弗雷德霍姆积分方程

形如

   (1)

   (2)

积分方程,依次称为第一种弗雷德霍姆积分方程和第二种弗雷德霍姆积分方程,其中λ 是参数,φ(x)是未知函数,核K(xy)和自由项 ƒ(x)是预先给定的函数。通常假设 K(xy)属于平方绝对可积函数类,记B是非负数。当ƒ(x)恒为零时,称为齐次积分方程,否则称为非齐次积分方程。

逐次逼近法及解核

第二种弗雷德霍姆积分方程的最简便的一种解法是逐次逼近法,即按递推公式

给出方程(2)的n+1次近似解

这里Km(xy)表示K(xy)的m次叠核,即 易知,

这里l可取为小于m的任何自然数。当|λ|<B-1时,近似解序列{φn(x)}在[αb]上是一致收敛的,其极限φ(x)就是方程(2)的解。

若级数一致收敛,记之为Γ(xy;λ),则Γ(xyλ)同时满足下面两个方程:

,   (3)

,   (4)

对于某值λ,若有平方绝对可积函数Γ(xyλ)同时适合方程(3)、(4),则称Γ(xyλ)为解核。这时方程(2)对任意的自由项ƒ(x)有惟一解,它可表为

,   (5)

反之亦然。

对于解核不存在的值 λ,称为特征值。否则,称为正则值。当且仅当λ是特征值时,对应的齐次方程

   (6)

才有非零解。非零解φ(x)称为对应于λ的特征函数。

弗雷德霍姆方法

E.I.弗雷德霍姆给出了一般情形的解核构造法。设 K(xy)是有界核,即│K(xy)│<MM 是实常数),记

,   (7)

,    (8)

式中

应用阿达马引理可估计,从而推知级数(7)、(8)对于一切复值 λ是绝对一致收敛的,因此,D(λ)、D(xyλ)都是关于λ整函数,并分别称为弗雷德霍姆行列式和弗雷德霍姆一阶子式。可以证明,解核可表为Г(xyλ)=D(xyλ)/D(λ)。这表明解核是λ的半纯函数。同时,解核的极点都是 D(λ)的零点,也都是齐次方程(6)的特征值。反之亦然。

弗雷德霍姆定理

弗雷德霍姆对于第二种积分方程的研究,可归结为如下的四个定理,总称为弗雷德霍姆定理。它是弗雷德霍姆积分方程理论的基础。

第一定理 在λ复平面的任意有限区域内,方程(2)至多只有有限个特征值。

第二定理 每个特征值λ至少对应于一个特征函数,且所对应的线性无关的特征函数的个数是有限的。这个有限数称为λ的秩。

第三定理 设λ是核K(xy)的特征值,则 憳是共轭核 的特征值。齐次方程 (6)与其共轭齐次方程具有相同的秩。

第四定理 若λ是核K(xy)的特征值,则非齐次方程(2)可解的充分必要条件为:方程(2)的自由项ƒ(x)与其共轭齐次方程的所有线性无关解ψi(x)正交,即

式中rλ的秩。

因此,非齐次方程(2),或者对任意自由项可解,或者相应的齐次方程有非零解。这一结论通常称为弗雷德霍姆备择定理。

对于第一种弗雷德霍姆积分方程,若φ(x)是它的解,又有非零的任意函数ψ(x)使得,则φ(x)+ψ(x)也是它的解。E.施密特对方程(1)的特征值和特征函数给出了如下的定义:若对于某实数 λ存在非零的函数φ(x)和ψ(x),满足方程组

则称λ是方程(1)的特征值,而[φ (x),ψ(x)]称为对应于λ的相伴特征函数对。易知,φ(x)和ψ(x)又分别为下面的第二种弗雷德霍姆积分方程的特征函数:

式中

式中

K壟(xy)(i=1,2)都是对称正核,故λ是实数,不妨认为λ > 0。方程(1)一定存在一组正特征值{λi}和对应的正交标准的相伴特征函数对{φi(x),ψi(x)}。有时也称之为奇值和奇值函数序列。应用它可类似地建立展开定理。施密特指出,方程(1)可解的必要条件是级数式中ƒi=(ƒφ)。以后,(C.-)É.皮卡进而证明,在正交标准特征函数系{φi(x)}是完备的情形,这条件也是充分的。此即所谓施密特-皮卡定理。

对于第一种弗雷德霍姆积分方程的研究,近代有了新的进展,并提供了一些有效的解法,但至今还未建立起系统的理论。