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

3курс, VIсем.Волков,Ягола инт ур

.pdf
Скачиваний:
86
Добавлен:
18.03.2016
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

*

 

′′

*

A Ay +α (y − y

 

)= A f ;

 

y′(b) = 0.

y′(a) = 0 ,

 

 

 

 

На решении этой задачи достигается минимум функционала Тихонова потому, что,

если y является решением этой задачи, то

 

 

 

M α [y +δy]− M α [y]= Aδy 2 +α(δy 2 + δy′ 2 )≥ 0

для любого допустимого приращения

δy .

 

 

Перепишем краевую задачу в следующем виде:

 

 

1

*

*

y′′− y =

 

(A Ay − A f );

α

 

 

 

 

′

 

 

 

′

y (a) = 0 ,

y (b) = 0.

Как известно из курса дифференциальных уравнений, если существует функция Грина задачи

y′′− y = F;

 

,

′

′

y (a) = 0 ,

y (b) = 0

 

то ее решение представимо в виде y(τ) = ∫b G(τ,ξ)F(ξ) dξ .

a

Докажем, что функция Грина существует. Для доказательства достаточно показать, что однородная краевая задача

y′′− y = 0;

 

 

′

′

y (a) = 0 ,

y (b) = 0

имеет только тривиальное решение.

y′′− y = 0

можно записать в виде

Общее решение уравнения

y = C1eτ +C2e−τ = C1ch(τ −a) +C2ch(τ −b) .

Из первого граничного условия получаем C2 = 0 , а из второго - C1 = 0 . Поэтому

указанная краевая задача имеет только тривиальное решение, и, следовательно, функция Грина существует. В качестве упражнения рекомендуем построить функцию Грина.

Если мы подействуем интегральным оператором с ядром - функцией Грина (мы обозначим этот оператор G) - на левую и правую часть интегро-дифференциального уравнения Эйлера, то получим интегральное уравнение Фредгольма второго рода

y = α1 (GA* Ay −GA* f ),

эквивалентное второй краевой задаче для уравнения Эйлера. Докажите самостоятельно (рассуждая, как и в параграфе 1.14) эквивалентность этих двух задач.

Ядро оператора A* A имеет вид

K(ξ, s) = ∫d K(η,ξ)K(η, s) dη ,

c

а ядро оператора GA* A -

G(τ, s) = ∫b G(τ,ξ)K(ξ, s) dξ .

a

Ядра K(η, s) , K(ξ, s) , G(τ,ξ) непрерывны по совокупности аргументов, следовательно,

~ τ

ядро G( ,s) также непрерывно по совокупности аргументов. Столь же очевидно, что

неоднородность −

1

(GA* f )

в полученном уравнении Фредгольма второго рода также

α

 

 

 

90

является непрерывной функцией. Поэтому, чтобы доказать существование и единственность решения уравнения Фредгольма, в силу альтернативы Фредгольма достаточно доказать, что однородное уравнение

y = α1 GA* Ay

имеет только тривиальное решение.

Однородное уравнение эквивалентно следующей краевой задаче:

α (y − y′′)+ A* Ay = 0;

y′(a) = y′(b) = 0.

Пусть y – любое ее решение. Домножим уравнение слева и справа на y и проинтегрируем в пределах от a до b, заметив, что

(y, y)=

 

 

 

 

 

(A

 

Ay, y)=

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b

 

 

b

b

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

,

*

 

Ay

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′′

′

 

′ 2

dτ =

 

y

′

 

 

 

2

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

−(y , y)= −∫y (τ) y(τ) dτ

= −y y

 

a

+ ∫(y )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Получим, что решение краевой задачи удовлетворяет равенству

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ay

 

 

 

2 +α

 

 

 

y

 

 

 

2 +α

 

 

 

y′

 

 

 

2 = 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку α > 0 , то y ≡ 0 , что и требовалось доказать. Теорема доказана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Лемма.

Рассмотрим множество функций y(x) , непрерывно дифференцируемых на

[a,b] и таких, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y 2h[a,b] + y′ 2h[a,b] ≤ C2 , C > 0 .

Тогда это множество равномерно ограничено и равностепенно непрерывно.

Доказательство. Заметим, что из неравенства в условии леммы следует, что

y ≤ C , y′ ≤ C .

Докажем сначала равностепенную непрерывность. Возьмем произвольную

фенкцию y(x) , удовлетворяющую условиям леммы, и любые

x1, x2 [a,b] . Тогда

 

 

 

 

 

 

 

x2

 

 

x2

 

 

x2

2

 

 

 

 

 

 

b

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

′

≤

 

 

 

′

dx

 

 

 

 

 

′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y(x2 ) − y(x1 )

 

=

∫

y dx

∫

1 dx

 

∫(y (x))

 

≤

 

x2 − x1

 

 

∫(y (x))

 

dx ≤ C

 

x2

− x1

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

x1

 

 

x1

 

 

x1

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

Из этого неравенства следует, что множество функций является равностепенно непрерывным.

Докажем теперь равномерную ограниченность.

