Сопряженная однородная задача
Сопряженная однородная задача План. Сопряженный оператор.
Сопряженная однородная задача. Условия разрешимости. Сопряженный
оператор.
Обозначим через дифференциальный оператор второго порядка, т. е.
(1)
где представляют собой непрерывные функции в промежутке . Если и –
дважды непрерывно дифференцируемые на функции, то имеем: (2)
Как и в предыдущем параграфе, интегрирование соотношения (2) по
частям дает: (3)
Обозначим дифференциальный оператор, входящий в подынтегральное
выражение в правой части (3) через, т. е. (4) При этом соотношение
(3) перепишется так: (5)
Оператор называется сопряженным по отношению к оператору . Умножая
соотношение (4) на и интегрируя полученный результат по частям, по
отношению к оператору . Таким образом, операторы и взаимно
сопряжены. Как и в предыдущем параграфе, дифференциальное
уравнение: (6) будем называть сопряженным дифференциальному
уравнению: (7)
Если же , то оператор и дифференциальное уравнение будем называть
сопряженными. Сравнивая выражения (1) и (5), приходим к выводу, что
тогда и только, когда:
Таким образом, оператор будем самосопряженным тогда и только тогда,
когда . При этом:
Так как любое дифференциальное уравнение вида (7) можно
преобразовать в самосопряженную форму, умножив на функцию.
Дифференцируя соотношение (5) по , получаем так называемую формулу
Лагранжа: (8) Правая часть этой формулы может быть записана как:
(9) где (10) Отметим, что:
и следовательно, матрица -невырожденная. Подстановка выражения (9)
в соотношение (8) дает: (11) Сопряженная однородная задача.
Введем следующее невырожденное линейное преобразование в вектор :
(12), где
Заметим, что указанное преобразование может быть выполнено
бесчисленным множеством способов, в зависимости от выбора матрицы
А. При заданном ненулевом векторедве последние строки матрицы А
можно выбрать так, чтобы придать любые требуемые значения
компонентам. Это замечание используется в дальнейшем при нахождении
вида сопряженных граничных условий. Поскольку, мы можем обратить
преобразование (12) и получить: . При этом (11) можно переписать
как: или (13), где (14)
Билинейная форма в соотношении (13) называется каноническим
представлением билинейной формы в правой части тождества (11).
Для того чтобы найти граничные условия сопряженной задачи, положим
в соотношении (13) и и получим: (15)
Из формулы (21) следует, что однородные граничные условия,
эквивалентны равенствам: (16) (17)
С учетом равенств (16) и (17) соотношение (15) принимает вид:
(18)
При ненулевом векторе последние две строки матрицы А могут быть
выбраны так, чтобы компоненты и принимали любые требуемые значения,
лишь бы и не обращались в нуль одновременно. В частности, нижние
строки матрицы А можно выбрать из условия. При этом из соотношения
(11) следует, что . Аналогичным образом, нижние строки матрицы А
можно выбрать так, чтобы выполнялись равенства. При этом из
соотношения (11) вытекает, что . Таким образом, задача, сопряженная
задаче (19) имеет вид: (20)
где и связаны с компонентами вектора соотношением (14). Краевая
задача (19) называется самосопряженной тогда и только тогда, когдаи
каждая из двух компонент и является линейной комбинацией и , т. е.
пропорциональна . Один из определителей: матриц-блоков
должен быть отличным от нуля. Чтобы иметь возможность сравнить эти
результаты с теми. которые были получены в предыдущем параграфе,
предположим. что. Далее, выберем такие и , чтобы строки матрицы А
были линейно независимы. Например, положим и . При этом матрица А
примет вид: (21). Из формулы (19) следует, что . Тогда (22)
Подставляя матрицы (20) и (9) в соотношение (14) имеем (14а):
Следовательно, граничные условия сопряженной задачи имеют вид: (22)
(23)
Для того, чтобы краевые задачи были самосопряженными необходимо,
чтобы и чтобы каждая из компонент и являлась линейной комбинацией и
. Как указывалось выше, тогда и только тогда, когда . При этом
условия (21) и (20) принимают вид: (24)
Разрешая равенства относительно и при и заменяя на , получаем:
(25)
Сравнивая граничные условия (24) и (25), заключаем, что они
совпадают тогда и только тогда, когда: (26)
Краевая задача при самосопряжена тогда и только тогда, когда
выполнены соотношения (24) и равенство. Условие разрешимости.
Определив сопряженную краевую задачу, вернемся к решению
неоднородной задачи. Используя определение (25), перепишем формулу
Грина в виде: (27) ,
тогда из соотношения (27) вытекает, что условие разрешимости имеет
вид: (27)
Для того, чтобы сравнить условие (27) с условием разрешимости,
используем связь и с вектором , описываемую формулой (14а) т. е. :
(28) При этом соотношение (27) принимает вид:
Если иметь дело с граничными условиями общего вида можно выразить
какие-либо два из граничных значений через два других.
Понравилась работу? Лайкни ее и оставь свой комментарий!
Для автора это очень важно, это стимулирует его на новое творчество!
5.6.1 Задача, двойственная задаче о диете
Проиллюстрируем
выполнение теорем двойственности на
примере задачи о диете (см. раздел 1.3.1).
Построим задачу,
двойственную к задаче о составлении
рациона, решение которой было найдено
в разделе 4.2 (в которой минимальное
содержание белка в рационе должно
составлять 44 г, а не 110 г).
Для этого вначале
необходимо добиться, чтобы во всех
неравенствах прямой задачи стоял знак
(так как задача на
минимум), т.е. умножить обе части второго
и четвертого ограничения на -1:
min 4х1+ 15х2
+ 40х3
380х1
+ х2+ 2х34
-380х1 – х2– 2х3-6
90х2+ 50х344
-20х2– 80х3-25
х1+ х2 +
х3 = 0,5
х1-3 0
Построим задачу,
двойственную к данной*:
max4y1– 6y2+ 44y3– 25y4+ 0,5у5
380y1– 380y2+ у54
y1–y2+ 90y3– 20y4+ у5 15
2y1– 2y2+ 50y3– 80y4+ у5 40
у1-4 0
Чтобы решить ее
симплекс-методом, приведем ее к
канонической форме. Для этого нужно
ввести три дополнительных переменных.
Кроме того, поскольку переменная у5не ограничена по знаку (т.к. она
соответствует уравнению прямой задачи),
следует заменить ее на разность двух
неотрицательных переменных (у5=
у5`- у5“):
max4y1– 6y2+ 44y3– 25y4+ 0,5у5` – 0,5у5“
380y1– 380y2+ у5` –
у5“+y6= 4
y1–y2+ 90y3– 20y4+ у5` –
у5“+y7= 15
2y1– 2y2+ 50y3– 80y4+ у5` –
у5“+y8= 40
у1-4, 6-8, у5`,
у5“0
В этой задаче
имеется готовый базис, и можно сразу же
решить ее симплекс-методом, не используя
метод искусственного базиса*.
