Кіріспе
Математикада Дирихле проблемасы белгілі бір аймақтың ішкі бөлігінде берілген бөлшектік дифференциалдық теңдеуді (PDE) қанағаттандыратын функцияны табуға қатысты. Бұл функция аймақтың шекарасындағы белгіленген мәндерді қабылдайды. Дирихле проблемасы көптеген PDE үшін шешіледі, бірақ бастапқыда ол Лаплас теңдеуі үшін қойылған. Осы жағдайда мәселені былай қоюға болады: егер f функциясы берілген болса, оның аймақтың шекарасының әр жерінде мәні бар, онда ішкі және шекарада екі рет үздіксіз дифференциалданатын, ішкі және шекарада үздіксіз болатын бірегей үздіксіз функция бар ма, сонда бұл функция ішкі бөлікте гармониялық болады және шекарада f-қа тең болады ма? Бұл талап Дирихле шекаралық шарты деп аталады. Басты мәселе – шешімнің бар екенін дәлелдеу; бірегейлікті максималды принципті қолдану арқылы дәлелдеуге болады.
In mathematics, a Dirichlet problem asks for a function which solves a specified partial differential equation (PDE) in the interior of a given region that takes prescribed values on the boundary of the region. The Dirichlet problem can be solved for many PDEs, although originally it was posed for Laplace's equation. In that case the problem can be stated as follows:
Given a function f that has values everywhere on the boundary of a region in , is there a unique continuous function twice continuously differentiable in the interior and continuous on the boundary, such that is harmonic in the interior and on the boundary? This requirement is called the Dirichlet boundary condition. The main issue is to prove the existence of a solution; uniqueness can be proven using the maximum principle.
Тарих
Дирихле проблемасы Джордж Гринге қатысты, ол 1828 жылы жарияланған «Электр және магнетизм теорияларына математикалық талдауды қолдану туралы очеркінде» жалпы шекаралық шарттармен жалпы домендердегі осы мәселені зерттеді. Ол мәселені қазір Грин функциялары деп аталатын функцияларды құрастыру мәселесіне келтірді және Грин функциясы кез келген домен үшін бар екенін көрсетті. Оның әдістері қазіргі стандарттар бойынша толыққанды болмаса да, оның идеялары кейінгі дамуға зор ықпал етті. Дирихле проблемасын зерттеудегі келесі қадамдарды Карл Фридрих Гаус, Уильям Томсон (Лорд Кельвин) және Питер Густав Лежун Дирихле жасады, оның есімімен мәселе аталды, ал мәселенің шешімі (кем дегенде шар үшін) Пойсон ядросын қолдану арқылы Дирихлеге белгілі болды (Пруссия академиясына ұсынылған 1850 жылғы жұмысына сүйенсек). Лорд Кельвин және Дирихле «Дирихле энергиясын» азайтуға негізделген вариациялық әдіспен мәселені шешуді ұсынды. Ханс Фрейдентальдың сөзіне göre (Ғылыми биографиялық сөздік, 11-том), Бернхард Риман осы вариациялық мәселені Дирихле принципі деп аталатын әдіс негізінде шешкен алғашқы математик болды. Бірегей шешімнің болуы «физикалық аргумент» бойынша өте мүмкін: шекарадағы кез келген заряд таралуы электростатика заңдарына сәйкес электр потенциалын анықтауы керек. Алайда Карл Вейерштрасс Риманның аргументінде қателік тапты, ал 1900 жылы Дэвид Гильберт өзгерістер есебіндегі тікелей әдісін қолдана отырып, болудың нақты дәлелін келтірді. Шешімнің болуы шекараның тегістігіне және берілген деректерге өте сезімтал болып келеді.
Тіршілік ету
Дирихлет мәселесі гармоникалық функциялар үшін әрқашан шешімге ие, және бұл шешім шекара жеткілікті тегіс және үздіксіз болғанда бірегей болады. Нақтырақ айтқанда, ол кейбір үшін , Hölder шартын білдіретін жерде шешім табады.
for some , where denotes the Hölder condition.
Ерітінді әдістері
Шектелген домендер үшін Дирихле проблемасы Перрон әдісі арқылы шешіледі, ол субгармониялық функциялардың максимум принципіне негізделген. Бұл әдіс көптеген оқулықтарда сипатталған. Бірақ шекара тегіс болған жағдайда, шешімдердің тегістігін сипаттау үшін бұл әдіс тиімді емес. Соболев кеңістіктері арқылы классикалық Гильберт кеңістігіне жүгіну мұндай ақпаратты қамтамасыз етеді. Жазық домендер үшін Соболев кеңістіктерін қолдана отырып Дирихле проблемасын шешу, Риман карталау теоремасының тегіс түрін дәлелдеуге мүмкіндік береді. Сеге мен Бергманның қайта жаңғырту ядроларына негізделген, тегіс Риман карталау теоремасын құрудың басқа тәсілін ұсынды және оны Дирихле проблемасын шешу үшін пайдаланды. Потенциалдар теориясының классикалық әдістері Дирихле проблемасын интегралды операторлар арқылы тікелей шешуге мүмкіндік береді, олар үшін компактты және Фредгольм операторларының стандартты теориясы қолданылады. Осы әдістер Нейман проблемасына да қатысты қолданылады.
Жалпылау
Дирихле проблемалары эллиптік дербес дифференциалдық теңдеулерге, әлеует теориясына және әсіресе Лаплас теңдеуіне тән. Басқа мысалдарға бигармониялық теңдеу және серпімділік теориясындағы байланысты теңдеулер жатады. Олар шекаралық шарттарда берілген мәліметтермен анықталатын ПДЭ проблемаларының бірнеше кластарының бірі болып табылады, оларға Нейман және Коши проблемалары да кіреді.