一類給定在半無窮區間上的帶差核的奇異積分方程,其一般形式為

(1)

式中 μ為常數; k( x)(-∞< x<+∞)和 f( x)(0≤ x<+∞)為已知函數; φ( x)(0< x<+∞)為未知函數。

  方程(1)的研究開始於20世紀20年代初,它早期的著名例子是輻射傳輸理論中的米爾恩方程,後來因1931年N.維納和E.霍普夫給出其求解方法而得名。20世紀40年代以後,這一方程的理論在解析函數邊值問題、調和分析和算子理論的基礎上得到瞭系統的發展,其應用也從輻射問題擴展到許多其他領域,例如中子遷移、電磁波衍射、控制論、多體問題以及人口理論等。

  維納-霍普夫方法 又稱因子分解法,是N.維納和E.霍普夫為求解方程(1)而提出的,已成為研究各種數學物理問題的一種常用方法。其基本思想是通過積分變換將原方程化為一個泛函方程,然後再用函數因子分解的方法來求解。下面以方程(1)的求解為例來加以說明。在x<0處,令φ(x)=f(x)=0,首先將方程(1)開拓到整個實軸,即

式中

若(2)中諸函數滿足適當的條件,例如,存在 h>0使得 k( x) e φ( x)e h xf( x)e h x屬於 L 1(-∞,+∞),則借助於 傅裡葉變換由(2)可得

這裡和下文大寫字母均表示相應函數的傅裡葉變換,而大寫字母的下標+和-則分別表示該函數在半平面τ>- h和τ< h內解析。在許多情況下,對(3)可求出解的表達式。求解的關鍵在於將 H( λ)= μ- K( λ)因子分解。一個常用的分解定理是,設 H( λ)在| λ|< h內解析、無零點且一致地有 則存在分解

式中 H +( λ)和 H -( λ)可由 H( λ)求出,它們在相應半平面內無零點。由於在所述條件下, F +( λ)/ H -( λ)在|τ|< h內解析, 由柯西積分公式知,

這裡 C +( λ)和 C -( λ)可用 來表示,因而由(3)得到 由此利用解析開拓和廣義劉維爾定理求出φ +( λ)和 ψ -( λ)(準確到相差一個整函數),然後再對φ +( λ)進行傅裡葉逆變換即可求得方程(1)的解 φ( x)。

  當僅假定k(λ)∈L1(-∞,+∞)和μ-K(σ)≠0(-∞≤σ≤+∞)時,μ-K(σ)也有類似分解,這時需要用到調和分析理論中的維納-萊維定理。由此應用巴拿赫空間中的算子理論,還可在一般函數空間,例如

有界可測函數空間和有界連續函數空間中對方程(1)進行求解。

  主要結果 用E記上述函數空間。方程(1)的一個重要特點是其中積分僅是相應函數空間中的有界算子,而不是全連續算子,因此它和弗雷德霍姆積分方程在性質上有著本質的不同。這主要表現在:①齊次方程(1)和它的共軛方程線性無關解的個數一般不相等,它們的差等於

整數 v( μ)稱為方程(1)的指標;②方程(1)的譜點一般為連續統,其中復平面閉曲線 μ= K( σ)(-∞≤ σ≤+∞)上的點為本質譜,亦即對於全連續算子微擾不變的譜,而使得 v( μ)>0的點 μ為方程(1)的點譜。

  函數μ-K(σ)稱為方程(1)的符號。當符號無零點時,方程(1)稱為正常的,否則稱為例外的。對於正常方程,已經有瞭較系統的結果,其中主要有:① 設kx)∈L1(-∞,+∞),則方程(1)在E中滿足諾特定理(見奇異積分方程)的充分必要條件為μ-K(λ)≠0(-∞≤σ≤+∞),故正常方程有時也稱為諾特型方程;②當v(μ)>0時,齊次方程(1)在E中有v(μ)個線性無關解,v(μ)≤0時無非零解;③當v(μ)>0時,非齊次方程(1)在E中有v(μ)個線性無關解,v(μ)=0時,有惟一解,v(μ)<0時,無解或有惟一解,有解的充分必要條件是其右端滿足條件

式中 ψ k( x)是方程(1)的共軛方程

的線性無關解。至於例外方程,也有不少結果,但尚無系統理論。

  以上結果在作相應修改後,對於對偶積分方程、方程(1)的離散形式特普利茨方程以及有關方程組也都同樣成立。

  

參考書目

 S.Prössdorf,Some Classes of Singular Equations,North-Holland,Amsterdam,1978.

 B.Noble,Method based on the Wiener-Hopf Technique for the Solution of partial Differential Equations,Pergamon Press,London,1958.