Решение приведено в таблице 20.
Таблица
20 – Решение двойственной задачи
4 |
-6 |
44 |
-25 |
0,5 |
-0,5 |
0 |
0 |
0 |
||||
N |
xб |
cб |
B |
у1 |
у2 |
у3 |
у4 |
у5` |
у5“ |
у6 |
у7 |
у8 |
1 |
у6 |
0 |
4 |
380 |
-380 |
0 |
0 |
1 |
-1 |
1 |
0 |
0 |
2 |
у7 |
0 |
15 |
1 |
-1 |
90 |
-20 |
1 |
-1 |
0 |
1 |
0 |
3 |
у8 |
0 |
40 |
2 |
-2 |
50 |
-80 |
1 |
-1 |
0 |
0 |
1 |
m+1 |
0 |
-4 |
6 |
-44 |
25 |
-0,5 |
0,5 |
0 |
0 |
0 |
||
N |
xб |
cб |
B |
у1 |
у2 |
у3 |
у4 |
у5` |
у5“ |
у6 |
у7 |
у8 |
1 |
у6 |
0 |
4 |
380 |
-380 |
0 |
0 |
1 |
-1 |
1 |
0 |
0 |
2 |
у3 |
44 |
0,167 |
0,011 |
-0,011 |
1 |
-0,222 |
0,011 |
-0,011 |
0 |
0,011 |
0 |
3 |
у8 |
0 |
31,67 |
1,444 |
-1,444 |
0 |
-68,89 |
0,444 |
-0,444 |
0 |
-0,556 |
1 |
m+1 |
7,333 |
-3,511 |
5,511 |
0 |
15,222 |
-0,011 |
0,011 |
0 |
0,489 |
0 |
||
N |
xб |
cб |
B |
у1 |
у2 |
у3 |
у4 |
у5` |
у5“ |
у6 |
у7 |
у8 |
1 |
у5` |
0 |
4 |
380 |
-380 |
0 |
0 |
1 |
-1 |
1 |
0 |
0 |
2 |
у3 |
44 |
0,122 |
-4,211 |
4,211 |
1 |
-0,222 |
0 |
0 |
-0,011 |
0,011 |
0 |
3 |
у8 |
0 |
29,889 |
-167,44 |
167,44 |
0 |
-68,89 |
0 |
0 |
-0,444 |
-0,556 |
1 |
m+1 |
7,378 |
0,711 |
1,289 |
0 |
15,222 |
0 |
0 |
0,011 |
0,489 |
0 |
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Сопряженная задача
Cтраница 1
Сопряженная задача существенно упрощается при больших значениях критерия Пекле. Рассмотрим, как и ранее, два предельных случая: без учета и с учетом циркуляции внутри капли.
[1]
Сопряженная задача имеет комплексно сопряженные собственные значения той же кратности.
[2]
Подобные сопряженные задачи, включающие электрические, диффузионные и тепловые процессы, характерны для многих коррозионных явлений и обусловлены сложной зависимостью кинетики коррозионного процесса от переменных физико-химических свойств контактирующей с металлом среды.
[3]
Сопряженные задачи конвективного теплообмена имеют большое значение для исследования химико-технологических процессов.
[4]
Сопряженную задачу можно рассматривать как задачу, поставленную для зеркальной системы, или антисистемы, процессы в которой протекают в обращенном времени.
[5]
Решение сопряженной задачи (4.1) – (4.14) в общем виде получить не представляется возможным, поэтому авторы некоторых работ прибегают к различным допущениям.
[6]
Исследование сопряженных задач требует проведения экспериментов. Поэтому наряду с совершенствованием методов решения сопряженных задач необходимо изучать и обобщать зависимости нестационарной теплопередачи для типичных законов изменения граничных условий. Специфика теплообмена низкотемпературных сжиженных газов проявляется большей частью в процессах теплоотдачи, сопровождающихся изменением агрегатного состояния, как-то: кипением, испарением, конденсацией. Например, процессы кипения наблюдаются при заполнении резервуаров и трубопроводов, а процессы испарения и конденсации – при эксплуатации резервуаров. Уметь анализировать процессы теплообмена необходимо для рациональной эксплуатации оборудования процессов хранения и транспорта сжиженных газов.
[7]
Постановка сопряженных задач необходима для оценки граничных условий при решении задач нестационарного теплообмена в трубопроводных коммуникациях, обоснования упрощенных постановок задач теплообмена ( например, с введением коэффициента теплоотдачи), разработки и планирования экспериментальных исследований, типизации задач нестационарного теплообмена, оперативных расчетов технологических ситуаций.
[9]
Решение сопряженных задач теплообмена связано с преодолением принципиальных математических трудностей. Основная трудность состоит в том, что приходится решать систему уравнений в частных производных, имеющих различный вид на разных интервалах; в случае стационарных задач мы сталкиваемся даже с дифференциальными уравнениями разных типов: для жидкости получается уравнение в частных производных параболического типа, а для твердого тела – эллиптического типа. Наиболее рациональным подходом к решению сопряженных задач является введение на границе сопряжения неизвестной функции, равной температуре или тепловому потоку на этой границе, которое позволяет свести систему уравнений в частных производных к двум несвязанным краевым задачам. Неизвестная функция определяется в дальнейшем из оставшихся условий сопряжения.
[10]
Решение сопряженных задач теплообмена связано с преодолением принципиальных математических трудностей. Основная трудность состоит в том, что приходится решать систему уравнений в частных производных, имеющих различный вид на разных интервалах, в случае стационарных задач мы сталкиваемся даже с дифференциальными уравнениями разных типов: для жидкости получается уравнение в частных производных параболического типа, а для твердого тела-эллиптического типа. Наиболее рациональным подходом к решению сопряженных задач является введение на границе сопряжения неизвестной функции, равной температуре или тепловому-потоку на этой границе, которое позволяет свести систему уравнений в частных производных к двум несвязанным краевым задачам. Неизвестная функция определяется в дальнейшем из оставшихся условий сопряжения.
[11]
Решение сопряженных задач подобного рода удается получить только в простейших случаях. При наперед заданных граничных условиях решается отдельно диффузионная задача, а затем определяется суммарное термическое сопротивление.
[12]
Рассмотрим сопряженную задачу, т.е. задачу Коши в пространствах аналитических функционалов. И здесь случаи цилиндрической и конической эволюции особенностей решения принципиально различны. Если в первом случае как прямая, так и сопряженная задачи легко укладываются в рамки исследования дифференциальных уравнений в банаховом пространстве v ( t) – Au ( t) h ( t), где A ( t) – ограниченный оператор, то при конической эволюции соответствующая абстрактная задача Коши не сводится к известным схемам для дифференциально-операторных уравнений. В этом случае оператор A ( t) имеет переменную область определения и, следовательно, для исследования требуются новые подходы.