Из неравенства

∫b

y2 (x)dx ≤ C2 , C > 0 ,

применяя теорему о среднем, получим

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y2 (ξ)∫b dx ≤ C2 , ξ [a,b] ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

откуда

 

y(ξ) ≤

C

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

b −a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выберем произвольную точку x [a,b] .

Тогда

 

 

 

 

y(x) = y(ξ) + y(x) − y(ξ) ≤ y(ξ) + y(x) − y(ξ) ≤

C

+C x −ξ ≤

C

~

 

b −a

b −a +C b −a ≡ C ,

~

не зависит ни от x,

ни от y.

 

 

Следовательно, множество функций равномерно

где C

ограничено. Лемма доказана.

 

 

 

 

 

 

 

Следствие.

Пусть

{yn (x)},

n =1, 2,3,... -

последовательность

непрерывно

дифференцируемых на [a,b] функций, удовлетворяющих неравенству

91

yn 2h[a,b] + yn′ 2h[a,b] ≤ C2 , C > 0 ,

тогда эта последовательность является компактной в пространстве C[a,b].

Доказательство. По доказанной выше лемме, эта последовательность является равномерно ограниченной и равностепенно непрерывной. По теореме Арцела из неё можно выделить равномерно сходящуюся подпоследовательность. Равномерно сходящаяся последовательность непрерывных функций сходится к непрерывной функции.

Теорема (А. Н. Тихонов). Пусть

fδ (x) -

непрерывная на сегменте

[c, d]

функция, причем

 

 

 

 

 

 

 

 

 

fδ − f

 

 

 

 

h[c,d ]

≤δ,

где

δ (0,δ0 ] ,

δ0

> 0 ;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

функция

 

 

 

 

 

 

 

 

f

такова, что Ay = f

,

где

A -

интегральный оператор с ядром

K(x, s),

x [c, d],

s [a,b], непрерывным по

совокупности аргументов и

замкнутым,

а

y(x)

непрерывно дифференцируема на [a,b] .

Пусть параметр регуляризации α(δ) > 0 удовлетворяет следующим требованиям:

α(δ) → 0 при δ → 0

и для любого δ (0,δ0 ] имеет место

δ 2

≤ C,

где

C > 0 .

α(δ)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Тогда

yδα(δ ) = arg min M α(δ ) [ y] , т.е. функция, на которой достигается минимум

функционала Тихонова

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2[c,d ] +α (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h2[a,b] ), α=α(δ),

 

 

M α [ y] =

 

 

 

Ay − fδ

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

h2[a,b] +

 

 

 

y′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α(δ )

 

 

 

 

C[a,b]

δ → 0 .

 

 

 

 

обладает тем свойством, что yδ

→ y при

 

 

 

 

Перед

тем, как

перейти к

доказательству

теоремы,

заметим,

что

мы получим

регуляризирующий алгоритм Тихонова для случая, когда интегральный оператор

действует

A : C[a,b] → h[c, d]

при

дополнительном

условии

непрерывной

дифференцируемости точного решения интегрального уравнения, т.е. y C(1) [a,

b] .

Доказательство. Заметим, что функция yδα(δ ) существует и единственна,

как было

доказано выше. Предположим, что

yδα(δ )

не стремится к y в

C[a, b] при δ → 0 . Тогда

существуют ε > 0 и последовательность δ

k

→ 0 такие, что

 

 

 

yα (δk ) − y

 

 

 

 

 

 

 

≥ ε > 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

δk

 

 

 

C[a,b]

Заметим, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 +α (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 )≤δ 2 +α (

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 ),

M α [ yδα ] = min M α [ y] ≤ M α [ y] =

 

 

 

Ay − fδ

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

2 +

 

 

 

y′

 

 

 

 

 

 

y

 

 

 

2 +

 

 

 

y′

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

откуда получаем

Ayδα − fδ 2 +α ( yδα 2 + ( yδα )′ 2 )≤δ 2 +α ( y 2 + y′ 2 ).

В левой части этого соотношения оба слагаемые неотрицательны. Поэтому мы можем получить два неравенства:

1)

 

α

 

2

+

 

α

)′

 

2

≤

δ 2

+

 

y

 

 

 

2

+

 

y′

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yδ

 

 

 

( yδ

 

 

α

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2) Ayδα − fδ 2 ≤δ 2 +α ( y 2 + y′ 2 ).

 

 

 

 

Если α=α(δ), то так как

δ

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

α

≤ C при δ (0,δ0 ] , из первого неравенства вытекает

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

~

 

 

 

 

 

 

α(δ )

 

2

+

 

α(δ )

)′

 

2

≤ C +

 

y

 

2

+

 

y′

 

 

 

2

 

В

силу

доказанной

выше

леммы,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yδ

 

 

 

( yδ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

≤ C .

последовательность yδα(δk )

 

является

компактной в

пространстве

C[a,b] . Поэтому

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

92

существуют такая подпоследовательность ее и такая непрерывная на что указанная подпоследовательность равномерно сходится к y *.

