научная статья по теме Гибридное интегральное преобразование свёртки: приложения для функций вида 1/(x2 + g2) Биология

Текст научной статьи на тему «Гибридное интегральное преобразование свёртки: приложения для функций вида 1/(x2 + g2)»

DOI: 10.12731/wsd-2015-8.2-22 УДК 517.442; 517.443

ГИБРИДНОЕ ИНТЕГРАЛЬНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СВЁРТКИ: ПРИЛОЖЕНИЯ ДЛЯ ФУНКЦИЙ ВИДА 1/(x2 + g2)

Сагитов Ю.Х., Аширбаев Н.Д., Мелешко И.В.

Предлагаемая работа является 4-ым этапом исследования гибридного интегрального преобразования свёртки и оно посвящено её применению для комбинаций: линейной и квадратично убывающей функций; линейно и квадратично убывающих функций; двух квадратично убывающих функций; предлагаются приложения свёртки в виде вычисленных определённых и несобственных интегралов от данной комбинации функций.

Ключевые слова: определённый и несобственный интегралы; Фурье и Лаплас интегральные преобразования; гибридное интегральное преобразование свёртки; сходящийся интеграл; равномерно сходящийся интеграл.

HYBRID INTEGRAL TRANSFORMATIONS OF CONVOLUTION: APPLICATIONS FUNCTION OF THE FORM 1/(g2 + z2)

Sagitov Ju.Kh., Ashirbaev N.K., Meleshko I.V.

The proposed work is the 4th phase of the study hybrid integral transforms convolution and it is devoted to its application for combinations: linear and quadratic decreasing functions; linear and quadratic decreasing functions; two quadratic decreasing functions; provides apps in the form of a convolution of the calculated and certain improper integrals from a given combination of features.

Keywords: definite and improper integrals; Fourier and Laplace integral transforms; hybrid integral transform of a convolution; a convergent integral; the integral is uniformly convergent.

Введение

Данная работа является продолжением исследования, начатого в работе [1], где было выведено гибридное (Фурье-Лаплас) интегральное пре-образование свёртки и приведена основная теорема с доказательством и следствия из неё. Предложенный метод является достаточно эффективным в различных математических исследованиях, например, при вычислениях определённых и несобственных интегралов, при нахождении частных и общих решений интегральных и интегро-дифференциаль-ных уравнений определённого типа, а также систем таких уравнений, при решении краевых задач математической физики. На данном этапе, основное направление исследования сосредоточено на первом направлении: применение гибридного (Фурье-Лаплас) интегрального преобразования свёртки для вычисления определённых и несобственных интегралов для различных функций. Так, в работе [1] приводятся результаты для кусочно-постоянных функций; в статье [2] - для комбинации кусочно-пос-то-янных функций и функций типа 1/(x + g); следующая работа (Сагитов Ю.Х., Аширбаев Н.Д., Куприенко Е.Ю. «Гибритное интегральное преобразование свёртки: приложения для функций вида /(x + g)»)1 - целиком посвящена вычислению интегралов для комбинации двух кусочно-линейно убывающих функций вида 1/(x + g). Объём приложений к основной теореме и её следствий достаточно большой, поэтому результаты исследования разбиты на несколько статей. Для целостного восприятия излагаемого материала применяется сквозная нумерация, что позволяет использовать адресные ссылки на предыдущие статьи под номером формулы, которая в ней задавалась. Предлагаемая часть исследования посвящена приложениям формулы свёртки для комбинаций кусочно-непрерывной квадратично убывающей функции вида 1/( x2 + g2) с кусочно-непрерыв-

1 Готовится к печати; выйдет в сентябре.

ными постоянной функцией, линейно убывающей функцией вида 1/(х + g) и квадратично убывающей функцией.

Приложение 4. Применение формулы свёртки для функций вида 1/^2 + g2)

4.1. Пусть

0, 0 <х<а р(х)= • 1, а<х<Ь, ф{х)=-0, Ь<х< оо

причём в общем случае а^Ъ^ 0<а,Ь^,г<ж.

