VỀ MỘT SỐ BÀI TOÁN NGƯỢC TRONG PHƯƠNG PHÁP TRỌNG LỰC
Vũ Văn Thanh
Trang nhan đề
Mục lục
Mở đầu
Phần I: Mô hình toán học.
Chương_1: Tổng quan về bài toán ngược trong trọng lực.
Chương_2: Bài toán Cauchy cho phương trình Laplace.
Chương_3: Bài toán DIRICHLET ngược cho phương trình LAPLACE trên nửa mặt phẳng.
Phần II: Ứng dụng trong trọng lực.
Chương_4: Bài toán ngược xác định mật độ trong trọng lực.
Chương_5: Mặt phương pháp tính các trị giá trường trọng lực ở các miền không có số đo.
Chương_6: Tiếp tục giải tích trường dị thường trọng lực về phía dị vật bằng phương pháp chỉnh hóa.
Kết luận
Tài liệu tham khảo
26 trang |
Chia sẻ: maiphuongtl | Lượt xem: 1716 | Lượt tải: 0
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Về một số bài toán ngược trong phương pháp trọng lực, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Chztcmg2 :Bai Torin(]!1-y,chyChoPhuangTrinh Laplace
. Chztdng 2.
BAI ToAN CAUCHY CHO PHUONG TRINH '
LAPLACE.
I. Gidi thi~u
Bai toanCauchyrho phucmgtrinh LaplacedaduqcHadamarddclutien
chl.rala bai tminkhongchinh.Trongkhi dobai toanDirichlet rho phucrng
trinh Laplacela bai tmin d~tdung.Tuy nhien, khoa hcva ky thu~tl~i yell
do, trong mQt 86 trucrnghqp, phai xet bai toan Cauchy rho lo~i phucrng
I trlnhnoi tren.Thf d1;1,ngucrita mu6nxacdinh di thucrngtrngIt!C(mQtd~i
ltiqngthoaphucrngtrinh Laplace)a bell tren m~td~t,do cacdi v~ta bell
I dti6im~td~tgay nell, tit cac'86 li~u do d~cth1!chi~n tren mQttuye'nho~c
ffiQtvung.Hai mohinh toan quellthuQcla bai toanDirichletho~cNewnann
chophucrngtrinh Laplacetren Ill/a m~tphiing tren hay Ill/a khong gian tren
dtiqcdungd~tlnh toan.Tren 1:9'thuye't,cac mo hinh toan tren dbi hoi cac
dO'ki~ndo tren mQtducrngthiingdai vo h~nho~cmQtm~tph~ngrQngvo
h~n,dayla di~ukhongkhii thi. V6i mohinh la bai toanCauchyrho phucrng
trinh Laplace tren Ill/a m~tphiing tren ho~cmla khong giaIi tren ngucrita
chi cdn dii'ki~n do tren mQttuye'nco dQdai hii'uh~n,ho~cmQtph~nm~t.
phiingcodi~ntlch hUllh~n;di~unayco duqcla docacdinh 1:9'v~duynh~t
Ilghi~mcuabai toanCauchyrho phucrngtrinh Laplace[23].Tuy nhien,nhu
daneutren,bai toannayla khongchinh,nghIala, nghi~mkhongloonloon,
,", . j, "
14
Chuang2 : Ba,i.f()an,_p(J,l!cl'1,~~hoP ~angJ,}:Lnf/,_~(J,Rtace
tant~i,va ne'utan t~inghi~m,thi nghi~mkhongtuy thuQclien t1,lCvancac
di~uki~nbien.
TrongHnh toanth1!Cd1,lng,cacbai toankhongchinh cc1nphiii duqc
chinhboa.Nghi~mchinhhoala mQtnghi~mxa'pxi 6n dinh. Va'nd~chinh
hoabai toanCauchy chophuangtrlnh Laplacetrongtru<Jnghqpt6ngquat
da:duqcLattesS. va Lions J.L. xet trong[37].Cactacgia nay dungphuang
phapquasi-reversibilitedg chinh hoa bai toan, nht1ngkhong dua ra u6c
htqngv~sai s6. ChungWi dungphtfangphapcWnhhoa bai toan moment
..~
hUllh~nva u6cluqngduqcsai s6 giO'anghi~mchinhhoava nghi~mchinh
xactrongtru<Jnghqpcaedi~uki~nbienbi anhhud'ngbd'isai s6dod~c.
Trongchuangnaychungtoi xetbabai toan sauday.
1.Bai tOaDCauchycho phuangtrinh Laplace tren mJ'ami,itphclngtren.
. 2. Bai tOaDCauchychophuangtrinh Laplacetren mJ'akhong gian tren.
3. Bai tOaDCauchycho phuangtrinh Laplacetren mQtgiai khong d~u.
II. BaitoanCauchychophu'dngtrinhLaplacetren",ram~tph3ngtren.
11.1.Baitoan
Bai toanduqcxet la : Tim mQthamu(x,y) di~uhoa tren nO'ami,itphclng
tren
trongdo D={ (x, y) I - co0 } ,
lien t1,lCtren 0 = {(x,y)I -co <x co,y ;::: 0 },thoacacdi~uki~Ilu(x,O)=u,,(x)
vaau~'y(x,O)==uy(x,O)=Ul(X)v6i -1<x <1.Noi cachkhac,xetbai toaDbien
...