Не ограничивая общности, будем считать, что

α(δ

)

C[a,b]

yδ

k

 

→ y *

 

 

k

 

 

[a,b] функция y *,

при k → ∞. Тогда

 

 

 

α

(δk )

 

 

 

α

(δk )

 

 

 

 

 

 

 

 

α(δk )

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

2

 

+ y′

2

 

) +δk .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ayδk

 

− Ay h[c,d ] = Ayδk

 

− fδk

+ fδk − f ≤

Ayδk

 

− fδk

+δk ≤ δk +α(δk )( y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Здесь мы использовали второе неравенство, следующее из M α [ yδα ] ≤ M α [ y] ).

 

 

Переходя к

пределу при k → ∞,

получаем

 

Ay * −Ay

 

 

 

 

= 0 или Ay* = Ay .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

В силу взаимной однозначности интегрального оператора (условие замкнутости

ядра) из равенства Ay* = Ay следует, что y* = y . Итак,

α(δ

 

)

C[a,b]

 

при k → ∞ , и мы

yδ

k

k

 

→ y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

приходим к противоречию с предположением, что

 

 

 

yδα(δk )

− y

 

 

 

≥ ε > 0 . Теорема доказана.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Следствие.

 

Пустьδ = 0,

 

 

 

 

 

 

 

M α [ y] =

 

 

 

 

2 +α(

 

 

 

y

 

 

 

2 +

 

 

 

y′

 

 

 

2 ) ,

 

 

 

 

 

fδ = f

,

 

 

 

 

Ay − f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

y

α

= arg min M

α

[ y] .

Тогда y

α

 

C[a,b]

при

 

α → 0 +0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→ y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Доказательство этого утверждения во многом повторяет проделанное выше и предоставляется слушателям.

С другими способами выбора параметра регуляризации можно ознакомиться в монографии: А.Н.Тихонов, А.В.Гончарский, В.В.Степанов, А.Г.Ягола. Численные методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1990.

Экзаменационные вопросы

1)Определения и формулировки теорем.

1.Сформулировать определение корректно и некорректно поставленной задачи.

2.Сформулировать определение регуляризируемой некорректно поставленной задачи.

3.Сформулировать регуляризирующий алгоритм А. Н. Тихонова.

4.Записать функционал А. Н. Тихонова.

5.Сформулировать теорему о существовании и единственности минимума функционала А.Н.Тихонова.

6.Сформулировать теорему о согласовании параметра регуляризации в функционале А.Н.Тихонова с погрешностью входных данных для построения регуляризирующего алгоритма решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода.

2)Утверждения и теоремы, которые необходимо уметь доказывать. Теоретические задачи.

1.Доказать, что задача решения интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода с «малым»

λкорректно поставлена в C[a,b] .

2.Доказать, что задача решения интегрального уравнения Фредгольма 2-го рода с «малым»

λкорректно поставлена в h[a,b] .

3.Доказать, что задача решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода при

условии, что интегральный оператор действует A : C[a,b] → h[a,b] , является некорректно поставленной.

4.Доказать, что если взаимно однозначный оператор A является вполне непрерывным при действии из h[a, b] в h[c, d] , то обратный оператор не является ограниченным.

5.Доказать теорему о существовании и единственности минимума функционала А.Н.Тихонова.

93

6.Доказать теорему о согласовании параметра регуляризации в функционале А.Н.Тихонова с погрешностью входных данных для построения регуляризирующего алгоритма решения интегрального уравнения Фредгольма 1-го рода.

7.Доказать теорему: пусть взаимно однозначный интегральный оператор с непрерывным

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

где y(x)

 

 

 

непрерывно

дифференцируемая

на

 

ядром A : C[a,b] → h[c, d], и Ay = f

 

 

 

 

[a,b] функция,

 

 

 

M α [ y] =

 

 

 

 

2 +α(

 

y

 

 

 

2 +

 

 

 

y′

 

 

 

2 ) (нормы соответственно в

h[c, d]

и

 

Ay − f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h[a,b] ), y

α

= arg min M

α

[ y] .

Тогда y

α

 

 

 

 

 

C[a,b]

 

 

 

 

α → 0 +0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

→ y при

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.

Доказать, что множество функций

y(x) , непрерывно дифференцируемых на

[a,b]

и

 

таких, что

 

 

y

 

 

 

h2[a,b] +

 

 

 

y′

 

 

 

h2[a,b]

≤ C2 ,

 

C > 0 равномерно

ограниченно и

равностепенно

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

непрерывно.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

{yn (x)},

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9.

Доказать, что

 

 

 

последовательность

 

функций

 

 

 

n =1, 2,3,...

 

 

 

 

непрерывно

 

дифференцируемых на [a,b]

и удовлетворяющих неравенству

 

yn

 

 

 

h2[a,b] +

 

 

 

 

yn′

 

 

 

h2[a,b] ≤ C2 ,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

является компактной в C[a,b].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10.

Исследовать на разрешимость уравнение

 

 

∫x

y(s)ds = f (x),

x, s [a,b].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

94