Qué (quién) es Операционное исчисление - definición

один из методов математического анализа, позволяющий в ряде случаев посредством простых правил решать сложные математические задачи. О. и. имеет особенно важное значение в механике, автоматике, электротехнике и др. В основе метода О. и. лежит идея замены изучаемых функций (оригиналов) некоторыми др. функциями (изображениями), получаемыми из первых по определённым правилам (обычно, изображение - функция, получаемая из данной Лапласа преобразованием). При такой замене оператор дифференцирования р = интерпретируется как алгебраическая величина, вследствие чего интегрирование некоторых классов линейных дифференциальных уравнений и решение ряда др. задач математического анализа сводится к решению более простых алгебраических задач. Так, решение линейного дифференциального уравнения сводится к более простой, вообще говоря, задаче решения алгебраического уравнения; из алгебраического уравнения находят изображение решения данного уравнения, после чего по изображению восстанавливают само решение. Операции нахождения изображения по оригиналу (и наоборот) облегчаются наличием обширных таблиц "оригинал - изображение".

Для развития О. и. большое значение имели работы английского учёного О. Хевисайда. Он предложил формальные правила обращения с оператором р = и некоторыми функциями от этого оператора. Пользуясь О. и., Хевисайд решил ряд важнейших задач электродинамики. Однако О. и. не получило в трудах Хевисайда математического обоснования, многие его результаты оставались недоказанными. Строгое обоснование О. и. было дано с помощью интегрального преобразования Лапласа. Если при этом преобразовании функция f (t), 0 ≤ t < + ∞, переходит в функцию F (z), z = x+iy:

f (t) → F (z),

то производная

f (t) → zF (z) - f (0) (*)

и интеграл

.

Следовательно, оператор дифференцирования р переходит в оператор умножения на переменную z, а интегрирование сводится к делению на z. В след. краткой таблице даны (при t ≥ 0) примеры соответствия

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

| оригинал → | изображение |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| f (t) | F (z) |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| 1 | 1/z |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| t ⁿ | n!/z ⁿ⁺¹ (n > 0 - целое) |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| е ^λt | 1/(z - λ) |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| cos wt | z/(z ² + ω²) |

|--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------|

| sin wt | ω/(z ² + ω²) |

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Пример. Найти методом О. и. решение у = f (t) линейного дифференциального уравнения

у" - у' - 6у = 2e ^4t

при начальных условиях

y₀ = f (0) = 0 и y₀'=f'(0) = 0.

Переходя от искомой функции f (t) и данной функции 2e^4t к их изображениям F (z) и 2/(z - 4) (см. табл.) и применяя формулу (*) для изображения производных, получим

z²F (z) - zF (z) - 6F (z) = ,

или

F (z) = .

Откуда (опять по таблице)

y = f (t) =

Другой путь обоснования О. и. предложен польским математиком Я. Микусиньским (1953), опиравшимся на понятие функционального кольца. Для обоснования методов О. и. можно воспользоваться теорией обобщённых функций. Имеются различные обобщения О. и. Существует многомерное О. и., основанное на теории кратных интегралов. Созданы О. и. дифференциальных операторов, отличных от оператора р = , например B = . Эти теории также основываются на изучении функциональных колец, в которых надлежащим образом определено понятие произведения функций.

Лит.: Диткин В. А., Прудников А. П., Справочник по операционному исчислению, М., 1965; их же, Операционное исчисление, М., 1966; Микусинский Я., Операционное исчисление, пер. с польск., М., 1956; Штокало И. 3., Операционное исчисление, К., 1972.

В. А. Диткин.

раздел математики, занимающийся главным образом алгебраическими операциями, производимыми над символами операции (или преобразования).

Теория операторов. Во многих задачах математического анализа рассматриваются ситуации, в которых каждая точка одного пространства ставится в соответствие некоторой точке другого (или того же) пространства. Пространства могут быть абстрактными, в которых "точки" в действительности являются функциями. Соответствие между двумя точками устанавливается с помощью преобразования или оператора. В задачу теории операторов входит подробное описание и классификация различных видов преобразований и их свойств, а также разработка символических методов, позволяющих минимизировать и упростить вычисления. Обычно теорию операторов применяют к пространствам, в которых допускается сложение или умножение точек, т.е. линейным пространствам, группам, кольцам, полям и т.д. См. также АЛГЕБРА АБСТРАКТНАЯ
.