[13]
Рассмотрим сопряженную задачу поток – стенка. Так как расход считаем известным, то замкнутая система уравнений является граничным условием второго рода для уравнения теплопроводности стенки. В упрощенном варианте расчета принимаем, что стенка трубы достаточно тонкая, что позволит пренебречь распределением температуры по толщине стенки и перетечками тепла по ее длине.
[14]
Рассмотреть сопряженную задачу теплообмена, схема которой показана на рис. 17 5.1 8, предполагая, что речь идет о керамической пластине, находящейся в воздухе. Считая, что включен лишь нижний нагреватель, расположенный в точке xL 0 25, определить максимальную температуру поверхности и долю подводимой энергии, которая теряется за счет – теплопроводности к пластине.
[15]
Страницы:
1
2
3
4
The solution of the adjoint problem requires initial and boundary conditions that are consistent with the hyperbolic character of the governing equations, and confirm the physical meaning of the adjoint variables as the sensitivity of the functional to the flow parameters.
From: Free-Surface Flow:, 2019
Optimal Design and Flow Control
Nikolaos D. Katopodes, in Free-Surface Flow, 2019
13.4.3 Dual Functional
Once the solution of the adjoint problem is found, the functional may be represented solely by the second integral in Eq. (13.58), as follows
(13.60)F(x0)=∫0Lδ(x−x0)QC⁎(x)dx=QC⁎(x0)
The minimization of F(x0) is now trivial, as C⁎ decays exponentially downstream of the target point. The optimum location for x0 would be at the downstream boundary, but for all practical purposes, equally good solutions can be found much closer to the target point by adopting a small, but finite limit for the concentration. More importantly, only one solution of the adjoint problem is necessary, compared to N solutions of the main problem in order to arrive at the same conclusion.
The potential to achieve two equivalent representations of F(x0), i.e. those given by Eqs. (13.52) and (13.60), is referred to as the Lagrange duality principle. The implications for optimizing the location of the source in the present problem are clearly significant. Furthermore, no solution of the main problem is necessary since F(x0) does not depend on C. Notice, however, that Eq. (13.60) does not provide any information about the solution of the main problem. Therefore, the adjoint equation and corresponding functional are of value only in optimization and parameter identification applications.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128154892000137
Active Flood Control
Nikolaos D. Katopodes, in Free-Surface Flow:, 2019
14.2.3 Alternative Formulation of the Adjoint Problem
It is clear that the main and adjoint problems have identical characteristic directions. At the upstream boundary of the main problem, a C+ characteristic travels away from the boundary in the forward time direction. Along this path, as dt becomes infinitesimally small, the compatibility relation reads
(14.29)dq−(u+c)dh=0
Similarly, at the downstream boundary a C− characteristic travels away from the boundary in the forward time direction. Along this direction, the corresponding compatibility relation is as follows
(14.30)dq−(u−c)dh=0
Therefore, substitution of (14.29) for δh(0,t) and (14.30) for δh(L,t) into the expression for the first variation of the functional, yields
(14.31)δF=−∫0T{[(ϕ+(u−c)ψ)δq]x=L−[(ϕ+(u+c)ψ)δq]x=0}dt
This ensures that perturbations generated within the channel travel unobstructed through the boundaries, which is precisely the behavior that is desired at open computational boundaries. Now, recalling that the adjoint problem solution evaluates the system response to individual, instantaneous system perturbations, either δq(0,tp) or δq(L,tp) is non-zero at the perturbation time tp, but not both. Therefore, the sensitivity relations for upstream and downstream perturbations of discharge are given by
(14.32)δFδq(0,tp)=[ϕ+(u+c)ψ]x=0,t=tp
and
(14.33)δFδq(L,tp)=−[ϕ+(u−c)ψ]x=L,t=tp
The expressions, A1=ϕ+(u+c)ψ and A2=ϕ+(u−c)ψ are representative of the characteristic variables of the adjoint problem, representing sensitivity signals traveling towards the boundaries in the reverse time direction.
Similar expressions corresponding to the sensitivity of the functional F to perturbations in depth are derived by substituting (14.29) for δq(0,t) and (14.30) for δq(L,t) into the functional variation. This yields
(14.34)δFδh(0,tp)=[(ϕ+(u+c)ψ)(u+c)]x=0,t=tp
and
(14.35)δFδh(L,tp)=−[(ϕ+(u−c)ψ)(u−c)]x=L,t=tp
These expressions correspond to the characteristic variables of the adjoint problem multiplied by the corresponding characteristic wave speed. They permit the implementation of non-reflective boundary conditions, and reduce to the standard sensitivity variables, if reflective boundary conditions are imposed. The results of the alternative adjoint sensitivity formulation are shown in Fig. 14.2. Despite the inexact nature of the Riemann invariants, no reflections are visible in the computation of sensitivity, thus the ASM yields identical results with the DSM, albeit at a substantially reduced cost. Notice, however, that both adjoint waves are bi-directional, therefore any boundary conditions that specify one of the other adjoint variable will eventually cause reflections at the boundaries.
Figure 14.2. Adjoint variables for open channel flow. Reproduced from Katopodes (2009). © The Japan Society of Fluid Mechanics. Reproduced by permission of IOP Publishing. All rights reserved
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780128154878000147
Estimation of the Heat Flux at the Surface of Ablating Materials
A.P. de Oliveira, H.R.B. Orlande, in Inverse Problems in Engineering Mechanics III, 2002
GRADIENT EQUATION
In the limiting process used to obtain the adjoint problem, the following expressions are left, for the no-ablation and ablation periods, respectively:
(13a)ΔSQτ=−∫τ=0τ0λ1τΔQτdτ
(13b)ΔSQτ=−∫τ=τ0τfλBτ,τΔQτdτ
By assuming that the unknown function Q(τ) belongs to the space of square integrable functions in the time domain 0 < τ < τf, the directional derivative of S[Q(τ)] in the direction of the perturbation ΔQ(τ) can be written as [4]
(14)ΔSQτ=−∫τ=0τf∇SQτΔQτdτ
Therefore, by comparing Eqs. (13a,b) with Eq. (14), the following equations result for the gradient of the functional:
(15a,b)∇SQτ=−λ1τ,fortheno-ablationperiod−λBτ,τ,fortheablationperiod
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780080439518500084
Errors, Recovery Processes, and Error Estimates
O.C. Zienkiewicz, … J.Z. Zhu, in The Finite Element Method: its Basis and Fundamentals (Seventh Edition), 2013
15.2.2 The Herrmann theorem and optimal sampling points
The concept of least squares fitting has additional justification in self-adjoint problems in which an energy functional is minimized. In such cases, typical of a displacement formulation of elasticity, it can be readily shown that the minimization is equivalent to a least squares fit of the approximate stresses to the exact ones. Thus quite generally we can start from a theory given by the differential equation
(15.16)Lu=ST(ASu)=p
In the above, L is a self-adjoint operator defined by S and A (symmetric) and p are prescribed matrices of position. The minimization of an energy functionalΠ defined as
(15.17)Π=12∫ΩSuTASudΩ-∫ΩuTpdΩ
gives at an absolute minimum the exact solution u=u¯ and is equivalent to minimization of another functional Π★ defined as
(15.18)Π★=12∫ΩSu-u¯TASu-u¯dΩ
The above quadratic functional [Eq. (15.17)] arises in all linear self-adjoint problems.