Подставим явные выражения функций (80) в интегральные равенства (4) [1, с. 77], (5) [1, с. 78] и (6) [1, с. 78], тогда

О, 0 < х < а 1/(с2+£2) а<х<Ъ О, Ъ < х < 00

(80)

г х ек Ь -х _ 1

+ = -г2)

Ы'

( и2 _1_ г,1 \ 0+2

уТ?,

а2+Е2

(81)

г с!х Ъ-х _ 1

(82)

х <| — • arctg

(Ъ-а)г г2 + а-Ь

■1п

(Ь2+г^

2 2

---агсЩ

8

\Ь-а).

ё

+а-Ъ

■1п

1.2 , „2 О +g

2 2

г ¿¿с_^

!х.<?2+ё2){?2+22)

1п

Ъ-х а+х

а-х Ь+х

2 2

(1 ~(Ь-а)г~ _22 +а-Ь \ 2 ( 1

— ■ агсф — — ■ аге2£

I2 и

Я2+а-Ъ

(83)

Видоизменим формулы (81) и (82), используя свойство суммы логарифмов по одному основанию, с той целью, чтобы в последующем в получившихся выражениях можно было перейти к пределу Ь ^ В итоге

г хсЬс ¡{?2+ё2){?2+22)

Ы

Ъ2-х2 а1 +

-х2 й2+g2

(84)

1п

Гъ 2 + 22Л

Ъ-х a+g

а2 + г2

-£п

2\

а-х b+g

8 -г

¿>2+g

— • arcíg

(Ь-а)г г2 + а -Ъ

х (85)

х£п

a + g Ъ2+г:

b + g V а +г

---агс/£

£п <*+8

ъ+ш

0, 0 < х < а l/(?2+g2) а<х<Ь, О, Ъ<х< оо

(86)

^ £2+а-Ъ_

4.2. Пусть

О, 0 < х < а Р{х)= ■ \/{х + g), а<х< г»,ф(х)= О, Ъ<х< со

причём в общем случае a^bфgфz; 0<а,Ь^,г<к>.

Подставим явные выражения функций (86) в интегральные равенства (4) [1, с. 77], (5) [1, с. 78], затем произведём переобозначение вида: F(x) » F(x) и вновь подставим в (5), и в завершении, заданные в первоначальном виде

функции подставим в (6) [1, с. 78]. В итоге

ь

\

х-с1х

1п

Ъ-х а

а-х у Ъ т§

Ь+х a+g

а+х b+g

(1.Т- , _2 „2 . „^ 0+2 а +g

^1 ■ arctg

(Ъ-а):

г <к

х-£п

г2 +а-Ъ Ь2-х2 а2+ё2

а + § \Ъ

b+g \а+г

(87)

■ы

а2-х2 Ь2+ё7 л г

<*+8 \ь +8

b + g ^¡a¿+g

1

Ъ-х а +

а-х \Ъ+g

2 2 Г+г2

•1п

Ь2 + г2 а2+22

2-В2

■1п

Ь2+Е2 а2+ё2

а -g

Ъ2 ~2

х \ — • аг

8 . ^

(Ь-а)г г2 + а-Ъ

■ы

\

(ъ2

\а2 + г

а2 ~82

Ь2 ~82

х(88)

-£п

a+g Ь+г

b+g \а +г

ск

х

2+22)

(Ь-а)- 2

г2 +а-Ь_

х-Ы

Ь-х

а-х

а + х

агсЩ

(Ь-а)-2

аг^ (Ь-а}

Ь + х

(Ь-а)-2 г2 + а-Ь

Е

82+а-Ь

0

1

х-£п

Ь-х

а-х

а + ё

-ё-Ь 2

(Ь-а}

Ь-х а-х

/

И

а + ё 6 + ^

4

£

Г + г2

а2 + 22

(89)

¿■+а-Ь

+ (п а + £ [Ь

+ Я 11а

1 + а-Ь

\--arctg

Ь + ё

~(Ь-а)-2

Ь-х

а-х

\

а + х Ь + х

1 +а-Ь

а + £ \Ь +£

b+g \а+2

(90)

4.3. Пусть

(Ь-а)

| агсг£

(Ь-а)

-1п

а + ё Ь2+£

Ъ+g \а +g

^(х)= ф(х)-

0, 0 < х < а 1/(*2+Я2) а<х<Ъ, О, Ъ<х< со

(91)

причём в общем случае а^Ь^ 0<а,Ь^,г < со.