15
Chuan/l..2 : Bai Toan Cauchy Cho_Ph_ucJ1zg_'I'-,"'in"'__~aplace
thoa
{
v2u =0 , trenD ,
u(x,O)=uo(0) , - 1 <x <1 ,
uy(x,O)=Ut(x) , -1 <x <1 ,
(1)
(2)
(3)
trongd6 v2 la tmintil Laplace.Day la bai tminCauchycho phtiCingtrlnh
Laplacetren nilam~tphiingtren.
11.2.Thie'tI~pphu'o'ngtrinhtichphanvachTnhh6a
Ky hi~u:
I =(-1:1), J =R \ I
Bai tmin (1), (2), (3) la bai tmin Cauchytren nila m~tphiing tren D. La'ytori
gia bien Neumannv(x)=Uy(x;O),X E J la §'nham. Khi d6 ne'uUrn dtiqcv(x),
x E J thi Bexac dinh dtiqcu(x,y), (x,y) ED. Nhti v:%ychungta cobai
toan Cauchyngtiqc.Chung tOi thie'tl:%pphtiCingtrlnh tfch phan tfnh v.
. D~t
1 .
N(x,y;~,fJ)=- 27t[In~(x- ~2+(y- fJ)2+In ~(x- ~2+(y +fJ)2]
Thi
I J 2 2N(x Y.~O)=--ln (x-~ +y, ,-", . 7t
I
[
-2(y - fJ) 2(y +fJ) l
JN"(x,y;~,fJ)=- 47t (x - ~2+(y - fJ)2 + (x - ~2+(y +fJ)2
vadodo
N" (x, y; ~,O)=0
HClnnfia ta cfingtha'yding 'hamN thoa phtiCingtrlnh Laplace, v2N =O.
XemmQtmi~nR' vai bienS va0'nhtihinh 1
..to
1~
Chuang2-=-J1qj,TarinCa~cl"LChaPhuangTr'inhLaplace
t1
R'
s
(X'" a
~
0 L
hinh 1
.'"
Ap d1;1ngdiingthticGr~enII chocaehamu, N tren mi~nR' vdibienS
vaT, chungta duqc.
II (uV2N - NV2u)ds=I (u~~
R' s
au
I
oN
N -)dl + (u--ov ov
0"
N ~~)dl
v la phap tuye'nhudngra ngoai mi~nR'. Cho E ~ 0 va L ~ 00, sau ffiQts6
xiip xe'pchungta duqc.
u(x,y) = J (N(x,y;l;,,,)u(l;,~)- u(1;,, )N(x,y;l;,,,»)dlv v
s.
! I In ~(x_1;)2+y2 w(l;)dl;1t-oo (4)
=
trongdo
W(/;),;, {
UI (l;) , l;E I ,
v(l;) , l;E J ~
.~
Cho y -» 0+, chungta duqc
I f
00
u(x~O)=- (In I x - ~l)w(l;)d~1t -00
Vdi x E I , chungta duqc
! I In I x - ~Iv(l;)dl;=Uo(x)_! I In I x -l; IuI(l;)dl;1t 1t
J I
Ji,
11,.,
!- Chuang2 : BatToanCauchyChoPhuangTrinh Laplace
hay
! f In I x - ~Iv(l;)d~=F(x)1t
J
(5)
trongdo
"
F(x) =uo(x) -1. f In I x - ~lu1(~)d~1t
I
(6)
Phu<1ngtrinh (5)la phU<1ngtrinh tichphantinh v. Dayla phu<1ngtrinh
tich phantuye'ntinh lo~iI. Phu<1ngtrinh nayho~ckhongco nghi~m,ho~c
ne'uconghi~mthi covasringhi~m.Nhuv~yva'nd~chiIihhoac~nduqcd~t
""
ra.Saud<1ychungtoi chinhhoa(5)b~ngcacbai toaDMomenthooh~n.
11.3.Chlnhh6a.
Trong I =(-1,1)la'ymQtday{xJ,I = 1,2, ... . Xet cacphu<1ngtrinh,tich
phan.
J fnlxi-~v(~d~= <p(xi),iE N,
J
(7)
trongdov thuQcvaoH la khonggianconcuaL2(J)sinhbiHcacham{giheN
dQcl~ptuye'ntinh.
InlXi - ~I .
gj (~)= 2' 1 EN, ~E J
I+~
H =
Phu<1ngtrinh (7) duqcgQila bai toaDmomenttheoStieltjes.Ky hi~u
( , ) va 11.11Mn luqt la tichvahuangva chu~ntrongL2(J), dinhbi1i
L2(J) ={<p'J <p2(~(l+~2)d~< 00 }
. J
«p,\II) = J<P(~.\jJ(~(l+~2)d~
J
( J
II2
II 'I'~ =!'1'2(1+~2)d~
Joi
1~
Chlic1ng2 : Bdi ToanCaUchyChoPhumigTrlnh Laplace
. Xet bai tmln
V6i m6i Ii E N, tim vn E Hn sao cho
(vn,gi) =<Pi,1:$ i :$n (8)
trongdo<P= {<Pi},=1,.." n la cacs6th1!Cchotnf6c,Hn la khonggiansinh
b?' { } 1 <'<(11 gi, - 1 - n
_.- Hn =<gl ..., go)
Phucrngtrinh (8)du<JcgQila bai toanmomenthOuh~n,Day la bai toand~t
dung,nghIala conghi~mduynha'tvn(CP),tuythuQclien t1,ICvaocp,Th<%tv<%y,
ta co
n
Vn =L ~jgj
j=i
E Hn (~1,..., ~nE R)
la nghi~mcua(6)ne'uva chfne'u
n
L ~j(gi,gj)
j=i
= <Pi , i =1,2,...,n. (9)
Dayla mQth~phucrngtrlnh tuye'ntinh b<%cn codinhthdc
~=det [ (gi,gj) ] \ :<;;i.j :<;;n
~chfnhla dinhthdcGramcuah~gt , , gn.
