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Boundary value and expansion problems: oscillation, comparison and expansion theorems. - MaRDI portal

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Boundary value and expansion problems: oscillation, comparison and expansion theorems. (Q1463010)

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scientific article; zbMATH DE number 2601821
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English
Boundary value and expansion problems: oscillation, comparison and expansion theorems.
scientific article; zbMATH DE number 2601821

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    Boundary value and expansion problems: oscillation, comparison and expansion theorems. (English)
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    Verf. bespricht eine ausgedehnte Klasse von transzendenten Randwert- und Entwicklungsproblemen in ihrem Zusammenhang mit entsprechenden algebraischen Problemen, wobei erstere durch Grenzübergang aus den letzteren gewonnen werden. Demgemäß wird zunächst (1. Arbeit) folgende algebraische Aufgabe betrachtet: Gegeben seien \(r\) Systeme von linearen, homogenen, die \(r\) Parameter \(\lambda_1, \dots, \lambda_r\) enthaltenden Gleichungen \[ \sum_{j=1}^n (a_{0hij} + \lambda_1 a_{1hij} + \cdots + \lambda_r a_{rhij}) x_{hj} = 0 \quad (i=1, \dots, n_h; h = 1, \dots, r) \tag{1} \] in den Unbekannten \(x_{hj}\); jedem Werte \(h\) entspricht ein System. Gesucht sind diejenigen ``charakteristischen'' Wertsysteme \(\lambda_1, \dots, \lambda_r\) (im vorliegenden Referate kurz als ``Eigenwerte'' bezeichnet), für welche (1) nicht triviale Lösungen (''Eigenlösungen'') besitzt. Als ``zu (1) adjungierte'' Systeme bezeichnet man die (gleiche Eigenwerte wie (1) besitzenden) Systeme \[ \sum_{j=1}^n (a_{0hji} + \lambda_1 a_{1hji} + \cdots + \lambda_r a_{rhji}) y_{hj} = 0 \quad (i=1, \dots, n_h; h = 1, \dots, r) \tag{2} \] Unter der \textit{Annahme}, daß nur eine \textit{endliche Anzahl} \(m\) \textit{von Eigenwerten} \(\lambda_h^{(\varrho)}\) \((h = 1, \dots, r; \varrho = 1, \dots, m)\) \textit{existiert}, wird sodann für zwei zu verschiedenen Eigenwerten \(\lambda_h^{(\varrho)}\) bzw. \(\lambda_h^{(\sigma)}\) gehörige Eigenfunktionen \(x_{hj}^{(\varrho)}\) bzw. \(y_{hj}^{(\varrho)}\) von (1) bzw. (2) die (``Orthogonalitäts''-)Relation \[ K(x^{(\varrho)}, y^{(\sigma)}) = \sum_{i_1=1}^{n_1} \sum_{j_1=1}^{n_1} \dots \sum_{i_r=1}^{n_r} \sum_{j_r=1}^{n_r} D_{i_1 j_1 \dots i_r j_r} \prod_{h=1}^r x_{hi_h}^{(\varrho)} y_{hj_h}^{(\sigma)} = 0, \quad \varrho \neq \sigma \tag{"(K)"} \] abgeleitet; dabei bedeuten die \(D_{i_1 j_1 \dots i_r j_r}\) gewisse aus den \(a_{rhij}\) gebildete Determinanten. Im folgenden setzt Verf. weiter voraus \(K(x^{(\varrho)}, y^{(\varrho)}) \neq 0\). Unter Benutzung der Orthogonalitätsrelation gewinnt Verf. das ``Entwicklungstheorem'' für ein System \(Z_{i_1 \dots i_r}\) von Zahlen (\(i_h = 1, \dots, n_h; h = 1, \dots, r\)) nach den Eigenlösungen \[ Z_{i_1 \dots i_r} = \sum_{k=1}^m c_k x_{1i_1}^{(k)} x_{2i_2}^{(k)} \dots x_{ri_r}^{(k)}, \tag{"(E)"} \] wo die \(c_k\) in bekannter Weise vermittelst (K) sich ergeben. Anschließend werden Spezialfälle besprochen, insbesondere der Fall \(m = n_1 . n_2 \dots n_r\). In engem Zusammenhange mit (E) steht dann (1. Arbeit, \S\, 10) die Betrachtung der ``Greenschen Funktion'' von (1): \(g_{hij}\), d. h. der zu \(\| a_{0hij} + \lambda_1 a_{1hij} + \cdots + \lambda_r a_{rhij}\|\) (bezüglich \(i\), \(j\)) kontragredienten Matrix. Die Partialbruchzerlegung