12.3. Il problema di Dirichlet nel piano. In questa lezione si vuole dare risoluzione completa e rigorosa del problema di Dirichlet nel piano:

Documenti analoghi
15 Problema di Dirichlet nel piano

Elettromagnetismo. Prof. Francesco Ragusa Università degli Studi di Milano. Lezione n

A.2. (a u) k+1 sse Z < a u e Z z u (A.2) (z i)(z + i) = 1 2i. (i u) k+1 Z k (A.3) (i u) k+1. (x u) k (A.4) soluzioni dei problemi A-9

Appunti integrativi per il Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2015/2016

Esistenza ed unicità per equazioni differenziali

Elettromagnetismo. Prof. Francesco Ragusa Università degli Studi di Milano. Lezione n

x = v y = v Per x = r cos θ e y = r sin θ, si ha x r + v y r = v x Applichiamo CauchyRiemann alla prime due Per confronto otteniamo = +r

Esponenziale complesso

f(n)r n e inx lim Se f(x) C(T) allora f S (r) f(x) = lim e inx

CM86sett.tex COMPLEMENTI DI MATEMATICA a.a Laurea magistrale in Ingegneria Elettrotecnica

ANALISI VETTORIALE COMPITO IN CLASSE DEL 8/11/2013

DIARIO DELLE LEZIONI DEL CORSO DI FISICA MATEMATICA CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA

Il teorema di rappresentazione

MODELLI e METODI MATEMATICI della FISICA. Programma dettagliato del corso - A.A

Definizione 1.1. Dato un insieme non vuoto X, si dice distanza una funzione d : X X R tale che

Analisi Matematica 3, a.a Scritto del quinto appello, 11 settembre 2019 Testi 1

Convergenza per funzioni tra spazi metrici. Funzioni uniformemente continue e Lipschitz continue. Esempi. somma e prodotto, il campo C dei numeri

ISTITUZIONI DI ANALISI SUPERIORE B Prova scritta del 17/3/2003

I numeri complessi. Richiami di teoria. AMA Ing.Edile - Prof. Colombo 1. Esercitazioni: Francesco Di Plinio -

Argomento della lezione N. 2. Argomento della lezione N. 1. Argomento della lezione N. 11. Argomento della lezione N. 12

Esercizi di riepilogo 2: soluzioni ( Verifica di analisi funzionale e serie di Fourier)

Argomento della Lezione N. 1 Argomento della Lezione N. 2 Argomento della Lezione N. 11 Argomento della Lezione N. 12 Introduzione al corso.

MODELLI E METODI MATEMATICI DELLA FISICA A.A. 2011/2012 Prof. C. Presilla. Prova A1 3 Maggio 2012

MODELLI e METODI MATEMATICI della FISICA. Programma dettagliato del corso - A.A

USO DELL ORTOGONALITÀ E DELLE UNITÀ APPROSSIMANTI

Esercizio 1. Calcolare per n Z z 2. Soluzione: Per n 0 si ha che l integrale é nullo per il teorema integrale di Cauchy. Per n = 1 si ha che 2

Argomento della lezione N. 1. Argomento della lezione N. 2. Argomento della lezione N. 12. Argomento della lezione N. 11

Dimostrazione. Indichiamo con α e β (finiti o infiniti) gli estremi dell intervallo I. Poniamo

ANALISI UNO (A.A. 2008/2009, Docente: S. Finzi Vita) Programma svolto settimanalmente

Esempi di domande tipo per l esame di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2014/2015 (seconda parte)

dx dy = 2r vediamo che l effetto dello Jacobiano su (dx, dy) è semplicemente la moltiplicazione per il numero complesso 2z, cioè dw = (2z)dz

Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2017/2018 Domande-tipo di teoria sulla prima metà del corso

Soluzione della Prova Scritta di Analisi Matematica III - 28/02/02. C.L. in Matematica e Matematica per le Applicazioni. Prof. Kevin R.

ANALISI MATEMATICA I per Ingegneria Aerospaziale - A.A Diario delle lezioni. Mercoledì 2 ottobre 2013 (2 ore)

DIARIO DELLE LEZIONI DEL CORSO DI FISICA MATEMATICA A.A. 2013/2014 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA

I teoremi della funzione inversa e della funzione implicita

R 1 R La rigidità delle funzioni analitiche.

