגול Dורציפה בסגור .Dאז הערך של u במרכז העיגול שווה לממוצע של uעל השפה. הוכחה :נבחר קואורדינטות בהן מרכז המעגל נמצא בראשית הצירים. נציב x = 0בנוסחת פואסון הווקטורית ונקבל: ˆ 1 = )u (0 u (x0 ) ds0 2πa |x0 |=a 6.3עקרון המקסימום נתונה הבעיה: 2 ∇ u (r, θ) = 0 0 < a < r < b, 0 ≤ θ ≤ 2π )u (a, θ) = g (θ )u (b, θ) = h (θ בצורה דומה לפיתוח בסעיף ,6.1.1נגיע לפתרון: 1 u (r, θ) = (C0 + D0 log r) + 2 )Cn rn + Dn r−n cos (nθ) + Fn rn + Gn r−n sin (nθ כאשר הפעם הנקודה r = 0לא כלולה בתחום ,ולכן log rו־ נופלים. ∞ X + n=1 −n rלא 6.5בעיית הערכים העצמיים על עיגול יהי Ωהעיגול } .{0 ≤ r < a, 0 ≤ θ ≤ 2πאנו רוצים לחשב את הערכים העצמיים והפונקציות העצמיות של משוואת לפלס בעיגול. בקואורדינטות קוטביות ,המשוואה היא: 1 1 u (a, θ) = 0 urr + ur + 2 uθθ = −λu, r r כרגיל ,נבצע הפרדת משתנים ) u (r, θ) = R (r) Θ (θונקבל שתי בעיות שטורם־ליוביל .הראשונה ,עבור :Θ Θ00 (θ) + µΘ (θ) = 0 )Θ (0) = Θ (2π )Θ0 (0) = Θ0 (2π והשנייה ,עבור :R 1 0 µ R (r) + R (r) + λ − 2 R (r) = 0 r r |R (0)| < ∞, R (a) = 0 הפתרון עבור Θהוא ,כידוע: )Θn (θ) = An cos (nθ) + Bn sin (nθ עם הערכים העצמיים .µn = n2לפיכך המשוואה עבור Rתהיה: 1 n2 R00 (r) + R0 (r) + λ − 2 R (r) = 0 r r √ נבצע החלפת משתנים s = λrונעביר את המשוואה לצורה הקנונית: 1 n2 ψ 00 (s) = ψ 0 (s) + 1 − 2 ψ (s) = 0 s s √ .R (r) = ψקיבלנו בעיית שטורם־ליוביל סינגולרית, כאשר λr אותה אפשר לרשום גם כך: 2 n 0 ψ=0 (sψ 0 ) + s − s משוואה זו היא משוואת בסל מסדר .nאחד מהפתרונות שלה הוא סינגולרי ב־ ,s = 0לכן נעסוק רק בפתרון הסופי בראשית ,אשר נקרא פונקציית בסל מהסוג הראשון ומסומן .Jnלהלן מספר תכונות של פונקציות אלה. .1לכל מספר טבעי אי־שלילי ,nהאפסים של Jnיוצרים סדרה של מספרים ממשיים חיוביים αn,mאשר מתבדרת ל־∞ כאשר ∞ → .m ההפרש בין שני אפסים עוקבים שואף ל־ πבגבול ∞ → .m .2לפונקציות בסל הייצוג האינטגרלי הבא: ˆ 2π 1 = )Jn (x ei x sin θ e− i nθ dθ 2π 0 .3פונקציות בסל מקיימות את נוסחת הרקורסיה: )sJn+1 (s) = nJn (s) − sJn0 (s .4יהי nמספר טבעי אי־שלילי .אז לכל m = 1, 2, . . .מתקיים: ˆ a α a2 2 n,m rJn2 r dr = Jn+1 ) (αn,m a 2 0 בחזרה לבעיית הערכים העצמיים ,הפונקציות העצמיות הן: α n,m ))r (An,m cos (nθ) + Bn,m sin (nθ un,m = Jn a והערכים העצמיים הם: α 2 n,m = λn,m a כאשר n = 0, 1, 2, . . .