О сходимости полиномиальных приближенных решений уравнения минимальной поверхности
Автор: Трухляева Ирина Владимировна
Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu
Рубрика: Математика труды III международной конференции "Геометрический анализ и его приложения"
Статья в выпуске: 5 (36), 2016 года.
Бесплатный доступ
В работе рассматриваются полиномиальные приближенные решения задачи Дирихле уравнения минимальной поверхности. Показывается, что при определенных условиях на геометрическое строение области градиенты таких решений остаются по модулю ограниченными при увеличении степени рассматриваемых многочленов. Следствием полученных свойств является равномерная сходимость приближенных решений к точному решению уравнения минимальной поверхности.
Уравнение минимальной поверхности, равномерная сходимость, приближенное решение, аппроксимация уравнения, оценка равномерной сходимости
Короткий адрес: https://sciup.org/14969024
IDR: 14969024 | УДК: 517.9 | DOI: 10.15688/jvolsu1.2016.5.11
On the convergence of approximate polynomial solutions of the minimal surface
In this paper we consider the polynomial approximate solutions of the Dirichlet problem for minimal surface equation. It is shown that under certain conditions on the geometric structure of the domain the absolute values of the gradients of the solutions are bounded as the degree of these polynomials increases. The obtained properties imply the uniform convergence of approximate solutions to the exact solution of the minimal surface equation. In numerical solving of boundary value problems for equations and systems of partial differential equations, a very important issue is the convergence of approximate solutions. The study of this issue is especially important for nonlinear equations since in this case there is a series of difficulties related with the impossibility of employing traditional methods and approaches used for linear equations. At present, a quite topical problem is to determine the conditions ensuring the uniform convergence of approximate solutions obtained by various methods for nonlinear equations and system of equations of variational kind. In this case, it is natural to employ variational methods of solving boundary value problems. And an issue on the justification of these methods arises, which is reduced to studying general properties of approximate solutions. We consider the issue on convergence of approximate solutions for the minimal surface equation Σ︁𝑖=1 𝜕𝑥𝑖 (︃ √︀1 + |∇𝑓|2)︃= 0 in domain Ω subject to the boundary condition 𝑓|𝜕Ω = '|𝜕Ω, where ' ∈ 𝐶(Ω). It should be noted that this Dirichlet problem is not solvable for an arbitrary domain (even with a smooth boundary). For planar domains the necessary and sufficient condition for the solvability of the Dirichlet problem for an arbitrary continuous boundary function '(𝑥) is the convexity of this domain. In the space of dimension greater than two, such condition is the non-negativity of the mean curvature of the boundary w.r.t. the outward normal. In the present work we impose no conditions for domain, but we assume that for a given boundary function problem (1)-(2) is solvable. It is clear that for an arbitrary domain, such functions Ω exist. We study the issue on uniform convergence of polynomial approximate solutions to the minimal surface equation constructed by means of algebraic polynomials. In work [4] a similar convergence problem for piece-wise linear approximate solution to boundary value problem (1)-(2) was solved, while in work [8] there was given a description of numerical realization of finite elements methods based on piece-wise linear functions. Let us provide required definitions. In what follows we shall be interested in the issue on uniform convergence of a sequence of polynomial solutions '+𝑣* as → ∞. First of all, we shall show that under certain conditions, the gradients of these functions are bounded by a constant independent of 𝑁. This property will allow us to obtain an estimate for the rate of uniform convergence to the exact solution.
Список литературы О сходимости полиномиальных приближенных решений уравнения минимальной поверхности
- Березин, И.С. Методы вычислений/И.С. Березин, Н.П. Жидков. -М.: Физматлит, 1959. -Т. 2. -620 c.
- Бернштейн, С.Н. О первой краевой задаче (задаче Дирихле) для уравнений эллиптического типа и о свойствах функций, удовлетворяющих этим уравнениям/С.Н. Бернштейн, И.Г. Петровский//УМН. -1941. -№ 8. -C. 32-74.
- Бернштейн, С.Н. Об уравнениях вариационного исчисления/С.Н. Бернштейн//УМН. -1941. -№ 8. -C. 8-31.
- Гацунаев, М.А. О равномерной сходимости кусочно-линейных решений уравнения минимальной поверхности/М.А. Гацунаев, А.А. Клячин//Уфимский математический журнал. -2014. -Т. 24, № 3 (6). -C. 3-16.
- Гилбарг, Д. Эллиптические дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка/Д. Гилбарг, М. Трудингер. -М.: Наука, 1989. -464 c.
- Канторович, Л.В. Приближенные методы высшего анализа/Л.В. Канторович, В.И. Крылов. -М.: Физматлит, 1962. -709 c.
- Канторович, Л.В. Функциональный анализ в нормированных пространствах/Л.В. Канторович, Г.П. Акилов. -М.: Физматлит, 1959. -684 c.
- Клячин, А.А. Визуализация расчета формы поверхностей минимальной площади/А.А. Клячин, В.А. Клячин, Е.Г. Григорьева//Научная визуализация. Электронный журнал. -2014. -Т. 2, № 6. -C. 34-42.
- Клячин, А.А. О скорости сходимости последовательности, доставляющей минимум в вариационной задаче/А.А. Клячин//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2012. -№ 1 (16). -C. 12-20.
- Клячин, А.А. О сходимости полиномиальных приближенных решений уравнения минимальной поверхности/А.А. Клячин, И.В. Трухляева//Уфимский математический журнал. -2016. -Т. 8, № 1. -C. 72-83.
- Михлин, С.Г. Вариационные методы в математической физике/С.Г. Михлин. -М.: Наука, 1970. -512 c.
- Натансон, И.П. Конструктивная теория функций/И.П. Натансон. -М.: Гостехиздат, 1949. -688 c.
- Харрик, И.Ю. О приближении функций, обращающихся в нуль на границе области, функциями особого вида/И.Ю. Харрик//Математический сборник. -1955. -Т. 37 (79), № 2. -C. 353-384.
- Bassanezi, R.C. The Dirichlet problem for the minimal surface equation in non-regular domains/R.C. Bassanezi, U. Massari//Ann. Univ. Ferrara. -1978. -Vol. 24. -P. 181-189.
- Finn, R. Remarks relevant to minimal surfaces and to surfaces of constant mean curvature/R. Finn//J. d’Analyse Math. -1965. -Vol. 14. -P. 139-160.
- Jenkins, H. The Dirichlet problem for the minimal surface equation in higher dimension/H. Jenkins, J. Serrin//Journal f ¨ur die reine und angewandte Mathematik. -1968. -Vol. 229. -P. 170-187.
- Jonsson, A. Triangulations of closed sets and bases in function spaces/A. Jonsson//Ann. Acad. Sci. Fenn. Math. -2004. -Vol. 29, № 1. -P. 43-58.
- Rado, T. The problem of the least area and the problem of Plateau/T. Rado//J. d’Analyse Math. Z. -1930. -Vol. 32. -P. 763-796.
- Serrin, J. The problem of Dirichlet for quasilinear elliptic differential equations with many independent variables/J. Serrin//Phil. Trans. Royal Soc. London. -1964. -Vol. 264, № 1153. -P. 313-496.
- Stampacchia, G. On some multiple integral problems in the calculus of variations/G. Stampacchia//Comm. Pure Appl. Math. -1963. -Vol. 16. -P. 382-422.