CORSO di MATEMATICA del CONTINUO per Informatica Musicale, a.a. 2017/18 GUIDA ALLE PROVE ORALI ( 1 )

Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2016/2017 Esercizi svolti sulle funzioni di variabile complessa (1)

Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2016/2017 Domande-tipo di teoria sulla prima metà del corso

Analisi Matematica 3 (Fisica) Prova scritta del 17 febbraio 2012 Un breve svolgimento delle versioni A

Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2015/2016 Domande-tipo di teoria sulla prima metà del corso

Esame di Metodi Matematici per l Ingegneria

Analisi Matematica 3/Analisi 4 - SOLUZIONI (20/01/2016)

Registro delle lezioni

Soluzioni 7.2. dx (1 + x 2 ) 3. f(z) = (1 + z 2 ) 3. 2 (z + i) 5 = 3i 16. y K. R R x. dx (1 + x 2 ) 3 = 3π 8. e ax dx 1 + e x, 0 < a < 1

METODI MATEMATICI DELLA FISICA A.A. 2006/2007 Prof. C. Presilla. Prova finale 29 marzo 2007

Analisi Matematica 1 Soluzioni prova scritta n. 1

DIARIO DELLE LEZIONI DEL CORSO DI FISICA MATEMATICA A.A. 2011/2012 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA

Modelli e Metodi Matematici della Fisica. S1/AC

Registro delle lezioni

Capitolo 1 ANALISI COMPLESSA


Si dimostri che la (*) possiede un unica soluzione (u n ) limitata.

Sviluppi e derivate delle funzioni elementari

Esercizi sulle equazioni differenziali a cura di Sisto Baldo, Elisabetta Ossanna e Sandro Innocenti

Analisi Matematica 2. Michele Campiti. Prove scritte di. Ingegneria Industriale a.a

esiste. Esempio 3. La successione e x2 /n 2 è regolare. In questo caso il limite è

ESERCIZI DI ANALISI MATEMATICA II. sin(tv) v. f(v) dv = (1 + t) (e 1/t + 1)

Argomento della lezione N. 11. Argomento della lezione N. 12. Argomento della lezione N. 13. Argomento della lezione N. 14

ANALISI 1 - Teoremi e dimostrazioni vari

Corso di Laurea in Matematica Prova di Analisi in più variabili 2

Analisi Matematica T_2 (prof.g.cupini) A.A CdL Ingegneria Automaz./Energ.Elettrica - Univ.Bologna REGISTRO DELLE LEZIONI

Prove scritte dell esame di Analisi Matematica II a.a. 2013/2014

Argomenti delle singole lezioni del corso di Analisi Matematica 2 (Ingegneria Edile-Architettura, A.A )

Elettromagnetismo. Prof. Francesco Ragusa Università degli Studi di Milano. Lezione n

Equazione di Laplace

Analisi Matematica III 16 Gennaio (x 1) 2 + y2

Risoluzione del compito n. 2 (Febbraio 2018/2)

formula è che ci sono infinite scelte per l angolo θ di un dato punto z,

Diario del corso di Analisi Matematica 1 (a.a. 2017/18)

Approfondimenti. Rinaldo Rui. ultima revisione: 29 maggio Secondo Principio della Termodinamica

Raccolta degli Scritti d Esame di ANALISI MATEMATICA U.D. 2 assegnati nei Corsi di Laurea di Fisica, Fisica Applicata, Matematica

Se la serie converge in C, il limite a cui tende si chiama somma della serie.

Analisi Matematica A e B Soluzioni Prova scritta n. 3

Analisi Matematica 1 Ingegneria Informatica Gruppo 4, canale 6

Esercizio III Calcolare la trasformata di Fourier della funzione. Esercizio IV Sviluppare la funzione. Tema d esame. Giugno 2004

PROVA SCRITTA ANALISI II

SUCCESSIONI E SERIE NUMERICHE E DI FUNZIONI

Elettromagnetismo. Prof. Francesco Ragusa Università degli Studi di Milano. Lezione n

I numeri complessi. Andrea Corli 31 agosto Motivazione 1. 2 Definizioni 1. 3 Forma trigonometrica di un numero complesso 3

7 febbraio I titoli si riferiscono alle Dispense del Corso 1 :

DIARIO DELLE LEZIONI DEL CORSO DI FISICA MATEMATICA A.A. 2012/2013 CORSO DI LAUREA MAGISTRALE IN INGEGNERIA MECCANICA

0.1 Numeri complessi C

Argomenti delle singole lezioni del corso di Analisi Matematica 1 (Laurea triennale di Matematica, A.A )

Analisi Matematica 2 - A

Metodi Matematici per la Fisica

Esercizio 1. (i) Si dia la definizione di successione delle somme parziali per una serie di funzioni. (ii) Data la serie n + 1.

