Предлагается матричная реализация метода коллокации для построения решения интегральных уравнений Вольтерра второго рода с применением систем ортогональных полиномов Чебышева первого рода и полиномов Лежандра. Подынтегральная функция в рассматриваемых уравнениях представляется в виде частичной суммы ряда по этим многочленам. В качестве точек коллокаций выбираются корни полиномов Чебышева и Лежандра. С использованием матричных и интегральных преобразований, свойств конечных сумм произведений этих полиномов и весовых функций в нулях соответствующих многочленов со степенью, равной числу узлов, интегральные уравнения приводятся к системам линейных алгебраических уравнений относительно неизвестных значений искомых функций в этих точках. В результате решения интегральных уравнений Вольтерра второго рода находятся путем полиномиальных интерполяций полученных значений функций в точках коллокаций с использованием обратных матриц, элементы которых записываются на основе ортогональных соотношений для этих полиномов. Элементы интегральных матриц также приводятся в явном виде. Получены оценки погрешностей построенных решений по бесконечной норме. Представлены результаты проведенных вычислительных экспериментов, которые демонстрируют эффективность использованного метода коллокации.
Идентификаторы и классификаторы
Существенную роль в задачах математического моделирования динамических систем в различных областях науки играют интегральные уравнения типа Вольтерра [5;19;22]. Разработке методов решения этих уравнений посвящено много исследований [10; 18]. В [7–9] для построения решения использованы многочлены Чебышева, в [15; 20] — многочлены Лежандра. В [3] описан алгоритм, основанный на методе квадратурных сумм, для получения решения интегрального уравнения Вольтерра первого рода типа свертки. В [21] предложен проекционный метод полиномиальной сплайн-коллокации для решения интегральных уравнений Вольтерра первого рода с кусочно-непрерывными ядрами. Для аппроксимации интегралов использована квадратурная формула Гаусса. Для решения интегрального уравнения Вольтерра со слабосингулярными ядрами в [12] использован метод Галеркина. В [11] метод коллокации Тейлора применен для решения двумерных интегральных уравнений Вольтерра. С помощью полиномов Эйлера и Дженокки система линейных интегральных уравнений Вольтерра преобразуется в матричное уравнение для получения численного решения в [17] и [14] соответственно.
Список литературы
1. Гурса Э. Курс математического анализа. Т. 3, ч. 2. М.: ГТТИ. 1934. 318 с.
2. Демидович Б. П., Марон И. А. Основы вычислительной математики. М.: Физматгиз, 1966. 664 с. EDN: QJQROH
3. Карчевский А. Л. Решение интегрального уравнения Вольтерра первого рода типа свертки методом квадратурных сумм // Сибирский журнал индустриальной математики. 2020. Т. 23, № 3, С. 40-52. DOI: 10.33048/SIBJIM.2020.23.304 EDN: NIFQSZ
4. Суетин П. К. Классические ортогональные многочлены. М.: Наука, 1979. 416 с. EDN: WIYMHV
5. Brunner H. Volterra integral equations: an introduction to theory and applications. Cambridge: Cambridge University Press, 2017. 387 p. EDN: YZAPWX
6. Hildebrand F. B.Introduction to Numerical Analysis. New York: Dover Publications, 1987. 704 p.
7. Hu X., Wang Z., Hu B. A collocation method based on roots of Chebyshev polynomial for solving Volterra integral equations of the second kind // Applied Mathematics Letters. 2023. Vol. 29, N 108804. DOI: 10.1016/j.aml.2023.108804 EDN: RACNMK
8. Ji T., Hou J., Yang C. The operational matrix of Chebyshev polynomials for solving pantograph-type Volterra integro-differential equations // Adv. Contin. Discrete Models. 2022. Vol. 57. P. 1-16. DOI: 10.1186/s13662-022-03729-1
9. Khidir A. A. A new numerical technique for solving Volterra integral equations using Chebyshev spectral method // Math. Probl. Eng. 2021. Vol. 2021. P. 1-11. DOI: 10.1155/2021/9230714
10. Kress R. Linear Integral Equations. New York: Springer, 2013. 412 p.
11. Numerical solution of two-dimensional linear and nonlinear Volterra integral equations using Taylor collocation method / H. Laib, A. Boulmerka, A. Bellour, F. Birem // J. Comput. Appl. Math. 2023. Vol. 417, N 114537. DOI: 10.1016/j.cam.2022.114537
12. Liang H. Discontinuous Galerkin approximations to second-kind Volterra integral equations with weakly singular kernel // Appl. Numer. Math. 2022. Vol. 179. P. 170-182. DOI: 10.1016/j.apnum.2022.04.019 EDN: YWJGQY
13. Liu S., Trenkler G. Hadamard, Khatri-Rao, Kronecker and other matrix products // International Journal of Information and Systems Sciences. 2008. Vol. 4, N 1. P. 160-177.
