Интегральное уравнение
В математике интегральные уравнения — это уравнения, в которых неизвестная функция стоит под знаком интеграла . [ 1 ] Таким образом, в математической записи интегральные уравнения могут быть выражены в виде: где — интегральный оператор, действующий на u. Следовательно, интегральные уравнения можно рассматривать как аналог дифференциальных уравнений , в которых вместо уравнения, включающего производные, уравнение содержит интегралы. Можно провести прямое сравнение математической формы общего интегрального уравнения, приведенной выше, с общей формой дифференциального уравнения, которое можно выразить следующим образом: где можно рассматривать как дифференциальный оператор порядка i . [ 1 ] Благодаря такой тесной связи между дифференциальными и интегральными уравнениями часто можно выполнить преобразование между ними. Например, одним из методов решения краевой задачи является преобразование дифференциального уравнения с его граничными условиями в интегральное уравнение и решение интегрального уравнения. [ 1 ] Кроме того, поскольку между ними существует возможность преобразования, дифференциальные уравнения в физике, такие как уравнения Максвелла, часто имеют аналоговую интегральную и дифференциальную форму. [ 2 ] См. также, например, функцию Грина и теорию Фредгольма .
Классификация и обзор
[ редактировать ]Существуют различные методы классификации интегральных уравнений. Несколько стандартных классификаций включают различия между линейными и нелинейными; гомогенные и неоднородные; Фредхольм и Вольтерра; первого порядка, второго порядка и третьего порядка; сингулярные и регулярные интегральные уравнения. [ 1 ] Эти различия обычно основаны на некоторых фундаментальных свойствах, таких как учет линейности уравнения или его однородности. [ 1 ] Эти комментарии конкретизируются посредством следующих определений и примеров:
Линейность
[ редактировать ]Линейное : интегральное уравнение является линейным, если неизвестная функция u(x) и ее интегралы кажутся линейными в уравнении. [ 1 ] Следовательно, примером линейного уравнения может быть: [ 1 ] В качестве примечания к соглашению об именах: i) u(x) называется неизвестной функцией, ii) f(x) называется известной функцией, iii) K(x,t) является функцией двух переменных и часто называется ядром функция, и iv) λ — неизвестный фактор или параметр, который играет ту же роль, что и собственное значение в линейной алгебре . [ 1 ]
Нелинейное : интегральное уравнение является нелинейным, если неизвестная функция u(x) или любой из ее интегралов оказываются в уравнении нелинейными. [ 1 ] Следовательно, примерами нелинейных уравнений были бы приведенные выше уравнения, если бы мы заменили u(t) на , такой как: Некоторые виды нелинейных интегральных уравнений имеют особые названия. [ 3 ] Выбор таких уравнений: [ 3 ]
- Нелинейные интегральные уравнения Вольтерра второго рода, имеющие общий вид: где F — известная функция. [ 3 ]
- Нелинейные интегральные уравнения Фредгольма второго рода, имеющие общий вид: . [ 3 ]
- Особый тип нелинейных интегральных уравнений Фредгольма второго рода имеет вид: , который имеет два специальных подкласса: [ 3 ]
Дополнительную информацию об уравнении Хаммерштейна и различных версиях уравнения Хаммерштейна можно найти в разделе Хаммерштейна ниже.
Местоположение неизвестного уравнения
[ редактировать ]Первый вид : Интегральное уравнение называется интегральным уравнением первого рода, если неизвестная функция стоит только под знаком интеграла. [ 3 ] Примером может быть: . [ 3 ]
Второй вид : Интегральное уравнение называется интегральным уравнением второго рода, если неизвестная функция также входит в состав интеграла. [ 3 ]
Третий вид : Интегральное уравнение называется интегральным уравнением третьего рода, если оно представляет собой линейное интегральное уравнение следующего вида: [ 3 ] где g(t) обращается в нуль хотя бы один раз в интервале [a,b] [ 4 ] [ 5 ] или где g(t) обращается в нуль в конечном числе точек из (a,b) . [ 6 ]
Пределы интеграции
[ редактировать ]Фредгольм : Интегральное уравнение называется интегральным уравнением Фредгольма, если оба предела интегрирования во всех интегралах фиксированы и постоянны. [ 1 ] Примером может служить то, что интеграл берется по фиксированному подмножеству . [ 3 ] Следовательно, следующие два примера являются уравнениями Фредгольма: [ 1 ]
- Уравнение Фредгольма первого типа: .