For elasticity problems this theorem is given by Herrmann [2] and shows that the approximate solution for Su approaches the exact one Su¯ as a weighted least squares approximation.
The proof of the Herrmann theorem is as follows. The variation of Π defined in Eq. (15.17) gives, at u=u¯ (the exact solution),
δΠ=12∫ΩSδuTASu¯dΩ+12∫ΩSu¯TASδudΩ-∫ΩδuTpdΩ=0
or as A is symmetric
δΠ=∫ΩSδuTASu¯dΩ-∫ΩδuTpdΩ=0
in which δu is any arbitrary variation. Thus we can select
δu=u
and
∫ΩSuTASu¯dΩ-∫ΩuTpdΩ=0
Subtracting the above from Eq. (15.17) and noting the symmetry of the A matrix, we can write
(15.19)Π=12∫ΩSu-u¯TASu-u¯dΩ-12∫ΩSu¯TASu¯dΩ
where the last term is not subject to variation. Thus
(15.20)Π★=Π+constant
and its stationarity is equivalent to the stationarity of Π.
It follows directly from the Herrmann theorem that, for one dimension and by a well-known property of the Gauss-Legendre quadrature points, if the approximate gradients are defined by a polynomial of degree p-1, where p is the degree of the polynomial used for the unknown function u, then stresses taken at these quadrature points must be superconvergent. The single point at the center of an element integrates precisely all linear functions passing through that point and, hence, if the stresses are exact to the linear form they will be exact at that point of integration. For any higher order polynomial of order p, the Gauss-Legendre points numbering p will also provide points of superconvergent sampling. We see this from Fig. 15.5 directly. Here we indicate one-, two-, and three-point Gauss-Legendre quadrature showing why exact results are recovered there for gradients and stresses.
Figure 15.5. The integration property of Gauss points: p=1,p=2, and p=3 which guarantees superconvergence.
For points based on rectangles and products of polynomial functions it is clear that the exact integration points will exist at the product points as shown in Fig. 15.6 for various rectangular elements assuming that the weighting matrix A is diagonal. In the same figure we show some triangles that appear to be “good” but are not necessarily superconvergent sampling points. Though we find that superconvergent points do not exist in triangles, the points shown in Fig. 15.6 are optimal. In Fig. 15.6 we contrast these points with the minimum number of quadrature points necessary for obtaining an accurate (though not always stable) stiffness representation and find these to be almost coincident at all times.
Figure 15.6. Optimal superconvergent sampling and minimum integration points for some C0 elements.
In Fig. 15.7 representing an analysis of a cantilever beam by four rectangular quadratic serendipity elements we see how well the stresses sampled at superconvergent points behave compared to the overall stress pattern computed in each element.
Figure 15.7. Cantilever beam with four quadratic (Q8) elements. Stress sampling at cubic order (2×2) Gauss points with extrapolation to nodes.
The extension of the idea of superconvergent points from one-dimensional elements to two-dimensional rectangles is fairly obvious. However, the full order of superconvergence is lost when isoparametric distortion of elements occurs. We have shown, however, that results at the pth-order Gauss-Legendre points still remain excellent and we suggest that superconvergent properties of the integration points continue to be used for sampling.
In all of the above discussion we have assumed that the weighting matrix A is diagonal. If a diagonal structure does not exist the existence of superconvergent points is questionable. However excellent results are still available through the sampling points defined as above.
Finally, we refer readers to Refs. [3–8] for surveys on the superconvergence phenomenon and its detailed analyses.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781856176330000150
FAST REACTOR BURNUP AND BREEDING CALCULATION METHODOLOGY
K.O. Ott, R.C. Borg, in Progress in Nuclear Energy, 1980
4.3 Properties of the recommended growth-rate-estimate formula
As a first step in the investigation of the properties of equation (68), the adjoint problem, equation (66), is multiplied with an arbitrary fuel composition, subject only to criticality and reloading constraints, as given in Section 3.3.1. Solving for γc∞ yields
(69)γC∞=(N’,C_*w*)(N’,w*).
Revolving the vectors in equation (69) turns the matrix in the numerator into the respective adjoint and thus back to the real matrix (C** = C). This gives
(70)γC∞=(w*,C_N’)(w*,N’)=(w*,[PL−]N’)(w*,N’).
In the same way as γc∞ in equation (65) was independent of the worth factors, γc∞ in equation (70) is independent of the fuel composition (provided it satisfies the criticality and reloading constraints).
Thus, the search for a special set of weight factors which exploits the freedom resulting from the w-independence of equation (65) in the form of a relaxation of the accuracy requirements for the N^ci∞, led to a complete success: As long as the fuel-cycle model (represented by the net production matrix C) is valid, the use of the wi* allows the calculation of the correct growth-rate from equation (70) without calculating the asymptotic fuel composition at all; indeed, a wide relaxation of the accuracy requirements. The reason is simply that with the determination of the wi* from equation (66), γc∞ is obtained simultaneously and multiplication with an arbitrary composition vector does not change its value.
If few-cycle burnup calculations have been performed, estimates for the C-matrix and thus the wi* can be readily calculated for that particular system. In many applications however—e.g. for the study of design variations in trade-off studies—the use of the typical set of wi* may be preferred because of its convenience.
The accuracy that can be expected from the γ-estimation formula based on breeding worth weighting (equation (68) or equation (70)) is investigated in the following. For this, estimates and exact values need to be distinguished, notationally. Let w* in equation (66) be the ‘exact’ value, corresponding to the matrix C, and wˆ* the approximate value, used for the γ-estimate:
(71)γCest=(w˚*,C_N’)(w˚*,N’).
Note, the w* in equation (68) is meant to be a ‘typical value’; it therefore corresponds to the wˆ* in equation (71); whereas w* in equation (70) solves the adjoint problem of the C matrix in the same equation:
(72)C_*w*=γC∞w*.
The Ns for that problem are obtained by solving
(73)C_NC=γC∞NC.
The deviations from the correct values are given by
(74)w*=w˙*+Δw*.
(75)NC=N′+ΔN.
