Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Многомерный анализ и дискретные модели

..pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
13.35 Mб
Скачать

§ 3]

ГРАНИЧНЫЕ ЗАДАЧИ И АППРОКСИМАЦИЯ

161

из

Полезно

заметить, что при р = 0 (dV)n = 0 я

первое

условий

(11) отсутствует; аналогично, при р — я от­

сутствует второе условие (11).

, Рассмотрим в заключение пример естественных урав­ нений другого типа — переопределенную систему.

У т в е р ж д е н и е

4.Уравнения

d% =

f, Ь%= g, %<=Нр,

при выполнении условий совместности

df = 0, / Х Д р - и 6g = 0, g - LS^ -i ,

всегда разрешимы. Решения определены с точностью до произвольного слагаемого из подпространства З^ПЗ^.

Проверка, использующая ортогональные разложения вида (4), предоставляется читателю, ш

Возможен вариант утверждения „ 4, содержащий те или иные граничные условия для %. Ясно также, что в очерченном круге идей можно рассмотреть уравнения Максвелла, аналоги правильных систем из гл. И, урав­ нения со временем и другие дискретные модели есте­ ственных уравнений.

§ 3. Двумерный случай:

граничные задачи и аппроксимация

3.0. Предварительные замечания. Характерной чертой приводимого ниже изучения разностных уравнений яв­ ляется использование специального формализма, позво­ ляющего осуществлять подробный анализ возникающих чисто комбинаторных соотношений. Построение форма­ лизма стимулируется отмечавшейся далеко идущей ана­ логией с континуальными объектами. Естественно требо­ вать, чтобы следующим этапом, рассмотрений было выяс­ нение реальной связи сконструированных комбинаторных объектов с континуальными: выяснение возможностей аппроксимации и предельного перехода.

В данном параграфе (для простейшей двумерной об­ ласти — прямоугольника) уточняются, с одной стороны, комбинаторные рассмотрения, страдавшие в § 2 некото­ рой приблизительностью, а с другой — описывается не затрагивавшаяся до юих пор (если не считать гл. 0) методика сопоставления дискретным «формам» и урав­ нениям функций и дифференциальных соотношений. Методика эта несколько^ отличается от обычной и осно­

162

МОДЕЛЬ ЕВКЛИДОВА ПРОСТРАНСТВА

[ГЛ. IIL

вана, по существу, на использовании простейших сплай­ нов, возникающих в результате осреднения ступенчатых функций. Одним из формальных результатов является построение нестандартных аппроксимаций обобщенных решений уравнения Пуассона при минимальных требо­ ваниях гладкости правой части (/eDH(F)).

3.1. Континуальные объекты. В данном параграфе будет рассмотрена, в частности, аппроксимация решений уравнений

—Dyu + Dxv =

/, Dui + Dyv = О

(1)

в прямоугольнике QczTR2

при условиях

 

и cos пх + v cos пу = 0 на д£1.

(2)

Функции и, и играют при этом роль компонент 1-формы (о.(я?, у) = и dx + v dy.

Одновременно нам придется иметь дело о функциями

точки ‘<р(ж, у) и 2-формами ц (ж, y)dx dy.

(1) записы­

С помощью операторов d, б уравнения

ваются в виде

 

ico = /, —бю — 0.

(3)

Вместе с (3) в построениях участвуют родственные уравнения

(&р + 6т1 — g,

(4)

- A t^ ( d 6 + 6d)i = fe

(5)

и ортогональные разложения гильбертова пространства Ш1 (Q) 1-форм:

№ - ^ © « 6 . ® / » н1 = 3*2 © Яа 0.91д,

(6)

являющиеся континуальными вариантами разложения (4), § 2. Для уравнения (5) будет рассмотрена задача Дирихле,

Помимо пространства И1 будут полезны гильбертовы

пространства W ^Q), W l(Q) функций с обобщенными первыми производными и нормой

ц,

w

i 2^ ( d i , d i)+ (6 i,

6 D + ( i , i)

(ср. п. 5.2,

гд.

I). В W 1 элемент

\ подчинен однород­

ным граничным условиям, и в определении нормы от­ сутствует обычно слагаемое (§, §).

§ 3]

ГРАНИЧНЫЕ ЗАДАЧИ И АППРОКСИМАЦИЯ

163

Отметим, что было бы вероятно интересно рассмот­ реть в контексте данного параграфа конструкции, свя­ занные с интегралом Коши (п. 5.3, гл. II).

3.2. Комбинаторная структура. Пользуясь в двумер­ ном случае нашей моделью евклидова пространства — комплексом (п. 1.2, § 1), введем специальные обозначе­ ния для его элементов. Положим

Xs ==s

^

sss

f'h,s?

