Mellin-muunnos ja sen sovelluksia

Samankaltaiset tiedostot
Kompleksianalyysi, viikko 6

Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat

y x1 σ t 1 = c y x 1 σ t 1 = y x 2 σ t 2 y x 2 x 1 y = σ(t 2 t 1 ) x 2 x 1 y t 2 t 1

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY exp z., k = 1, 2,... Eksponenttifunktion z exp(z) Laurent-sarjan avulla

Johdatus todennäköisyyslaskentaan Satunnaismuuttujien muunnokset ja niiden jakaumat. TKK (c) Ilkka Mellin (2004) 1

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Tehtävänanto oli ratkaista seuraavat määrätyt integraalit: b) 0 e x + 1

MS-A0107 Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 (CHEM)

IV. TASAINEN SUPPENEMINEN. f(x) = lim. jokaista ε > 0 ja x A kohti n ε,x N s.e. n n

Derivaattaluvut ja Dini derivaatat

MS-C1350 Osittaisdifferentiaaliyhtälöt Harjoitukset 5, syksy Mallivastaukset

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

8 Potenssisarjoista. 8.1 Määritelmä. Olkoot a 0, a 1, a 2,... reaalisia vakioita ja c R. Määritelmä 8.1. Muotoa

puolitasossa R 2 x e x2 /(4t). 4πt

u = 2 u (9.1) x + 2 u

järjestelmät Luento 8

2. Fourier-sarjoista. Aaltoliikkeen ja lämmöjohtumisen matemaattinen tarkastelu

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

4.3 Moniulotteinen Riemannin integraali

Harjoitus Etsi seuraavien autonomisten yhtälöiden kriittiset pisteet ja tutki niiden stabiliteettia:

Diskreetti derivaatta

MS-A0207 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (Chem) Tentti ja välikokeiden uusinta

e int) dt = 1 ( 2π 1 ) (0 ein0 ein2π

Numeeriset menetelmät

13. Ratkaisu. Kirjoitetaan tehtävän DY hieman eri muodossa: = 1 + y x + ( y ) 2 (y )

Kirjoita jokaiseen koepaperiin nimesi, opiskelijanumerosi ym. tiedot! Laskin (yo-kirjoituksissa hyväksytty) on sallittu apuväline tässä kokeessa!

Cantorin joukon suoristuvuus tasossa

HY, MTO / Matemaattisten tieteiden kandiohjelma Todennäköisyyslaskenta IIa, syksy 2018 Harjoitus 3 Ratkaisuehdotuksia.

Induktiota käyttäen voidaan todistaa luonnollisia lukuja koskevia väitteitä, jotka ovat muotoa. väite P(n) on totta kaikille n = 0,1,2,...

5. Z-muunnos ja lineaariset diskreetit systeemit. z n = z

LUKU 3. Ulkoinen derivaatta. dx i 1. dx i 2. ω i1,i 2,...,i k

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 5. joulukuuta Z-muunnos

Insinöörimatematiikka D

Matematiikan peruskurssi 2

11. Poissonin yhtälö Perusratkaisu. Laplacen yhtälöön liittyvää epähomogeenista osittaisdifferentiaaliyhtälöä

Seuraava topologisluonteinen lause on nk. Bairen lause tai Bairen kategorialause, n=1

Differentiaaliyhtälöt I, kevät 2017 Harjoitus 3

peitteestä voidaan valita äärellinen osapeite). Äärellisen monen nollajoukon yhdiste on nollajoukko.

Jaksollisen signaalin spektri

f(tx + (1 t)y) tf(x) + (1 t)f(y) jokaisella x, y A ja t [0, 1].