Подставим явные выражения функций (91) в интегральные равенства (4) [1, с. 77], (5) [1, с. 78] и (6) [1, с. 77]. В итоге

ь ^ \1п а \ Ь2-у л а2+ёЛ X

2 2 а -х Ь2+82;

■1п

ГЪ2+22 а2+82Л а2+22' Ъ2+&2

£п

Ъ2-х2 а2+§<

а2-х2 Ь2+87

+ Ы

Ъ—х а+х

а—х Ь+х

<!2 + ё2)-^ + 22)~

'■•й-*)

■ arctg

(b - a)- z z2 + a b

■in

íb2 +z2 a2+g2^ yCt2 +z2 b2 +g2 y

U2

b —a

D

jen

b-x a+x

a-x b+x r\

dx

arctg

1

(b-a)-

8

g+a-b

(93)

x-(f 2 + g2J-(x2+z2y(g2-z2J

— ■ arctg z

\2

— • arctg yg

(b-a)-g2 + a-b

g

\2}

arctg

x < arctg

(b-a)

■g

g+a-b

g-(b-a)-(g2-a-b)¡1

z2+a-b (b-a)g

g+a-b

(94)

Преобразуем формулу (93), используя известное свойство логарифмов

D

b-x

dx

1

1 [1

+ — ■ arctg g

•arctg

(b-a}.

arctg

z + a - b

(b-a)g

■£n

b2+z2^

g+a-b

ln

7 1

a +g

r¿ , 2 b +g )

+(95)

g-a^Ja+g

b - a _ _

' g-{g2-z2W+g2W+g2)\2-g-(b + a)l\b2+g2) или

i „2\

-arctg

(b-a)g

g1 + a-b

|in

b-x a+g dx 1 1 1 •j — -arctg z ~(b-a)-z~

a-x b + g (x2+g2).(x2+z2) 2 _z2 + a-b_

х.Ы

b2+z2 fa + g

a +z \b+g

' g-k1-*2)] 2-g2

1 н---arctg (b-a)-g~ ■in

S g + a-b _

a2 + g2 f b + g

\2

b2+g2 l^a + g

•arctg

Г(й-а> g ■en a2 + g2 { , Л 2 \ 8

g2+a b b2+g2 U+gJ

(96)

b2-a2

g2 - a-b

Íl>2+g2W+g2)\2-g-(b + a)

■ en

a2 + g2

b+g

í6+gTl - arctg ~(b-a)g 2 i lili

g+a-b

Вычтем из (90) формулу (94), предварительно умноженную на параметр g

\Ь-а)8

£п

Ь-х a+g ■£п Ь-х а+х

а-х b+g 2 2 * +Г а-х Ь+х 2-г3

1

^x■arctg

У+ а-Ь

|з-я2-г2

I

2-?-(Ь-а)у-а.ъ)}

х агс^

•arcíg

1

(Ь-а)

(Ь-а)

ё2 + а-Ъ_ ■ агс1%

+ £п ( а + ё

Ь + ё

\(ь~ а)- г

_ г? +а- Ь_

2+£2

„2 2 * ё

(97)

г + а-Ъ

+ £п

a+g Ь +г

b + g \а +г'

Повторим, выше указанную процедуру, с формулами (83) и (90)

о

■—4-4 ■ аг^

8

(Ь-а)-г г2 + а Ъ

а+х b+g Ь+х a+g

'(Ь-а)-г' 1а + 8.1.