&h &

= Vktsi

%h & &&=

 

Соответственно будем {иметь

 

 

 

= О,

==Xxhts

 

d&k,s =z •X'k,xs %ktsi

=

ejits + 6%iit$

 

s*

Аналогичные обозначения ~ могут

быть

очевидным обра­

зом введены и для базисных элементов сопряженного комплекса К (2), но мы не будем ими пользоваться, пе­ реходя сразу к системам коэффициентов, определяющих формы:

Ф ='%,«>, Ш= ы кв, vhJ , Г] = {т)м>.

(7)

формы (7) рассматриваются как

задающие соответству­

ющие функций над 6(2):

 

 

Ф j %k,s ^ ф h,&i

&kts

® | &k,s

Приведем запись оператора d, вводя одновременно удоб­ ные в дальнейшем специальные обозначения для раз­ ностей:

d(p |

=

фтй,в ф&,$&ktyk»si

 

 

 

 

/

As(pk>s,

 

(8)

^ФI ^hts = фh,%sТфk,s

 

dto | Vkts =

VXkfs

+ Ukis — Afetffc.s— As^fe,sr

Основную

область — прямоугольник

V — определим

как

сумму

 

 

 

 

 

 

fc,s

* =

1........ ЛГ;

5 - 1 , . . ; , М .

(9)

 

 

 

 

 

Условимся, что и-в дальнейшем, если пределы суммиг рования не указаны, индексы,&, s всегда пробегают мно­ жество значений, указанное в (<9).

164

МОДЕЛЬ. ЕВКЛИДОВА ПРОСТРАНСТВА

 

ГГЛ. III

Определенное в § 1 скалярноепроизведение

форм

одинаковой

степени

сводится. теперь к покомпонентным

суммам

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(<р»Ч’)г =

2 ? к Ж * >

 

 

 

 

 

 

-

М

 

 

 

и аналогично

для

(о>, *&)v, (л, %)v.

Соответствующие

гильбертовы

пространства Нр, р = 0,

1, 2,

будут

иметь

размерности MN или 2MN соответственно.

Грина (2)

Приведем

развернутую

запись формулы

из п. 2.1 для пары ф 'е Х 1’

со ^ К2.

тождество

 

У т в е р ж д е н и е

.1. Справедливо

 

(<*ф, ю)у =

 

х uh,s +

A*(pft>s X I’M ) =

 

 

k,s

 

 

 

 

 

 

2k h,tMVk,M<Pk,lVk,o) + 2s (ф-tJV.sWjV,»

Фх>4«0,*) +

 

 

 

+ 2

Фм (— Afeu<JM — A

(10)

 

 

 

k,8

 

 

 

 

Всоответствии с обозначениями (8) Д*Мом= uht6

Uak,s и аналогично для A8vkto8. Непосредственная про­ верка тождества (10) элементарна, хотя и несколько уто­

мительна. а Как неоднократно подчеркивалось, в (10) вошли не

только компоненты <рм , ukt$,

определяющие

соответ­

ствующие элементы

пространств

#°(F),

Hl(V)

(в этом

случае индексы к,

s пробегали

бы лишь значения из

(9)), но и.компоненты ф ^ / ^ о - и

т. д.

запись опера­

Тождество (10) дает, как очевидно,

ций бсо:

 

 

 

 

8со|#м “ AkUojits

AsVh,o8»

 

 

Соответственно, последнее слагаемое в (10) может быть

записано

в виде (<j>, $(p)v-

 

 

Наряду с (10) удобно иметь явную запись аналогич­

ного соотношения для пары со = К 1,

т| s К2.

У т в е р ж д е н и е 2. Справедливо

тождество

T i)y S =

2 ( A hvhtS — AsUh,s)

=

 

 

k,S

 

 

— 2 (ик,Щк,0 Мк,тМЦк,м) + 2 (v-zN^N'S — *>1,ST]<M) +

h ,

 

s

 

 

4 “ 2 (^ft,sAsTlfe,as

^sA feTla ft.s)* Я ( H )

§ 3]

ГРАНИЧНЫЕ ЗАДАЧИ И АППРОКСИМАЦИЯ

165

Теперь для 6г] будем иметь

 

 

 

Si] | eltS= Asr]k,osi

бт] I eh,s = —

 

 

и последнее

слагаемое в

(.11) может быть

записано в

виде .(<о,

6г])^.

с арифметической

точки

зре­

Тождества

(10), (11)

ния эквивалентны и могут быть получены одно из дру­ гого заменой обозначений.