Laplace-muunnos. 8. marraskuuta Laplace-muunnoksen määritelmä, olemassaolo ja perusominaisuudet Differentiaaliyhtälöt Integraaliyhtälöt

6. Toisen ja korkeamman kertaluvun lineaariset

x = π 3 + nπ, x + 1 f (x) = 2x (x + 1) x2 1 (x + 1) 2 = 2x2 + 2x x 2 = x2 + 2x f ( 3) = ( 3)2 + 2 ( 3) ( 3) = = 21 tosi

Diskreetin LTI-systeemin stabiilisuus

Kompleksinen Laplace-muunnos

e ax, kun x > 0 f(x) = 0, kun x < 0, 0, kun x > 0 e ax, kun x < 0 e (a iω)x dx = a+iω = 1 a 2 +ω 2. e ax, x > 0 e ax, x < 0,

7. Tasaisen rajoituksen periaate

Differentiaali- ja integraalilaskenta 1 Ratkaisut 5. viikolle /

3.3 Funktion raja-arvo

Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 TFM Laskuharjoitus 2L

Matematiikan ja tilastotieteen laitos Reaalianalyysi I Harjoitus Malliratkaisut (Sauli Lindberg)

0 kun x < 0, 1/3 kun 0 x < 1/4, 7/11 kun 1/4 x < 6/7, 1 kun x 1, 1 kun x 6/7,

Polkuintegraali yleistyy helposti paloitain C 1 -poluille. Määritelmä Olkoot γ : [a, b] R m paloittain C 1 -polku välin [a, b] jaon

y = 3x2 y 2 + sin(2x). x = ex y + e y2 y = ex y + 2xye y2

4.3.7 Epäoleellinen integraali

Muutoksen arviointi differentiaalin avulla

Harjoitus 1, tehtävä 1

2 Funktion derivaatta

Ratkaisu: Tutkitaan derivoituvuutta Cauchy-Riemannin yhtälöillä: f(x, y) = u(x, y) + iv(x, y) = 2x + ixy 2. 2 = 2xy xy = 1

800346A Differentiaaliyhtälöt II. Seppo Heikkilä, Martti Kumpulainen, Janne Oinas

u(0, t) = 0 kaikille t > 0: lämpötila pidetään vakiona pisteessä x = 0;

LUKU 6. Mitalliset funktiot

Rollen lause polynomeille

a) Mikä on integraalifunktio ja miten derivaatta liittyy siihen? Anna esimerkki = 16 3 =

= vakio = λ. V (x) V (0) = V (l) = 0.

Johdatus matemaattiseen päättelyyn

2. Viikko. CDH: luvut (s ). Matematiikka on fysiikan kieli ja differentiaaliyhtälöt sen yleisin murre.

JYVÄSKYLÄN YLIOPISTO. Integraalilaskenta 2 Harjoitus Olkoon A := {(x, y) R 2 0 x π, sin x y 2 sin x}. Laske käyräintegraali

JATKUVUUS. Funktio on jatkuva jos sen kuvaaja voidaan piirtää nostamatta kynää paperista.

Derivaatan sovellukset (ääriarvotehtävät ym.)

Luku 4. Derivoituvien funktioiden ominaisuuksia.

Differentiaaliyhtälöiden jatkokurssi A, 5 op Syksy 2017

1 Määrittelyjä ja aputuloksia

Differentiaaliyhtälöiden jatkokurssi A, 5 op Syksy 2015

13. Taylorin polynomi; funktioiden approksimoinnista. Muodosta viidennen asteen Taylorin polynomi kehityskeskuksena origo funktiolle

Laplace-muunnoksesta ja sen sovelluksista

x n e x dx = n( e x ) nx n 1 ( e x ) = x n e x + ni n 1 x 4 e x dx = x 4 e x +4( x 3 e x +3( x 2 e x +2( xe x e x ))) = e x

3 Lukujonon raja-arvo

MATEMATIIKAN JA TILASTOTIETEEN LAITOS Analyysi I Harjoitus alkavalle viikolle Ratkaisuehdotuksia (7 sivua) (S.M)

KOMPLEKSIANALYYSI I KURSSI SYKSY 2012

Alkulukujen harmoninen sarja

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 9: Greenin lause

3 Lukujonon raja-arvo

Insinöörimatematiikka D

Perusidea: Jaetaan väli [a, b] osaväleihin ja muodostetaan osavälejä vastaavat suorakulmiot/palkit, joiden korkeus funktion arvot kyseisellä välillä.