ו־ .m = 1, 2, . . .הפונקציות העצמיות יוצרות מערכת אורתוגונלית שלמה ביחס למכפלה הפנימית: ˆ 2π ˆ a ≡ hf, gi f (r, θ) g (r, θ) r dr dθ 00 = cn פרק 6 = )u (a, θ את הטור בסוגריים ניתן לסכום באמצעות כתיבתו כטור גאומטרי של מספרים מרוכבים: ∞ n X r 1+2 = ))cos (n (θ − φ a n=1 ≤ε+ε→0 cn ei Θ (θ) = A cos ניתן להמשיך ולמצוא ביטוי מפורש לפתרון .נציב את An , Bnבביטוי ל־ uונקבל: ! ˆ 2π ∞ X r n dφ = )u (r, θ f (φ) 1 + 2 ))cos (n (θ − φ a 2π 0 n=1 ∞− ∞ X √ גרסה חלשה :תהי Dקבוצה פתוחה ,חסומה וקשירה ,ותהי uפונקציה הרמונית ב־ Dורציפה בסגור .Dאז המקסימום של uב־ Dמתקבל על השפה .∂D 2 הוכחה :יהי ε > 0ונסמן | .v (x) = u (x) + ε |xאז: ∇2 v = ∇2 u + ε∇2 x2 + y 2 = 0 + 4ε > 0 0 0 ב־ .Dאבל בנקודת מקסימום פנימית מתקיים ,∇2 v = vxx +vyy ≤ 0 וניתן לפתח כל פונקציה ) h (r, θבטור פורייה־בסל: ולכן אין ל־ vנקודת מקסימום פנימית ב־ .Dעם זאת ,מכיוון ש־v ∞ X ∞ α X רציפה ,חייב להיות לה מקסימום במקום כלשהו בסגור ,Dולכן הוא n,m = )h (r, θ Jn ))r (An,m cos (nθ) + Bn,m sin (nθ יהיה על השפה .נניח כי המקסימום מתקבל בנקודה .x0 ∈ ∂Dאז a n=0 m=1 לכל :x ∈ D כאשר המקדמים נקבעים לפי: 2 u (x) ≤ v (x) ≤ v (x0 ) = u (x0 ) + ε |x0 | ≤ max u + εL2 2 ∂D = An,m · ) πa2 Jn+1 (αn,m כאשר Lהוא המרחק הגדול ביותר מ־ ∂Dלראשית הצירים .מכיוון ˆ 2π ˆ a α שזה נכון לכל ,ε > 0נקבל: n,m · h (r, θ) Jn r cos (nθ) r dr dθ u (x) ≤ max u a 0 0 ∂D 2 · ) πa2 Jn+1 (αn,m ˆ 2π ˆ a α n,m · h (r, θ) Jn r sin (nθ) r dr dθ a 0 0 נעיר כי כל ערך עצמי )פרט למקרה (n = 0הוא בעל ריבוי .2 = Bn,m 6.6הרמוניות כדוריות נרשום )ללא פיתוח( את הפתרון למשוואת לפלס בקואורדינטות כדוריות .פולינומי לג'נדר המוכללים )associated Legendre poly- (nomialsמוגדרים באמצעות נוסחת רודריגז: `+m m ` )(−1 d m 2 m/2 ≡ )P` (x 1−x x2 − 1 ` !` 2 dx כאשר m ∈ Z ,` ∈ N0ומתקיים ` ≤ .−` ≤ mהיחס בין )P`m (x ו־) P`−m (xהוא: m (` − m)! m )P (x )P`−m (x) = (−1 ` !)(` + m וכלל האורתוגונליות הוא: ˆ +1 !)2 (` + m P`m (x) P`m ` δ `0 = 0 (x) dx `2 !)