- Уравнение Фредгольма второго типа:
Обратите внимание, что мы можем выразить интегральные уравнения, подобные приведенным выше, также используя обозначения интегральных операторов. [ 7 ] Например, мы можем определить интегральный оператор Фредгольма как: Следовательно, приведенное выше уравнение Фредгольма второго рода можно компактно записать как: [ 7 ]
Вольтерра : Интегральное уравнение называется интегральным уравнением Вольтерра, если хотя бы один из пределов интегрирования является переменной. [ 1 ] Следовательно, интеграл берется в области, меняющейся в зависимости от переменной интегрирования. [ 3 ] Примерами уравнений Вольтерра могут быть: [ 1 ]
- Интегральное уравнение Вольтерра первого рода:
- Интегральное уравнение Вольтерра второго рода:
Как и в случае с уравнениями Фредгольма, мы снова можем принять операторную запись. Таким образом, мы можем определить линейный интегральный оператор Вольтерра , следующее: [ 3 ] где а K(t,s) называется ядром и должна быть непрерывной на интервале . [ 3 ] Следовательно, интегральное уравнение Вольтерра первого рода можно записать в виде: [ 3 ] с . Кроме того, линейное интегральное уравнение Вольтерра второго рода для неизвестной функции и заданная непрерывная функция на интервале где : Вольтерра-Фредгольм : В более высоких измерениях существуют интегральные уравнения, такие как интегральные уравнения Фредгольма-Вольтерра (VFIE). [ 3 ] VFIE имеет форму: с и являющаяся замкнутой ограниченной областью в с кусочно гладкой границей. [ 3 ] Интегральный оператор Фредгольма-Вольтерра. определяется как: [ 3 ]
Обратите внимание: хотя в этой статье границы интеграла обычно записываются в виде интервалов, это не обязательно так. [ 7 ] В общем, интегральные уравнения не всегда нужно определять на интервале. , но также может быть определен по кривой или поверхности. [ 7 ]
Однородность
[ редактировать ]Однородное : интегральное уравнение называется однородным, если известная функция тождественно равен нулю. [ 1 ]
Неоднородное : интегральное уравнение называется неоднородным, если известная функция ненулевое значение. [ 1 ]
Регулярность
[ редактировать ]Регулярное : интегральное уравнение называется регулярным, если все используемые интегралы являются собственными. [ 7 ]
Сингулярное или слабо сингулярное . Интегральное уравнение называется сингулярным или слабо сингулярным, если интеграл является несобственным. [ 7 ] Это может быть связано либо с тем, что хотя бы один из пределов интегрирования бесконечен, либо с тем, что ядро становится неограниченным, то есть бесконечным, по крайней мере, в одной точке интервала или области, по которой интегрируется. [ 1 ]
Примеры включают в себя: [ 1 ] Эти два интегральных уравнения представляют собой преобразование Фурье и преобразование Лапласа функции u(x) соответственно, причем оба являются уравнениями Фредгольма первого рода с ядром и , соответственно. [ 1 ] Другой пример сингулярного интегрального уравнения, в котором ядро становится неограниченным: [ 1 ] Это уравнение представляет собой специальную форму более общего слабо сингулярного интегрального уравнения Вольтерра первого рода, называемого интегральным уравнением Абеля: [ 7 ] Сильно сингулярное . Интегральное уравнение называется сильно сингулярным, если интеграл определяется специальной регуляризацией, например, главным значением Коши. [ 7 ]
Интегро-дифференциальные уравнения