Kompleksianalyysi, viikko 4

Analyysi 1. Harjoituksia lukuihin 4 7 / Syksy Tutki funktion f(x) = x 2 + x 2 jatkuvuutta pisteissä x = 0 ja x = 1.

z muunnos ja sen soveltaminen LTI järjestelmien analysointiin

Ensimmäinen induktioperiaate

F dr = F NdS. VEKTORIANALYYSI Luento Stokesin lause

(0 desimaalia, 2 merkitsevää numeroa).

BM20A0900, Matematiikka KoTiB3

Konvergenssilauseita

Differentiaalimuodot

Lukujonot Z-muunnos Z-muunnoksen ominaisuuksia Z-käänteismuunnos Differenssiyhtälöt. Z-muunnos. 1. joulukuuta Z-muunnos

Integroimistekniikkaa Integraalifunktio

Ensimmäinen induktioperiaate

Perustehtävät. Kompleksitehtävät, 10/9/2005, sivu 1 / 10. Tehtävä 1. Sievennä 1.

( ds ) A (2) ψ ξ dv + ψ 2 ξ dv = ψ 2 ξ ξ 2 ψ ) V

Funktiojonon tasainen suppeneminen

Transkriptio:

Mellin-muunnos ja sen sovelluksia LuK-tutkielma Eetu Leinonen 25645 Matemaattisten tieteiden laitos Oulun yliopisto Kevät 28

Sisältö Johdanto 2 Esitiedot 2 2 Mellin-muunnos 3 2. Muunnoksen perusominaisuuksia................ 4 3 Mellin-muunnoksen sovelluksia 3. Sarjojen summat......................... 3.2 Reuna-arvotehtävät ja integraaliyhtälöt............. 3 Lähdeluettelo 6

Johdanto Tässä tutkielmassa käsitellään Mellin-muunnosta ja sen tärkeimpiä sovellutuksia. Mellin-muunnos on integraalimuunnos, kuten tunnetummat Fourierja Laplace-muunnoksetkin. Mellin-muunnoksen kehittäjänä tunnetaan yleisesti Hjalmar Mellin, Tyrnävältä lähtöisin oleva matemaatikko, joka opiskeli mm. Karl Weierstrassin alaisuudessa. Tutkielman alussa esitietoina käydään läpi muutama tarpeellinen määritelmä, jonka jälkeen määritellään Mellinmuunnos ja sen käänteismuunnos sekä määritetään muutaman funktion Mellinmuunnokset. Tämän jälkeen tutkielmassa todistetaan useita Mellin-muunnoksen perusominaisuuksia. Tutkielman viimeisessä luvussa tarkastellaan Mellinmuunnoksen soveltamista sarjojen summien laskemiseen sekä reuna-arvotehtävien ja integraaliyhtälöiden ratkaisemiseen. Päälähteenä tutkielmassa käytetään teosta []. Esitiedot Määritelmä.. Gammafunktio määritellään integraalina Γ(z) t z e t dt, z C, Re z >. Määritelmä.2. Betafunktio määritellään integraalina B(z, w) t z ( t) w dt, Re z, Re w >. Huomautus.3. Gamma- ja Betafunktioiden välillä on yhteys [3, s. 232] B(z, w) Γ(z)Γ(w) Γ(z + w). Määritelmä.4. Olkoon s C, Re s >. Funktiota ζ(s) n s kutsutaan Riemannin zetafunktioksi. Määritelmä.5. Mellin-muunnoksen kanssa yleensä määritellään myös kaksi erilaista konvoluutiota ( ) x dξ (f g)(x) f(ξ)g ξ ξ ja (f g)(x) 2 n f(xξ)g(ξ) dξ.

2 Mellin-muunnos Määritelmä 2.. Olkoot f : ], [ R funktio ja p C. Funktion f Mellin-muunnos pisteessä p on M {f(x)} f(p) ja tämän käänteismuunnos on M { f(p)} f(x) 2πi x p f(x) dx x p f(p) dp, mikäli f on analyyttinen yhdensuuntaisvyössä a < Re p < b ja c ]a, b[. Näiden muunnosten keskinäinen käänteisyys voidaan todistaa Fourier-muunnoksen avulla [, s.34]. Esimerkki 2.2. Olkoon f(x) e nx, n >. Tällöin muuttujanvaihdolla nx t saadaan M{e nx } f(p) Esimerkki 2.3. Olkoon f(x) saadaan { } M + x f(p) x p e nx dx n p +x t p e t dt n p.. Tällöin muuttujanvaihdolla x t t x p + x dx B(p, p) Γ( p). t p ( t) p dt Esimerkki 2.4. Olkoon f(x) (e x ). Nyt Esimerkin 2.2 nojalla { } M e x f(p) x p e x dx x p e nx dx n n n p ζ(p). 3