Vi gt ,...,gn dQcl<%ptuye'ntinh nen~:j;0,v<%y(9)la h~Cramerva do
do xac dinh (~l, ..., ~n)mQtcachcluynha'tDi~unay dATIMi co duynha't
Vn E Hn thoa (8).
GQi ~/(p),1 :$j :$n la cacnghi~mcua(9),Ta co, theo congthdc Cramer,
.to
19
Chl/ang2 : Bdi TarinCauchyChaPhztcmgTr'tnhLaplace
~j «p) =!J.j(<p}/!J. ,1~j~n
vcri
.1j«p)'=det[ail] I$k,l$n
va ail «p)dinh biJi
a~ «p)=
{
(gk,gl) khi
<Pk khi
1* j
1=j
Ta tha'yngay .1/<p)la mQt da thu-ctheo <Pj, , <Pn nen lien t1;1ctheo
<PI,...,<pn. V~y ~j«p)tity thuQClien t1;1cvao <PI,...,<Pnva do do vao <p.Tit day
ta congayvnL<P)tuy thuQclien t1;1cvao <p.
Nhu v~ythu duqcke'tqua (xP1J1[8])
Vai inJi n EN (8)conghi~mduynhdttuythuQcvaorptheonghia£2.
Nhu dii noi tren, (5) ne'uco nghi~mthi co vo 86 nghi~m.Trong t~p
nghi~m nay co duy' nha't mQt nghi~m,gQi la Vo thoa tinh cha't
dV6(1+~2)d~)1/2co tri ghi ct!cti~u.Bau day chungtOi xa'pxl nghi~mnay
J
bilngcacnghi~mcuabai toanmomenthO\th~n.
Trucrche't,chungtOitrt!cchudnhoahQcacham{giheN.GQi{edieNla h~
trt!cchudnduqcxaydt!ngtit cachamgI, g2,..., taco
gi
el =IIglli
n
gn - :L(gn,ej)ej
j=i
en =
n
gn - :L(gn,eJej
j=i
...
20
Chuang2 : Bdi Toan Cauch~Ch~PhuangTrinh Laplace
Nhuvl%y (eiLeN IamQtC<1sd trt!cchmfilcuakhong gia~coil dongH cuaL2(J)
sinh bdi {giheN
H =(gt>g2"")
Dodococach~ngsf)Cij , Mij , i, j E N sao'cho Cij, Mij =0 vai i <j va
n
e. =~ Coo g .1 L.J IJ J
j=i
n
gi =LMijej' ,Vi E N"
j=i
Mijduqc tfnh theo Cij bdi
n
"0< Mij =LCjk(gi,gk)
k=I
( .> .)I_J
D~t
Cn =[Cijt~i.j~n
Mn =[Mij]l~i.j~n
Ta co
M =C-In n (nEN) (10)
Vai mM day sf)th1!Cq>={q>ilieN ta d~t
i
Ai(q» =LCijq>j , i EN
j=l
n
vn(q»=LAi(q»ei
i=l
(11)
Thi vn(q»Ia nghi~mcua(6)chobdike'tquacuado~ntren.
Thl%tvl%y,vai vn(q»chobdi (11),ta covn(q»E Hn . H<1nuavai Is ks n,
n
(vn(q»,gk) = LAi(q»(ei,gk)
i=I
n i
= LLCij(ei,gk)q>j
i=l j=l
n n
= LLCijMkiq>j
i=l j=l
.Ai
21
Chuanggn:Bai TorinCauchyChoPhuangTrinh Laplace
n
= L8jh:<pj
j=1
= <Ph:
~
Tli tlnh duynha'tnghi~mcua(8),ta co (11).
Tie'ptheo,g<;1iH* la khong gian trt!Cgiaovffi Hn, Vola mQtnghi~mcua
(5) ,thi ta co (PHilVa) E Hn va (PHilva - Va) E H* vdi PHil la phep chie'u
th:1nggoclen khong gian Hn, tac la
(PHilva,gd =(va,gJ , V'i E {1,...,n}
NhtfngVola ;;ghi~mcua(5) :
(vo,gi) = <p(Xi)= <Pi(1 s i s n)
V~yPHilva thoa (8),nghla la
vn«P)= PH van (nEN) (12)
OC!
DovaEHva {Hn}neNla daytangcackhonggianconcuaH va URn tru
n=l
mat trong H, Den ta co tlnh cha'tPH va ~ va theo chmin L2 khi n ~ 00 hay, n
vdi !>>0 rho trudc, ta c6 no E N saorho
II PHIl v0 - val/<~ V'n :2:n a, (13)
N6i cachkhac, day cac ham (vn«P)neNhQi tl;]v~Va.Ham vn«P)la xa'pxl
thti n cuaVo.
, Bay gia chungWi xet truang h<Jpve'phai cua (5) c6 chtiasai s6 (do do
d~c,tlnh tOaD,...) va nhu the'bai tOaDc6 thg khong nghi~m.Chung Wi se
udc lu<Jngsai s6 giua nghi~m'xa'pxl Vn va nghi~mchfnh xac Vodudi anh
huangcuanhi~ua ve'phai.