Inserting equations (74) and (75) into equation (71) and applying some algebra leads to the following equation
(76)γCest=γC∞+(Δw˚*,[C_−γC∞]ΔN)(w˚*,N’)
Thus, by applying the breeding worth weighting, the growth-rate estimate becomes stationary, in the sense that the deviation between γcest and γc∞ is of second order. Again, the estimate becomes exact when either Δw* or ΔN are zero. The stationarity of equation (68) is demonstrated numerically in Section 6 below.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780080271156500071
Concepts, Definitions and Methods in Fluid-Structure Interactions
Michael P. Paidoussis, in Fluid-Structure Interactions (Second Edition), 2014
2.1.6 Diagonalization, and forced vibrations of continuous systems
The equation of motion associated with the problem defined by (2.45) is
(2.47)EI∂4w∂x4+P∂2w∂x2+m∂2w∂t2=0,
with the boundary conditions as given in (2.46). This clearly represents free motions of the system; hence, of interest are the eigenfrequencies and the corresponding eigenfunctions and how they vary with P (or its nondimensional counterpart, PL2/EI). This can be done by direct application of the Galerkin method with wN=∑jϕj(x)qj(t), in which the cantilever-beam eigenfunctions (2.27) are used as comparison functions, since they satisfy boundary conditions (2.46), which are identical to (2.23). In this way, one obtains an equation similar to (2.35), i.e.
(2.48)[M]{q¨}+[K]{q}={0},
but with only [M] being diagonal, while [K] is nondiagonal. In fact, the elements of [K] are
krj=EIλr4Lδrj+P∫0Lϕrϕj″dx,
the prime denoting differentiation with respect to x.
Suppose now that this system is subjected also to a distributed force, F(x,t), so that the equation of motion is
(2.49)EI∂4w∂x4+P∂2w∂x2+m∂2w∂t2=F(x,t);
see Figure 2.2. After discretization by the Galerkin procedure, we obtain
Figure 2.2. A cantilevered beam subjected to a tangential, follower compressive load, P, and to a time-dependent distributed force, F0xsinΩft.
(2.50)[M]{q¨}+[K]{q}={Q}.
If this had been a self-adjoint conservative system, matrices [M] and [K] in equation (2.50) would both be symmetric. For the problem at hand, however, the system is non-self-adjoint, as remarked earlier, and hence [K] is asymmetric, by virtue of the fact that ∫0Lϕrϕj″dx≠∫0Lϕjϕr″dx. Hence, the decoupling procedure leading to equation (2.15) should be adopted.
Before proceeding further, however, it is useful to transform equation (2.49) into dimensionless form, which also serves to introduce the kind of dimensionless terms appearing frequently in the following chapters. Hence, defining
(2.51)ξ=x/L,η=w/L,τ=(EI/mL4)12t,P=PL2/EI,f=FL3/EI,ω=(EI/mL4)-12Ω
and taking, as a concrete example, f=f0ξsinωfτ — a triangularly distributed load along the beam, as in Figure 2.2, — substitution into (2.49) yields
(2.52)η⁗+Pη″+η¨=f0ξsinωfτ,
in which primes and overdots denote, respectively, partial differentiation with respect to ξ and τ. The discretized form of (2.52) is
(2.53)[I]{q¨}+[K]{q}={Q}sinωfτ;
[I] is the unit matrix, and the elements of [K] and {Q} are
(2.54)kij=λi4δij+P∫01ϕiϕj″dξ,Qi=∫01f0ξϕidξ,
in which the ϕi≡ϕi(ξ), the dimensionless version of (2.27). The decoupled equation, corresponding to equation (2.15), is
(2.55){y¨}+[Λ]{y}=[A]-1{Q}sinωfτ={Ψ}sinωfτ,
where [Λ] is the diagonal matrix of the eigenvalues; the solution therefore is
(2.56)yk=αkcosΛk1/2τ+βksinΛk1/2τ+Ψk/Λk-ωf2sinωfτ,k=1,2,…,N.
Numerical results for the case of P=1,f0=7,ωf=0.6 are shown in Figure 2.3: (a) for αk=βk=0, i.e. showing only the particular solution, and (b,c) for η(1,0)=0.15,η̇(1,0)=1.5. The dimensionless natural frequencies, obtained with N=4, are found to be ω1=3.64,ω2=21.73,w3=61.32 and ω4=120.5;ωf is chosen to be far below all of them.
Figure 2.3. Solutions to equation (2.52) showing η(1,τ) versus τ, for P=1,f0=7 and ωf=0.6: (a) the particular solution alone [i.e. αk=βk=0 in equation (2.56)], which would correspond to the steady-state solution if damping were included; (b) full solution for N=1; (c) full solution for N=2 (—) and N=4 (- – -) on an expanded scale of τ.
In Figure 2.3(a), where the homogeneous part of the solution is totally absent, it is seen that the response is a pure sinusoid with period T=2π/ωf=10.47. The effect of the homogeneous part of the solution, however, complicates the response, as shown in Figure 2.3(b), obtained with N=1. A higher frequency component, at ω1, is now superposed on the solution. Two observations should be made: (i) since, unrealistically, there is no damping in the system, the effect of initial conditions persists in perpetuity, whereas, with even a small amount of damping, the steady-state response would be like that in Figure 2.3(a); (ii) since ω1/ωf is not rational, the response is not periodic but quasiperiodic, although the effect of ‘unsteadiness’ in the response time-trace is just barely visible. This is more pronounced in Figure 2.3(c), plotted on an expanded time-scale, showing calculations with N=2 and N=4; in the latter case, the contribution of all four eigenmodes is visible. On the other hand, the period associated with the forcing frequency is hardly discernible in the time-scale used in Figure 2.3(c).
The fact that the response in Figure 2.3(b,c) is quasiperiodic is most apparent in the phase plane, as shown for example in Figure 2.4. It is seen that the response evolves by winding itself around a torus, the projection of which is shown in the figure, instead of tracing a planar curve, as would be the case for periodic motion.
Figure 2.4. The response of Figure 2.3(b) plotted in the phase plane: the dimensionless tip velocity, η̇(1,τ), versus displacement, η(1,τ).
There is another, more general method for obtaining the response of such a system, specific to non-self-adjoint problems (Washizu 1966, 1968Washizu, 1966Washizu, 1968; Anderson 1972). This begins with the determination of the adjoint problem.† If the eigenfunctions of the homogeneous form of equation (2.47), i.e. of the compressively loaded beam, are χi(ξ) and those of the adjoint problem ψi(x), the adjoint problem is defined through the new operators L∗ and M∗, such that
(2.57)∫Dψ(ξ)L[χ(ξ)]dD-∫Dχ(ξ)L∗[ψ(ξ)]dD=C[χ(ξ),ψ(ξ)]D,
in which it is required that the so-called concomitant, C, vanish. A similar expression for M should be satisfied, but since M here is a scalar, we immediately have M∗=M. In the nondimensional notation used here, D=[0,1] and ξ=x/L. This problem has in fact been solved by Chen (1987), but it is not difficult to reproduce the results. One finds L∗=L, but a new set of boundary conditions for the adjoint problem, namely
(2.58)ψ(0)=ψ′(0)=0,ψ″(1)+Pψ(1)=0,ψ‴(1)+Pψ′(1)=0.