Esimerkki 2.5. Olkoon f(x) 2. Nyt Esimerkin 2.2 avulla e 2x { } 2 M e 2x f(p) 2 x p dx e 2x 2 n 2 p x p e 2nx dx 2 n n n p 2 p ζ(p). Esimerkki 2.6. Jos f(x), niin e x + { } M ( 2 p )ζ(p), e x + sillä 2 e 2x e x e x +. (2n) p Esimerkki 2.7. Jos f(x), niin muuttujanvaihdolla x (+x) n { } M x p ( + x) n dx ( + x) n t p ( t) n p dt B(p, n p) 2. Muunnoksen perusominaisuuksia Lause 2.8. Olkoon M{f(x)} f(p). Tällöin. M{f(ax)} a p f(p), a > ; 2. M{x a f(x)} f(p + a); 3. M{f(x a )} a f( p a ); 4. M{ x f( x )} f( p); 5. M{(ln x) n f(x)} dn dp n f(p). Γ(n p). Γ(n) t saadaan t 4

Todistus.. (Skaalausominaisuus) Määritelmän nojalla ja muuttujanvaihdolla ax t M{f(ax)} x p f(ax) dx a p 2. (Siirto-ominaisuus) Määritelmän nojalla M{x a f(x)} x p x a f(x) dx 3. Määritelmän nojalla ja muuttujanvaihdolla t x a M{f(x a )} a x p f(x a ) dx a t p a f(t) dt a f t p f(t) dt f(p) a p. x p+a f(x) dx f(p + a). (t a ) p f(t)t a a ( p a). dt () 4. Määritelmän nojalla ja muuttujanvaihdolla t x { ( )} M x f x p ( ) x x f dx t p f(t) dt x f( p). 5. Määritelmän ja tuloksen d dp xp (ln x)x p nojalla M{(ln x) n f(x)} x p (ln x) n f(x)dx d dp Toistamalla samaa vielä n kertaa saadaan dn dp n x p f(x) dx dn dp n f(p). x p (ln x) n f(x)dx. Funktion f derivaattojen Mellin-muunnoksille voidaan osoittaa useita hyödyllisiä ominaisuuksia. Lause 2.9. Olkoon M{f(x)} f(p). Tällöin. M{f (x)} (p ) f(p ), jos x p f(x), kun x ja x ; 2. M{f (x)} (p )(p 2) f(p 2), jos x p f (x) kun x ja x sekä x p 2 f (x) kun x ja x ; 5

3. M{f (n) (x)} ( ) n Γ(p n) f(p n), jos x p r f (n r ) (x) kun x ja x kaikilla r,, 2,..., n ; 4. M{xf (x)} p f(p), jos x p f(x) kun x ja x p f() ; 5. M{x 2 f (x)} ( ) 2 p(p + ) f(p), jos x p+r f(x) kun x ja x p+r f(x) häviaa origossa, kun r, ; 6. M{x n f (n) (x)} ( ) n Γ(p+n) f(p), jos x p+n r f (n r) (x) kun x ja x kaikilla r, 2,..., n. Todistus.. Määritelmän nojalla ja osittaisintegroimalla M{f (x)} x p f (x) dx (p ) f(p ). x p f(x) (p ) x p 2 f(x) dx (2) 2. Nyt saadaan osittaisintegroimalla kaksi kertaa M{f (x)} x p f (x) dx x p f (x) (p ) (p ) x p 2 f (x) dx x p 2 f(x) + (p )(p 2) (p )(p 2) f(p 2). x p 3 f(x) dx (3) 6

