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1989 | Buch

Integralgleichungen

Theorie und Numerik

verfasst von: Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Hackbusch

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : Leitfäden der angewandten Mathematik und Mechanik LAMM

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Über dieses Buch

Die Integralgleichungen stellen ein Gebiet dar. das für sich durchaus selbständig ist und auf einer interessanten Mischung von Analysis. Funktionentheorie und Funktionalanalysis beruht. Auf der anderen Seite gewinnen die Integralgleichungen ihr praktisches Interesse aus der «Integralgleichungsmethode». die es erlaubt, partielle Differential­ gleichungen in Integralgleichungen umzuformen. Das Buch ist aus Vorlesungen hervorgegangen, die der Autor an der Ruhr-Universität Bochum und der Christian-Albrechts-Universität Kiel gehalten hat. Der Umfang der Kapitel 1 bis 6 entspricht etwa einer intensiven vierstündigen Vorlesung. Das Studium der Integral­ gleichungen kann mit Vorkenntnissen der Analysis und den Grundlagen der Numerik aufgenommen werden. Kenntnisse aus der Funktional­ analysis sind hilfreich. aber nicht unabdingbar, wenn Grundbegriffe wie Banach-und Hilbert-Räume geläufig sind. Der Theorieteil dieses Buches ist so knapp wie möglich bemessen. da die Numerik in den Kapiteln 2. 4, 5 im Vordergrund stehen soll. Wichtige Teile der benötigten Funktionalanalysis wie etwa die Riesz-Schauder-Theorie werden ohne Herleitung wiedergegeben. Es wird dabei davon ausgegangen. daß dem Leser dieses Gebiet entweder aus einer Vorlesung über «Funktionalanalysis» bekannt ist oder daß e- mit gesteigerter Motivation durch praktische Beispiele - diese Kapitel durch Vorlesungen oder Lektüre nachholen wird. Es sei daran erinnert. daß auch historisch die Funktionalanalysis aus der Diskussion der Integralgleichungen hervorgegangen ist. Als Funktionenräume werden in dieser Darstellung vornehmlich die klassischen der stetigen oder Hölder-stetigen Funktionen verwendet. Die Sobolev-Räume werden weitgehend vermieden. was zum Beispiel zur Folge hat. daß die Integraloperatoren hier nicht in der erforderlichen Allgemeinheit als Pseudodifferentialoperatoren diskutiert werden können.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Eine spezielle Integralgleichung ist aus der Analyse gewöhnlicher Differentialgleichungen wohlbekannt.
Wolfgang Hackbusch
2. Volterrasche Integralgleichungen
Zusammenfassung
Wie schon die Gleichungen (1.1.1-2) zeigen, gibt es eine enge Verwandschaft zwischen gewöhnlichen Differentialgleichungen und Volterraschen Integralgleichungen. Zunächst wird die eindeutige Lösbarkeit, dann in §2.1.2 die Regulärität der Lösung untersucht.
Wolfgang Hackbusch
3. Theorie der Fredholmschen Integralgleichungen zweiter Art
Zusammenfassung
Erik Ivar Fredholm (Stockholm) untersuchte die nach ihm benannten Gleichungen schon in den letzten Jahren des vorigen Jahrhunderts. Über Hilbert wurden die Integralgleichungen zur Keimzelle der Funktionalanalysis, die zu Anfang dieses Jahrhunderts Gestalt annahm.
Wolfgang Hackbusch
4. Numerik der Fredholmschen Integralgleichungen zweiter Art
Zusammenfassung
In §§4.4.2–5 und §4.4.7 werden wir verschiedene Möglichkeiten zur Konstruktion von K n kennenlernen. Die allgemeinen Eigenschaften solcher Approximationen werden in diesem Unterkapitel untersucht.
Wolfgang Hackbusch
5. Mehrgitterverfahren zur Auflösung des Gleichungssystems bei Integralgleichungen 2. Art