Jo ')')
Chuang],-=-l1g,i_ToanC uchychophlfangtrtnhLaplace
chudnEuclideva chudnsuptrenRn.Vie't
VcJix = (Xl,..., Xn) ERn
II X 112 =(xi+...+x~)1/2
II X t =sup{1Xl I,..., I ~nI) "
Ta ky hi~uII Cn II rho chm1ncua Cnxemnhli anh X~tuye'ntinh ta
(Rn,II.1I2) vao (Rn,II.ILJ'
ChQnfla mQthamtangnghiemeachta [ 1 ,00) len [II glll-1 ,00) saDrho
,
f(n) ~ II Cn II , 'v'n~1
Ta coth~chQnehiingh~n '
f(n) =n-1 +max{II Ck 1111~ k ~n } (15)
vcJionE N va f la affine trong tU'ngdo~n[n, n+1].
;:-Khi d6 f-lla tangnghiemeachta [II gl r1,00) leD [ 1,00) . VcJi
8 E [0,11gl r2)
Ta eo
8-112~ IIgill-l
nenta coth~d~t
n(8)=[f-1(0-1/2) ] (16)
GQi Vo la nghi~m eua (5) trong L2 (J) ffilg vcJi ve' phai eua (5)
<p= (<P(Xi)}ieN.Thay <Pbai day eacs6 tht;tc11=(111,112'."')thoamandi~uki~n
. 111l-<p11~8'" 00
Theo (11)
n
II vn(11)- vn«p)II =II ~.)~i(~L)- Ai «p)]ei
i=l
~llcn 11.1I1l-<pt
Jo
23
Chuang2 :Bdi roan,Cf!Y2!JychophuangtrtnhLaplace
~f(n):o
V6iu(0) chobd'i(16),ta con(o)~fl (0-112),ughla la, nn(o» ~0-1/2.V~y
II vn(o)(J.l)- vn(o)«/»II ~ 01/2 (17)
M~tkhacv6inEN ta co
II vn(J.l)- V0 " ~ II vn(J.l)- Vn«/»" +"PHnv0 - v0 " L8)
Vi fl tang ughiem cach tit (II g1 r\oo) leu [1,00)ta co
"" lim f-1(0-1/2)=00
o~O
nghiala n(o)~ 00 khi 0 ~ o.
Do do co 01> 0 saDcho u(o)~none'u0 < 0 ~ 01.Ch<;m0 < 0~mill {OI,G2/4}
ta cougay tit (17).
II vn(o)(J.l)- vn(o)«/»II ~ ~ (19)
Tit (13), v6i G> 0 chqn nhu d'(19)
!!PHnVO-VO" < ~ (20)
Tit (19),(20)va (18)ta thu duqc
II vn(o)(J.l)-vo II <G
Nhuv~ychungt6i thuduqcke'tqua(r8 I)
. GQiVala nghi~mcua (5) trongL2(J) zingvai da ki~nchink xacave'
phdi rp={qixJh~IN.Vai mQi Ii> 0 cho tntac, luon luon co 0 < 8 < IIg1112 de'
chokhi thayv€ phdi cua(5)baidaycacso'thlfCP =(PI, P2,...) (pla da kifn
a v€ phdi cochziasaisa)thdadi~uki~n.
Ji 24
Chuang2 : Bdi TorinCauchychophuangtrlnhLaplace
II ~- cp1100 ~ ()
thi co
II vn(o)(~l)-vo II <E
Trang do n(8)dztqccho biJi (16)
III. Bai toaD Cauchy cho phudng trinh Laplace tren nna
khong gjan.
-...
111.1Bai toaD.
B:H tmin dt1<;1Cxet la :
Tim mQtham u(x,y,z)di~uboa tren mJakhong gian tren
Q
D ={ (x, y, z)l- 00 a},
lien t1;1ctren D = {(x, y, z)l- 00 <x,y <00 ,Z ~o} , thoa cac di~u ki~n
u(x,y,O) = uo(x, y) va au = uz (x,y,O) = Ut (x,y) vai X2 + y2 < 1. Noi cach khac,
f)z
xet"baitoaDbien:
V2u(x,y,z)=0
u(x,y,O)=uo(x,y)
uix,y,O)=Ut(x,y)
trongdo v2 la toaDtil Laplace.Day la bai toaDCauchyrho pht1<1ngtrlnh
Laplacetrennilakhonggiantren.
..~'
.io
25
,(x,y,z) ED, (20)
X2+ y2 < 1 (21), ,
,X2+ y2 < 1, (22)
Chucmg2 : Bai ToanCauchychophuongtrlnhLaplace
111.2.Thie't l~pphtidl1gtrinh itch phan
Ky hi~u:
K::: {(x,y,0)IX2+ y2 < 1}
Q =R2\ K
Bai tmin(20).(21),(22)la bai tminCauchytren mlakh6nggiantrenD.
Lc1ytri ghibienNeumannv(x,y)=uz(x,y,O), (x,y)E Q la :1nham.Khi d6ne'u
Urn dttqcv(x,y~,(x,y) E Q thi se xac dinh dttqcu(x,y,z), (x,y,z)E D. Nhttv~y. .
chungta c6bai;,tminCauchyngltqc.Bai tminnay la rnarQngcuabai toaD
(1),(2),(3)tl1hai chi~usangbachi~u.Chungtoi thie'tl~pphtt<1ngtrinh tich
phan tinh v
D~t
nx,y,z;~""C;;) = (47t)-1[(x-~)2+(y_,,)2+(z-C;;)2r1l2
N(x,y,z;~""C;;)= nx,y,z;~",C;;)+nx,y,z;~",-C;;)
trong d6 r la nghi~mC<1ban cua phttcmgtrinh Laplace va N la ham
Neumannchophtt<1ngtrinh Laplaceungvai di~uki~nNeumanntren bien
z =O.