+ 1 (` − m −1 נגדיר את ההרמוניות הכדוריות ):(spherical harmonics s 2` + 1 (` − m)! m ≡ )Y`m (θ, φ P (cos θ) ei mφ ` !)4π (` + m אז מתקיים כלל האורתוגונליות: ∗i h 0 = (θ, φ) dΩ Y`m (θ, φ) Y`m 0 ˆ π ˆ 2π ∗i h 0 (θ, φ) sin θ dθ Y`m (θ, φ) Y`m dφ = 0 ¨ 0 0 = δ`0 ` δm0 m וכמו־כן: −m ∗ m m )Y` (θ, φ) = (−1) Y` (θ, φ מספר הרמוניות כדוריות לדוגמה הן: r r r 1 3 3 ±1 0 0 = Y0 = , Y1 cos θ, Y1 = ∓ sin θ e±iφ 4π 4π 8π כאשר ,m = 0ניתן להגדיר את ההרמוניות הכדוריות באמצעות פולינומי לג'נדר הרגילים: r `2 + 1 = )Y`0 (θ, φ )P` (cos θ 4π כמו כן מתקיים משפט החיבור: ` X 4π ∗ = )P` (cos γ ]) Y`m (θ, φ) [Y`m (θ0 , φ0 2` + 1 `m=− 0 0 ) cos γ ≡ cos θ cos θ + sin θ sin θ cos (φ − φ ניתן לפתח כל פונקציה ) f (θ, φבאמצעות ההרמוניות הכדוריות: )C`m Y`m (θ, φ ∞ X ` X כאשר המקדמים הם: הפתרון לבעיית דיריכלה )משוואת לפלס( נתון ע"י הנוסחה: ¨ ) ∂G (x, x0 = ) u (x0 )u (x dS ∂n ∂D הוכחה :נסמן כמקודם: 1 v (x) ≡ − | 4π |x − x0 אז מתקיים מנוסחת הייצוג: ‹ ∂u ∂v = ) u (x0 −v dS u ∂n ∂n ∂D נגדיר פונקציה Hכך: )G (x, x0 ) ≡ v (x) + H (x אז Hהיא פונקציה הרמונית ב־ .Dנשתמש בזהות גרין השנייה עבור הפונקציות uו־:H ‹ ∂H ∂u =0 u −H dS ∂n ∂n ∂D נחבר את המשוואה הזו עם המשוואה ל־) u (x0ונקבל: ‹ ∂u ∂G −G dS = ) u (x0 u ∂n ∂n ∂D אבל Gמתאפסת על ,∂Dלכן הביטוי השני מתאפס ,וניוותר עם המשוואה שרצינו להוכיח. 2 הפתרון למשוואת פואסון ∇ u = f :ב־ Dו־ u = hעל ∂Dנתון ע"י: ¨ ˚ ) ∂G (x, x0 = ) u (x0 )h (x dS + f (x) G (x, x0 ) d3 x ∂n ∂D D נספחים ``=0 m=− במשוואות דיפרנציאליות רגילות מהצורה: 0 )y (x) + P (x) y (x) = Q (x אינטגרציה: נכפיל את המשוואהבגורם ˆ M (x) ≡ exp P (x) dx 0 7.1זהויות גרין זהויות גרין הן: ˚ ‹ φ (∇ψ) · da ∂V ‹ ˚ = φ∇2 ψ − ψ∇2 φ dV (φ∇ψ − ψ∇φ) · da V ∂V כאשר: ∂ϕ ≡ ∇ϕ · da dS ∂n )(M (x) y (x)) = M (x) Q (x לפיכך הפתרון יהיה: ´ M (x) Q (x) dx = )y (x )M (x ∇2 uב־ Dאז: אם = 0 1 )∂u (x ∂ 1 dS = ) u (x0 )− u (x |x − x | ∂n ∂n |x − x | 4π 0 0 ∂D הוכחה :מנוסחת גרין השנייה: ˚ ‹ ∂v ∂u 2 2 = u∇ v − v∇ u dV u −v dS ∂n ∂n D ∂D ניקח: 1 v (x) ≡ − | 4π |x − x0 אז ,∇2 v = 0למעט ב־ ,x = x0ולכן אגף שמאל של זהות גרין מתאפס .יהי Dεהתחום Dבלי כדור ברדיוס εסביב .x0לתחום זה יש שתי שפות :השפה ∂Dושפת הכדור הקטן .