Zusammenfassung
Die Diskretisierungen aus Abschnitt 4 überführen die Fredholmsche Integralgleichung in ein Gleichungssystem. Da dieses System aus sehr vielen Gleichungen bestehen kann und zudem die Matrix voll besetzt ist. ist die Auflösung keine triviale Aufgabe. In diesem Kapitel werden wir hauptsächlich auf die Lösung durch die Mehrgittermethode eingehen. Zur Mehrgitterbehandlung von Gleichungen erster Art sei auf §7.3.6 und §9.3 verwiesen.
Wolfgang Hackbusch
6. Die Abelsche Integralgleichung
Zusammenfassung
Von Abel (1823) stammt die Volterra-Integralgleichung (1) 1. Art:
$$ g(x) = \int\limits_a^x {\frac{{f(y)}}{{\sqrt {x - y} }}dy\quad f\ddot ur\,x \geqslant a} $$
(24.1)
Da der Nenner \( \sqrt {x - y} \) bei y=x x eine Nullstelle besitzt und das Integral in (1) als uneigentliches zu verstehen Ist (vgl. §6.1.3). ist die Abelsche Integralgleichung ein Beispiel für eine schwach singuläre Gleichung.
Wolfgang Hackbusch
7. Singuläre Integralgleichungen
Zusammenfassung
Die Funktion f sei auf I= [a,b] definiert und möglicherweise in einem inneren Punkt ce (a, b) singulär. Das uneigentliche Integral wurde durch
$$ \int\limits_a^b {f(x)dx\,: = \mathop {\lim }\limits_{\scriptstyle {\varepsilon _1} \to 0 \hfill \atop\scriptstyle {\varepsilon _1} > 0 \hfill} } \,\int\limits_a^{C - {\varepsilon _1}} {f(x)dx + \mathop {\lim }\limits_{\scriptstyle {\varepsilon _2} \to 0 \hfill \atop\scriptstyle {\varepsilon _2} > 0 \hfill} } \,\int\limits_{C + {\varepsilon _2}}^b {f(x)dx} $$
(7.1)
definiert, falls beide Limites existieren (vgl. §6.1.3). Nach Bemerkung 6.1.2a ist das uneigentliche Integral für f (x): = ∣x-c∣s Is mit s >-1 erklärt.
Wolfgang Hackbusch
8. Die Integralgleichungsmethode
Zusammenfassung
Als Integralgleichungsmethode bezeichnet man die Überführung von partiellen Differentialgleichungen mit d Raumvariablen in eine Integralgleichung über einer (d-1)-dimensionalen Oberfläche. Schon in §7.4 wurde die Methode anhand der Laplace-Gleichung vorgestellt. Dort wurden die Resultate über den singulären Cauchy-Kern herangezogen, um Integralgleichungsformulierungen für die Laplace-Gleichung (7.4.1a) zu finden. Die Laplace-Gleichung scheint nach diesem Zugang wegen des Zusammenhanges mit den holomorphen Funktionen eine Sonderstellung einzunehmen (vgl. Bemerkung 1.1). Offen bleibt die Frage nach der Möglichkeit, auch andere Gleichungen zu behandeln. Die Integralgleichungs- oder Randintegralmethode hat gerade die umgekehrte Blickrichtung. Ausgehend von einer Differentialgleichung Lu = 0 mit geeigneten Randbedingungen sucht man eine äquivalente Formulierung als Integralgleichung. Die numerische Behandlung der entstehenden Integralgleichung findet sich unter dem Titel «Randelementmethodeo in §9.
Wolfgang Hackbusch
9. Die Randelementmethode
Zusammenfassung
Randwertprobleme, wie die in §8 behandelten Laplace-, Helmholtz-, biharmonische, Lamé- bzw. Stokes-Gleichungen, lassen sich in ihrem ursprünglichen Definitionsbereich durch verschiedene Diskretisierungsverfahren approximieren. Neben den (finiten) Differenzenverfahren gibt es insbesondere die Finite-Element-Methoden, die oft mit dem Kürzel «FEM» bezeichnet wird (vgl. Hackbusch [2]).
Wolfgang Hackbusch
Backmatter
Metadaten
Titel
Integralgleichungen
verfasst von
Prof. Dr. rer. nat. Wolfgang Hackbusch
Copyright-Jahr
1989
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-663-05706-2
Print ISBN
978-3-519-02370-8
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-663-05706-2