. Ap d1;1ngdtingth((cGreenII chocachamu va N tren mi~nDE, I':>0,
vai DE=D\BE va BEla quac~ud6ngtrongD c6bankinh 1':,tamt~i(x,y,z)
r6i choI':~ 0, chungta dttqc,saurnQts6s:ipxe'p.
1
J J
W(~,")d~d,,
u(x, y, z) =- 27t. [(x - ~)2+(y - ,,)2 +z2J1I2-00 -00
(23)
trong d6
Jio
26
Chuang2 : Bdi TolinCauchy~ho_p}y!!mg_t"L1JhLaplace
.~
{
Ul(1;.ll), (1;.ll)EK ,
W(~,11)=
v(1;,11) , (I;,11)E Q
Cho z ~O+, chungta dtiqc
1
J J
W(I;, 11)d~d11
u(x,y,O)=- 21t [(x- ~)2+(y,11)2]112-co -co
V6i (x,y) E K, chungta dtiqc
~If v(1;,11)d~d11 - u (x' ) - ~If U1 (I;,11)d~d11
21t ~~x- ~)2+(y -11]1/2- 0 ,y 21t [(x - ~)2+(y -11)2]112Q K
hay
If v(I;,11)d~d11 =(p(x,y)1/2
[(x - ~)2+(y -11)]Q
(24)
trongdo
cp(x,y) =21tuo(x,y) - II U1(~,11)d~d11
K [(x - ~)2+(y -11)]1/2
PhtiC1ngtrinh (24) la phtiC1ngtrinh tich phan tinh v. Day la phtiC1ng
trinh tich phan tuye'ntinh lo~i1.PhtiC1ngtrinh nay khong chinh theo nghIa
ho~ckhongconghi~m,ho~cne'uconghi~mthi covo s6 nghi~m.Chungtoi
sedungnghi~mcuacaebai toan momenthil'uh~nd~xa'pxi nghi~mcuabai
tminnay.
111.3.Chinh boa.
Cho {(Xi,Yi)JieNla mQtday tru m~tcaedi~mtrong K. T~i caedi~m
{(Xi,Yi)J,tit phtiC1ngtrinh (24),chungta dtiqc.
.Ai
27
Chuang2 : Bdi Tt)(inCauchychophuangtrinhLaplace
ff v(~ 11)d~d11
Q [(Xi-~)2(Yi-11)2]1/2 =<P(xi,Yi),
i E N (25)
PhuC1ngtrlnh (25) duc;rcgQi la "BM tmin moment" theo Stieltjes. Ham v
thuQcvao H la khong gian con cuaL2(Q)sinh bcri{gi}ieINdQcl<%ptuye'ntlnh.
1
2]
1/2
gi(~11) =[(Xi _~)1 +(Yi -11)
i EN, (~11)E Q
H =
Ky hi~u( , ) vllll.11Idn luqtla tlchvohuangvachm1:ntrongL2(Q),nghlala
rJ(Q) ~ {2d~d'1<oo}
«p,\fI)=ff<p,vd~d11.
Q
II~II~W )
1/2
<p2d~d11 '
BM tminmoment(25)duqcvie'tl~ila
(v, gi)=<Pi, i E N
vai <Pi= <p(xi, Y i) , i E N
GQiHn la khong gian sinh bcri{gi},1::;; i::;; n
HI) =, nEN
va cho<P= {<piJ ieINla mQtday s6 th\!c.Vai m5i n E N, chungta xet bai tmin
Urn
..A'o
28
Chll<m/I2 :Bdi ToanCauchychoph,lJdngtrinhLaplace
vn=!
i=1
~igi eHn (~l""'~n E R)
saDcho
(vn,gi)=<Pi , 1 ~ i ~n (26)
Phuila bai tmin momenthfiu h~n.Bai tOaDnay
co nghi~mduy nh:1tVn tuy thuQclien t1;}Cvao <Ptheonghla L2. (xem II.3
chu<1ngII).
...
Nhu da:noi it do~ntren, (24)ne'uco nghi~mthi co vo s6 s6 nghi~m.
Trong t~pnghi~mnay co duynh:1tmQtnghi~m,ge;>ila Yo,thoatlnh ch:1t
(
)
1/2
l~v@d1;d'l co tri gia eve W!u. San day chUng tOi xa"pxl nghi~m nay b1lng
cacnghi~mcuabai tminmomenthfiuh~n.
Ge;>i{ei)neNla he;>tr1!cchmin xay dtJng duqc tit he;>{gi)neNbftngphu<1ng
phap Gram - Schmidt,ta covai DEN
g1
e1=~
[
' gn - I(gn ,ej)ej
]J=1
gn = n
gn - L(gn,ej)ej
j=1
va
n
e. = LCijgj1 . 1J=
n
gi= .LMijej' ,Vi e N
J=1
vai Cij, Mij la cac hftng s6 saDcho Cij = Mij = 0 khi i <j
Jio
29
ChztcJnfl2: Bdi.Toan flauchy~",~phU:(}ngtrln"'--Laplace
Vai day 86 tht!e q>={(pd,i e N d~t
i
Ai(q» =LCijq>j , iEN
j=l
thi
n
vn(q»=LAi(q»ei
i=l
(27)
la nghi~m(duynha't)eua(26)
-..