[ редактировать ]Интегро -дифференциальное уравнение, как следует из названия, объединяет дифференциальные и интегральные операторы в одно уравнение. [ 1 ] Существует множество версий, включая интегро-дифференциальное уравнение Вольтерра и уравнения типа задержки, как определено ниже. [ 3 ] Например, используя оператор Вольтерра, определенный выше, интегро-дифференциальное уравнение Вольтерра можно записать как: [ 3 ] Для проблем с задержкой мы можем определить интегральный оператор задержки как: [ 3 ] где интегро-дифференциальное уравнение с запаздыванием может быть выражено как: [ 3 ]
Интегральные уравнения Вольтерра
[ редактировать ]Теоремы единственности и существования в 1D
[ редактировать ]Решение линейного интегрального уравнения Вольтерра первого рода, определяемое уравнением: можно описать следующей теоремой единственности и существования. [ 3 ] Напомним, что интегральный оператор Вольтерра , можно определить следующим образом: [ 3 ] где а K(t,s) называется ядром и должна быть непрерывной на интервале . [ 3 ]
Теорема . Предположим, что удовлетворяет и для некоторых Тогда для любого с интегральное уравнение, приведенное выше, имеет единственное решение в .
Решение линейного интегрального уравнения Вольтерра второго рода, определяемое уравнением: [ 3 ] можно описать следующей теоремой единственности и существования. [ 3 ]
Теорема — Пусть и пусть обозначим резольвентное ядро, связанное с . Тогда для любого интегральное уравнение Вольтерра второго рода имеет единственное решение и это решение дается следующим образом: .
Интегральные уравнения Вольтерра в
[ редактировать ]Интегральное уравнение Вольтерра второго рода можно выразить следующим образом: [ 3 ] где , , и . [ 3 ] Это интегральное уравнение имеет единственное решение предоставлено: [ 3 ] где является резольвентным ядром K . [ 3 ]
Теоремы единственности и существования уравнений Фредгома-Вольтерра
[ редактировать ]Как определено выше, VFIE имеет форму: с и являющаяся замкнутой ограниченной областью в с кусочно гладкой границей. [ 3 ] Интегральный оператор Фредгольма-Вольтерра. определяется как: [ 3 ] В случае, когда ядро K можно записать как , K называется ядром положительной памяти. [ 3 ] Имея это в виду, мы можем теперь ввести следующую теорему: [ 3 ]
Теорема . Если линейный VFIE определяется формулой: с удовлетворяет следующим условиям:
- , и
- где и
Тогда у VFIE есть единственное решение данный где называется резольвентным ядром и определяется пределом ряда Неймана для ядра и решает резольвентные уравнения:
Специальные уравнения Вольтерра
[ редактировать ]Особый тип уравнения Вольтерра, который используется в различных приложениях, определяется следующим образом: [ 3 ] где , функция g(t) непрерывна на интервале и интегральный оператор Вольтерра дается: с . [ 3 ]
Преобразование IVP в интегральные уравнения
[ редактировать ]В следующем разделе мы приведем пример того, как преобразовать начальную задачу (IVP) в интегральное уравнение. Для этого есть несколько причин, в том числе то, что интегральные уравнения часто легче решить и больше подходят для доказательства теорем существования и единственности. [ 7 ]
Следующий пример был приведен Вазвазом на страницах 1 и 2 его книги. [ 1 ] Мы исследуем IVP, заданный уравнением:
и начальное состояние:
Если проинтегрировать обе части уравнения, получим:
и по основной теореме исчисления мы получаем:
Переставив приведенное выше уравнение, получим интегральное уравнение:
которое представляет собой интегральное уравнение Вольтерра вида:
где K(x,t) называется ядром и равен 2t , а f(x)=1 . [ 1 ]
Численное решение
[ редактировать ]Стоит отметить, что интегральные уравнения часто не имеют аналитического решения и должны решаться численно. Примером этого является вычисление интегрального уравнения электрического поля (EFIE) или интегрального уравнения магнитного поля (MFIE) для объекта произвольной формы в задаче электромагнитного рассеяния.
