Construction of Mikusinski operational calculus based on the convolution algebra of distributions. Methods for solving mathematical physics problems


Cite item

Full Text

Abstract

A new justification is given for the Mikusinsky operator calculus entirely based on the convolution algebra of generalized functions $D'_+$ and $D'_-$, as applied to the solution of linear partial differential equations with constant coefficients in the region $(x;t)\in \mathbb R (\mathbb R_{+})\times \mathbb R_{+}$. The mathematical apparatus used is based on the current state of the theory of generalized functions and its one of the main differences from the theory of Mikusinsky is that the resulting images are analytical functions of a complex variable. This allows us to legitimate the Laplace transform in the algebra $D'_{+} $ $( x\in \mathbb R_{+} )$, and apply the algebra to the region of negative values of the argument with the use of algebra $D'_{-}$. On classical examples of second-order equations of hyperbolic and parabolic type, in the case $x\in \mathbb R$, questions of the definition of fundamental solutions and the Cauchy problem are stated, and on the segment and the half-line $x\in \mathbb R_{+}$, non-stationary problems in the proper sense are considered. We derive general formulas for the Cauchy problem, as well as circuit of fundamental solutions definition by operator method. When considering non-stationary problems we introduce the compact proof of Duhamel theorem and derive the formulas which allow optimizing obtaining of solutions, including problems with discontinuous initial conditions. Examples of using series of convolution operators of generalized functions are given to find the originals. The proposed approach is compared with classical operational calculus based on the Laplace transform, and the theory of Mikusinsky, having the same ratios of the original image on the positive half-axis for normal functions allows us to consider the equations posed on the whole axis, to facilitate the obtaining and presentation of solutions. These examples illustrate the possibilities and give an assessment of the efficiency of the use of operator calculus.

About the authors

Iosif L Kogan

Russian State Agrarian University - Moscow Agricultural Academy after K. A. Timiryazev

Email: ik_@list.ru
Cand. Techn. Sci.; Associate Professor; Dept. of Higher Mathematics 49, Timiryazevskaya st., Moscow, 127550, Russian Federation

References

  1. Courant R., Hilbert D. Methods of Mathematical Physics. vol. 2: Partial Differential Equations. New York: Interscience Publ., 1962. xxii+830 pp.
  2. Doetsch G. Introduction to the Theory and Application of the Laplace Transformation. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 1974. viii+327 pp. doi: 10.1007/978-3-642-65690-3.
  3. Лаврентьев М. А., Шабат Б. В. Методы теории функций комплексного переменного. М.: Наука, 1987. 688 с.
  4. Федорюк М. В. Интегральные преобразования / Анализ - 1 / Итоги науки и техн. Сер. Соврем. пробл. мат. Фундам. направления, Т. 13. М.: ВИНИТИ, 1986. С. 211-253.
  5. Sharma J. N., Singh K. Partial Differential Equations for Engineers and Scientists. New Delhi: Narosa Publishing House, 2011. 354 pp.
  6. Волков И. К., Канатников А. Н. Интегральные преобразования и операционное исчисление / Математика в техническом университете. Т. 11 / ред. В. С. Зарубин, А. П. Крищенко. М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015. 227 с.
  7. Schwartz L. Transformation de Laplace des distributions // Meddel. Lunds Univ. Mat. Sem. Suppl.-band M. Riesz, 1952. pp. 196-206 (In French).
  8. Lions J. L. Supports dans la transformation de Laplace // J. Anal. Math., 1953. vol. 2. pp. 369-380 (In French).
  9. Schwartz L. Méthodes mathématiques pour les sciences physiques. Avec le concours de Denise Huet / Enseign. des sciences. Paris: Hermann & Cie, 1961. 392 pp. (In French)
  10. Владимиров В. С. Обобщенные функции в математической физике. М.: Наука, 1979. 319 с.
  11. Владимиров В. С. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1981. 512 с.
  12. Брычков Ю. А., Прудников А. П. Интегральные преобразования обобщенных функций. М.: Наука, 1977. 287 с.
  13. Kecs W., Teodorescu P. P. Application of the distribution theory in the mechanics. Bucuresti: Editura Academiei Republicii Socialiste Romania, 1970. 438 pp. (In Romanian)
  14. Mikusiński J. Operational calculus / Internat. Series of Monographs on Pure and Applied Mathematics. vol. 8. New York: Pergamon Press, 1959. 495 pp.
  15. Коган И. Л. Построение операторного исчисления Микусинского на основе алгебры свертки обобщенных функций. Основные положения // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2012. № 2(27). С. 44-52. doi: 10.14498/vsgtu1013.
  16. Коган И. Л. Построение операторного исчисления Микусинского на основе алгебры свертки обобщенных функций. Теоремы и начало применения // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2013. № 3(32). С. 56-68. doi: 10.14498/vsgtu1119.
  17. Hörmander L. Linear partial differential operators / Die Grundlehren der mathematischen Wissenschaften. vol. 116. Berlin, Göttingen, Heidelberg: Springer-Verlag, 1963. vii+285 pp.
  18. Гельфанд И. М., Шилов Г. Е. Обобщенные функции. Т. 1: Обобщенные функции и действия над ними. М.: Физматлит, 1959. 470 с.
  19. Korn G. A., Korn T. M. Mathematical handbook for scientists and engineers: definitions, theorems, and formulas for reference and review: Reprint with corrections of the 2nd revised and enlarged edition 1968. / Dover Civil and Mechanical Engineering. Mineola, NY: Dover Publications, 2003. xvii+1130 pp.
  20. Коган И. Л. Метод интеграла Дюамеля для обыкновенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами с точки зрения теории обобщенных функций // Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2010. № 1(20). С. 37-45. doi: 10.14498/vsgtu673.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2018 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».