Masalah
Sturm–Liouville
Batas sumber. Bagian ini mengikat
special_functions.tex baris 674-1062 pada sumber beku.
Masalah Sturm-Liouville
Seperti akan kita lihat kemudian, hasil-hasil dari teori masalah
Sturm-Liouville digunakan untuk menunjukkan bahwa polinom Legendre dan
fungsi Bessel membentuk dua himpunan fungsi ortogonal lengkap dalam
beberapa ruang fungsi.
Setiap persamaan diferensial biasa linear orde dua dapat ditulis
sebagai
Jika kita meninjau persamaan diferensial biasa ini pada interval
dan menambahkan beberapa syarat pada
atau
di titik-titik ujung
dan
,
kita memperoleh suatu masalah Sturm-Liouville.
Masalah Sturm-Liouville reguler adalah mencari
solusi bagi
(5.2.1)
untuk
dengan syarat batas
dengan
dan
;
,
,
,
dan
merupakan fungsi real kontinu pada
;
serta
dan
untuk setiap
.
Terdapat tiga jenis syarat batas lain yang sering digunakan.
Jika
,
kita mensyaratkan agar solusi dan turunannya terbatas pada
dan agar
dengan
.
Jika
,
kita mensyaratkan agar solusi dan turunannya terbatas pada
dan agar
dengan
.
Jika
,
kita mensyaratkan syarat batas periodik
dan
.
Masalah Sturm-Liouville disebut singular jika salah satu
dari syarat berikut dipenuhi: (1)
atau
,
(2)
atau
bernilai nol di
atau
,
atau (3)
tidak ada di
atau
.
Masalah Sturm-Liouville yang singular hanya karena
(atau
)
mempunyai banyak sifat yang juga dimiliki masalah Sturm-Liouville
reguler jika kita mengasumsikan bahwa solusinya terbatas pada
(atau
).
Masalah tersebut disebut masalah Sturm-Liouville singular
reguler .
Suatu nilai
yang membuat masalah Sturm-Liouville mempunyai solusi taktrivial disebut
nilai eigen , sedangkan
solusi-solusi taktrivial tersebut disebut fungsi eigen
yang
berkaitan dengan nilai eigen
.
Hasil berikut mempunyai pembuktian sederhana.
Proposisi 5.2.1. Fungsi-fungsi eigen yang berkaitan dengan
nilai-nilai eigen berbeda bersifat ortogonal terhadap fungsi bobot
;
lebih tepatnya, jika
adalah fungsi eigen yang berkaitan dengan
dan
adalah fungsi eigen yang berkaitan dengan
dengan
,
maka
(5.2.2)
Bukti. Misalkan
adalah solusi dari (5.2.1)
dengan
dan
adalah solusi dari (5.2.1)
dengan
.
Kita mempunyai
dan
.
Jika persamaan pertama kita kalikan dengan
dan persamaan kedua dengan
,
lalu ruas-ruas persamaan kedua kita kurangkan dari ruas-ruas persamaan
pertama, kita memperoleh
Karena
kita memperoleh
Jika kita integralkan kedua ruas terhadap
pada interval
,
kita memperoleh
(5.2.3)
(i) Andaikan
dan
memenuhi syarat batas
dengan
dan
dengan
.
Syarat batas
dan
dengan
menunjukkan bahwa
mempunyai solusi taktrivial, yaitu
.
Hal ini mungkin jika dan hanya jika
.
Demikian pula,
.
Dari (5.2.3)
diperoleh bahwa
.
Dengan demikian,
untuk
.
(ii) Andaikan
;
,
,
,
dan
terbatas di
;
dan
serta
memenuhi syarat batas
dengan
.
Ruas kanan (5.2.3)
bernilai nol di
karena
,
dan
,
,
,
terbatas di
.
Syarat batas
dan
dengan
menunjukkan bahwa
mempunyai solusi taktrivial, yaitu
.
Hal ini mungkin jika dan hanya jika
.
Oleh karena itu, ruas kanan dari (5.2.3)
juga bernilai nol di
.
Dari (5.2.3)
diperoleh bahwa
.
Dengan demikian,
untuk
.
(iii) Andaikan
;
,
,
,
dan
terbatas di
;
dan
serta
memenuhi syarat batas
dengan
.
Pembuktian bahwa
untuk
serupa dengan pembuktian yang diberikan dalam (ii).
(iv) Andaikan
dan syarat batas periodik
dan
dipenuhi oleh
dan
.
Dengan demikian,
Oleh karena itu, (5.2.3)
kembali memberikan
untuk
.
◻
Untuk masalah Sturm-Liouville reguler, terdapat tak hingga banyaknya
nilai eigen berbeda
yang konvergen ke
.
Subruang semua fungsi eigen yang berkaitan dengan suatu nilai eigen
berdimensi satu. Jika kita memilih suatu fungsi eigen
yang berkaitan dengan nilai eigen
untuk setiap
,
kita memperoleh suatu himpunan ortogonal lengkap
di
terhadap hasil kali skalar yang didefinisikan oleh
untuk
.
Semua hasil ini dibuktikan dengan terlebih dahulu menuliskan masalah
Sturm-Liouville sebagai persamaan integral, jika perlu setelah
pergeseran spektral. Dalam kasus taktergeser ketika nol bukan nilai
eigen, bentuknya
untuk
,
dengan
merupakan suatu kernel Hilbert-Schmidt yang memenuhi
untuk hampir setiap
dan
.
