Файл: Земанян А.Г. Интегральные преобразования обобщенных функций.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 184

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Следовательно,

(3)

Покажем теперь, что в некоторой полосе в s-плоско­ сти функция (3) удовлетворяет условиям теоремы 4.3.6. Отсюда будет следовать, что (3) является обычным пре­ образованием Меллина непрерывной функции. При 0

0 а и s = а + гео

 

sin (as — 0s)

-

О

(е~И°),

I со I —> oo,

(4)

равномерно

sin as

 

на — оо < о < о о .

Кроме того,

при 0 <

< Ѳ ^ а особенностип

функции sin (as — 0s)/sin as — это

простые полюсы, которые могут находиться лишь в точ­

ках s = ягс/а, где

— целое число, не равное нулю.

(Точка s =

0 не является полюсом, поскольку обе функ­

ции sin (as — 6s) и sin as имеют при s = 0 простые нули. При некоторых 0 такая же ситуация может иметь место и для других точек вида s = ятг/a, но этого не может быть при всех значениях 0, например, когда Ѳ/а — ирра­ циональное число.) В силу теоремы 4.3.5 и оценки (4) при 0 < 0 а и | ш I —► оо функция (3) экспоненциально стремиться к нулю равномерно в любой замкнутой под­

полосеа й/. Следовательно,

 

если О < 0 < J

a > то функция

(3) удовлетворяет

Ъ

условиям теоремы 4.3.6

в любой по­

лосе

< ; Re s <;

(оу,

<

а

<

Ъ

< оу,),

не

содержащей

точек

вида тгя/a (п =

+

 

1, ±

2, . . .).

 

 

Таким образом,

применяя теоремы 4.3.6, мы получаем

в качестве возможного

решения уравнения (1) выражение

О

<< 0 <С а,

0 < ; г <г. оо,

где а — любое

(5)

действительное

число из й/,

не равное

дя /а(?г==+1,

+ 2 , ...). Если

й/

 

о,

 

 

 

 

 

содержит некоторые из точек гея/2, то решение (5) не

 

 

 

 

пп/а.

 

 

0единственно; оно может быть различным при различных

значениях

 

равных, например, оу и о2, если между оу и

2

имеются точки вида

 

 

Этот случай мы рассмотрим

позже.

Поскольку наши выкладки были чисто формальными, мы должны теперь доказать, что (5) является решением. Функция (5) удовлетворяет дифференциальному уравнѳ-

158


ншо (1) в смысле обычного дифференцирования. Это сле­ дует из того факта, что дифференциальные операторы дідг, ö2/dr2, dldQ и 52/5Ѳ2 перестановочны с иптегриророваиием в (5) и что функция

sin (as — 0s) sin as

удовлетворяет уравнению (1). Очевидные детали мы в рас­ суждении опускаем.

Обратимся теперь к граничным условиям и проверим сначала второе из них, более простое. Из (5) и того факта, что |г-іш| = 1, мы получаем неравенство

 

 

Г

 

 

sin (a — gѲ) (о +

іш)

 

(6)

 

I “

(г, Ѳ) I <

 

 

+ ію) sin a ( +

iu>)

 

da>,

 

 

 

 

 

где

a

фиксировано

указанным выше образом. Теорема

4.3.5 утверждает, что

F (а

+

ісо) имеет медленный рост при

I со

I ->

оо. Следовательно,

из оценки (4) вытекает равно­

мерная сходимость интеграла в (6) в любом замкнутом ин­

тервале ß

Ѳ

а, где ß >

0. Поэтому мы можем перей­

ти в (6) к пределу

при Ѳ -*•

а —

0 под знаком интеграла и

 

убедиться, что второе граничное условие выполнено. Чтобы проверить первое граничное условие, мы дол­

жны показать, что при любых ср ее 2) (I)

lim <u(r, Ѳ), ф(г)> = </(г), ср(г)>.

в -> + 0

Так как функция и(г, Ѳ) непрерывна, то

<*<г,Ѳ),

Ф ( г ) > = ^ 5 *

I

 

где 0 <

0 — оо

 

X г_0_1“ ф (г) dco,

Ѳ < а и а фиксировано, как указано выше. Если

Ѳ фиксировано, то подынтегральное выражение является гладкой функцией переменных (г, to), причем ее носитель содержится в некоторой полосе

{(г, со): 74 < г < г2, 0 < Г ! < г 2 < оо, —оо < со < сю}.