Один из методов численного решения требует дискретизации переменных и замены интеграла квадратурным правилом.
Тогда у нас есть система с n уравнениями и n переменными. Решив ее, мы получим значения n переменных
Интегральные уравнения как обобщение уравнений на собственные значения
[ редактировать ]Некоторые однородные линейные интегральные уравнения можно рассматривать как континуальный предел уравнений на собственные значения . Используя индексную запись , уравнение собственных значений можно записать как
где M = [ Mi ,j ] — матрица, v — один из ее собственных векторов, а λ — соответствующее собственное значение.
Переход к континуальному пределу, т. е. замена дискретных индексов i и j непрерывными переменными x и y , дает
где сумма по j заменена интегралом по y , а матрица M и вектор v заменены ядром K ( x , y ) и собственной функцией φ ( y ) . (Пределы интеграла фиксированы, аналогично пределам суммы по j .) Это дает линейное однородное уравнение Фредгольма второго типа.
В общем, K ( x , y ) может быть распределением , а не функцией в строгом смысле слова. Если распределение K имеет опору только в точке x = y , то интегральное уравнение сводится к дифференциальному уравнению собственных функций .
В общем случае интегральные уравнения Вольтерра и Фредгольма могут возникнуть из одного дифференциального уравнения, в зависимости от того, какие условия применяются на границе области его решения.
Интегральные уравнения Винера–Хопфа.
[ редактировать ]Первоначально такие уравнения изучались в связи с проблемами переноса излучения, а в последнее время они были связаны с решением граничных интегральных уравнений для плоских задач, в которых граница является лишь кусочно-гладкой.
Уравнения Хаммерштейна
[ редактировать ]Уравнение Гаммерштейна представляет собой нелинейное интегральное уравнение Вольтерра первого рода вида: [ 3 ] При определенных условиях регулярности уравнение эквивалентно неявному интегральному уравнению Вольтерра второго рода: [ 3 ] где: Однако уравнение можно также выразить в операторной форме, что мотивирует определение следующего оператора, называемого нелинейным оператором Вольтерра-Хаммерштейна: [ 3 ] Здесь — гладкая функция, а ядро K может быть непрерывным, т. е. ограниченным, или слабо сингулярным. [ 3 ] Соответствующее интегральное уравнение Вольтерра второго рода, называемое интегральным уравнением Вольтерра-Хаммерштейна второго рода или для краткости просто уравнением Хаммерштейна, можно выразить как: [ 3 ] В некоторых приложениях нелинейность функции G можно рассматривать только как полулинейную в виде: [ 3 ] В этом случае имеем следующее полулинейное интегральное уравнение Вольтерра: [ 3 ] В такой форме можно сформулировать теорему существования и единственности полулинейного интегрального уравнения Гаммерштейна. [ 3 ]
Теорема . Предположим, что полулинейное уравнение Гаммерштейна имеет единственное решение. и — липшицева непрерывная функция. Тогда решение этого уравнения можно записать в виде: где обозначает единственное решение линейной части приведенного выше уравнения и имеет вид: с обозначающее резольвентное ядро.
Мы также можем записать уравнение Хаммерштейна, используя другой оператор, называемый оператором Нимицкого или оператором подстановки: определяется следующим образом: [ 3 ] Подробнее об этом можно прочитать на странице 75 этой книги. [ 3 ]
Приложения
[ редактировать ]Интегральные уравнения важны во многих приложениях. Проблемы, в которых встречаются интегральные уравнения, включают перенос излучения и колебания струны, мембраны или оси. Проблемы колебаний также могут быть решены как дифференциальные уравнения .