Diario del corso di Analisi Matematica 1 (a.a. 2016/17)

Corso di Metodi Matematici per l Ingegneria A.A. 2017/2018 Domande-tipo di teoria sulla seconda metà del corso

Esercizi sull equazione di Laplace

APPLICAZIONI di MATEMATICA A.A

Soluzione della Prova Scritta di Analisi Matematica 4-25/06/13. C.L. in Matematica e Matematica per le Applicazioni. Proff. K. R. Payne e E.

Diario del corso di Analisi Matematica 1 (a.a. 2018/19)

Funzioni di più variabli: dominio, limiti, continuità

Indice breve. Funzioni di una variabile. Funzioni di più variabili e funzioni vettoriali. Equazioni differenziali. Funzioni olomorfe e trasformate

Funzioni di più variabli: dominio, limiti, continuità

La Trasformata di Fourier: basi matematiche ed applicazioni. Parte II

f(x) := lim f n (x) Se introduciamo la norma uniforme di una funzione f (sull insieme A) mediante := sup f(x)

Corso di laurea in Ingegneria civile - ambientale - edile Prova scritta del 3 febbraio Regole per lo svolgimento

Transcript:

12.3. Il problema di Dirichlet nel piano. In questa lezione si vuole dare risoluzione completa e rigorosa del problema di Dirichlet nel piano: u = 0 in R u = g in R 12.3.1. Distribuzione di temperatura in una piastra e teorema di Gauss della media. Consideriamo un flusso costante di calore in una piastra metallica le cui facce sono isolate. Nell interno della piastra T (z) è una funzione armonica, T = 0, e il flusso di calore è il campo vettoriale T. Misuriamo la temperatura lungo la circonferenza C di un cerchio di raggio R = 1 (non c è restrizione, basta cambiare scala di lunghezza), l interno del quale è privo di sorgenti e pozzi, e il cui centro possiamo scegliere convenientemente come l origine. Quando Z = e iθ si muove lungo C, possiamo esprimere la temperatura come funzione dell angolo, T = T (θ) def = T (e iθ ) È fisicamente plausibile che questi valori determino la temperatura in qualunque punto interno z. Sappiamo già che le cose stanno così per il centro del cerchio: il teorema della media di Gauss afferma che T (0) def =< T >= 1 T (θ)dθ e anche se non avessimo saputo nulla del teorema della media, da fisici, questa è la formula che avremmo scritto immediatamente per la temperatura nel centro. Che altro se non questo? Scopo di questa lezione è mostrare che la chiave di volta per risolvere il problema di Dirichlet nel piano è il teorema della media di Gauss. Essendo questo un risultato profondo di matematica, vogliamo arrivarci per gradi, chiarendo tutti i passi che si devono compiere, cercando di fare apprezzare così la bellezza del risultato che si ottiene. Per il momento abbiamo impostato il problema per il disco unitario D con condizioni al contorno sul suo bordo T 12.3.2. Risoluzione del problema per trasformazione conforme. Se esistesse una trasformazione conforme z = h(z) del disco D in sè stesso che scambiasse il punto z con l origine, allora T (z ) sarebbe armonica perché una trasformazione conforme preserva l armonicità. Inoltre, il problema sarebbe immediatamente risolto: la temperatura nel punto z = a sarebbe ottenuta con il teorema della media di Gauss per la distribuzione sul bordo trasformata. Avremmo cioè (1) T (a) = T (0 ) = 1 1 T (θ )dθ,

