Метод Ритца применяется большей частью для приближённого решения вариационных задач
и тех краевых задач, которые сводятся к вариационным. Пусть задан
Функционал V [
y (
x)] (или более сложный функционал)
и требуется найти такую функцию
у (
х)
, принимающую в точках
x0 и xi заданные значения α =
у (
х0)
и β =
у (
х1)
, на которой функционал
V [
y (
x)] будет достигать
Экстремума
. Значения исследуемого на экстремум функционала
V [
y (
x)] рассматриваются не на всех допустимых в данной задаче функциях
у (
х)
, а лишь на всевозможных линейных комбинациях вида
с постоянными коэффициентами ai, составленных из n первых функций некоторой выбранной системы φ1(x), φ2(х),..., φп (х),... (от удачного выбора этой системы функций зависит эффективность применения метода к решению конкретных задач). Необходимым условием выбора системы функций φ1(х) является требование, чтобы функции уп (х) удовлетворяли условиям уп (хо) = α и yn (x1) = α для всех значений параметров a1. При таком выборе функций уп (х) функционал V [y (x)] превращается в функцию Ф (а1, a2,..., an) коэффициентов ai, последние выбирают так, чтобы эта функция достигала экстремума, т. е. определяют их из системы уравнений
(
i=1, 2, ..., n).
Например, пусть требуется решить задачу о минимуме интеграла
при условии y (0) = y (1) = 0. В качестве функций φi (x) можно взять xi (1 - х), тогда
.
Если
n = 2, то
. Для определения коэффициентов
a1 и a2 получаем после вычислений два уравнения
;
.
Решением этих уравнений являются числа
a1 =
71/369
и a2 =
7/
41. Следовательно,
. Полученное приближённое решение отличается от точного на величину порядка 0,001.
Найденное этим методом приближённое решение уп (х) вариационной задачи при некоторых условиях, касающихся в основном полноты системы функций φi (x), стремится к точному решению у (х), когда n → ∞.
Метод был предложен в 1908 немецким математиком В. Ритцем (W. Ritz). Теоретическое обоснование метода дано сов. математиком Н. М. Крыловым (1918).
Метод Галёркина является широким обобщением метода Ритца и применяется главным образом для приближённого решения вариационных и краевых задач, в том числе и тех, которые не сводятся к вариационным. Основная идея метода Галёркина состоит в следующем. Пусть требуется в некоторой области D найти решение дифференциального уравнения
L [u] = 0 (1)
(L - некоторый дифференциальный оператор, например по двум переменным), удовлетворяющее на границе S области D однородным краевым условиям:
u = 0. (2)
Если функция
u является решением уравнения (1) в области
D, то функция L [
u] тождественно равна нулю в этой области
и, следовательно, ортогональна (см.
Ортогональность) любой функции в области
D. Приближённое решение уравнения (1) ищут в виде
, (3)
где ψi (x, y) (i = 1, 2,..., n) - линейно независимые функции, удовлетворяющие краевым условиям (2) и являющиеся первыми n функциями некоторой системы функций ψ1(x, у), ψ2(х, у),..., ψп (х, у),..., полной в данной области. Постоянные коэффициенты ai выбирают так, чтобы функция L [un] была ортогональна в D первым n функциям системы ψi (x, y):
(4)
(i=1, 2, ..., n).
Например, пусть в области D требуется решить уравнение Пуассона
при условии u = 0 на S. Выбирая систему функций ψi (x, y), ищем решение в виде (3). Система уравнений (4) для определения коэффициентов ai имеет вид:
(i=1, 2, ..., n).
Функции ψ
i (
x, y) можно, в частности, выбирать, пользуясь следующими соображениями. Пусть ω(
x, y) - непрерывная функция, имеющая внутри области
D непрерывные частные производные второго порядка
и такая, что ω(
x, y) > 0
внутри
D, ω(
x, y)
= 0 на
S. Тогда в качестве системы функций ψ
i (
x, y) можно взять систему, составленную из произведений ω(
x, y)
на различные степени
х и y:
,
,
,
, ... Например, если границей области
D является окружность
S радиуса
R с центром в начале координат, то можно положить ω(
x, y) =
R2 - x2 - y2.
Метод Галёркина применяется при решении широкого класса задач; более общая его формулировка даётся в терминах функционального анализа (См.
Функциональный анализ) для решения уравнений вида
Au - f = 0, где
А - линейный оператор, определённый на линеале, плотном в некотором гильбертовом пространстве
H, u - искомый
и f - заданный элементы пространства
H.
Метод получил распространение после исследований Б. Г.
Галёркина (1915); ранее (1913) он применялся для решения конкретных задач теории упругости
И. Г.
Бубновым
, в связи с чем иногда именуется методом Бубнова -
Галёркина. Теоретическое обоснование метода принадлежит М. В.
Келдышу (1942).
Лит.: Галёркин Б. Г., Стержни и пластинки. Ряды в некоторых вопросах упругого равновесия стержней и пластинок, "Вестник инженеров", 1915, т. 1, № 19, с. 897-908; Михлин С. Г., Вариационные методы в математической физике, 2 изд., М. - Л., 1970; Канторович Л. В. и Крылов В. И., Приближённые методы высшего анализа, 5 изд., Л. - М., 1962; Ritz W., Neue Methode zur Lösung gewisser Randwertaufgaben, "Gesellschaft der Wissenschaften zu Göttingen. Math.-physik. Klasse. Nachrichten", Göttingen, 1908; его же, Über еще neue Methode zur Lösung gewisser Variationsprobleme der mathematischen Physik, "Journal für die reine und angewandte Mathematik", 1909, Bd 135.
В. Г. Карманов.