3. Osittaisintegroimalla n kertaa saadaan M{f (n) (x)} (p ) x p f (n) (x) dx x p f (n ) (x) (p ) + (p )(p 2) x p 2 f (n 2) (x) x p 3 f (n 2) (x) dx ( ) n (p )(p 2) (p n) x p 2 f (n ) dx x p n f(x) dx ( ) n Γ(p n) (p )(p 2) (p n) Γ(p n) f(p n) ( ) n Γ(p n) f(p n), sillä Γ(z + n) (z + n )(z + n 2) zγ(z) (kts [3, Theorem 6.2]). 4. Nyt M{xf (x)} x p f (x) dx x p f(x) p x p f(x) dx p f(p). (4) 5. Nyt M{x 2 f (x)} (p + ) x p+ f (x) dx x p+ f (x) (p + ) ( ) 2 p(p + ) f(p). x p f(x) + p(p + ) x p f (x) dx x p f(x) dx (5) 7

6. Osittaisintegroimalla n kertaa saadaan M{x n f (n) (x)} x p+n f (n) (x) dx x p+n f (n ) (x) (p + n ) (p + n ) + (p + n )(p + n 2) x p+n 2 f (n 2) (x) ( ) n (p + n )(p + n 2) p x p+n 2 f (n ) dx x p+n 3 f (n 2) (x) dx ( ) n (p + n )(p + n 2) p f(p) n Γ(p + n) ( ) f(p). x p f(x) dx Lause 2.. Olkoon M{f(x)} f(p). Tällöin M{ ( x d dx) n f(x)} ( ) n p n f(p) kaikilla n, 2,.... Todistus. Osoitetaan väite induktiolla. Todistetaan ensin perusaskel n 2. Tuloksien (4) ja (5) nojalla { ( M x d ) 2 f(x)} M{x 2 f (x) + xf (x)} M{x 2 f (x)} + M{xf (x)} dx p f(p) + p(p + ) f(p) ( ) 2 p 2 f(p). Asetetaan induktio-oletus. M{(x d dx )k } { ( ) k p k f(p) jollakin k > (x ) } d k 2. Todistetaan seuraavaksi induktioväite M dx f(x) ( ) k p k f(p). Induktio-oletuksen ja tuloksen (4) nojalla { ( M x d ) k { f(x)} M (x d dx dx )(x d } { dx )k f(x) M x d } dx g(x) p g(p) p(( ) k p k f(p)) ( ) k p k f(p). Näin ollen induktioperiaatteen nojalla väite on tosi. 8

Edellä todettujen derivaattojen muunnosten lisäksi myös integraaleja voidaan muuntaa. Määritelmä 2.. I n f(x) on n:s toistettu integraali funktiosta f, eli ja I f(x) I n f(x) x x f(t) dt I n f(t) dt. Lause 2.2. Olkoon M{f(x)} f(p). Tällöin. M{ x f(t) dt} p f(p + ), 2. M{I n f(x)} M{ x I n f(t) dt} ( ) n Γ(p+n) f(p + n). Todistus.. Merkitään F (x) x I n f(t) dt, jolloin F (x) f(x), ja F (). Nyt { x } M{f(x), p} (p )M f(t) dt, p tuloksen (2) nojalla. Kun merkitään p p + saadaan { x } M f(t) dt, p p M{f(x), p + } p f(p + ). 2. Merkitään F (x) I n f(x) x f(t) dt. Nyt F (n) (x) f(x), jos F (k) () kaikilla k,,..., n. Siten tuloksen (3) nojalla M{F (n) (x), p} ( ) n Γ(p n) M{I nf(x), p n}. Kun merkitään p p + n, saadaan M{I n f(x), p} ( ) n M{f(x), p+n} ( )n Γ(p + n) Γ(p + n) f(p+n). Tulon muunnoksen sijaan tarkastellaan konvoluutioiden muunnoksia. Lause 2.3. Olkoot M{f(x)} f(p) ja M{g(x)} g(p). Tällöin 9