una formula che interpretiamo così: la temperatura in 0 nel piano z è la media della nuova distribuzione di temperatura su C ottenuta trasportando la temperatura in ogni punto Z di C nel nuovo punto Z di C. Ma a trasformazione cercata esiste e l abbiamo appena studiata nella lezione 12.1! È la trasformazione swap che scambia un punto qualunque nel cerchio con il centro del cerchio: h(z) = z = Z a āz 1, a < 1 12.3.3. Ciò che è naturale per la matematica lo è anche per la fisica. Verifichiamo che la soluzione matematica naturale è anche la soluzione fisica naturale (che avremmo potuto trovare indipendentemente dalla matematica). È fisicamente intuitivo che la temperatura in un punto z sia una media pesata dei valori sul bordo: se il punto z è al centro, i punti sul bordo pesano tutti allo stesso modo, se z non è nel centro occorre pesare diversamente i punti più vicini da quelli più lontani. Ma in che modo? Con un po di ingegnosità, si arriva alla trasformazione swap, nella sua forma geometrica dell esercizio 1 della lezione precedente. Consideriamo l esempio considerato da Needham 1 : la metà sinistra è del bordo del cerchio è a 0 0 e quella di destra a 100 0 0 0 100 0 0 0 2 100 0 (a) (b) Con la costruzione geometrica dell esercizio 1 il contributo della parte lontana risulta correttamente ricalibrato: per trovare la temperatura in z = a si trasporti ciascuna temperatura su T nel punto direttamente opposto come visto da z = a, quindi si prenda la media della nuova distribuzione di temperatura così ottenuta. 1 Needham fa ben di più: usa la caratterizzazione geomertica per arrivare alla trasformazione swap.

12.3.4. Formula risolutiva per il disco unitario. Calcoliamo il secondo membro di (1). Per cambiamento di variabili si ottiene 1 T (θ )dθ = 1 Ma, per l esercizio 2 (con z anziché a), Allora (2) T (z) = 1 T (θ)dθ = 1 dθ dθ = 1 z 2 2. 2 T (θ)dθ. T (θ) dθ dθ dθ 12.3.5. Il nucleo integrale di Poisson. La soluzione dell equazione di Laplace risulta così espressa in termini del nucleo integrale 2 che è chiamato nucleo di Poisson. È utile conoscere le sue proprietà e comprendere meglio la formula (2). Incominceremo col riscrivere la formula (2) così (3) u(z) = 1 2 g(eiθ )dθ. Il cambiamento è sia cosmetico sia cautelativo: cosmetico, perché abbiamo cambiato nome alla funzione: u ci ricorda meglio che alle spalle abbiamo una funzione analitica f = u + iv, di cui, appunto, u è la parte reale; cautelativo, perché abbiamo chiamato g la la condizione al contorno che vorremmo assegnare, più o meno, arbitrariamente. Che sul cerchio u e g coincidano, non può essere assunto, ma deve essere dimostrato. E la dimostrazione ci dirà quali condizioni g deve soddisfare. Procediamo per punti. P 1. Il nucleo di Poisson è la parte reale di una funzione analitica. Più precisamente, per z = re it D (r < 1) e Z = e iθ T si ha ( ) (4) = 1 r 2 e iθ 2 1 2r cos(t θ) + r = Re + z. 2 Dim. ( ) ( ) e iθ + z (e iθ + z)(e iθ z) Re = Re = 1 z 2 2 2 3

P 2. La soluzione u = u(z) pùo essere espressa come un prodotto di convoluzione tra il nucleo di Poisson e la funzione sul bordo. In altre parole, la formula (3) può essere riscritta come (5) u(z) = 1 P r (t θ)g(e iθ )dθ P r g(t), z = re it D. dove P r (φ) = Dim. Segue immediatamente dalla (4). P 3. La funzione (6) f(z) = 1 1 r 2 1 2r cos(φ) + r 2. ( ) e iθ + z g(e iθ )dθ è una funzione analitica in D per qualunque funzione integrabile reale g su T. Dim. Segue da Cauchy-Riemann. L equazione (6) è detta formula di Schwartz e permette di ricostruire la funzione analitica completa f(z) nel disco D a partire dalla sua parte reale su T. P 4. La funzione u(z) = P r g(t) è una funzione armonica di z = re it D per qualunque funzione integrabile g su T. Dim. Segue dal fatto che la parte reale di una funzione analitica è armonica e u(z) è in effetti la parte reale della funzione f(z) del punto 3: P r g(t) = 1 P r (t θ)g(e iθ )dθ = 1 = Re 1 Il prossimo punto merita un capitolo a parte. ( e iθ + z Re ( e iθ + z ) g(e iθ )dθ ) g(e iθ )dθ 4 12.3.6. Il nucleo di Poisson come successione regolare approssimante la delta. In figura sono riportati i grafici del nucleo di Poisson per r =

