Собственные Значения Дифференциальных Операторов;

численные методы нахождения - методы вычисления собственных значений и соответствующих собственных функций дифференциальных операторов. Колебания упругих ограниченных тел описываются уравнением где - нек-рое дифференциальное выражение. Если решение уравнения (1) искать в виде то относительно функции иполучается уравнение внутри ограниченной области при нек-рых однородных условиях на ее границе. Значения параметра при к-рых существуют отличные от тождественного нуля решения уравнения (2), удовлетворяющие однородным краевым условиям, наз. Собственными значениями (числами), а их соответствующие решения - собственными функциями. Возникающая при этом дифференциальная задача на собственные значения состоит в нахождении собственных значений и соответствующих им собственных функций.

Численное решение дифференциальной задачи на собственные значения проводится в три этапа. 1) сведение задачи к более простой, напр. К алгебраической (дискретной). 2) выяснение точности дискретной задачи. 3) вычисление собственных значений дискретной задачи (см. Линейная алгебра;численные методы). Сведение к дискретной задаче. Сведение задачи (2) к ее дискретной модели производится в основном сеток методом и проекционными методами. При этом естественно требовать, чтобы основные свойства исходной задачи сохранялись в ее дискретном аналоге. В частности, должна сохраняться самосопряженность соответствующих дискретных операторов в пространстве функций дискретного аргумента. Одним из методов такого сведения является интегро-интерполяционный метод.

Напр., пусть поставлена задача Эта задача возникает, напр., при изучении поперечных колебаний неоднородной струны и продольных колебаний неоднородного стержня. На отрезке [0, 1] вводится разностная сетка с узлами xi=ih,i=0,l,. ., N, h=1/N. Каждому узлу xi, i=l,. ., N -1, ставится в соответствие элементарная область Интегрирование по областям Si уравнения (3) приводит к выражению Пусть Тогда При подстановке (6) в (5) получается уравнение где v - искомая сеточная функция. Краевые условия v0=0, vN=0 приводят к алгебраич. Задаче на собственные значения где А - трехдиагональная симметрич. Матрица порядка n = N -1 (см. [10]). Вариационно-разностный метод сведения к дискретной задаче используется, когда задача на собственные значения может быть сформулирована как вариационная.

Напр., собственные значения задачи (3), (4) являются стационарными значениями функционала При замене интегралов квадратурными суммами, а производных - разностными отношениями, дискретный аналог функционала имеет вид где а i - разностный аналог коэффициента р(х), к-рый может быть вычислен по формуле (6). Дискретный аналог задачи (3), (4) получается из необходимого условия экстремума Дифференцирование приводит снова к задаче (7) (см. [9]). Проекционно-разностный метод сведения к дискретной задаче состоит в следующем. Выбирается линейно независимая координатная система функций и линейно независимая проекционная система функций Приближенные собственные функции ищутся в виде Коэффициенты разложения vi и приближенные собственные значения определяются из условия где - скалярное произведение в гильбертовом пространстве.

[При совпадении координатной и проекционной систем говорят о методе Бубнова - Галеркина. Если, кроме того, оператор дифференциальной задачи самосопряженный, то метод наз. Методом Рэлея - Ритца (см. [4]). ] В частности, для задачи (3), (4), если все удовлетворяют (4), условие (8) принимает вид Чтобы упростить получение алгебраич. Задачи, систему функций выбирают почти ортогональной. Взяв в качестве координатной и проекционной систем функции вида xi= ih из (9) получают где Таким образом, вместо с краевыми условиями получается обобщенная задача на собственные значения. Здесь Аи D - трехдиагональные симметрич. Матрицы порядка n=N -1. Перечисленными методами получаются дискретные модели в случае и др. Уравнений.

Напр., для стержня. для мембраны. для пластины. Собственные векторы, соответствующие удовлетворяют однородной системе алгебраич. Уравнении. Задача нахождения всех собственных значений и собственных векторов матрицы Аназ. полной проблемой собственных значений. Задача нахождения нескольких собственных значений матрицы . Наз. частичной проблемой собственных значений. В случае алгебраич. Систем, соответствующих рассматриваемой задаче, наиболее часто возникает частичная проблема собственных значений. Применение традиционных методов ее решения требует весьма значительного объема вычислений ввиду плохой разделенности собственных значений матрицы А . В этом случае наиболее эффективны модифицированные градиентные методы с использованием спектрально эквивалентных операторов (см.

[16]) и многосеточные методы (см. [17]). Лит.:[1] Бублик Б. Н., Численное решение задач динамики пластин и оболочек, К., 1969. [2] Воеводин В. В., Численные методы алгебры. Теория и алгорифмы, М., 1966. [3] Гулд С., Вариационные методы в задачах о собственных значениях, пер. С англ., М., 1970. [4] Коллатц Л., Задачи на собственные значения, пер. С нем., М., 1968. [5] Приказчиков В. Г., лЖ. Вычисл. Матем. И матем. Физ..