Premessa. Milano, Settembre '93.

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Agostina Vigano
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1 Premessa Questo testo raccoglie il materiale da me utilizzato, da qualche anno, per le esercitazioni del corso di Analisi III tenuto dal prof. Carlo Pagani presso la facoltà di Ingegneria del Politecnico di Milano. Trattandosi di un corso che tocca argomenti provenienti da vari settori dell'analisi matematica (come si può vedere sfogliando l'indice di questo libro), risultava difficile suggerire agli studenti un unico testo, accessibile, che potesse costituire un riferimento per esercizi, esempi e osservazioni su questi argomenti. E' questa la motivazione principale che mi ha spinto, su richiesta degli studenti, a raccogliere in un libro il contenuto delle mie esercitazioni. Il testo ha mantenuto il carattere "alla buona" dell'esposizione in aula, e riflette ovviamente le particolari esigenze didattiche del corso per il quale è nato. Perciò, mentre in generale si presentano esempi e osservazioni che presuppongono la conoscenza della teoria sottostante, in alcuni casi si è fornita un'esposizione sommaria della teoria stessa: è questo il caso della trasformata di Laplace (cap. 14), delle equazioni quasilineari del 1 ordine (cap. 16), delle funzioni di Bessel (cap. 23) e, in parte, delle funzioni speciali trattate nel Il testo raccoglie piú materiale di quanto possa essere ragionevolmente svolto in una cinquantina di ore di esercitazioni. Questo + vale soprattutto per la 3 parte (equazioni a derivate parziali), per la quale ho inteso fornire allo studente una certa varietà di esempi, che possano servire da orientamento nell'affronto di problemi simili. Cosi' pure l'ultimo capitolo (funzioni di Bessel) è stato pensato come un piccolo prontuario che lo studente potrà consultare all'occorrenza. Desidero ringraziare la Prof. ssa Luisa Rossi Costa che ha letto il manoscritto e ha dato utili suggerimenti nella stesura di questo testo. La responsabilità degli eventuali errori è naturalmente mia. Desidero inoltre ringraziare la CUSL che ha reso possibile la pubblicazione, in tempi brevi, di questo volume, ed Emanuele Volpe per il lavoro di battitura del testo. Milano, Settembre '93.

2 Parte I. Funzioni olomorfe Indice Cap. 1. LE FUNZIONI ELEMENTARI DI VARIABILE COMPLESSA 10 Cap. 2. Cap. 3. Cap Relazioni tra funzioni elementari Parte reale, parte immaginaria e modulo delle funzioni / D, sin D, cos D, Sh D, Chz D Periodicità e zeri delle funzioni /, sin D, cos D, Sh D, Chz 14 CONDIZIONI DI MONOGENEITA'. DERIVABILITA' IN SENSO COMPLESSO. FUNZIONI ARMONICHE Condizioni di monogeneità e derivabilit à in senso complesso "( 2.2. Funzioni armoniche. Armonica coniugata 22 CALCOLO DI INTEGRALI NEL CAMPO COMPLESSO. FORMULE INTEGRALI DI CAUCHY Primi esempi di calcolo di integrali nel campo complesso $! 3.2. Esempi di calcolo di integrali reali con metodi di variabile complessa Calcolo di integrali nel campo complesso mediante formule integrali di Cauchy 41 SVILUPPI IN SERIE DI LAURENT. STUDIO DELLE SINGOLARITA' DI UNA FUNZIONE. CALCOLO DEI RESIDUI Richiami sul calcolo con serie di potenze Sviluppi di Laurent Studio delle singolarit à isolate di una funzione mediante sviluppi di Laurent 50 Cap. 5. APPLICAZIONI DEI TEOREMI DEI RESIDUI Applicazioni dei teoremi dei residui al calcolo di integrali nel campo complesso Applicazioni dei teoremi dei residui al calcolo di integrali di variabile reale Integrali di funzioni razionali Lemmi di Jordan 67

3 ! 3 B Integrali del tipo V B /.B, Æ Integrali del tipo V cos *, sin *.* 79 Cap Integrali che richiedono cammini di tipo rettangolare Applicazioni del teorema dell'indicatore logaritmico e del teorema di Rouche 87 TRASFORMAZIONI DEL PIANO COMPLESSO. MAPPE CONFORMI Alcune trasformazioni notevoli del piano complesso Mappe conformi 93 Cap. 7. FUNZIONI POLIDROME Classificazione delle polidromie e ricerca dei punti di diramazione Calcolo di integrali col metodo dei residui e funzioni polidrome 108 Parte II. Spazi di funzioni, integrale di Lebesgue, trasformate Cap. 8. SPAZI VETTORIALI. SPAZI METRICI. SPAZI NORMATI Esempi di spazi di funzioni Spazi metrici completi. Sottospazi Spazi di successioni 121 Cap. 9. MISURA DI LEBESGUE Alcuni esempi di insiemi misurabili Misura e dimensione di Hausdorff di un insieme. Insiemi frattali. 126 Cap. 10. FUNZIONI MISURABILI Funzioni misurabili, funzioni continue, proprietà vere quasi ovunque I teoremi di Egoroff e di Lusin 132 Cap. 11. INTEGRALE DI LEBESGUE 137