Solving the two eigenvalue problems, one obtains‡
(2.59)χ(ξ)=A1sinpξ+A2cospξ+A3sinhqξ+A4coshqξ,ψ(ξ)=B1sinpξ+B2cospξ+B3sinhqξ+B4coshqξ,p=14P2+λ12+12P12,q=14P2+λ12-12P12,A1=1,A2=-(p2sinp+pqsinhq)/(p2cosp+q2coshq),A3=-p/q,A4=-A2,B1=1,B2=-(P-p2)sinp-(p/q)(P+q2)sinhq÷(P-p2)cosp-(P+q2)coshq,B3=-p/q,B4=-B2.
The characteristic equation is
P2+2λ(1+cospcoshq)+Pλsinpsinhq=0,
and it is the same for both problems; hence, so are the eigenvalues.
The essence of this method is that it achieves direct decoupling of the equations of motion via the so-called biorthogonality of the initial and adjoint eigenfunctions, viz.
(2.60)∫01ψrL[χj]dξ=krjδrj,∫01ψrM[χj]dξ=mrjδrj.
By introducing ηN=Σχj(ξ)qj(τ) into equation (2.52), then multiplying by ψr(ξ) and integrating over D, the system is decoupled in a single operation, by virtue of relations (2.60), yielding
(2.61)mjq¨j+kjqj=fjsinωfτ,j=1,2,…,N.
Calculations with the same set of parameters produce virtually identical results as those shown in Figure 2.3 for N=4.§ What is more surprising is that the rate of convergence with N is not better with this method than with the previous one. Clearly, therefore, in this particular case, there is no advantage in utilizing this second, more general but more laborious procedure, rather than the first. Similar conclusions are reached by Anderson (1972) who tested a very similar problem, essentially by the same two methods — although very small differences are found in that case in the results obtained by the two methods.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780123973122000028
Slender Structures and Axial Flow
In Fluid-Structure Interactions, 1998
2.1.6 Diagonalization, and forced vibrations of continuous systems
The equation of motion associated with the problem defined by (2.45) is
(2.47)EI∂4w∂x4+P∂2w∂x2+ m∂2w∂t2=0,
with the boundary conditions as given in (2.46). This clearly represents free motions of the system; hence, of interest are the eigenfrequencies and the corresponding eigenfunctions and how they vary with P (or its nondimensional counterpart, PL2/EI). This can be done by direct application of the Galerkin method with
wN=∑jφj(x)qj(t), in which the cantilever-beam eigenfunctions (2.27) are used as comparison functions, since they satisfy boundary conditions (2.46), which are identical to (2.23). In this way, one obtains an equation similar to (2.35), i.e.
(2.48)[M] {q¨}+[K] {q}={0},
but with only [M] being diagonal, while [K] is nondiagonal. In fact, the elements of [K] are
krj= EIλr4Lδrj+P∫L0φrφ″j dx,
the prime denoting differentiation with respect to x.
Suppose now that this system is subjected also to a distributed force, F(x, t), so that the equation of motion is
(2.49)EI∂4w∂x4+P∂2w∂x2+ m∂2w∂t2=F(x,t);
see Figure 2.2. After discretization by the Galerkin procedure, we obtain
Figure 2.2. A cantilevered beam subjected to a tangential, follower compressive load, P, and toa time-dependent distributed force, FQX sin Ωft.
(2.50)[M] {q¨}+[K] {q}={Q}⋅
If this had been a self-adjoint conservative system, matrices [M] and [K] in equation (2.50) would both be symmetric. For the problem at hand, however, the system is non-self-adjoint, as remarked earlier, and hence [K] is asymmetric, by virtue of the fact that
∫L0φrφ″jdx≠ ∫L0φjφ″rdx⋅Hence, the decoupling procedure leading to equation (2.15) should be adopted.
Before proceeding further, however, it is useful to transform equation (2.49) into dimensionless form, which serves to introduce the kind of dimensionless terms appearing frequently in the following chapters. Hence, defining
(2.51)ξ = x/L, η=w/L, τ=(EI/mL4)1/2t,P=PL2/EI , f=FL3/EI, ω=(EI/mL4)−1/2Ω
and taking, as a concrete example,
f=f0ξ sin (ωfτ) —representing a triangularly distributed load along the beam, as shown in Figure 2.2 —substitution into (2.49) yields
(2.52)η‴′+Pη″+η¨= f0ξ sin(ωfτ),
in which primes and overdots denote, respectively, partial differentiation with respect to ξ and τ. The discretized form of (2.52) is
(2.53)[I] {q¨}+[K] {q}={Q }sin(ωfτ),
and the elements of [K] and [Q] are
(2.54)kij=λi4δij+P∫01φiφ″j dξ, Qi=∫01f0ξφi dξ,
in which the ϕi ≡ ϕi(ξ), the dimensionless version of (2.27). The decoupled equation, corresponding to equation (2.15), is
(2.55){y¨}+[Λ {y} = [A] −1{Q}sin(ωfτ)={ψ}sin(ωfτ),
in which [Λ] is the diagonal matrix of the eigenvalues; the solution therefore is
(2.56)yk=αkcos Λk1/2τ+βksin Λk1/2τ+ [ψk/(Λk−wf2) sin(ωfτ), k= 1,2,⋯,N⋅
Numerical results for the case of P = 1, f0 = 7, ωf = 0.6 are shown in Figure 2.3: (a) for αk = βk = 0, i.e. showing only the particular solution, and (b,c) for η(1, 0) = 0.15, η˙(1, 0) = 1.5. The dimensionless natural frequencies, obtained with N = 4, are found to be ω1 = 3.64, ω2 = 21.73, ω3 = 61.32 and ω4 = 120.5; ωf is chosen to be far below all of them.
Figure 2.3. Solutions to equation (2.52) showing η(1, τ) versus τ, for P = 1, f0 = 7 and ωf = 0.6: (a) the particular solution alone [i.e. αk = βk = 0 in equation (2.56)], which would correspond to the steady-state solution if damping were included; (b) full solution for N = 1; (c) full solution for N = 2 (—) and N = 4 (· · ·) on an expanded scale of τ.