В этой полосе подынтегральное выражение в силу (4) ог­ раничено функцией К/ (1 + со2), где К — достаточно большая постоянная. Следовательно, по теореме Фубини

159



мы можем изменить порядок интегрирования:

со

<it (?•, Ѳ),

Ф

(г)> =

^

F (з

+

іео)

фsin

ico)

 

 

 

 

 

(+а -

Ѳ) (Xа + to)

d

(7)

где

 

 

 

 

 

 

 

sin а (о + гео)

 

ѵ '

 

г_Рф (г) dr — 9Л [7'-1ф (г 1)], — оо

Re s

оо.

(8)

Ф (s) = ^

Отсюда следует, что Ф (s) — целая функция (теорема 4.3.2). Последовательно интегрируя по частям, мы полу­ чаем

оо

 

ф м =

 

r"‘“

М '*.

» =

0 ,1 ,2 ,.. .

Поскольку I Гіш I = 1, то

о

Іо r~a+n I Ппф(г) I dr

I

Ф +

ico) I О -|— —---т-—Ц

I

V I

— l|...|<s-j-ico — n j j

1

r w i (9)

для всех п. Таким образом, Ф (ст + іео) быстро убывает при I со I -> оо. Кроме того, функция

 

 

 

 

 

sin (а — Ѳ) (б 4- ;co)

 

 

 

 

 

'

 

'

 

 

 

 

 

 

sin а (а +

ico)

 

 

 

 

 

 

 

 

ограничена

при

оо

 

ю

<

оо

и

0 ^

Ѳ

^

а,

когда

ст

фиксировано (ст

Ф

 

пліа,

п

=

+

1,

+ 2 ,

. . .)а. ,

Из факта

 

F

 

 

 

медленного

роста

(ст +

іео) при |

со | —> ехэ

вытекает те­

перь, что (7) сходится равномерно на 0 ^

0

 

 

и поэтому

lim <u(r, Ѳ), ф(7')) =

т~

СО

F (ст + іео) Ф (с +

ію) dcD.

(И)

\

о ->+о

 

 

 

 

 

 

J

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Из (9) и теоремы 4.3.5

 

—00

 

 

F

 

іео) Ф (ст +

 

шіео))

следует, что

F(ст +

 

также удовлетворяет

условиям

теоремы

4.3.6

в любой

замкнутой hподполосе П/,

и поэтому

(ст +

ію) Ф (ст +

 

 

 

является

преобразованием

 

Меллииа

 

непрерывной

функции

(г)

на

 

0 < г < о о .

 

Сравнение

 

формулы

160


(11)

с равенствомF

(3)й п.

4.3 показывает,

что правая часть

(11)

 

h

 

 

 

 

совпадает с h{r)(1).=Кроме/ \ /того1г-1,физ(8)-1)].и теоремы 4.6.3 вы­

текает, что 3)

(о -f-

о) Ф (ст + іш) является преобразова­

нием функции

то

по

(г)

Далее, так как

г"1 ср(г-1)

(/),

теореме 4.6.2

 

Объединяя все эти результаты мы, наконец, получаем

формулу lim

<u(r,

Ѳ),

ф(г)>

=

h ( l ) = </(ж), Ф(я)>,

о -*+0

 

 

 

которая показывает, что первое граничное условие также выполнено. Таким образом, (5) действительно представ­ ляет собой решение задачи Дирихле для бесконечного клина. Теорема доказана.

Как было отмечено выше, (5) не является единственным решением, если содержит полюсы подынтегрального

выражения (5). В этом случае

два различных выбора ст,

например, ох и о2, приводят к

решениям,

отличающимся

на сумму вычетов в полюсах,

лежащих

между О! и ст2.

Эти вычеты имеют вид

(12)

где А — постоянная и к — целое число. Легко показать, что (12) удовлетворяет дифференциальному уравнению (1)

а

 

 

 

йУ {Г)

 

 

и равномерно сходится к нулю на компактных подмноже'

ствах 0

< г < оо при Ѳ

+ 0или

Ѳ ->

 

— 0 . Отсюда

следует,

что (12) стремится к нулю в

Q f .

 

при Ѳ

—> + 0 .

Кроме того, эти рассуждения остаются верными и в слу­

чае, когда точки /ся/ане принадлежат

 

Таким образом,

мы можем добавить к (5) линейную комбинациюкп/а

таких

функций и получить снова

решение нашей задачи вне за­

висимости от того, принадлежат точки

 

множеству Q/

или нет.

Формулируя этот результат на

языке электро­

статических потенциалов, мы можем сказать, что (12) представляет собой потенциал, создаваемый электриче­ ским мультиполем, сосредоточенным в точке г = 0 либо «размазанным» при г = о о . Поскольку граничные условия не налагают никаких ограничений на эти точки, то дей­ ствительно можно ожидать появления в потенциале и (г , Ѳ) произвольных компонент.

6 А . Г. Земанян

161