Как отмечалось, формула (2) из § 1 в «явной» за­ писи дает, в одномерном случае, преобразование Абеля. Таким образом, (10), (11) могут рассматриваться как его двумерные аналоги.

3.3.Уравнения и задачи. Начнем с рассмотрения

дискретной задачи Дирихле для уравнения Пуассона. В этом уравнении, записанном в виде равенства ' (5), форма £ может иметь степени 0, 1 или 2. Остановимся прежде всего подробно на классическом случае

—Аср == 6 dep =

gr,

(12)

где ф, g — 0-формы. Записав

(12)

«поточечно»

 

б d(pI Xk,8 S 4фМ ФOk,8

фтА,в

фА.Св 'фй.тв * §k,81

(13)

видим, что имеем дело с обычным разностным анало­ гом оператора Лапласа, однако без «масштаба» и/нор­ мировки разностей. В дальнейшем важнейшую роль играет

У т в е р ж д е н и е

3. Справедливо тождество

 

(dtp,

=

м

+ А«Фй,»АЖ,«) =

 

= 2

 

[фйдм(Фа.тМ— ф&.м) — фь,1 ( Ф м Ф м Н +

 

+ 2

[фтл,8<фтлг,« — Ф^,«) фМ (Фм — Ф<м)] -+

 

 

 

 

 

 

+ (ф, бйф)у.

(14)

Тождество получается из (40)’ подстановкой <2ф

вме­

сто (Л.

 

 

Форму. ср

назовем решением

О п р е д е л е н и е .

задачи Дирихле для

уравнения

(12), ©ели при всех

к =

= 1,

N, s = 1,

М

выполнены равенства

(43),

в которых положено

 

 

 

 

 

 

Фа,о — Фа,тм= 0,

фо,.= <PTW,« = 0.

(15)

166

МОДЕЛЬ ЕВКЛИДОВА ПРОСТРАНСТВА

[ГЛ. III

Условия (15) позволяют считать оператор —А (от­ вечающий задаче Дирихле) определенным на произволь­ ном элементе <р г Я 0 (условия (15) дают необходимое доопределение <р «за пределами Я 0»). Другими словами, введенное определение задает оператор

 

 

 

 

 

—А: Н°-+Н°.

 

 

 

(16)

З а м е ч а н и е .

 

Добавляемая

ниже,

после

номера

леммы

или

теоремы, цифра в скобках отмечает, к како­

му из

пространств

Нр, р =

0,

1,

2,

результат относится.

Л е м м а

1 ( 0 ) .

Заданный,

описанным

выше

обра­

зом оператор (16) является самосопряженным.

в

(14)

Д о к а з а т е л ь с т в о .

Предположив,

что

форма г|) также подчинена условиям вида

(15),

получим

 

d\j))v =

к

 

&

 

+ (Ф>

 

(17)

Отсюда слёдуёт,

что при„ указанных условиях

 

 

 

 

 

 

 

(б^ф, чр) 1Г=(кр, б Йф)у. Ш

 

 

Т е о р е м а

1

(0). Для

любого

g<=H°

решение за­

дачи Дирихле

для

уравнения

(12)

существует

и

един­

ственно.

 

 

 

 

В

силу

установленной

само­

Д о к а з а т е л ь с т в о .

сопряженности оператора, отвечающего задаче, достаточ­

но установить единственность

решения.

Полагая

g ==■0

и используя (14), (17)

в предположении ф.= ф, получим

2 [(Д^фи,$)2*4- (Д«Фм)2] +

2 фйд + 2 Фм **

 

ft,в

 

ft

8

 

откуда следует ф = 0. ■

 

 

 

 

-Переходя к уравнениям

 

 

 

-А Л — « Л - / ;

Л, / - Я 2,

 

(18)

—Дсо = (Йб + бd) CD— Г,

(О, Г s

Я 1,

(19)

заметим, что рассмотрение (18) не отличается от про­ ведённого для 0-форм ф. Аналог равенства (14) полу­ чается из (11) подстановкой со = 6%, что дает представ­ ление скалярного произведения (6%, 8r\)v. Свойства его полностью аналогичны свойствам (<2ф, йф)у.

=Сложнее обстоит дело .с равенством (19), соответст­ вующим паре «скалярных» уравнений Пуассона. Теперь изучения требует сумма (did, <20)у+(бо), 60) у. Мы рас­ смотрим ее ниже, в случае О = со, в связи с основным

§ 3]

ГРАНИЧНЫЕ ЗАДАЧИ И АППРОКСИМАЦИЯ

 

167

интересующим

нас

объектом:

уравнениями

(1)

(или

(3)). Пока что ограничимся в отношении (18),

(19)

сде­

ланными

замечаниями и формулировкой результата.

