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sl-li-li-li-li-surmliouville问题特征值的存在性及其渐近分布
问题:讨论的特征值。
我们先讨论特殊情况.
假定q(x)=0,y(0)=y(π)=0,则(1)、(2)问题可写为
显然,y≡0恒为问题(3)、(4)的平凡解.下面讨论非平凡解.
①假设λ=0,则有
从而y=0,故λ=0不能成立,即λ≠0.
②假设λ0,则有y″+λy=0?y=C1?e√-λx+C2?e-√-λx.
由克莱姆法则,解得C1=C2=0,从而y=0.故λ0不成立.
③假设λ0,则有
y″+λy=0?y=C1cos√λx+C2sin√λx.
其中,C2≠0,故√λπ=nπ?λn=n2?n=1,2,3??
从而yn=C2sinnx为特征值λn=n2的特征函数.
下面对yn=C2sinnx作归一化处理.
∫π0(C2sinnx)2dx=C22∫π0(12-cos2nx2)dx=π2C22=1.
求得C2=√2π,故归一化后函数yn=√2πsinnx.此时,f(x)按{yn(x)}的展开式即为Fourier正弦展开式:
f(x)=2π∞∑n=0sinnx∫π0f(ζ)sinnζdζ.(5)
接下来我们讨论
{-y″=λy?0<x<π(3)y(0)=y(π)=0?y′(0)=y′(π)(4)
的特征值的存在性、渐近分布及其迹公式.
我们已经知道:Cauchy问题{-y″=λy,y(0)=0,y′(0)=1}的解为φ(x,λ)=sin√λx/√λ;Cauchy问题{-y″=λy,y(π)=0,y′(π)=1}的解为Ψ(x,λ)=-1√λsin√λ(π-x).
而Wronski行列式ω(λ)与x的取值无关,故
ω(λ)=ω[φ?Ψ]=|φ(π,λ)φ′(π,λ)Ψ(π?λ)Ψ′(π?λ)|=|sin√λπ√λcos√λπ01|=sin√λπ/√λ.
又因为λ是特征值当且仅当ω(λ)=0,故特征值为
λn=n2(n=1,2,3,…),
对应的特征函数Ψn(x)=√2πsinnx(归一化)是L2(0,π)的完备的正交规范系,其迹公式为
Ν∑n=0(λn-n2)=0.
下面我们讨论S—L的特征值问题.
{-y″+q(x)y=λy?0<x<π(1)l1y=y(0)-y(π)(6)l2y=y′(0)-y′(π)(7)
令微分算子L=-D2+q(x),设定义域
D={f(x)|f,f′∈L2(0,π),l1f=l2f=0,f(0)=f(π),f′(0)=f′(π)},
则在定义域D上的S—L算子L是自伴算子,从而S—L问题(1)、(6)、(7)的所有特征值(若存在的话)均为实数,且对应不同特征值的特征函数互相正交.
下面我们讨论特征值的存在性及其渐近分布.
令φ(x,λ),Φ(x,λ)为方程(1)的两个线性无关的解,满足初始条件
φ(0,λ)=0?φ′(0,λ)=1?Φ(0,λ)=1?Φ′(0,λ)=0.
根据微分方程的解对参数的依赖性知,对[0,π]上的每一个固定的x而言,φ(x,λ),Φ(x,λ)为λ的整函数.
令y(x,λ)=C1φ(x,λ)+C2Φ(x,λ),若y(x,λ)是问题(1)—(3)的解,则由(6)、(7)知
{y(0)-y(π)=C1[φ(0,λ)-φ(π,λ)]+C2[Φ(0,λ)-Φ(π,λ)]=0?y′(0)-y′(π)=C2[φ′x(0,λ)-φ′x(π,λ)]+C2[Φ′x(0,λ)-Φ′x(π,λ)]=0.
Wronski行列式与x无关,因而记
则λ0是S—L问题(1)、(6)和(7)的特征值的充要条件是ω(λ0)=0.考虑以下Cauchy问题的解:
(C1) {Lφ=λφ φ(0)=0,φ′(0)=1}
(C2) {LΦ=λΦ,Φ(0)=0,Φ′(0)=0}
令λ=s2,s=σ+iτ,则(C1)?
φ(x,λ)=sinsxs+∫x0sins(x-ζ)sq(ζ)φ(ζ,λ)dζ.(8)
上式两边分别同乘以e-|τ|x,并令F(x)=e-|τ|xφ(x,λ),则
F(x)=e-|τ|xφ(x,λ)=1ssinsxe-|τ|x+∫x0φ(ζ,λ)q(ζ)ssins(x-ζ)e-|τ|xdζ.
因|sinsx|≤e|τ|x,则
|F(x)|≤1|s|+∫x0|q(ζ)||s||φ(ζ?λ)|e-|τ|ζdζ=1|s|+∫x0|q(ζ)||s||F(ζ)|dζ.
φ(x,λ)=O(e|τ|x)
代回(8)得
φ(x,λ)=sinsxs+∫xosins(x-ζ)sq(ζ)Ο(e|τ|ζ)dζ=sinsxs+Ο(1|s|2e|τ|x)(0≤x≤π).(9)
由(8)求导,得
φ′x(x,λ)=cossx+∫xocoss(x-ζ)q(ζ)φ(ζ,λ)dζ=cossx+Ο(1|s|e|τ|x)(0≤x≤π).(10)
类似地可以证明,对(
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