GQiH* la khonggiantrt!egiaovai Hn,VoIa mQtnghi~meua(24)thi
vai q>=(q>(Xi,Yi)} , 1 ~ i ~ n
vn (q»=PHnVo neN (28)
trongdo PH)a phepehie'utrt!egiaolen khonggian Hn va khi n ~ 00 thi
PHn v0 ~ v0 theoehminL2,nghlala vai mQiE > 0 ehotruae,ta co noe N
saDeho
II PHn Yo-yo II <; '\in ~no (29)
Noi eachkhac,daycaeham {Vn«P)}neN hQit1;1v~ Yo.Ham Vn(D)la
Xa'pXl thU'n eua Yo.
Xet trucrnghqp da ki~n q>0've'phai eua(24) co ehU'a8ai 86 do do d~e,
tfnh toan, .., va nhu the'bai toan co th~khong co nghi~m.Chung Wi uae
ht<;1ngsai s6 giuanghi~mxa'pxl VIIva nghi~mchlnhxacVodudicluhhuang
euanhi~u0've'phai.Ke'tquad~tduqela.
GQiVoto,nghi~mcua(24)trongL2(Q)tl1angangvaida ki~nchinkxaca
vi phdi rp= {q{x;,y;)J, i EIN. Vai mQi 8 > 0 cho trl1ac,[w5n[non co
.Ai
~O
Chuang2 : Bai Toan CauchychoPh,ltf:1ngtrjrthLJ1-place
0 < 8 < IIgll12de?cho khi thay vt phdi cua (24)bai day cac 86 thl/Cp ={pJ,
i EN (p chink la da ki~ncochita8ai86)thoadi~uki~n
II Jl - (P1100~8
thi co
II vn(o)Jl- Vo II
trongdo n(&>dzt(lccho bai (16)
".~
IV. Bai toaD Cauchycho phtidng trinh Laplace trong mQt dai
khong d~u.
IV.I. Bai toaD.Baitmindtiqcxetla :
Tim mQthamu(x,y)di~uboatrenmi~nph:1ngD dtiqcd~nhnghlabcri
D ={(x,y)1-00 <x <00 ,0<y <«<x)}
va lien t1;1ctren D ={(x,y)l- 00 <n <00,0~y ~«<x)}thoa cae di~uki~n
(x),au/Ox=Ux(x,(x)= fix), au/OJ= Uy(x,(x)= g(x), u(x, (x»= Ul(X)vai
-00 <x <00. N6i eachkhae,xetbai toanbienUrnUl thoa.
V2u(x,y) =0
Ux(x,«<x»=f(x)
Uy(x,ct>(x»=g(x)
u(x,«<x»=Ul(x)
, (x, y) E D
XER
XER
XER
(30)
vdi ,f, g, ulla caehamchotrude,\72la tmintiJ'Laplace.Dayla bai
toaDCauchychophti<1ngtrlnh Laplacetren mQtdiU khongd~unltmtren
m~tph:1ngtren y >0, cacbien la caedtiClllg=(x)va y =0 (xemhinh 2)
Joi
n..
Chztang_~-=_BalToa~auchy chophztangtrlnhLaplace
IV.2. Phtidng trinh tfch philo va chinh boa.
Di;}t
f(x, y;~,11)=- 2~In((x - ~)2+(Y - 11)2)-1/2
G(x, y; I;,11)= f(x, y; I;,11)- f(x, y;1;,-11)
(31)
trongd6la r nghi~mcC1bancuaphtfC1i1gtrlnh Laplaceva G la hamGreen
cuatminta Laplacerlngvcridi~uki~nbienDirichlett:;libieny =o.
Chi c:1nxac dinh u(x,O)= v(x) thi khi d6 u(x,y)hoan toan dtfClcxac
dinh.D€ rut ra phtfC1ngtrlnh tichphantinh v, tich phandiingthrlcGreenII
tren mi~nDE ,E>0, vcriDE=D\B'E ,vaB'Ela quac:1ud6ngtrong D ban kinh
E tam t:;li(x,y)rdi cho E ~ 0 (xemhinh 2)
y =«!>(x)
Y 1 0 B'I u: E
I
I
I
I
I
, X
Hinh 2
Chungtoi nh~ndtfClCphtfC1ngtrlnh
foo yv(~) foo-; 2 2 d~=-u(x, y) - G(x,y;I;,~(~»f1(~)d~+
~(~-e +y ~
+f00 G1(x, y; I;,~(~»u1(~)d~
-00
( ~ 00 <x <00 , 0 <y <~(x),)
vcri £1(~)= g(~) - ff~)'(~)va
(32)
..
1>. ~')
Chuang2 :Bai TorinCauchYnchop/1,l{qngt,.tnhLaplace
G1 (x, y; ~cjJ(~»=GTl(x, y;~ cjJ(~»- G~(x, y; ~,cjJ(~»cjJ'(~)
1 Y - cjJ(~)- (x - ~)cjJ'(~)
= 21t (x - ~)2+"(y- cjJ(~»2
1 y +cjJ(~)- (x - ~)cjJ'(~)+-
21t(x - ~)2+(y +cjJ(~»2
(33)
Trang cac tinh taan tren, chung tOi dii sti d\1ngrnQt so'gia thuye't v~ dii'
ki~n cha va nghi~rn rnu5n Hrn nhu Bau :
Gia thie't
(i) <D'(x)= a vai Ix Ikhci16n.
.....
(ii) f{x),g(x)va u1(X)tie'nv~a khci nhanh (chiing h~U1nhanh nhti la
I;I khi Ix I-+ 00)
(iii) (1 +x2)1/2v(x)thuQcvaa L2(R).