נניח בלי הגבלת הכלליות כי .x0 = 0על הכדור מתקיים ,∂/∂n = −∂/∂rולכן נקבל: ‹ ∂ 1 1 ∂u − u − = dS ∂n r r ∂n ∂D ‹ ∂ 1 1 ∂u − u − dS ∂r r r ∂r r=ε ¨ 1 ∂2f r2 sin2 θ ∂φ2 1 ∂2 r ∂r 2 or + 8.6פונקציית דלתא פונקציית דלתא של דיראק ) ,(Dirac delta functionהמסומנת ) ,δ (xמתאפסת בכל מקום פרט ל־ ,x = 0ומקיימת: ∞ ˆ δ (x) dx = 1 ∞− כמו כן: ˆ ∞ f (x) e− i ωx dx 8.2סוגים של תנאי התחלה תנאי דיריכלה :הערך של הפונקציה עצמה מוגדר על השפה. תנאי ניומן :הערך של הנגזרת מוגדר על השפה .בבעיה רב־ממדית, .∂f /∂n = n הנגזרת היא הנגזרת המאונכת לשפהˆ · ∇f , תנאי רובין :הערך של הסכום של הפונקציה ונגזרתה ,af + bf 0 ,מוגדר על השפה. )1 − cos (2x = sin x , 2 )1 + cos (2x = cos x 2 2 2 )3 cos x + cos (3x 4 )3 sin x − sin (3x , 4 = cos3 x 8.4אינטגרלים שימושיים ˆ 1 1 )x − sin (2x 2 4 = sin2 x dx 1 1 )x + sin (2x 2 4 = cos2 x dx !n an+1 ∞ = xn e−ax dx 2 x ˆ e−p dp = erf x 0 0 2 √ π = sin3 x 1 √ = )fˆ (ω 2π ∞ ˆ 1 √ = )f (x f (ω) ei ωx dω ∞2π − וניתן להראות )באמצעות אינטגרציה בחלקים( כי התמרת פורייה של הנגזרת ) f 0 (xהיא ) ,i ω fˆ (ωולכן זו של ) f 00 (xהיא ).−ω 2 fˆ (ω התמרת לפלס מוגדרת כך: ∞ ˆ f (t) e−st dt ≡ )L [f (t)] (s 0 אם )) f (t) 7→ F (sכלומר (L [f (t)] (s) = F (s) ,אז: n )tf (t) 7→ −F 0 (s) , tn f (t) 7→ (−1) F (n) (s )f 0 (t) 7→ sF (s) − f (0) , f 00 (t) 7→ s2 F (s) − sf (0) − f 0 (0 ∞ ˆ 1 s )f (t →7 →F (σ) dσ, f (at) 7 F t ||a a s at )e f (t) 7→ F (s − a) , f (t − a) Θ (t − a) 7→ e−as F (s כאשר ) Θ (xהיא פונקציית מדרגה )שווה ל־ 1כאשר x > 0ו־0 אחרת( .כמו־כן ,אם ) g (t) 7→ G (sאז: ˆ t ≡ )f (t) ∗ g (t )f (τ ) g (t − τ ) dτ 7→ F (s) G (s 0 כאשר ∗ מסמן קונבולוציה. ˆ ˆ ˆ ∞− 8.3זהויות טריגונומטריות 7.2נוסחת הייצוג ) (rf התמרת פורייה מוגדרת כך: 2 = φ∇ ψ + (∇φ) · (∇ψ) dV V 1 ∂ 2 ∂ 1 ∂ 1 (r Ar ) + (sin θAθ ) + Aφ 2 r ∂r r sin θ ∂θ r sin θ ∂φ 1 ∂ ∂Aθ =∇×A (sin θAφ ) − ˆ r+ r sin θ ∂θ ∂φ 1 1 ∂Ar ∂ ˆ + 1 ∂ (rAθ ) − ∂Ar φ ˆ + − (rAφ ) θ r sin θ ∂φ ∂r r ∂r ∂θ 1 ∂ ∂f ∂ 1 2 ∂f 2 r + 2 sin θ + ∇ f= 2 r ∂r ∂r r sin θ ∂θ ∂θ =∇·A 8.7התמרת לפלס ופורייה ונקבל: פונקציות גרין ˆ 1 ∂f ∂f ˆ 1 ∂f θ+ φ = ∇f ˆ r+ ∂r r ∂θ r sin θ ∂φ כל עוד תחום האינטגרציה מכיל את הנקודה .x0 קרטזיות בשלושה ממדים היא מוגדרת כך: 3 )δ (x, y, z) = δ (x) δ (y) δ (z בקואורדינטות כדוריות נקבל: 1 δ 3 (r − r0 ) = 2 ) δ (r − r0 ) δ (θ − θ0 ) δ (φ − φ0 r sin θ באופן כללי ,יש לחלק את הביטוי ביעקוביאן במעבר קואורדינטות )מפני שהביטוי המלא אותו צריך לשנות הוא .