In Figure 2.3(a), where the homogeneous part of the solution is totally absent, it is seen that the response is a pure sinusoid with period T = 2π/ωf = 10.47. The effect of the homogeneous part of the solution, however, complicates the response, as shownin Figure 2.3(b), obtained with N = 1. A higher frequency component, at ω1, is now superposed on the solution. Two observations should be made: (i) since, unrealistically, there is no damping in the system, the effect of initial conditions persists in perpetuity, whereas, with even a small amount of damping, the steady-state response would be like that in Figure 2.3(a); (ii) since ω1/ωf is not rational, the response is not periodic but quasiperiodic, although the effect of ‘unsteadiness’ in the response time-trace is just barely visible. This is more pronounced inFigure 2.3(c), plotted on an expanded time-scale, showing calculations with N = 2 and N = 4; in the latter case, the contribution of all four eigenmodes is visible. On the other hand, the period associated with the forcing frequency is hardly discernible in the time-scale used in Figure 2.3(c).
The fact that the response in Figure 2.3(b,c) is quasiperiodic is most apparent in the phase plane, as shown for example in Figure 2.4. It is seen that the response evolves by winding itself around a torus, the projection of which is shown in the figure, instead of tracing a planar curve, as would be the case for periodic motion.
Figure 2.4. The response of Figure 2.3(b) plotted in the phase plane: the dimensionless tip velocity, η(1, τ), versus displacement, η(1, τ).
There is another, more general method for obtaining the response of such a system, specific to non-self-adjoint problems (Washizu 1966, 1968; Anderson 1972). This begins with the determination of the adjoint problem.†
If the eigenfunctions of the homogeneous form of equation (2.47), i.e. of the compressively loaded beam, are χi(ξ) and those of the adjoint problem ψi(ξ), the adjoint problem is defined through the new operators L* and M*, such that
(2.57)∫Dψ(ξ)L[ℵ(ξ) dD − ∫Dℵ(ξ)L*[ψ(ξ) dD = C[ℵ(ξ),ψ(ξ) D
in which it is required that the so-called concomitant, C, vanish. A similar expression for M should be satisfied, but since for the problem at hand M is a scalar, we immediatelyhave
M* =
M. In the nondimensional notation used here,
D = [0, 1] and ξ = x/L. This problem has in fact been solved by Chen (1987), but it is not difficult to reproduce the results. One finds
L* =
L, but a new set of boundary conditions for the adjoint problem, namely
(2.58)ψ(0)=ψ′(0)=0, ψ″(1)+ψP(1)=0, ψ‴(1)+ψ′(1)=0⋅
Solving the two eigenvalue problems, one obtains
(2.59)X(ξ)=A1 sin pξ+A2cos pξ+A3sin qξ+A4cosh qξ,ψ(ξ)=B1 sin pξ+B2cos pξ+B3sin qξ+B4cosh qξ, p=[(14P2+λ)1/2+12P 1/2, q=[(14P2+λ)1/2−12P 1/2,† A1=1, A2=−(p2sin p+pqsinq)/(p2cos p+q2coshq), A3=−p/q, A4=−A2, B1=1, B2=[(P−p2)sinp−(p/q)(P+q2)sinq] [(P−p2)cosp−(P+q2)coshq] B3=−p/q, B4=−B2.
‡
The characteristic equation is
P2+2λ(1+cos p cosh q) + P λsin p sinh q=0,
and it is the same for both problems; hence, so are the eigenvalues.
The essence of this method is that it achieves direct decoupling of the equations of motion via the so-called biorthogonality of the initial and adjoint eigenfunctions, viz.
(2.60)∫01ψrL[ℵj dξ=krjδrj, ∫01ψrM[ℵj dξ=mrjδrj⋅
By introducing
ηN= ∑ ℵj(ξ)qj(τ) into equation(2.52), then multiplying by ψr(ξ) and integrating over
D, the system is decoupled in a single operation, by virtue of relations (2.60), yielding
(2.61)mjq¨j+kjqj=fj sin ωfτ, j=1,2,⋯,N⋅
Calculations with the same set of parameters produce virtually identical results as those shown in Figure 2.3 for N = 4.‡
What is more surprising is that the rate of convergence with N is not better with this method than with the previous one. Clearly, therefore, in this particular case, there is no advantage in utilizing this second, more general but more laborious, procedure rather than the first. Similar conclusions are reached by Anderson (1972), who tested a very similar problem, essentially by the same two methods —although very small differences are found in that case in the results obtained by the two methods.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1874565298800045
Convection-Dominated Problems: Finite Element Approximations to the Convection-Diffusion-Reaction Equation
O.C. Zienkiewicz, … P. Nithiarasu, in The Finite Element Method for Fluid Dynamics (Seventh Edition), 2014
2.12 Summary and concluding remarks
The reader may well be confused by the variety of apparently unrelated approaches given in this chapter. This may be excused by the fact that optimality guaranteed by the finite element approaches in elliptic, self-adjoint problems does not automatically transfer to hyperbolic non-self-adjoint ones.
The major part of this chapter is concerned with a scalar variable in the convection-diffusion reaction equation. The several procedures presented for steady-state and transient equations yield almost identical results. However the characteristic-Galerkin method is the most logical one for transient problems and gives identical stabilizing terms to that derived by the use of Petrov-Galerkin, GLS, and other procedures when the time step used is near the stability limit. For such a problem the optimality is assured simply by splitting the problem into the self-adjoint part where the direct Galerkin approximation is optimal and an advective motion where the unknown variable remains fixed in the characteristic space.
Extension of the various procedures presented to vector variables has been made in the past and here we relegate such procedures to Appendix D as they present special problems. For this reason we recommend that when dealing with equations such as those arising in the motion of a fluid a split is made in a manner separating several scalar convection-diffusion problems for which the treatment described is used. We shall do so in the next chapter when we introduce the CBS algorithm using the characteristic-based split.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781856176354000029
Adaptive Finite Element Refinement
O.C. Zienkiewicz, … J.Z. Zhu, in The Finite Element Method: its Basis and Fundamentals (Seventh Edition), 2013
16.4 Concluding remarks
The methods of estimating errors and adaptive refinement which are described in this and the previous chapter constitute a very important tool for practical application of finite element methods. The range of applications is large and we have only touched here upon the relatively simple range of linear elasticity and similar self-adjoint problems. We would like to reiterate that in other classes of problems many different norms or measures of error can be used and that for some problems the energy norm is not in fact “natural.” A good example of this is given by problems of high-speed gas flow, where very steep gradients (shocks) can develop. The formulation of such problems is complex [31], but this is not necessary for the present argument. Applications of error estimates and adaptive refinement in this and many more areas are reported in Refs. [32, 33] and the reader is referred to these publications for additional details. pFor problems in fluid mechanics discussed in Ref. [31] and similarly for problems of strain localization in plastic softening discussed in Ref. [34] no global norms can be used effectively. In such situations it is convenient to base the refinement on the value of the maximum curvatures developed by the solution of u. On occasion an elongation of the elements will be used to refine the mesh appropriately. Such anisotropic mesh adaptation is especially effective when it is based on the recovery type of error estimators [35–38]. Figure 16.23 shows a typical problem of shock capturing solved adaptively.
