Jump to content

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 ]
    • Уравнение Урысона: . [ 3 ]
    • Уравнение Хаммерштейна: . [ 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 .

См. также

[ редактировать ]

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 ]
  1. ^ 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.
  2. ^ админ (10 сентября 2022 г.). «Уравнения Максвелла: вывод в интегральной и дифференциальной форме» . Бычья наука . Проверено 10 декабря 2022 г.
  3. ^ 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.
  4. ^ 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 .
  5. ^ 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 .
  6. ^ 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 .
  7. ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Хакбуш, Вольфганг (1995). Теория интегральных уравнений и численная обработка . Биркгаузер.
  8. ^ «Конспекты лекций по теории риска» (PDF) . 2010.
  9. ^ 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 .
  10. ^ Феллер, Вилли (1941). «Об интегральном уравнении теории обновления» . Анналы математической статистики . 12 (3): 243–267. ISSN   0003-4851 .
  11. ^ 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 .
  12. ^ 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 .
  13. ^ 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 )
  14. ^ Бертон, Т.А. (2005). Интегральные и дифференциальные уравнения Вольтерра . Эльзевир.
  15. ^ «Глава 7, мод. 14 февраля 2005 г. — Инженерный колледж Иры А. Фултона» (PDF) .
  16. ^ Кордуняну, К. (2008). Интегральные уравнения и приложения . Издательство Кембриджского университета.
  17. ^ Хохштадт, Гарри (1989). Интегральные уравнения . Wiley-Interscience/Джон Уайли и сыновья.
  18. ^ «Интегральное уравнение» .
  19. ^ «Интегральное уравнение — Энциклопедия математики» . энциклопедияofmath.org . Проверено 14 ноября 2022 г.
  20. ^ Джерри, Абдул Дж. Введение в интегральные уравнения с приложениями . ISBN  0-9673301-1-4 . OCLC   852490911 .
  21. ^ Пипкин, AC (1991). Курс интегральных уравнений . Спрингер-Верлаг.
  22. ^ Полянин, А.Д. (2008). Справочник по интегральным уравнениям . Чепмен и Холл/CRC.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 4872a9949db8849663983cd2e71d841c__1721909820
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/48/1c/4872a9949db8849663983cd2e71d841c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Integral equation - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)