О п р е д е л е н и е. Элемент т] е Я 2

(ю. = Н1) назовем

-решением

задачи Дирихле для

(18)

(для (19)),

если

для компонент ц*,

(компонент

uhjS, vks)

выполнены ра­

венства вида

(13)

с соответствующими

правыми частя­

ми, причем учтены дополнительно однородные условия

/15) (для

указанных

в (15) номеров-компонент).

Л е м м а

1 (2, ' 1).

Заданные описанным выше об­

разом операторы

 

 

Д: Н*

Я*, р = 1, 2,

являются самосопряэ1сенными. ■ Т е о р е м а 1 (2, 1). При любых правых частях ив

Нр, р = 1, 2, решения задачи Дирихле для уравнений {18), (19) существуют и единственны, и

Перейдем к уравнениям вида (3)

 

d© =

/,

б© = £ ,

 

(20)

не ' предполагая пока однако

g = 0.. Нам потребуется

упомянутый выше аналог утверждения 3.

условий

 

У т в е р ж д е н и е

4.

При

выполнении

 

Щ,8 UkfXM=

0,

Uft-Q VxM}s

0,

 

* - 1 ,

 

N,

5 = 1, ...,

М,

(21)

справедливо равенство

 

 

 

 

 

d®, dto)y + (бсо, 6(o)y =

 

 

 

 

 

= 2 [(Aft»M)2 +

(А^й.а,)2 +

(AhUoh,sf + (A5U,m)2].

(22)

Д о к а з а т е л ь с т в о .

При

непосредственном подсче­

те в .правой части, помимо записанных членов, должна содержаться сумма удвоенных произведений вида

22[(Afe^afc,s)(^Л.ав)—(&hvk,s) (А$Щ,з)]

k,s

После сокращений и соответствующей группировки чле­ нов сумма эта сводится к «сумме по границе»:

2 2 [(Ай«ok,jM) VkiM{&kuok,s) + h

+ 2 21(As^o,s) vlts—г (AS^N.S) V%N,S]> (23)

1 68

МОДЕЛЬ ЕВКЛИДОВА ПРОСТРАНСТВА

[ГЛ. III

после чего справедливость -утверждения очевидна, (чле­ ны с множителем Щт'м, не охватываемые условиями

(21), сокращаются). ■

Оп р е д е л е н и е ! Решением уравнений (20) при ус­

ловиях (21) назовем форму с о ^ Я 1,

удовлетворяющую

системе равенств

 

 

(&bVh,a — A*Uk,e) Wh,8 6=2/м,

А = 1,

. . N,

(-А ftttcM “ A8Vbtos) \xkfs «= gk,s,

 

(24)

5 = 1 , . . ., М,

вкоторых учтены условия (21).

Те о р е м а 21 Определенное вышеуказанным образом решенце задачи (20)—-(21) существует и~ единственно

при любых правых частях /*=Я 2,

g е Я 0.

 

Единственность решения немедленно следует из ут­

верждения

4.

(Полагая / = g =

0, получим из

(21),

(22) и =

i; =

0.) Существование

решения для

любых

правых частей явилось бы следствием единственности решения соответствующим образом определённой сопря­ женной задачи. Можно проверить, что такая единствен­ ность действительно имеет место. ■

Отсутствие полного доказательства не является ос­ новным недостатком приведенной теоремы. Хуже то," что использование условия (21) не соответствуют гранич­ ным условиям (2)j наиболее употребительным в кон­ тинуальном случае (задание нормальной составляющей ковектора со). В (24) компонента и задана на левой и

верхней

сторонах F, a

v — на правой и нижней. Усло­

виям (2) соответствовали бы условия

 

 

5=2 utN,s

0,

Vhto=

VktxM— 0,

(25)

но они

не обеспечивают

обращения

в нуль суммы

(23)

и не дают необходимого доопределения компонент со* входящих в (24) .

У т в е р ж д е н и е 5.

Сумма (23) обращается в нуль

при-условиях

 

 

 

uots = UNts

0,

Vk,o v&tM= 0. ■ -

(26)

Условия (26) «похожи» на (25), но и они не обес­ печивают нужного доопределения о и не укладываются

врамки используемой схемы. Ниже мы сумеем перейти

кусловиям (26) в специальном случае £ == 0 за счет

Привлечения ортогональных разложений пространства Я 1 (ср. п. 2.2) .

§ 3]

 

ГРАНИЧНЫЕ ЗАДАЧИ И АППРОКСИМАЦИЯ

169'

Переход к условиям

(26)

в общем

случае

возможен,,

по-видимому, за счет использования дискретного анало­

га „построений п. 4.1, гл. II: подклейки

дубля и четных-

нечётнкх продолжений форм.