14. Loh J. R., Phang C., A new numerical scheme for solving system of Volterra integro-differential equation // Alex. Eng. J. 2018. Vol. 57, N 2. P. 1117-1124. DOI: 10.1016/j.aej.2017.01.021
15. Mandal M., Nelakanti G. Superconvergence results of Legendre spectral projection methods for Volterra integral equations of second kind // Comp. Appl. Math. 2018. Vol. 37. P. 4007-4022. DOI: 10.1007/s40314-017-0563-5 EDN: CMGBXS
16. Mason J., Handscomb D. Chebyshev polynomials. Florida: CRC Press, 2003. 335 p.
17. Mirzaee F., Bimesl S. A new Euler matrix method for solving systems of linear Volterra integral equations with variable coe cients // J. Egypt. Math. Soc. 2014. Vol. 22, N 2. P. 238-248. DOI: 10.1016/j.joems.2013.06.016
18. Shen J., Tang T., Wang L. Spectral Methods. Heidelberg: Springer Berlin, 2011. 472 p. DOI: 10.1007/978-3-540-71041-7
19. Solodusha S. V. On a class of the rst kind Volterra equations in a problem of identi cation of a linear nonstationary dynamic system // Russian Universities Reports. Mathematics. 2023. Vol. 28, N 144. P. 406-413. DOI: 10.20310/2686-9667-2023-28-144-406-413 EDN: SYZDLS
20. Tang T., Xu X., Cheng J. On spectral methods for Volterra integral equations and the convergence analysis // J. Comput. Math. 2008. Vol. 26, N 6. P. 825-837.
21. Tynda A. N., Noeiaghdam S., Sidorov D. N. Polynomial spline collocation method for solving weakly regular Volterra integral equations of the rst kind // Известия Иркутского государственного университета. Серия Математика. 2022. Т. 39. C. 62-79. DOI: 10.26516/1997-7670.2022.39.62 EDN: FJZYWB
22. Wazwaz A. M. Linear and Nonlinear Integral Equations. Berlin: Springer, 2011. 639 p. DOI: 10.1007/978-3-642-21449-3
Выпуск
Другие статьи выпуска
Дан краткий обзор основных направлений научной деятельности А. С. Апарцина в развитии теории неустойчивых задач вычислительной математики. Приведены теоретические и прикладные результаты исследований его коллег и учеников.
Задание базовых правил вывода имеет фундаментальное значение для логики. Наиболее общим вариантом возможных правил вывода являются допустимые правила вывода: в логике
Результаты исследования относятся к следующей задаче: найти естественные конечные фильтрующие элементы данной линейной группы над конечно порожденным коммутативным кольцом. Особый интерес вызывает кольца коэффициентов, которые являются частью одного элемента, например кольцо целых чисел или кольцо целых гауссовых чисел. Доказано, что проективная общая линейная группность n над кольцами целых гауссовых чисел тогда и только тогда по возникновению событий инволюциями, два из которых перестановочны, когда n больше 4 и 4 размер не делит n. Ранее М. А. Всемирнов, Р. И. Гвоздев, Д. В. Левчук и авторы данной статьи разработали аналогичную задачу для предварительной и проективной обработки линейных групп.
Актуальность исследования обусловлена сложностью оценки экологической и социальной ответственности компаний в условиях ограниченного времени и сведений о них, а также возможностью автоматического сбора информации из открытых источников. Использованы методы автоматического выделения топиков из текстовых данных, методы машинного обучения и многокритериального ранжирования, сопоставительный и экспертный анализ получаемых результатов. Для проведения экспериментов было собрано более 1200 отчетов ведущих российских компаний за период 2019-2022 гг., а также использовались новости, размещенные на сайте Forbes. ru. Разработана модель и методика ее применения для анализа текстовой информации о группе компаний для их ранжирования. Проведен качественный и количественный анализ, показывающий неслучайный и обоснованный характер получаемых результатов. Показана эффективность предложенной модели для выбора компаний путем ранжирования ограниченного их перечня на основе доступной текстовой информации.
Рассматриваются ациклические графы, аппроксимируемые конечными ациклическими графами. Доказано, что любой счетно категоричный ациклический граф гладко аппроксимируем. Приведен пример псевдоконечной ациклической теории графов, имеющей четное, нечетное и бесконечное число лучей.