. M{f(x) g(x)} f(p) g(p), 2. M{f(x) g(x)} f(p) g( p), 3. M{f(x)g(x)} 2πi Todistus. f(s) g(p s) ds.. Määritelmän nojalla { ( ) } x dξ M{f(x) g(x)} M f(ξ)g ξ ξ ( ) x dξ x p dx f(ξ)g ξ ξ f(ξ) dξ ( ) x x p g dx ξ ξ 2. Määritelmän nojalla { M{f(x) g(x)} M 3. Määritelmän nojalla M{f(x)g(x)} f(ξ) dξ ξ ξ p f(ξ) dξ x p dx g(ξ) dξ (ξη) p g(η)ξ dη } f(xξ)g(ξ) dξ ξ p g(ξ) dξ 2πi 2πi 2πi f(xξ)g(ξ) dξ, ( ) x ξ η, η p g(η) dη f(p) g(p). η p ξ p f(η) dη ξ x p f(x)g(x) dx x p g(x) dx f(s) ds (xξ η), η p f(η) dη g( p) f(p). f(s) g(p s) ds. x s f(s) ds x p s g(x) dx

3 Mellin-muunnoksen sovelluksia 3. Sarjojen summat Lause 3.. Olkoon M{f(x)} f(p). Tällöin n f(n + a) 2πi missä ξ(p, a) on Hurwitzin zetafunktio ξ(p, a) n f(p)ξ(p, a) dp, (6), a, Re(p) >. (n + a) p Todistus. Käänteisestä Mellin-muunnoksesta seuraa f(n + a) 2πi Kun tätä summataan jokaisen n N yli saadaan josta väite seuraa. n f(n + a) 2πi f(p)(n + a) p dp. f(p)ξ(p, a) dp, Huomautus 3.2. Kun a, niin Lauseen 3. tulos (6) yksinkertaistuu muotoon f(n) f(p)ζ(p) dp, 2πi n missä ζ(p) on Riemannin zetafunktio. Esimerkki 3.3. Esimerkin 2.2 nojalla saadaan ( ) n n p t n n ( ) n t n n x p n te x x p + te x p x p e nx dx ( ) n t n e nx dx x dx t e x + t dx.

Kun t, niin Esimerkin 2.6 nojalla saadaan ( ) n n p x p n e x + dx { } M ( 2 p )ζ(p). e x + Esimerkki 3.4. Sarjan cos(βn) n, β < 2π summa voidaan laskea Mellin-muunnoksen avulla. Määritetään ensin funktion f(x) cos(βx) n 2 Mellin-muunnos. Se on M{f(x)} M{cos(βx)} x p cos(βx) dx x p eiβx + e iβx dx ( x p e iβx dx + 2 2 ) x p e iβx dx. Lasketaan integraalit erikseen. Muuttujanvaihdoilla y iβx ja y iβx saadaan ( ) p x p e iβx dx y p e y dy iβ ( ) p pπ iβ β p ei 2 ja x p e iβx dx (iβ) p Näin ollen funktion f Mellin-muunnos on M{cos(βx)} β p ei y p e y dy (iβ) pπ p β p e i 2. pπ 2 + e i pπ 2 2 β p cos(pπ 2 ). Mellin-muunnoksen siirto-ominaisuuden nojalla (tulos ()) { } cos(βn) M ( pπ ) n 2 β Γ(p 2) cos p 2 2 π Γ(p 2) ( pπ cos β p 2 2 Tästä saadaan Lauseen 3. nojalla cos(βn) n 2 2πi n β2 4πi 2 Γ(p 2) β p 2 cos ( pπ 2 ) ζ(p) dp ). ( 2π ζ( p) β )p dp, (7) (p )(p 2)

