Пусть в пространстве E2 задана некоторая функция u(x, y), имеющая частные производные второго порядка (причем uxy = uyx). Тогда общим уравнением в частных производных называется уравнение: F (x, y, u, ux, uy , uyy , uxx, uxy ) = 0, где F – некоторая функция. Его частным случаем является так называемое квазилинейное уравнение: a11(x, y, u, ux, uy )uxx + 2a12(x, y, u, ux, uy )uxy + a22(x, y, u, ux, uy )uyy + F1(x, y, u, ux, uy ) = 0.
Нас будут интересовать уравнения, линейные относительно старших производных, то есть, когда функции a11, a12, a22 зависят только от переменных x, y: a11(x, y)uxx + 2a12(x, y)uxy + a22(x, y)uyy + F (x, y, u, ux, uy ) = 0. Уравнение называется линейным, если оно линейно как относительно старших производных uxx, uyy , uxy , так и относительно функции u и ее первых производных: a11uxx + 2a12uxy + a22uyy + b1ux + b2uy + cu + f = 0, (1.1) где a11, a12, a22, b1, b2, c, f – функции только от x и y.
Третье издание курса «Уравнения математической физики» мало отличается от второго, подвергшегося серьёзной переработке. Уже при втором издании была исключена лекция, посвящённая методу Ритца, как стоящая несколько особняком от остального курса. Некоторые упрощения были внесены в теорию кратных интегралов Лебега и в теорию интегральных уравнений. Более точно было проведено обоснование метода Фурье.
Как во втором, так и в третьем издании были произведены отдельные улучшения стиля, исправлены неудачные формулировки.
Кроме того, редактором книги В. С. Рябеньким в третьем издании более подробно развита лекция о зависимости решений уравнений математической физики от дополнительных условий.
Автор выражает свою благодарность за ценные замечания, сделанные при втором и третьем изданиях различными лицами. Особенно ценные замечания были сделаны В. И. Смирновым и редактором третьего издания В. С. Рябеньким.
Изучая конкретный физический процесс, исследователь стремится описать его в математических терминах (например, хорошо известны законы Ньютона движения материальной точки). Получающиеся математические задачи могут быть самыми разнообразными. Среди них выделяют дифференциальные уравнения с частными производными. Именно этой группе задач приписывают термин математическая физика, а способы их решения называют методами математической физики.
Следует подчеркнуть, что при описанном подходе исследуется не реальный физический процесс, а некоторая его модель (идеальный процесс), записанная в форме математических соотношений. От математической модели требуется, чтобы она сохраняла основные черты реального процесса и в то же время была достаточно простой, поддающейся решению известными методами. Соответствие математической модели реальному процессу необходимо затем проверять опытным путем.
Уравнения математической физики возникли из рассмотрения важнейших задач, таких, как распространение звука в газах, волн в жидкостях, тепла в физических телах. В наше время активно изучаются такие явления, как перенос нейтронов в атомных реакторах, гравитация и электромагнитные эффекты, возникающие во Вселенной. Все эти разделы физики создают математические модели, которые приводят к уравнениям с частными производными. Таким образом, уравнения математической физики — это раздел математики, который непосредственно связан с изучением наиболее сложных явлений природы. Методы математической физики составляют часть более общей теории уравнений с частными производными.
Этот небольшой сборник, иллюстрирующий книгу С. К. Годунова “Уравнения математической физики”, составлен нами из задач, предлагавшихся студентам Новосибирского университета преподавателями, ведущими семинарские занятия. Задачи разрабатывались А. Б. Шабатовым, Е. В. Мамонтовым, В. В. Смеловым, Ю. Н. Валицким, Б. Г. Романовым и нами.
На упражнениях разбирались обычно стандартные задачи, взятые из задачников М. М. Смирнова “Задачи по уравнениям математической физики” и Б. М. Будака, А. А. Самарского, А. Н. Тихонова “Сборник задач по математической физике”, а также целый ряд задач, предназначенных для иллюстрации лекционного курса, читаемого С. К. Годуновым.
Мы отобрали для этого сборника те из задач, решавшихся на упражнениях в 1969—1972 гг., которые по своему характеру несколько отличаются от задач, входящих в распространённые задачники.
Хочется надеяться, что эта книжка окажется полезным подспорьем как для изучающих основы теории дифференциальных уравнений с частными производными, так и для преподающих этот предмет.
Книга содержит изложение курса лекций, которые автор читал в Московском и Новосибирском университетах. Направленность книги связана с интересами автора в области приложений дифференциальных уравнений к механике сплошных сред и с разработками численных методов решения этих уравнений.
Во втором издании (1-е издание выходило в 1971 г.) основной переработке подверглась теория симметрических гиперболических систем. В частности, изложена теорема существования решений у диссипативной смешанной задачи в случае двух пространственных и одной временной переменных.
Книга представляет интерес как для студентов, изучающих курс уравнений математической физики, так и для лиц, специализирующихся в области приложений уравнений в частных производных и численных методов их решения.
Книга содержит вводный раздел и следующие основные разделы: анализ в классах разрывных функций, уравнения математической физики, математические вопросы химической физики. Вводный (первый) раздел «Элементы функционального анализа и теории меры», а также ряд параграфов, включенных в основные разделы, дают необходимый подготовительный материал.
Во втором разделе излагается теория функций, производные которых являются мерами. С ее помощью обобщается аппарат классического анализа на разрывные функции. В частности, получаются важные для различных приложений обобщённые формулы Грина. Приведен ряд применений: вывод физических законов сохранения в классах разрывных функций, обобщение уравнения теплопроводности и др.
В третьем разделе содержится теория обобщённых решений краевых задач для линейных и квазилинейных дифференциальных уравнений с частными производными эллиптического и параболического типов. Вопросы разрешимости, устойчивости решений, разложение по собственным функциям, принцип монотонности для обобщённых решений, теория критических значений и др. Благодаря применению изложенного в предыдущем разделе аппарата обобщены известные ранее результаты.
Несмотря на наличие богатой литературы по математической физике, студенты и аспиранты высших технических учебных заведений, так же как и инженеры, работающие в промышленности, которым необходимы первоначальные сведения по уравнениям математической физики, испытывают серьезные затруднения в подборе руководства по этой важной отрасли прикладной математики.
Это объясняется тем, что почти все книги, существующие в этой области, либо опираются на слишком большой объем математических знаний, либо написаны столь сжато и развивают математический аппарат столь далеко, что оказываются недоступными для указанного выше круга возможных читателей настоящей книги.
Материал учебного пособия соответствует требованиям Государственного
образовательного стандарта по математике. В книге содержатся основные главы
теории математических методов и функций для студентов программистов.
Для студентов университетов, педагогических вузов, студентов технических
вузов, преподавателей, инженеров, программистов, использующих в
практической деятельности специальные Математические методы и функции.
Материал учебного пособия соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта по математике. В книге содержатся основные главы теории математических методов и функций для студентов программистов. Для студентов университетов, педагогических вузов, студентов технических вузов, преподавателей, инженеров, программистов, использующих в практической деятельности специальные Математические методы и функции.