Строятся частичные группоиды, ассоциированные с композициями многослойных нейронных сетей прямого распределения сигнала (далее - нейронные сети). Элементами данных группоидов являются кортежи специального вида. Задание такого кортежа определяет структуру (т. е. архитектуру) нейронной сети. Каждому такому кортежу можно сопоставить отображение, которое будет реализовывать работу нейронной сети как вычислительной схемы. Таким образом, в данной работе нейронная сеть отождествляется в первую очередь со своей архитектурой, а ее работу реализует отображение, которое строится с помощью модели искусственного нейрона. Частичная операция в построенных группоидах устроена так, что результат ее применения (если он определен) к паре нейронных сетей дает нейронную сеть, которая на каждом входном сигнале действует в соответствии с принципом композиции нейронных сетей (т. е. выходной сигнал одной сети отправляется на вход второй сети). Установлено, что построенные частичные группоиды являются полугруппоидами (т. е. частичными группоидами с условием сильной ассоциативности). Строятся некоторые эндоморфизмы указанных группоидов, которые позволяют менять пороговые значения и функции активации нейронов указанной совокупности. Изучаются преобразования построенных частичных группоидов, которые позволяют менять веса синоптических связей из заданного множества синоптических связей. Данные преобразования в общем случае не являются эндоморфизмами. Был построен частичный группоид, для которого данное преобразование является эндоморфизмом (носитель этого частичного группоида является подмножеством в носителе исходного частичного группоида).
Классическая лемма Донга в теории вертексных алгебр утверждает, что свойство локальности формальных распределений с коэффициентами из алгебры Ли сохраняется под действием вертексного оператора. Аналогичное утверждение известно для ассоциативных алгебр. Изучаются формальные распределения над прелиевыми (правосимметрическими) и преассоциативными (дендриформными) алгебрами, а также над алгебрами Новикова и показывается, что аналог леммы Донга верен для алгебр Новикова, но не выполняется для прелиевых и преассоциативных алгебр.
Исследуется нелинейное интегральное уравнение на полуоси со специальным субстохастическим ядром. Такие уравнения встречаются в кинетической теории газов при изучении нелинейного интегро-дифференциального уравнения Больцмана в рамках нелинейной модифицированной модели Бхатнагара - Гросса - Крука (БГК). При определенных ограничениях на нелинейность удается построить положительное непрерывное и ограниченное решение данного уравнения. Более того, доказывается единственность решения в классе ограниченных сверху на полуоси функций, имеющих положительный инфимум. Доказывается также, что соответствующие последовательные приближения равномерно со скоростью некоторой убывающей геометрической прогрессии сходятся к решению указанного уравнения. При одном дополнительном условии исследуется асимптотическое поведение решения на бесконечности. Приводятся конкретные примеры указанных уравнений, для которых автоматически выполняются все условия доказанных фактов.
Рассматривается нелинейное уравнение Шредингера отрицательного порядка с нагруженным членом в классе периодических функций. Показано, что такое уравнение может быть проинтегрировано методом обратной спектральной задачи. Определена эволюция спектральных данных оператора Дирака с периодическим потенциалом, связанного с решением нелинейного уравнения Шредингера отрицательного порядка с нагруженным членом. Полученные результаты позволяют применить метод обратной задачи для решения нелинейного уравнения Шредингера отрицательного порядка с нагруженным членом в классе периодических функций. Получены важные следствия об аналитичности и о периоде решения по пространственной переменной.
Исследуется теория линейных и нелинейных нечетких интегральных уравнений Вольтерра с кусочно-непрерывными ядрами. Проблема решается с использованием метода последовательных приближений. Рассмотрены вопросы существования и единственности решений для нечетких интегральных уравнений Вольтерра с кусочными ядрами. Численные результаты получены путем применения метода последовательных приближений как к линейным, так и нелинейным интегральным уравнениям Вольтерра с кусочно-непрерывными ядрами. Построены графики для анализа ошибок с целью иллюстрации точности метода. Кроме того, представлено сравнительное исследование, где используются графики приближенных решений для различных значений нечетких параметров. Чтобы подчеркнуть эффективность и значимость метода последовательных приближений, проводится сравнение с традиционной техникой гомотопического анализа. Результаты показывают, что метод последовательных приближений превосходит метод гомотопического анализа по точности и эффективности.
В банаховом пространстве исследуется линейная обратная задача для абстрактного дифференциального уравнения второго порядка. Неоднородное вложение в уравнении считается стационарным и неизвестным. В начальный момент времени заданы стандартные условия Коши. В последний момент времени добавлено новое условие - значение второй производной от основной эволюционной функции, т. е. е. порядок производной в конечной величине соответствует порядку уравнений. Для поставленной задачи получены критерии единственности решения, выраженные в спектральных терминах. Указано достаточное условие невозможности решения. Рассмотрен пример уравнения Пуассона в круглой области.
Издательство
- Издательство
- ИГУ
- Регион
- Россия, Иркутск
- Почтовый адрес
- 664003, Иркутская обл, г Иркутск, Кировский р-н, ул Карла Маркса, д 1
- Юр. адрес
- 664003, Иркутская обл, г Иркутск, Кировский р-н, ул Карла Маркса, д 1
- ФИО
- Шмидт Александр Федорович (РЕКТОР)
- E-mail адрес
- rector@isu.ru
- Контактный телефон
- +7 (904) 1502889
- Сайт
- https://api.isu.ru