5 0.7, 0.8, 0.9, 0.92 in φ < π. 25 22.5 20 17.5 15 12.5 10 7.5 5 2.5-2.8-2.4-2 -1.6-1.2-0.8-0.4 0 0.4 0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 Sembra una successione di approssimazioni della delta di Dirac e, in effetti, lo è. Ma è la delta su T e non su R. Data una successione r n tendente a 1, la corrispondente successione di nuclei integrali di Poisson P r (φ) = 1 r 2 1 2r cos(φ) + r 2. è una successione regolare di buone funzioni, nel modo in cui possono essere buone le funzioni su T: ovviamente non può esserci decrescenza all infinito, visto che T è compatto. Se prolungassimo φ a destra e a sinistra i grafici si ripeterebbero periodicamente. Le proprietà che rendono la successione 1 P r, r 1, una successione di approssimanti della delta su T sono le seguenti: (1) P r (φ) > 0 per tutti gli z = re iφ D (cioè per r < 1 e φ < π). (2) 1 π P r(φ)dφ = 1 (3) Il massimo di P r (φ) fuori da qualunque intorno ( δ, δ) di φ = 0, non importa quanto sia piccolo, tende a 0 per r che tende a 1.

Queste proprietà si dimostrano facilmente: (1) è ovvio; (2) è lasciato come esercizio (facile); (3) segue dall osservazione che 1 + r 2 > 2r (perché (1 r) 2 > 0), da cui P r (φ) = 1 r 2 1 2r cos(φ) + r 2 1 r 2 2r(1 cos(φ). che tende a a 0 per r 1 in tutti i punti per cui cos φ 1. 12.3.7. Teorema principale di convergenza uniforme. Vogliamo adesso dimostrare che se g è una funzione continua su T, la funzione u(z) = u(r, t) = 1 P r (t θ)g(θ)dθ, z = re it D converge uniformemente a g quando r tende a 1 (per semplicità di notazione abbiamo scritto g(s) invece di g(e is )). Dim. Stimiamo l errore tra il limite e la funzione u: E r (t) = g(t) u(r, t) = g(t) 1 P r (t θ)g(θ)dθ Per cambiamento di variabili t θ = s, si ha 1 P r (t θ)g(θ)dθ = 1 P r (s)g(t s)ds Allora E r (t) = g(t) 1 P r (s)g(t s)ds = 1 π P r (s) [g(t) g(t s)] ds, essendo 1 π P r(s)ds = 1. Poiché il modulo dell integrale è minore o uguale dell integrale del modulo (e P r (s) è positiva), otteniamo E r (t) 1 δ P r (s) g(t) g(t s) ds. I problemi nascono da s = 0, dove P r (s) diverge. Separiamo allora l integrazione in due parti, una su un piccolo intorno dello 0 e l altra sul resto: E r (t) 1 [ δ δ ] + + P r (s) g(t) g(t s) ds. δ La funzione g è continua in un intervallo chiuso e limitato e quindi limitata da una 1 r costante M. Per s > δ il massimo di P r (s) è maggiorato da 2 che tende 2r(1 cos(δ) a zero per r che tende a 1. Quindi E r (t) 1 δ δ P r (s) g(t) g(t s) ds + 2M 1 r2 2r(1 cos(δ). La funzione g è continua su T, ma poichè T è compatto (=chiuso e limitato) per il Teorema di Heine-Cantor è anche uniformemente continua. Si fissi allora un ɛ 6

arbitrario, dalla continuità uniforme segue che esiste un δ > 0 tale che per tutti i t e s con s < 1 si ha g(t) g(t s) < ɛ/2. Quindi, per ogni ɛ esiste un δ tale che E r (t) ɛ 2 + 2M 1 r2 2r(1 cos(δ). Si prenda r così vicino a 1 che il secondo termine sia minore di ɛ/2. Allora E r (t) ɛ Che è quando si voleva dimostrare: l errore tende a zero uniformemente in t, cioè la funzione u(z), armonica nel disco D converge uniformemente al suo valore assegnato g sulla frontiera T quando z tende a un punto della frontiera. In questo modo risulta stabilita l esistenza di soluzioni del problema di Dirchlet nel disco con condizioni continue al bordo. L unicità è stata stabilita nella lezione 12.2.4. Fine (per il disco). 12.3.8. Il problema generale. Per il teorema delle rappresentazioni di Riemann, risolto il disco, il problema è risolto (esistenza e unicità della soluzione) per qualunque regione la cui frontiera è una curva semplice chiusa. 7