- Актуарная наука (теория разорения [ 8 ] )
- Вычислительная электромагнетика
- Обратная задача
- Ценообразование опционов при скачкообразной диффузии [ 9 ]
- Радиационный перенос
- Теория обновления [ 10 ]
- вязкоупругость
- Гидравлическая механика [ 11 ] [ 12 ]
См. также
[ редактировать ]- Дифференциальное уравнение
- Интегро-дифференциальное уравнение
- Теория руин
- Интегральное уравнение Вольтерра
Библиография
[ редактировать ]- Агарвал, Рави П. и Донал О'Риган. Интегральные и интегродифференциальные уравнения: теория, метод и приложения. Издательство Гордон и Бреч Сайенс, 2000. [ 13 ]
- Бруннер, Герман. Методы коллокации для интегральных уравнений Вольтерра и родственных им функционально-дифференциальных уравнений. Издательство Кембриджского университета, 2004. [ 3 ]
- Бертон, Т.А. Вольтерра Интегральные и дифференциальные уравнения. Эльзевир, 2005. [ 14 ]
- Глава 7 It Mod 14.02.05 — Инженерный колледж Иры А. Фултона. https://www.et.byu.edu/~vps/ET502WWW/NOTES/CH7m.pdf. [ 15 ]
- Кордуняну, К. Интегральные уравнения и приложения. Издательство Кембриджского университета, 2008. [ 16 ]
- Хакбуш, Вольфганг. Теория интегральных уравнений и численное лечение. Биркхойзер, 1995. [ 7 ]
- Хохштадт, Гарри. Интегральные уравнения. Wiley-Interscience/John Wiley & Sons, 1989. [ 17 ]
- «Интегральное уравнение». Из Wolfram MathWorld, https://mathworld.wolfram.com/IntegralEquation.html. [ 18 ]
- «Интегральное уравнение». Интегральное уравнение — Математическая энциклопедия, https://encyclepediaofmath.org/wiki/Integral_equation. [ 19 ]
- Джерри, Абдул Дж. Введение в интегральные уравнения с приложениями. Выборочное издательство, 2007. [ 20 ]
- Пипкин А.В. Курс интегральных уравнений. Спрингер-Верлаг, 1991. [ 21 ]
- Полянин А.Д., Манжиров Александр Васильевич. Справочник интегральных уравнений. Чепмен и Холл/CRC, 2008. [ 22 ]
- Вазваз, Абдул-Маджид. Первый курс интегральных уравнений. Всемирный научный, 2015. [ 1 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В Вазваз, Абдул-Маджид (2005). Первый курс интегральных уравнений . Всемирная научная.
- ^ админ (10 сентября 2022 г.). «Уравнения Максвелла: вывод в интегральной и дифференциальной форме» . Бычья наука . Проверено 10 декабря 2022 г.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п д р с т в v В х и С аа аб и объявление но из в ах есть также и аль являюсь а к ап ак с как в В из хорошо Бруннер, Герман (2004). Методы коллокации для интегральных уравнений Вольтерра и родственных им функционально-дифференциальных уравнений . Издательство Кембриджского университета.
- ^ Барт, Греция; Уорнок, Р.Л. (ноябрь 1973 г.). «Линейные интегральные уравнения третьего рода» . SIAM Journal по математическому анализу . 4 (4): 609–622. дои : 10.1137/0504053 . ISSN 0036-1410 .
- ^ Шулайя, Д. (01 декабря 2017 г.). «Интегральные уравнения третьего рода для случая кусочно-монотонных коэффициентов» . Труды Математического института им. А. Размадзе . 171 (3): 396–410. дои : 10.1016/j.trmi.2017.05.002 . ISSN 2346-8092 .
- ^ Сукаванам, Н. (1 мая 1984 г.). «Теория типа Фредгольма для линейных интегральных уравнений третьего рода» . Журнал математического анализа и приложений . 100 (2): 478–485. дои : 10.1016/0022-247X(84)90096-9 . ISSN 0022-247X .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Хакбуш, Вольфганг (1995). Теория интегральных уравнений и численная обработка . Биркгаузер.
- ^ «Конспекты лекций по теории риска» (PDF) . 2010.