Figure 16.23. Directional mesh refinement. Gas flow past a circular cylinder: Mach number 3. Third refinement mesh 709 nodes (1348 elements): (a) Local mesh and (b) Pressure coefficients.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9781856176330000162
Radiation Shielding and Protection
Robert W. Roussin, … David K. Trubey, in Encyclopedia of Physical Science and Technology (Third Edition), 2003
VIII.A The Adjoint Equation
The equation adjoint to the integrodifferential form of the Boltzmann equation can be expressed as
(55)−Ω⋅▿φ*(r,E,Ω)+Σ(r,E,Ω)φ*(r,E,Ω)=∫E’dE’∫Ω’dΩ’K(r,E;E’,Ω;Ω’)φ*(r,E’,Ω’)+ΣR(r,E),
where ϕ* is the adjoint function and ΣR is the response function which serves as the source for the adjoint problem. The Boltzmann equation is often referred to as the “forward” equation and the adjoint as the “backward” equation. It can be shown that by combining the two equations (forward and adjoint) and integrating over all space. a response of interest, R, can be calculated using either
(56)R=∫rdr∫EdE∫ΩdΩ∑R(r,E)φr,E,Ω
or
(57)R=∫rdr∫EdE∫ΩdΩφ*(r,E,Ω)Q(r,E,Ω).
Thus a given problem can be formulated in either the “forward” or adjoint mode, the choice depending on the nature of the results desired. If a variety of responses are of interest, it is better to do the forward calculation for ϕ(r, E, Ω) and use it Eq. (8.2) with different ΣR. If the same response type is desired for a variety of different sources Q(r, E, Ω), then an adjoint calculation is indicated. The resulting ϕ* (r, E, Ω) is then used with the different sources of interest in Eq. (52).
Adjoint calculations are done rather routinely with discrete ordinates codes. As was mentioned earlier, the multigroup Monte Carlo method is particularly suited for adjoint calculations. This is, perhaps, one reason that multigroup Monte Carlo has many users.
Read full chapter
URL:
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B0122274105006359
Сопряженная однородная задача
План.
-
Сопряженный оператор.
-
Сопряженная однородная задача.
-
Условия разрешимости.
Сопряженный оператор.
Обозначим через дифференциальный оператор второго порядка, т.е.
(1)
где представляют собой непрерывные функции в промежутке . Если и – дважды непрерывно дифференцируемые на функции, то имеем:
(2)
Как и в предыдущем параграфе, интегрирование соотношения (2) по частям дает:
(3)
Обозначим дифференциальный оператор, входящий в подынтегральное выражение в правой части (3) через , т.е. (4)
При этом соотношение (3) перепишется так:
(5)
Оператор называется сопряженным по отношению к оператору . Умножая соотношение (4) на и интегрируя полученный результат по частям, по отношению к оператору . Таким образом, операторы и взаимно сопряжены.
Как и в предыдущем параграфе, дифференциальное уравнение:
(6)
будем называть сопряженным дифференциальному уравнению:
(7)
Если же , то оператор и дифференциальное уравнение будем называть сопряженными. Сравнивая выражения (1) и (5), приходим к выводу, что тогда и только, когда:
Таким образом, оператор будем самосопряженным тогда и только тогда, когда .
При этом:
Так как любое дифференциальное уравнение вида (7) можно преобразовать в самосопряженную форму, умножив на функцию .
Дифференцируя соотношение (5) по , получаем так называемую формулу Лагранжа:
(8)
Правая часть этой формулы может быть записана как:
(9)
где
(10)
Отметим, что:
и следовательно, матрица -невырожденная. Подстановка выражения (9) в соотношение (8) дает:
(11)
Сопряженная однородная задача.
Введем следующее невырожденное линейное преобразование в вектор :
(12),
где
Заметим, что указанное преобразование может быть выполнено бесчисленным множеством способов, в зависимости от выбора матрицы А. При заданном ненулевом векторе две последние строки матрицы А можно выбрать так, чтобы придать любые требуемые значения компонентам . Это замечание используется в дальнейшем при нахождении вида сопряженных граничных условий. Поскольку , мы можем обратить преобразование (12) и получить:
.
При этом (11) можно переписать как:
или
(13),
где (14)
Билинейная форма в соотношении (13) называется каноническим представлением билинейной формы в правой части тождества (11).
Для того чтобы найти граничные условия сопряженной задачи, положим в соотношении (13)
и и получим:
(15)
Из формулы (21) следует, что однородные граничные условия, эквивалентны равенствам:
(16)
(17)
С учетом равенств (16) и (17) соотношение (15) принимает вид:
(18)
При ненулевом векторе последние две строки матрицы А могут быть выбраны так, чтобы компоненты и принимали любые требуемые значения, лишь бы и не обращались в нуль одновременно. В частности, нижние строки матрицы А можно выбрать из условия . При этом из соотношения (11) следует, что . Аналогичным образом, нижние строки матрицы А можно выбрать так, чтобы выполнялись равенства . При этом из соотношения (11) вытекает, что . Таким образом, задача, сопряженная задаче (19)
имеет вид:
(20)
где и связаны с компонентами вектора соотношением (14). Краевая задача (19) называется самосопряженной тогда и только тогда, когда и каждая из двух компонент и является линейной комбинацией и , т.е. пропорциональна .
Один из определителей:
матриц-блоков
должен быть отличным от нуля. Чтобы иметь возможность сравнить эти результаты с теми. которые были получены в предыдущем параграфе, предположим. что . Далее, выберем такие и , чтобы строки матрицы А были линейно независимы.
Например, положим и .
При этом матрица А примет вид:
(21).
Из формулы (19) следует, что .
Тогда
(22)
Подставляя матрицы (20) и (9) в соотношение (14) имеем (14а):
Следовательно, граничные условия сопряженной задачи имеют вид:
(22)
(23)
Для того, чтобы краевые задачи были самосопряженными необходимо, чтобы и чтобы каждая из компонент и являлась линейной комбинацией и . Как указывалось выше, тогда и только тогда, когда . При этом условия (21) и (20) принимают вид:
(24)
Разрешая равенства относительно и при и заменяя на , получаем:
(25)
Сравнивая граничные условия (24) и (25), заключаем, что они совпадают тогда и только тогда, когда:
(26)
Краевая задача при самосопряжена тогда и только тогда, когда выполнены соотношения (24) и равенство .
Условие разрешимости.
Определив сопряженную краевую задачу, вернемся к решению неоднородной задачи. Используя определение (25), перепишем формулу Грина в виде:
(27)
,
тогда из соотношения (27) вытекает, что условие разрешимости имеет вид:
(27)
Для того, чтобы сравнить условие (27) с условием разрешимости, используем связь и с вектором , описываемую формулой (14а) т.е.:
(28)
При этом соотношение (27) принимает вид:
Если иметь дело с граничными условиями общего вида можно выразить какие-либо два из граничных значений через два других.