(δ 3 (r) d3 r 8.1גורם אינטגרציה פרק 7 ˆ + r dr dθ φ ˆ ˆ da = r2 sin θ dθ dφ r + r sin θ dr dφ θ 2 |˙r| = r˙ 2 + r2 θ˙2 + r2 sin2 θ φ˙ 2 בקואורדינטות ≡ C`m הפתרון הכללי למשוואת לפלס בקואורדינטות כדוריות ,כאשר יש תלות ב־ ,φיהיה: ∞ ` m X X `B ` )Y`m (θ, φ = )Φ (r, θ, φ Am ` r + `+1 r dV = r2 sin θ dr dθ dφ ˆ + r sin θ dφ φ ˆ ˆ dl = dr r + r dθ θ ) f (x) δ (x − x0 ) dx = f (x0 ¨ ∗ p )r = x2 + y 2+ z 2 (distance from origin z )∈ [0, π] (angle down from z axis θ = cos−1 ry φ = tan−1 )∈ [0, 2π] (angle from x axis x r = sin θ cos φ x ˆ + sin θ sin φ y ˆ ˆ + cos θ z ˆ ˆ θ = cos θ cos φ x ˆ + cos θ sin φ y ˆ ˆ − sin θ z ˆ φ = − sin φ x ˆ + cos φ y ˆ פונקציית גרין ) G (xעבור האופרטור ∇ −והתחום Dבנקודה x0 ∈ Dהיא פונקציה אשר מוגדרת לכל x ∈ Dומקיימת: G (x) .1גזירה פעמיים ברציפות ו־ ∇2 G = 0ב־ ,Dלמעט בנקודה .x0 G (x) = 0 .2עבור .x ∈ ∂D .3הפונקציה | G (x) + 1/4π |x − x0סופית ב־ ,x0גזירה ברציפות פעמיים בכל מקום והרמונית ב־ .x0 ניתן להראות כי פונקציית גרין קיימת ויחידה .נסמן אותה ב־ ) .G (x, x0מתקיים: G (x, x0 ) = G (x0 , x) , x 6= x0 = )f (θ, φ f (θ, φ) [Y`m (θ, φ)] dΩ x = r sin θ cos φ, y = r sin θ sin φ, z = r cos θ ˆ − sin φ φ ˆ ˆ ˆ = sin θ cos φ r + cos θ cos φ θ x ˆ + cos φ φ ˆ y ˆ ˆ = sin θ sin φ r + cos θ sin φ θ ˆ ˆ ˆ z = cos θ r − sin θ θ 7.3פונקציות גרין פרק 8 ``=0 m=− 8.5קואורדינטות כדוריות 2 7.4משוואת פואסון כאשר: 0 באגף ימין נקבל: ‹ ‹ 1 1 ∂u ∂u u dS − dS = 4πu + 4πε 2 ε ε r=ε ∂r ∂r r=ε כאשר uמסמל את הממוצע של ) u (xעל הכדור .|x| = r = ε כאשר ,ε → 0ביטוי זה שואף ל־) 4πu (0מכיוון ש־ uרציפה ו־∂u/∂r חסומה .מכאן נקבל את נוסחת הייצוג. בשני ממדים ,הנוסחה היא: ˆ ∂ ∂u dS = ) u (x0 u (log |x − x0 |) − | log |x − x0 ∂n ∂n 2π ∂D 8.8גזירת גבולות באינטגרל כאשר גוזרים אינטגרל עם גבולות משתנים ,יש להשתמש בנוסחה: ˆ )d b(t = f (x, t) dx )dt a(t )ˆ b(t ∂ f (b (t) , t) b0 (t) − f (a (t) , t) a0 (t) + f (x, t) dx a(t) ∂t