sillä π p ζ( p) 2 p cos ( ) pπ 2 ζ(p) ja Γ(z +) zγ(z). Tämän Riemannin zetafunktion ominaisuuden todistus löytyy lähteestä [2, s.25]. Integraali (7) saadaan laskettua residylauseen nojalla. Navat, joissa residyt tulee laskea ovat p 2,,. Residyt näissä pisteissä ovat (kts. [3]) ( ) p ( ) p 2π ζ( p) 2π ζ( p) Res 2 lim (p 2) lim p 2 β (p )(p 2) p 2 β (p ) ( 2π β ) 2 ζ( ) 4π2 β 2 ( 2 ) π2 3β 2, ja Res lim p Res lim p lim s ( ) p 2π ζ( p) β (p )(p 2) 2π β ζ() 2π β ( ) p 2π ζ( p) β ( 2π β ( 2 (p ) lim p ) π β (p ) lim (p )(p 2) s ) s s(s + ) lim s ζ(s)(s ) 2, ( ) p 2π ζ( p) β (p 2) ( ) s 2π ζ(s) ( s) β s(s + ) josta saadaan sarjan summaksi n cos(βn) n 2 β2 4πi 2πi β2 2 ( π2 3β 2 + π β 2 ( π2 3β 2 + π β 2 ) ) π2 6 πβ 2 + β2 4. 3.2 Reuna-arvotehtävät ja integraaliyhtälöt Esimerkki 3.5. Ratkaistaan reuna-arvotehtävä x 2 u xx + xu x + u yy, x < < y < { A, x u(x, ), u(x, ), x >, 3

missä A on vakio. Ottamalla yhtälöstä Mellin-muunnos, muuttuu reunaarvotehtävä muotoon { ( M{x 2 u xx + xu x + u yy } M x d ) 2 u} + M{u yy } ũ yy + p 2 ũ, < y <, dx ũ(p, ), Muunnetun ongelman ratkaisuksi saadaan ũ(p, y) A p ũ(p, ) A sin(py), < Re p <, sin p x p dx A p. josta alkuperäisen ongelman ratkaisu voidaan selvittää käänteisellä Mellinmuunnoksella. Tällöin u(x, y) A 2πi x p p sin(py) sin p Integroitavalla funktiolla on yksinkertaisia napoja pisteissä p nπ, n, 2, 3,..., jotka ovat puoliympyrän muotoisen suljetun käyrän sisällä koordinaatiston oikealla puoliskolla. Residylauseen nojalla Nyt n dp. ( ) x p sin(py) u(x, y) A Res nπ. p sin p Res nπ x p sin(py) p sin p x nπ sin(nπy) sin(nπ) + nπ cos(nπ) ( )n nπ x nπ sin(nπy), joten u(x, y) A π ( ) n n x nπ sin(nπy). n Esimerkki 3.6. Ratkaistaan integraaliyhtälö f(ξ)k(xξ) dξ g(x), x >, missä f(x) on tuntematon. Soveltamalla integraaliyhtälöön Mellin-muunnosta, muuntuu yhtälö muotoon f( p) k(p) g(p), 4

jolloin f(p) g( p) h(p), missä h(p) k( p). Nyt käyttämällä käänteistä Mellin-muunnosta f(x) M { g( p) h(p)} jos h(x) M { h(p)} on olemassa. Esimerkki 3.7. Ratkaistaan integraaliyhtälö ( ) x dξ f(ξ)g ξ ξ h(x), g(ξ)h(xξ) dξ, missä f(x) on tuntematon. Kun yhtälöstä otetaan Mellin-muunnos muuttujan x suhteen, muuttuu yhtälö muotoon f(p) h(p) k(p), k(p) g(p). Käänteisen Mellin-muunnoksen avulla saadaan yhtälön ratkaisu ( ) x dξ f(x) M { h(p) k(p)} h(ξ)k ξ ξ. Esimerkki 3.8. Ratkaistaan integraaliyhtälö e xξ f(ξ) dξ ( + x) n, joka on siis muotoa e x f ( + x). n Otetaan Mellin-muunnos integraaliyhtälön molemmilta puolilta, jolloin Esimerkkien 2.2 ja 2.7 nojalla eli Tällöin M{e x, p} f( p) f( p) f(p) Lauseen 2.9 nojalla f( p) Γ(n + p ) Γ(n) Γ(n p). Γ(n) Γ(p + n ) Γ(n p), Γ(n) Γ(n). f(x) Γ(n) ( )n n dn x dx n e x Γ(n) xn e x. 5

Lähdeluettelo [] Debnath L and Bhatta D, Integral transforms and their applications, second edition, Chapman and Hall, 27 [2] Davies B, Integral Transforms and Their Applications, third edition, Springer-Verlag New York, 22 [3] Osborne A D, Complex variables and their applications, Addison-Wesley, 999 6