Cha y -+ <D(x)trang (3), chung ta duqc (xern [Po LattJ trang 144 - 145)
1f00 cjJ(x)v(~) 3 f00-; 2 2 d~=-"2 ul (x) - G(x, cjJ(x);~,cjJ(~»f1(~)d~+
-00 (x -~) +~(x) -00
+f00 G1(x,cjJ(x);1;,cjJ(~»ul(~)d~
-00
(34)
dayla phuC1ngtrinh tfchphantfnhV.Chungt6i Bebie'nd5i (34)thanhrnQt
phuC1ngtrinh tfchch~p.
Chuy dingham
f00 yv(~) d!:1 2 ~
H(x, y) = 1t --<XJ(x - ~)2+y
di~uboatren ntiarn~tphiingtreny >O.Tri giciH(x,<D(x»chfnhla ve'trai
cua(5).Dg tfnh : (x,cjJ(x». chungta dungke'tquatrang [5J :
1 foo (y - C«~»-+ - ') U 1 ~)u.,
271:-00 (x - ~)2+(y - c«~»2 271: -00 (x - ~)2+«IX'x)- c«~»~
khi (x,y)-+(x,<D(x».
.it
33
Chuang2 : Bai ToanCauchychophuangtr'inh~aplace
Bay giCJ: (x,Ij>(x»chfnhla gi6ih~ntitphfadu6id~ohamtheophtfang
cuav~phai cua (3)khi (x,y) -4- (x,(x»,Ii la vectadcrnvi phaptuy~nhuang
nQicuaduCJngcongy =(x)(Hinh 3)
y=$(x)
Ii =(Ij>'~~), ~)
1
a =(1+'(~) 2)2n
Hinh 3
GQi
A(X) =H(x,Ij>(x»,~(x)=: (x, Ij>(x».
thi H(x,y)co th€ bi€u di~nnhu mQtth~v6i caem~tde?A, ~ tren mi~n
y >(x).
Bay giCJchung ta vi~tbi€u thac tuCJngminh cho A(x)va ~(x).Chung ta
co
A(X)=-! Ul (x) - fXJ G(x, Ij>(x);~,1j>(~»f1(~)d~+-00
+f00 G1 (x, Ij>(x);~,Ij>(~»ul(~)d~-00
~(x)=tf1(x) -'a(x)-l f00 G2(x, Ij>(x);~,1j>(~»f1(~)d~+
. -00
1 foo (Ij>(x)+1j>(~)W(x)+x - ~ , ()d
+ 21ta(x)-00 (x - ~)2+(Ij>(x)+1j>(~»2u 1 ~ ~
1 J oo (Ij>(x)_1j>(~»Ij>'(x) +x - ~ , ()d
+2mx(x)-00(x - ~)2+(Ij>(x)_1j>(~»2u 1 ~ ~
(35)
..a:.
QA
Chuang2 :_BairQrj,nflauchycho_phuan~tdnhLaplace
trong do
G2(x,cp(x);~(H~»=Gx (x, cp(x);~,cp(~».cp'(x) - Gy (x, cp(x);~cp(~»
a(x) = (1 +cp'(x)2 )112
Bd'i(35),cacham m~tdQA(X)va f.l(x)dttgcdinh nghlatren R va tuy
thuQcmQtcach lien tvc vao (x),'(x),ul(x), u'l(x), f(x) va g(x) theo nghla
L2(R).
Bay gia, tlch phan d:li1gthac Green trong mi~n
0'.- DR ={ (x,y) Ilxl<R, cp(x)<y <R }
vachoR ~ 00 , chungta dttgc
H(x,y) =Jex)nx,y;~,CP(~»f.l(~)d~--00
- J ex) r1(x,y;~,cp(~»A(~)d~
-00
(36)
vai - 00 (x)va
r1(x,y;~cp(~»=r~(x,y;!;;cp(~»cp'(~) - rf1(x, y; ~cp(~»
1 (x - ~)cp'(~)- (y - cp(~»
=2x (x - ~)2+(y - cp(~»2
chuy r~ngkhi R ~ 00 , tlch phan tren
CR ={ (R, y) I ~(R)<y <R } u { (-R, y) I ~(-R)<y <R }U {(x, R) 1-R <x <R }
tie'ntai 0 doht:quacuagia thie'ttrenv ( nghlala, (1+x2)1/2v(x)thuQcvao
L2(R) )
Tinh tri gia H(x,y) t~i (x,k) vai k la mQt s(f c(f dinh Ian han (x)vai
ffiQix trong R, chungta cobd'i(36)
.1fex) kv(~) f
ex)
x -ex) (x - ~)2+k2 d~= -ex)nx, y;~cp(~))f.l(~)d~-
- fex) r1(x, y; ~cp(~»A(~)d~
.-ex)
..foi
35
Chu:ang-~~l1r!L'[o2-nCauchychophu:angtrinhLaplace
GQi
F(x) =1tJ 00 r(x, y;l;,4>(~»Jl(~)d~--00
- 1tJ 00 r1(x, y; l;,4>(~»M~)d~
-00
thi chungt6i nh1%ndttc;rcmQtphtt<1ngtrinh Hch phan d~ngtich ch1%pHnh v
nhtf sau
J oo kv(~) d~=F(x)
-00 (x - ~)2+k2
, \/x E R (37)
Dayla PDtf<1ngtrinh Hch phan lo~iI va chungta bie'tding bai tmln
nay la kh6ngchinh.Chungt6i sexay dt!ngmQthQ(vr3),r3> 0 cacnghi~m
chinhhoa(xem[35]),va chungt6i chQnra mQtnghi~mchinhhoa"g~n"vai
llghi~mchinhxac.Nghi~mchinhhoa la mQtham6n dinh d6i vai st!thay
d6ia ve'phaicuaphtf<1ngtrinh (37).
