Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Матан - шпоры.docx
Скачиваний:
16
Добавлен:
26.04.2019
Размер:
1.98 Mб
Скачать

§28. Вычисление ротора и оператора Лапласа в криволинейных координатах.

3. Оператор Лапласа.

.

Если , то:

, , . (9)

Подставляя (9) в (8), получаем:

. (10)

Оператор Лапласа в цилиндрической системе координат.

В §25 мы доказали, что для цилиндрической системы координат , , . Согласно выражению (10) получаем:

.

Оператор Лапласа в сферической системе координат.

Аналогично предыдущему случаю имеем:

, , ,

,

.

§Доп. Дифференциальные операции второго порядка.

Доказательство.

. (1)

Введём обозначение:

. (2)

Тогда из (1) имеем:

.

Оператор Лапласа может действовать не только на скалярные поля, но и на векторные. Согласно формуле (2):

.

Найдём ротор от ротора (используя формулы из §23):

.

Используя свойство 3 из параграфа 22, получаем (так как - константа, то её можно выносить за пределы оператора ):

. (3)

Так как , то из (3) получаем:

,

что и требовалось доказать.

Раздел 3: Ряды Фурье §29.Ряд Фурье по ортонормированной системе функций, минимальное свойство частичной суммы ряда Фурье, неравенство Бесселя.

В линейной алгебре было рассмотрено Евклидово пространство. Это линейное пространство, в котором определена симметричная билинейная форма, соответствующая которой квадратичная форма положительно определена. Далее скалярное произведение будем обозначать следующим образом:

.

Будем рассматривать пространство кусочно-непрерывных функций на отрезке , которое будем обозначать . Но будем рассматривать не все кусочно-непрерывные функции. Потребуем, чтобы наши функции удовлетворяли условию:

,

то есть значение функции в точке разрыва есть среднее арифметическое между соседними значениями (см. рис.). Можно также убедиться, что множество таких непрерывных функций образует линейное пространство.

Введём операцию скалярного произведения:

.

Линейное пространство называется нормированным, если всякому элементу , принадлежащему этому пространству, ставится в соответствие действительное число , причём:

1. , .

2. .

3. .

Если ввести, что , то Евклидово пространство становится нормированным.

Некоторая система функций называется ортогональной, если при и . Эта система называется ортонормированной, если .

Пример.

Система функций (1) - эта система функций является ортогональной на отрезке .

, , , при .

Аналогично при . Так же и при .

Систему функций (1) можно преобразовать в ортонормированную:

.

Рядом Фурье функции по ортонормированной системе функций (2) назовём ряд

, (3) где (4).

Обозначим - частичные суммы ряда Фурье, (5) - некоторые другие суммы.

Расстоянием или отклонением между функциями и назовём : .

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Теорема. Наименьшее отклонение сумм (5) от функции даёт n-ная частная сумма ряда Фурье. (то есть при подстановке в (5) вместо получим наименьшее отклонение).

Доказательство.

Рассмотрим норму . Согласно данному выше определению нормы имеем:

.

Так как (это две одинаковые суммы, суммирование у которых происходит по разным индексам), то имеем:

.

Очевидно, что сумма будет минимальной, если ,что и требовалось доказать.

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Следствие 1.

Для всякой ортонормированной системы функций и всякого имеет место неравенство:

, (6)

где - произвольные числа.

Доказательство вытекает из равенства

------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Следствие 2.

Для всякой ортонормированной системы функций и кусочно-непрерывной функции , имеет место неравенство Бесселя:

, (7) где - коэффициенты Фурье функции .

Доказательство.

Из неравенства (6) имеем: (8)

Левые части неравенства (8) представляют собой частичные суммы ряда (9). Они образуют возрастающую последовательность, ограниченную сверху в силу неравенства (8). Следовательно, такая последовательность сходящаяся, следовательно ряд (9) сходится и его сумма не превосходит .