Проблемы и приложения. Пусть D и R - действительные линейные или векторные пространства, необязательно различные. Их элементами являются векторы, поэтому сумма двух элементов и произведение элемента на скаляр определены и удовлетворяют обычным условиям, предъявляемым к векторам. Существование конечных базисов в D и R необязательно. Пусть r, вектор из R, соответствует вектору d из D. Обозначим это соответствие T(d) = r или Td = r. Тогда T называется оператором с областью определения D и областью значений R. Оператор T является дистрибутивным, если

где . и ?. - любые действительные числа, а d и d. - любые элементы из D. Если D и R - топологические векторные пространства, в которых ?d и d + d. - непрерывные операции, то дистрибутивный непрерывный оператор называется линейным оператором. Если Q содержит D и R, то T2(d) определяется как T(T(d)) и аналогичным образом определяется Tn(d), если все эти операции имеют смысл.

Операционное исчисление позволяет осуществить абстрактные постановки задач и обобщить такие разделы математического анализа, как теория дифференциальных и интегральных уравнений. Мощным стимулом для развития теории операторов стали современные проблемы квантовой теории. Наиболее полные результаты получены для дистрибутивных операторов в т.н. гильбертовом пространстве. Интерес к этой области во многом связан с представлением таких операторов интегральными преобразованиями.

Двумя важными дистрибутивными операторами являются операторы дифференцирования p и интегрирования p-1. Элементами линейных пространств D и R в этом случае будут функции переменной x. Имеем

где m и n - неотрицательные целые числа. Так как интегрирование приводит к появлению произвольной постоянной, p-1p необязательно является тождественной операцией p0. Формальные правила комбинирования таких операторов восходят к Дж.Булю (1815-1864); например,

по теореме Тейлора (см. также КОНЕЧНЫЕ РАЗНОСТИ).

В исчислении Хевисайда, разработанном О.Хевисайдом (1850-1925), пространство D ограничено областью определения функций f (x), тождественно равных нулю при отрицательных x. Главную роль играет функция 1(x), равная 0 при отрицательных x и 1 при неотрицательных x. Приведем некоторые "правила" исчисления Хевисайда:

Если n! заменить гамма-функцией Г(n + 1), то первое из правил останется в силе и при нецелых n (определение гамма-функции см. ФУНКЦИЯ).

Основным результатом операционного исчисления принято считать теорему о композиции, или свертке, согласно которой, если F1(p)1(x) = f1(x) и F2(p)1(x) = f2(x), то

Применяя теорему о свертке к p. при ??. 0, -1, -2,..., можно определить интегрирование или дифференцирование дробного порядка. Например, рассмотрим выражение

где функция y(x) и ее первые n - 1 производных обращаются в нуль при x = 0. Пусть y(x) = Y(p)1(x), g(x) = G(p)1(x). Примем

Предположим, что . (x) = F(p)-11(x). Тогда

Стандартные правила включают в себя различные алгоритмы, связанные с разложениями на элементарные дроби рациональных функций асимптотических рядов и т.д. На практике y(x) = Y(p)1(x) часто записывают в виде y(x) Y(p) или .

К тем же общим результатам приводит и теория функций замкнутого цикла В.Вольтерры (1860-1940). Близкие теории были построены для других операторов, например для x(d/dx) и для более общих ситуаций с несколькими операциями, Вольтеррой, Пинкерле и др. Для прикладных математиков основное преимущество операционного исчисления Хевисайда заключается в сведении трансцендентных задач с независимой переменной x к алгебраическим задачам для функций, зависящих от p. Чаще всего метод Хевисайда применяется при решении дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, разностных уравнений и интегральных уравнений с ядром K(x, t) = K(x - t). В общем случае при распространении методов операционного исчисления на более сложные уравнения теряется характер "чистой алгебраизации".

Строгое обоснование соотношения F(p)1(x) = f (x) было дано с помощью интегральных преобразований Лапласа или Фурье, или абстрактно, в терминах операторов в некоторых линейных топологических пространствах, таких, как гильбертово пространство. Такой подход позволил установить условия применимости эвристических правил.