г2 + а-Ь 2 [ь+ё Ь

■- (98)

агс/£

(Ь-а)-8~ ё2+а-Ь_

аг^

+ £п

a + g \ь2+82

Ь + 8

Сложим (84) с формулой (94), предварительно умноженной на параметр g2, в результате чего получим следующее выражение 'г

1

г2—2

■ ы

Ъ — х

а — х

а"

ь2+ё2

^г -ах

±11 + g2

"I

(* + *)■ (¡с2

4

{Ь-х 1а2+ё211 1 Г'г х<1х

у х-сЬс {Ь + х _ 1

Для того, чтобы упростить левую часть полученного выражения, используем предыдущие результаты, т.е. формулы (27) [2, с. 212], (34) [2, с. 213], (37) [2, с. 214], которые предварительно видоизменим, т.е.

х-ах

\(х + 8){?2+22)

х£п

I

сЬс

х£п

(99)

(100)

/ (Ъ2+22 а2+82] - агсг£ (б-а)-г 1

г ч ка+г1 ¿Г+£ , \_2 + а-Ь\ Л

ск

>х2+22

■Ы

ъ- X (

а- X У

2-г

■Ы

и2 , „2 , „2 о + г а + £

„2 , _2 и2 , „2 а + 2 о + £ J

• агсЩ

(Ь-а)г

г2 +а-Ь

•(101)

В формуле (99) сделаем предельный переход: z ^ g, что возможно, т.к.

ет

ь

I?

интеграл является равномерно сходящимся.

х-сЬс

1п

Ъ-х

х 1 аг

82+а-Ь

а-х

+ М

Ъ2 + Е2

Ь + ё \аг + ё

(102)

я + # \Ь2+ё

Подставим формулы (100) - (102), (36) [2, с. 213], в исходное выражение

г х-сЬс

£п

Ь+х а

- аШ8'

а+х V* +&

(Ь-а)

1

ё+а-Ь

+ --£п2 4

Г и2

а +£

агхЛ8'

2\

г +а-Ь

2 ,2 7 2 . 2

а + 2 о + £

или

ь

(ъ + х а \ 1 1 агсг&2 (Ъ-а)г'

ка + х A + g/ ~2.(е2-22) _22 + а -Ъ

- аг

{Ъ-а>8 82 + а-Ъ

+ £п

'Ъ2+22 а2+Е2

а1+г1 Ъ2+82

£п

(104)

а + г \Ъ + г Ъ2+%2

Ъ + ё \сг+г а +£'

Теперь, перейдём к преобразованию ранее полученных формул, что позволит получить новые результаты. Начнём с (89). В подъинтеграль-ном выражении первого слагаемого, распишем очевидным способом логарифм

£п

Ъ-х

а-х

\

а + х Ъ + х

= £п

Ъ-х

а-х

а + ё

+ £п

а+х ¿ + # Ъ+х

После подстановки в (89) и, применения (36) [2, с. 213] и (105), имеем

х-<к

V

■Ы

Ь-х a + gs

а-х ъ+ш)

1

х < агcíg

(Ь-а)-

12 + а-Ъ 1

+ — • ¿п

a + g \Ь +г

+ 1п

■\arctg

b+g \а2 + г2

ё+а-Ь

arctg

1

\b-ayg

(Ъ-а):

ё+а-Ь

+ 2-£п

a + g \Ь + Г 'а + Ъ

))

b + g \ а +g'

(105)

^2 + г2 а2+§2

уа + Г Ь2+ё

■£п

а + г 1Ь2 + 22 Ъ2 + 82

b + g Уа2 + г2 a2+g2

^ ' J

При модернизации (92), также воспользуемся свойством логарифмов и, слева от знака равенства получим х-дх

■£п

Ъ-х

ъ2+е

1

' „2 2 &

I í х-ск \\[?2 + 82)[!2 + г2)

£п

Ъ + х а + £

а+х \Ъ +£

Г х'<^х о

Ъ+х а+ £

а + х у Ъ +%

Первый интеграл в фигурных скобках вычисляется по формуле (104),

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком