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:
Классификация и обзор [ править ]
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 однородности уравнения. [1] Эти комментарии конкретизируются посредством следующих определений и примеров:
Линейность [ править ]
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]
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:
- 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
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]
Пределы интеграции [ править ]
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:
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]
Однородность [ править ]
Однородное : интегральное уравнение называется однородным, если известная функция тождественно равен нулю. [1]
Неоднородное : интегральное уравнение называется неоднородным, если известная функция ненулевое значение. [1]
Регулярность [ править ]
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 по крайней мере 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]
Интегро-дифференциальные уравнения [ править ]
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]
уравнения Вольтерра Интегральные
Теоремы единственности и существования в 1D [ править ]
Решение линейного интегрального уравнения Вольтерра первого рода, определяемое уравнением:
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]
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]
уравнений Фредгома- Теоремы единственности и существования Вольтерра
Как определено выше, VFIE имеет форму:
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 Вольтерра уравнения
Особый тип уравнения Вольтерра, который используется в различных приложениях, определяется следующим образом: [3]
Преобразование IVP в интегральные уравнения [ править ]
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:
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 [ править ]
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 значения на собственные
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, интегральные уравнения Вольтерра и Фредгольма могут возникнуть из одного дифференциального уравнения, в зависимости от того, какие условия применяются на границе области его решения.
уравнения Винера Интегральные – Хопфа
Уравнения Хаммерштейна [ править ]
Уравнение Гаммерштейна представляет собой нелинейное интегральное уравнение Вольтерра первого рода вида: [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]
Приложения [ править ]
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 [ править ]
- Дифференциальное уравнение
- Интегро-дифференциальное уравнение
- Теория руин
- Интегральное уравнение Вольтерра
Библиография [ править ]
- 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 и родственных им функционально-дифференциальных уравнений Вольтерра. 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 [ править ]
- ^ 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 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 [ править ]
- 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 Кембриджская математическая библиотека.
- 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 [ править ]
- 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 )