Fungsi
diberikan oleh suatu “fungsi Green”. Rincian pembuktian ini dapat
ditemukan dalam RenRog. Karena kesimetrian ini, dari
Teorema 4.4.46
kita memperoleh bahwa
merupakan operator kompak self-adjoint pada
.
Hasil tentang
yang dinyatakan di atas merupakan akibat Teorema Hilbert-Schmidt,
Teorema 4.4.44.
Perhatikan bahwa nilai-nilai eigen dari operator
berbentuk
,
dengan
merupakan nilai yang telah kita definisikan sebagai nilai eigen taknol
untuk masalah Sturm-Liouville. Korespondensi taktergeser ini hanya
berlaku untuk
.
Jika nol merupakan nilai eigen—seperti pada contoh Neumann berikut—moda
nol harus ditangani secara terpisah atau operatornya digeser sebelum
fungsi Green dibentuk. Matematika sarat dengan inkonsistensi historis
seperti ini.
Contoh. Tentukan nilai eigen dan fungsi eigen dari
masalah Sturm-Liouville berikut.
Ada tiga kasus yang perlu ditinjau.
(i) Untuk
,
solusinya berbentuk
.
(ii) Untuk
,
solusinya berbentuk
.
(iii) Untuk
,
solusinya berbentuk
.
(i) Untuk
,
kita mempunyai
.
Syarat batas
menghasilkan
dan, setelah membagi dengan
,
kita memperoleh
.
Syarat batas
menghasilkan
dan, setelah membagi dengan
,
kita memperoleh
.
Kita mencari solusi sistem linear
Karena
untuk
,
satu-satunya solusi sistem linear tersebut ialah
;
yakni, kita memperoleh solusi trivial. Oleh karena itu, tidak ada nilai
eigen maupun fungsi eigen untuk
.
(ii) Untuk
,
kita mempunyai
.
Syarat-syarat batas
dan
menghasilkan
.
Tidak ada kendala pada
.
Kita memperoleh sebuah keluarga solusi taktrivial.
Kita memperoleh bahwa
merupakan nilai eigen dan salah satu fungsi eigen yang terkait dengan
nilai eigen ini ialah
untuk setiap
jika kita mengambil
.
(iii) Untuk
,
kita mempunyai
.
Syarat batas
menghasilkan
.
Jadi,
.
Syarat batas
menghasilkan
,
dan kita telah menggunakan
.
Setelah membagi dengan
,
kita memperoleh
.
Karena kita mencari solusi taktrivial, kita harus mengasumsikan bahwa
.
Kita memperoleh
.
Jadi,
untuk
.
Kita telah menemukan nilai-nilai eigen
untuk
.
Fungsi-fungsi eigen yang terkait dengan nilai eigen
merupakan kelipatan real dari
.
Kita memperoleh bahwa
berbentuk (5.2.1)
dengan
dan
untuk setiap
.
Dengan demikian, dari Proposisi 5.2.1,
kita memperoleh
untuk
,
sebagaimana dapat dengan mudah diverifikasi secara langsung. Selain itu,
merupakan himpunan ortogonal lengkap dalam
.
Hal ini telah kita gunakan ketika mempelajari deret Fourier kosinus.
Contoh. Tentukan nilai eigen dan fungsi eigen dari
masalah Sturm-Liouville berikut.
Seperti dalam contoh sebelumnya, ada tiga kasus yang perlu
ditinjau.
(i) Untuk
,
solusinya berbentuk
.
(ii) Untuk
,
solusinya berbentuk
.
(iii) Untuk
,
solusinya berbentuk
.
(i) Untuk
,
kita mempunyai
.
Syarat batas
menghasilkan
dan, setelah membagi dengan
,
kita memperoleh
.
Syarat batas
menghasilkan
.
Kita mencari solusi sistem linear
Karena
untuk
,
satu-satunya solusi sistem linear tersebut ialah
;
yakni, kita memperoleh solusi trivial. Tidak ada nilai eigen maupun
fungsi eigen untuk
.
(ii) Untuk
,
kita mempunyai
.
Syarat-syarat batas
dan
menghasilkan
.
Sekali lagi, tidak ada solusi taktrivial. Jadi,
bukan nilai eigen.
(iii) Untuk
,
kita mempunyai
.
Syarat batas
menghasilkan
.
Jadi,
.
Syarat batas
menghasilkan
,
dan kita telah menggunakan
.
Karena kita mencari solusi taktrivial, kita harus mengasumsikan bahwa
.
Jadi,
.
Dengan demikian,
untuk
.
Kita telah menemukan nilai-nilai eigen
untuk
.
Fungsi-fungsi eigen yang terkait dengan nilai eigen
berbentuk
untuk
,
dengan
merupakan konstanta taknol.
Atribusi dan hak. Karya sumber oleh Benoit Dionne
dilisensikan berdasarkan Creative
Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.0 International.
Terjemahan dan perubahan yang dicatat menggunakan lisensi komponen yang
sama. Produksi terjemahan dan edisi dibantu OpenAI Codex gpt-5.6-sol,
Ultra; semua kredit penulis dan kontributor manusia tetap dipertahankan.
Ini bukan terbitan atau dukungan resmi Benoit Dionne maupun University
of Ottawa.