4 11.1. Relazioni tra integrale di Riemann e integrale di Lebesgue Integrazione per successioni Integrazione per serie Integrali doppi: teoremi di Fubini-Tonelli Il teorema fondamentale del calcolo. La funzione di Vitali Derivazione sotto il segno di integrale Convoluzione di funzioni 153 Cap. 12. SPAZI _ : Esempi sull'appartenenza di una funzione a spazi _ : Disuguaglianza di Holder Teorema di Lebesgue e convergenza in norma _ : Gli spazi j : Disuguaglianza di Holder in spazi j : 166 Cap. 13. SPAZI DI HILBERT Esercizi sulla geometria negli spazi di Hilbert Uguaglianza del parallelogramma. Norme Hilbertiane Sistemi ortonormali completi formati da autosoluzioni di problemi differenziali. Funzioni speciali Polinomi di Legendre Polinomi di Laguerre Polinomi di Hermite Grafici Cap. 14. LA TRASFORMATA DI LAPLACE Prime propriet à della trasformata di Laplace Calcolo di trasformate Applicazioni della trasformata di Laplace ad equazioni differenziali ordinarie ed equazioni integro-differenziali Equazioni differenziali ordinarie lineari a coefficienti costanti Esempi di equazioni integrodifferenziali Equazioni differenziali ordinarie lineari a coefficienti polinomiali 221 Cap. 15. LA TRASFORMATA DI FOURIER Osservazioni sulle formule di trasformazione e antitrasformazione. Calcolo di trasformate Formule delle derivate La trasformata di Fourier in _ Trasformata di Fourier e convoluzione Autovalori e autofunzioni di Y su _ Calcolo di trasformate mediante metodi di analisi complessa 246

5 15.7. Relazione tra trasformata di Fourier e di Laplace. Antitrasformata di Laplace Soluzioni di equazioni differenziali ordinarie ed equazioni di convoluzione mediante trasformate 257 Grafici 264 Parte III. Equazioni a derivate parziali Cap. 16. EQUAZIONI QUASILINEARI DEL " 9 ORDINE 274 Cap Risoluzione del problema di Cauchy per equazioni 9 quasilineari del 1 ordine Equazioni lineari Equazioni omogenee Equazioni quasilineari che modellizzano problemi di traffico 288 CLASSIFICAZIONE DELLE EQUAZIONI 9 DEL # ORDINE IN # VARIABILI Il caso iperbolico Il caso parabolico Il caso ellittico Il problema di Cauchy per un'equazione iperbolica 308 Cap. 18. IL LAPLACIANO IN DUE DIMENSIONI Il problema di Dirichlet nel cerchio Altri problemi per il laplaciano in coordinate polari L'equazione di Poisson nel cerchio L'equazione di Laplace nel rettangolo L'equazione di Laplace nel semipiano Relazione tra il nucleo di Poisson nel semipiano e nel cerchio 333 Grafici 335

6 Cap. 19. IL LAPLACIANO IN COORDINATE SFERICHE. ARMONICHE SFERICHE L'equazione di Laplace in coordinate sferiche. Separazione delle variabili Il problema di Dirichlet sulla sfera con dato indipendente dalla longitudine Il problema di Dirichlet sulla sfera nel caso generale. Armoniche sferiche 346 Cap. 20. L'EQUAZIONE DEL CALORE IN UNA DIMENSIONE Il caso della sbarra finita Equazione omogenea con condizioni agli estremi omogenee Il caso della conducibilit à non costante Equazione non omogenea Condizioni agli estremi dipendenti dal tempo Problemi per l'equazione del calore sulla retta L'equazione omogenea L'equazione non omogenea Problemi per l'equazione del calore sulla semiretta Condizioni omogenee all'estremo Condizioni all'estremo dipendenti dal tempo Grafici Cap. 21. L'EQUAZIONE DELLA CORDA VIBRANTE 385 Cap Il problema di Cauchy sulla retta La corda vibrante con uno o due estremi fissati: metodi di riflessione Decomposizione in armoniche per la vibrazione di una corda fissata agli estremi Corda vibrante con condizioni agli estremi dipendenti dal tempo 399 Grafici 405 PROBLEMI AI LIMITI PER L'EQUAZIONE DELLE ONDE O DEL CALORE IN PIU DIMENSIONI. L'EQUAZIONE DI HELMHOLTZ Separazione delle variabili in problemi ai limiti per l'equazione delle onde o del calore La membrana vibrante rettangolare Lamembrana vibrante circolare 422 Grafici 429

7 Cap. 23. FUNZIONI DI BESSEL E APPLICAZIONI Equazioni di Bessel e loro integrale generale Equazioni e funzioni di Bessel modificate Andamento delle funzioni N B / Funzioni di Bessel di ordine semiintero Funzioni di Bessel come sistemi ortonormali Applicazioni delle funzioni di Bessel a problemi per equazioni a derivate parziali Equazione di Helmholtz sul cilindro Laplaciano sul cilindro Equazione di Helmholtz sulla sfera Grafici e tabelle RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI 468

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