- ^ Сакс, EW; Штраус, АК (1 ноября 2008 г.). «Эффективное решение частного интегро-дифференциального уравнения в финансах». Прикладная численная математика . 58 (11): 1687–1703. дои : 10.1016/j.apnum.2007.11.002 . ISSN 0168-9274 .
- ^ Феллер, Вилли (1941). «Об интегральном уравнении теории обновления» . Анналы математической статистики . 12 (3): 243–267. ISSN 0003-4851 .
- ^ Дадди-Мусса-Идер, А.; Вильфан, А.; Голестанян Р. (6 апреля 2022 г.). «Диффузиофоретическое движение изотропной активной коллоидной частицы вблизи диска конечного размера, встроенного в плоскую границу раздела жидкость-жидкость». Журнал механики жидкости . 940 : А12. arXiv : 2109.14437 . дои : 10.1017/jfm.2022.232 .
- ^ Дадди-Мусса-Идер, А.; Лисицки, М.; Лёвен, Х. ; Мензель, AM (5 февраля 2020 г.). «Динамика композита микропловец-микротромбоциты». Физика жидкостей . 32 (2): 021902. arXiv : 2001.06646 . дои : 10.1063/1.5142054 .
- ^ Донал., Агарвал, Рави П. О'Реган (2000). Интегральные и интегродифференциальные уравнения: теория, метод и приложения . Издательство Гордон и Бреч Сайенс. ISBN 90-5699-221-Х . OCLC 44617552 .
{{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Бертон, Т.А. (2005). Интегральные и дифференциальные уравнения Вольтерра . Эльзевир.
- ^ «Глава 7, мод. 14 февраля 2005 г. — Инженерный колледж Иры А. Фултона» (PDF) .
- ^ Кордуняну, К. (2008). Интегральные уравнения и приложения . Издательство Кембриджского университета.
- ^ Хохштадт, Гарри (1989). Интегральные уравнения . Wiley-Interscience/Джон Уайли и сыновья.
- ^ «Интегральное уравнение» .
- ^ «Интегральное уравнение — Энциклопедия математики» . энциклопедияofmath.org . Проверено 14 ноября 2022 г.
- ^ Джерри, Абдул Дж. Введение в интегральные уравнения с приложениями . ISBN 0-9673301-1-4 . OCLC 852490911 .
- ^ Пипкин, AC (1991). Курс интегральных уравнений . Спрингер-Верлаг.
- ^ Полянин, А.Д. (2008). Справочник по интегральным уравнениям . Чепмен и Холл/CRC.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Кендалл Э. Аткинсон. Численное решение интегральных уравнений второго рода . Кембриджские монографии по прикладной и вычислительной математике, 1997.
- Джордж Арфкен и Ганс Вебер. Математические методы для физиков . Харкорт/Академическая пресса, 2000.
- Гарри Бейтман (1910) История и современное состояние теории интегральных уравнений , отчет Британской ассоциации .
- Андрей Дмитриевич Полянин и Александр Владимирович Манжиров Справочник по интегральным уравнениям . CRC Press, Бока-Ратон, 1998. ISBN 0-8493-2876-4 .
- Э. Т. Уиттакер и Дж. Н. Уотсон . Курс современного анализа Кембриджской математической библиотеки.
- М. Краснов, А. Киселев, Г. Макаренко, Задачи и упражнения по интегральным уравнениям , Издательство Мир, Москва, 1971
- Пресс, WH; Теукольский, С.А.; Феттерлинг, WT; Фланнери, BP (2007). «Глава 19. Интегральные уравнения и обратная теория» . Численные рецепты: искусство научных вычислений (3-е изд.). Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета. ISBN 978-0-521-88068-8 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Интегральные уравнения: точные решения на EqWorld: мир математических уравнений.
- Интегральные уравнения: индекс EqWorld: мир математических уравнений.
- «Интегральное уравнение» , Энциклопедия математики , EMS Press , 2001 [1994]
- Интегральные уравнения ( MIT OpenCourseWare )