wird gegeben und mit deren Hilfe in bekannter Weise die rechte Seite von (E) durch Linienintegrale nach den komplexen Parametern \(\lambda_1, \dots, \lambda_r\) dargestellt. Anschließend an die ersten algebraischen Betrachtungen bringt Verf. (1. Arbeit, \S\, 6) einige Bemerkungen über die Lösungen von \[ \sum_{j=0}^{n+k} a_{ij} x_j = 0 \quad (i = 1, \dots, n, k \geqq 2). \] Dabei werden die Konstantensysteme (z. B. \(x_j\)) durch stückweise lineare Funktionen \(x(s)\) vermöge linearer Interpolation ersetzt und, unter gleichzeitigem Hinweis auf transzendente Analoga, die Nullstellenverteilung der Lösungen untersucht. Von Methoden des Grenzüberganges (von algebraischen zu transzendenten Problemen) werden (1. Arbeit, \S\, 7) erwähnt: Erstens der Übergang zu abzählbar unendlich vielen Variablen (im Sinne der Hilbertschen 4. Mitteilung); zweitens der Übergang zu Funktionen von endlich vielen stetigen Veränderlichen. Die beiden Arten des Grenzüberganges können auch kombiniert werden. Es stehen dabei in den vorliegenden Arbeiten die heuristischen Gesichtspunkte im Vordergrunde: Verf. ist es hauptsächlich um die Form der entsprechenden transzendenten Probleme, der Orthogonalitätsrelation und der Entwicklungstheoreme zu tun. \textit{Existenz} der Eigenwerte und Entwicklungen wird, unter Hinweis auf bereits bekannte Spezialfälle, jeweils postuliert. In der 2. und 3. Arbeit begründet Verf. eine Reihe transzendenter (dem algebraischen entsprechender) Probleme, von denen hier nur einige aufgeführt werden können. Wir nennen 1. Lineare Randwertaufgabe für eine Differentialgleichung \(L_n(u) + \lambda L_m(u) =0\) (2. Arbeit, \S\, 1; 3. Arbeit, \S\, 4) und die dazu adjungierte. Dabei bedeuten \(L_n(u)\) bzw. \(L_m(u)\) lineare, homogene gewöhnliche Differentialausdrücke der Ordnungen \(n\) bzw. \(m\) (\(m < n\)), \(\lambda\) einen Parameter, der linear auch in die Randbedingungen eingeht; die Form der letzteren bestimmt sich sinngemäß aus dem Greenschen Satze. Auf den allgemeineren Fall \(L(u) + \lambda L_1(u) + \cdots + \lambda^k L_k(u) = 0\) wird hingewiesen. 2. Das entsprechende Problem für lineare partielle Differentialgleichungen zweiter Ordnung und Systeme von solchen wird (2. Arbeit, \S\, 6) besprochen; daran anschließend (2. Arbeit, \S\, 7) ein Problem betreffend lineare partielle Differentialgleichungen vierter Ordnung. 3. Lineare Randwertaufgabe für das System \[ \frac{dy_{ki}}{dx} = \sum_{j=1}^{n_k} (a_{0kij} + \lambda_1 a_{1kij} + \cdots + \lambda_\nu a_{\nu kij}) y_{kj} \quad (i = 1, \dots, n_k; \;k = 1, \dots, \nu) \] und das dazu adjungierte (2. Arbeit, \S\, 3) (Verallgemeinerung der Fragestellung von Hurwitz und Camp) (vgl. die vorigen Referate). 4. Durch Grenzübergang kommt Verf. von 3. zu entsprechenden Aufgaben für Systeme von Integrodifferentialgleichungen \[ \frac{\partial y_k(x, s)}{\partial x} = \int_\alpha^\beta [a_{0k}(x, s, t) + \lambda_1 a_{1k}(x, s, t) + \cdots + \lambda_\nu a_{\nu k}(x, s, t)] y_k(x, t) \, dt. \] (2. Arbeit, \S\, 3.) Ebenso führt 2. auf lineare partielle Integrodifferentialgleichungen (2. Arbeit, \S\, 6). 5. Probleme betreffend lineare Differenzengleichungen entsprechend der Fragestellung 3. für Differentialgleichungen (2. Arbeit, \S\, 4). Ferner Fragen bezüglich \(q\)-Differenzen- und Integro-\(q\)-Differenzengleiehungen (3. Arbeit, \S\, 5). In der 3. Arbeit finden sich schließlich Oszillationsbetrachtungen für gewisse lineare Funktionalgleichungen, auf die hier nur hingewiesen werden kann. (IV 13.)
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