 

 

 

Воспользуемся те­

3.4.

Ортогональные

разложения.

перь одним из, вариантов рассмотрений п. 2.2. Обозна­

чим

через

(через Щ )

линейдое

пространство

0-форм (или 2-форм), удовлетворяющих

условиям (15)

(соответственно — с заменой <р на

т|)

и через

$2 (через*

$а)

подпространства

в

Я 1,

состоящие

из элементов,

представимых^ виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

© = йф,

ф е

 

 

о =

6'irj,

г)е® б‘

 

Можем тогда записать для Я 1 разложения

 

 

 

 

Я 1 -

X°d,© 91а,

Я А-

RS Ф Я*

(27>

где через 9Ь, 91<* обозначены ортогональные дополнения

ксоответствующим подпространствам.

Ут в е р ж д е н и е 6. Имеют место включения

П а Э la, 3?2c:9ld.

Д о к а з а т е л ь с т в о . Проверим первое из включе­ ний. Условие со е означает, что компоненты и, и представимы в виде

им = Д*фм , vkf8= ДвФм,

где ф е

£>2-

Следовательно, если

элемент со е Я 1 орто­

гонален

912,

то для

любого

ф е

выполняется

равен­

ство

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

X

 

[ “ k.* ( A ft<pft><)

+

Vhj, (Д ,Ф й ,з )] = 0 .

 

 

k,s

 

 

 

 

 

 

 

Это равенство приводится к виду

 

 

[фм (Uk;s +^ft,?)] |fc=lvN—

 

 

 

М -1

 

|S=I;M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

— 2

[ ф м

 

(Д в ^ а в

+

wl,e)

"1“ Ф^,в (As^IV^aa + ^i\T,e)]

5=2

 

 

 

 

 

 

 

 

. iV—1

 

 

 

 

Vktl) + фй,м(А^ал,М.+ ^,м )] —

— 2

[9ft,l(Afewaft,i +

h—2

 

 

N~1 M - l

 

 

 

 

 

 

 

Фь,в(Akuok*s ”h Ae^fe,as) = 0, (28)

 

 

 

— 2

 

2

fe=2 5=2

170 МОДЕЛЬ-ЕВКЛИДОВА ПРОСТРАНСТВА [ГЛ. III

где теперь каждый из множителей <рм встречается *толь­ ко один раз и принимает произвольные значения. Сле­

довательно, о) s

91б

тогда

и

тоДько тогда,

когда

каждая

из круглых скобок, входящих в

(28), обращается в нуль.

Проверка того, что

для

со е

 

это условие выполняет­

ся, не представляет труда.

 

 

 

 

Второе включение проверяется аналогично, ш

 

Из разложений

(21)

и

утверждения

6 следует

Т е о р е м а

3.

Пространство

Н 1 представимо

в виде

ортогональной суммы

 

 

 

 

 

#1 = д { 2 е ^ 0 3 1 д,

 

п эг6.

 

(29)

Как и следовало ожидать, из наших рассмотрений следует, что, для 1-форм ф е 91д на элементах #м , FM,' лежащих «внутри» F, выполняются равенства

бФ \xhtS =

0^

dft I FM = 0,

 

 

т. e. Ф «гармонична внутри F».

 

(S),

напомнив

их

Обратимся теперь к

уравнениям

.запись:

 

 

 

 

 

 

 

 

dco =

/,

бсо = 0.

 

 

(3)

О п р е д е л е н и е .

Решением

уравнений (3) яри

ус­

ловиях (25) назовем 1-форму

coe^S*

определяемую

равенствами

 

 

 

 

 

 

 

со =

бц,

йбт] = /,

ц е

2)2»

 

(30)

задающими .rj как решение задачи Дирихле в F. При вычислении 6ц снова учитываются условия (15).

Последняя оговорка может показаться излишней, но, строго говоря, решение задачи Дирихке определяет эле­

мент Я 2, а требование

т|е® б содержит условия на ком­

поненты г\

в «окрестности» F. -Аналогичная

ситуация

возникает-в

связи

с

выполнением условий (25). Опре­

деление задает со ^

Я 1. Но первое из уравнений

(30) да­

ет возможность проверить, в сделанных предположени­ ях, выполнение равенств (25).

Из введенного

определения и предшествовавших рас­

смотрений следует

вышеуказанным обра­

Т е о р е м а

4.

Определенное

зом

решение

задачи {3), (25)

существует при. любой

/ ^

Я2 и является единственным«

 

Соседние файлы в папке книги