مسئله مقدار مرزی
مسئله مقدار مرزی عنوان دستهای از مسائل ریاضیات است که در آنها به حل معادلات دیفرانسیلی میپردازند که پاسخ معادله میباید در نقاط مرزیِ یک مجموعهٔ مفروض، شرایط مشخصشده را دارا باشد. جواب یک مسئله مقدار مرزی، پاسخی از معادلهی دیفرانسیل است که شرایط مرزی مسئله را ارضا میکند. مسائل مقدار مرزی در شاخههای مختلفی از فیزیک ظاهر میشوند. مسائلی شامل معادلات موج، مثلاً یافتن مدهای نرمال اغلب به عنوان یک مسئلهی مقدار مرزی شناخته میشود. دستهی بزرگی از مسائل مهم مقدار مرزی، مسئلههای اشتورم- لیوویل هستند.
مثال
مثالی از یک مسئلهٔ مقدار مرزی به صورت
را در نظر بگیرید که هدف حل آن برای یافتن تابع مجهول
است. بدون داشتن شرایط مرزی، جواب عمومی معادله به صورت زیر قابل محاسبه است:
با در نظر گرفتن شرط
که نتیجه میدهد
پس
معادلات دیفرانسیل، شرایط مرزی به آن دسته از شرایطی گفته میشود که در یک مسئله مقدار مرزی اعمال میشود.
شرایط مرزی
شرایط مرزی در معادلات دیفرانسیل به آن دسته از شرایطی اطلاق میشود که روی پاسخ معادله در مرزها اعمال میشود.
شرط مرزی دیریکله
شرط مرزی دیریکله یا شرط مرزی نوع اول ، دستهای از شرایط مرزی است که به افتخار دیریکله هنگامی که این شرط را بر معادلات دیفرانسیل جزیی و معادلات دیفرانسیل عادی اعمال کرد تا جواب مسئله را پیدا کند، نامگذاری شده است. در علوم کاربردی به شرط مرزی دیریکله، شرط مرزی ثابت نیز گفته میشود.
شرط مرزی دیریکله در معادلات دیفرانسیل عادی
معادلهی دیفرانسیل عادی زیر را در نظر بگیرید.
شرط مرزی دیریکله برای این معادله برای
که
شرط مرزی دیریکله در معادلات دیفرانسیل جزئی
معادلهی دیفرانسیل جزئی زیر را در نظر بگیرید.
که در اینجا
f(x) تابعی است که روی
شرط مرزی نویمن
شرط مرزی نویمن، دستهی دیگری از شرایط مرزی است که پس از نویمن به خاطر تلاشهایش برای حل معادلات دیفرانسیل جزئی و عادی با اعمال این شرط بر روی مشتق پاسخ نامگذاری شده است.
شرط مرزی نویمن در معادلات دیفرانسیل عادی
برای معادلهی دیفرانسیل عادی
شرط مرزی نویمن در معادلات دیفرانسیل جزئی
در معادلهی دیفرانسیل جزئی
که n بردار نرمال سطح
که
شرط مرزی روبین
شرط مرزی روبین پس از تلاشهای ویکتور گوستاو روبین، برای حل معادلات دیفرانسیل عادی و جزئی با شرط مرزیای که ترکیب خطی از پاسخ و مشتق پاسخ است، به نام روبین نامگذاری کردهاند. شرط مرزی روبین ترکیبی از شرط مرزی دیریکله و شرط مرزی نیومن است. به شرط مرزی روبین، شرط مرزی امپدانس نیز گفته میشود. این نامگذاری به علت کاربردهای این شرط در الکترومغناطیس صورت گرفته است.
شرط مرزی روبین در معادلات دیفرانسیل
اگر
ثوابت a و b غیرصفر هستند و تابع g روی
مثال
در یک بعد
مسئلههای مقدار مرزی و معادلات انتگرال
مسائل مقدار مرزی در معادلات دیفرانسیل عادی به معادلات انتگرال فردهلم منجر میشود . معادلهی دیفرانسیل عادی زیر را در نظر بگیرید. میخواهیم این معادله را به همراه شرایط مرزیاش به یک معادلهی انتگرال تبدیل کنیم.
با انتگرالگیری از طرفین معادلهی بالا از a تاx و استفاده از شرط مرزی
در اینجا C ثابت انتگرالگیری است. با دوباره انتگرال گرفتن از رابطهی بالا داریم:
با تبدیل انتگرال دوگانه بالا به انتگرال یگانه داریم:
ثابت C در این معادله میتواند با استفاده از شرط مرزی
که این معادله را میتوان به فرم
و
جستارهای وابسته
منابع
- ↑ «مسئلۀ مقدار مرزی» [ریاضی] همارزِ «boundary value problem»؛ منبع: گروه واژهگزینی. جواد میرشکاری، ویراستار. دفتر یازدهم. فرهنگ واژههای مصوب فرهنگستان. تهران: انتشارات فرهنگستان زبان و ادب فارسی. شابک ۹۷۸-۶۰۰-۶۱۴۳-۴۵-۳.
- ↑ سال، Vibration and Waves in physics، chapter 8.
- ↑ Cheng A. D.T Cheng، Heritage and early history of the boundary element method، 275.
- ↑ Ram.P,Kanwal، Linear Integral Equations, Theory and Teqnique، 65.
- Wikipedia contributors, "Boundary value problem," Wikipedia, The Free Encyclopedia, http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Boundary_value_problem&oldid=655142454 (accessed May 21, 2015).
معادلات دیفرانسیل معادلات انتگرالی