IV. 3. Chinh boa.
D~t.
k
5- 2a(x)=v-;x2+k
taco
a *v(x)=k f00H ~ 2 v(~)d~=F(x)
7[ -00 (x- ~) +k
hay.
a *v =F (38)
ta tinh dttc;rc
a(t)=e-kl t I , (t E R)
trongdo a(t) la bie'nd6iFouriercuaa(x)
J;.
on
Chuang2 : fjai 'J'Qa1J~(J,lf,chychophztangtrlnh LaI!lace
&(t) =k 1:a(x)e -ixtdx .2 1,1 =- .
Vai v trongL2(R),chungta cotit (38)
&(t).v(t) =F(t) (39)
(39)khong chinh vi v(t) =f<t)I'&(t) khong 6n dinh. Chung toi dung phu'dng
phapTikhonovd~chinhboa.
Vai mip>0,ham
....
'P(t) =&(t)(p +&2(t»)-1F(t)
(40)
thuQcVaGL2(R). D~t
vJ3(t)=k 1: 'P(t)eixtdt (41)
thi Vp E L2(R) va, bai (6),Vp thoa phu'dngtrinh
pv J3(t) +&2(t)v J3(t) =&(t)F(t) \ft E R (42)
va tuy thuQcmQtcach lien tt,1CVaGF(t).
Khi f3--+ 0, fa dll(/Cupcho biJi (41) la nghi~mchink h6a clla (37).
Bay giCr,xet tru'Crnghqp v~ phai cua (37) chu-a8ai 86 do do d~cho~c
t.illh tmin.Vai nhi~uav~phai,(37)coth~khongconghi~m.
Sandaychungtoi u'aclu'qng8ai86giuanghi~mchiilh hoav"va nghi~m
chfnhxacVodu'6ianhhu'angcuanhi~ua v~phaicua(37)
Bay giCrgiVoEH1(R)-langhi~mchfnh xac cuaphu'dngtrinh
..
OM
Chu:cmg2 : Bdi Toan Cauchychophu:cmgt"Lnh~_aplace
a(t):vo(t) =
A
F0(t) 'itER (43)
v6iF va FatrongL2(R)saorho
IIF-FolI<E (44)
H1(R)la khonggianhamchli'acaehamf co d~ohamf saochof va f binh
phll<1ngkh:i tich.
Tit (42)va (43)suy ra
J3(Vp(t)- vo(t» +a2(t)(vp(t)- vo(t) =-J3vo(t)+a(t)(F(t) - Fo(t», 'it E R (45)
-...
Nhanhai v~cua(45)v6i (vp(t)- vo(t») r6i tichphantrenR, r6i rho
J3=E,suy ra (xem[5])
lYE -Yo 12~Ivo 12+(~)1I2
(46)
Tll<1ngtt!nhanhai v~cua(45)rho t2(vp(t,)-vo(t,»va tich phantren R, r6i
rho J3=E.Soy ra ([xem[5])
IIt,(ve-vo)II~IIvo II+e-l(~)1/2 (47)
VI
IIve-voll=IIve-voil
va
IIv~- Vo II=II t(,ve - V0) II
Hi (46)va (47)chungta dllqctheo dinh nghla cuachua:nHI, ky hi~uII. "Ht
II vE - Vo IIHI"=II vE - Vo 11+11v~ - Vo II~ Kl (48)
trong do KI =max (!!voII+(i)1I2,IIv'o II+ e-l(i)1I2)
Chung ta co,v6i t" >0 ba'tky,
-'"
38
Chuang2-: Bai ToanCauchyChoPhuang_'!,,:ll1h,Laplace
J I ve(t) - vo(t) 12dt ~
It I:te
J e-2kltle2ktelve(t)-VO(t) 12dt.
It I:te
foo 2~ 2n-1e2kte &2(t)1 Ve(t) - vo(t) I dt
-00
2 -1 2kt
1
h
(
h h
)
1
2= n e e exv - Voe 2
~ 2n-1e2ktcK1 E(I V 0 12+ (~)1I2)
K 2kte= 2Ee
(49)
trongdo
K2 =2n-I(1 Vo 12+(~)l!2)
VaiE < 1, chungta co theo[5]
t;l ~2(1+k)(ln(~»-l (5:
B<1i(49),(50)va (51),chungta co
II vI':-VO112~2K2t;2 ~K(ln(f»1/2
trongdoK =8 (1 + k)2 K2
Chung tai du'<;1cke'tqua(da rang b6 <1([5])
Gia sitnghi~mchinhxacVocua(37)tu'crngtingvai Fobellve'phaithuQc<
vaoHI(R) va rho
IIF-Foll <E 11.11=chminL2(R)
Thi comQtnghi~mchinh hoa Vccua(37)saDrho
II Ve - Vo II ~K(ln(~»-lkhi E ~ 0
Trong do KIa mQthAngs6 chi pht;thuQcvao chminHI cuaVo
..to
~9
J, ve(t)-VO(t) 12dt Jlt12t;21 ve(t)-VO(t) 12dt
It I>tc It I>te (50)
t;2foo I t(ve(t)-VO(t»12dt=.
-00
K t-2 K t-21 e 2 e