史特姆-劉維理論與特徵函數展開

正則史特姆-劉維問題(regular Sturm-Liouville problem)

/ shtoorm lyoo-VEEL /

史特姆-劉維問題最乾淨、最值得信賴的版本——每條教科書定理都成立、不帶任何附註的那一種。可以把它想成定義在封閉、有限、性質良好、沒有任何討厭邊緣的區間上的問題。

區間 [a, b] 上的史特姆-劉維問題 -(p u')' + q u = lambda w u 在滿足以下三點時稱為正則的:區間有限(a 與 b 是實數,不是無限);係數性質良好——p、p'、q、w 在封閉區間上連續,且包含端點在內處處 p > 0 與 w > 0;以及邊界條件是分離的,意即 a 處一個、b 處一個的羅賓型條件 alpha_1 u(a) + alpha_2 u'(a) = 0 與 beta_1 u(b) + beta_2 u'(b) = 0。狄利克雷(u = 0)與諾伊曼(u' = 0)條件是熟悉的特例。

對正則問題,完整的史特姆-劉維定理以最強形式成立:有無窮多個實數、單純的特徵值 lambda_1 < lambda_2 < lambda_3 < ... 趨向正無限,每個對應一維的特徵函數空間,而這些特徵函數構成以 w 為權重的完備正交基底。第 n 個特徵函數在區間內部恰有 n-1 個零點。這是黃金標準情形;週期型與奇異型變體會放鬆其中一條假設,並付出代價(例如週期問題可能出現二重特徵值)。

兩端絕熱的細桿 0 <= x <= 1 中的熱傳導給出 -X'' = lambda X,X'(0) = X'(1) = 0:一個正則 S-L 問題(p = w = 1, q = 0, 諾伊曼條件)。特徵值 lambda_n = (n*pi)^2,n = 0, 1, 2, ...,特徵函數 cos(n*pi*x),各有 n 個內部零點——教科書般完美的正則情形。

有限區間、處處 p 與 w 為正、分離的邊界條件:一個正則問題。

正則性談的是假設條件,而非求解的難易。一個正則問題可能根本沒有封閉形式的特徵函數(若 p、q、w 是雜亂的函數),但定理依然保證特徵值、正交性與完備性確實存在。

又稱
regular S-L problem正則 S-L 問題