Some remarks on bounds to eigenvalues of Sturm-Liouville problems with discontinuous coefficients

Upper and lower bounds on the eigenvalues of Sturm-Liouville problems with discontinuous coefficients are discussed. Rayleigh-Ritz approximations based both on Rayleigh's quotient and the dual Rayleigh quotient are used for obtaining upper bounds for the eigenvalues. Though previous studies have indicated that such approximations yield poor results when large discontinuities in the coefficients occur, it is shown in this paper by means of numerical examples that thesame rate of convergence can be achieved as for systems with continuous coefficients, provided the trial functions are allowed to have arbitrary jump discontinuities in their derivatives across the points where the coefficients suffer discontinuities. New explicit lower bounds in terms of the coefficients are also established. The accuracy of the new estimates is illustrated by numerical examples.

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Résumé On discute les bornes supérieures et inférieures des valeurs caractéristiques des problèmes de Sturm-Liouville avec des coefficients discontinus. Les approximations de Rayleigh-Ritz, basées sur le quotient de Rayleigh et le quotient jumelé de Rayleigh, sont utilisées pour obtenir les bornes supérieures des valeurs caractéristiques. Bien que les études antérieures aient indiqué que ces approximations donnent des résultats médiocres quand les coefficients ont de grandes discontinuités, on démontre dans cet article par des exemples numériques qu'on peut réaliser le même degré de convergence que pour les systèmes á coefficients continuous, pourvu que les fonctions d'essai admises aient des sauts arbitraires dans leurs dérivées á travers les points où les coefficients subissent des discontinuités. De nouvelles bornes inférieures sont déterminées sous une forme explicite en fonction des coefficients. On montre l'exactitude des nouveaux résultats par des exemples numériques.

     

Sloshing eigenvalues of two-dimensional regions with holes

Summary In this article we give rigorous lower and upper bounds for the sloshing frequencies of an inviscid fluid which completely fills a two-dimensional rectangular region with holes in the top. Our lower bounds are obtained by using intermediate problems with special choice and the upper bounds using Rayleigh-Ritz.

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Résumé Cet article présente des bornes inférieures et supérieures aux fréquences d'oscillation d'un liquide idéal sous l'influence de gravité. La surface libre du liquide est composée de trous dans un des bords de la région rectangulaire remplie par le liquide. Les bornes inférieures son obtenues par des problèmes intermédiaires et les bornes supérieures par le procédé de Rayleigh-Ritz.

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This work was supported by the Naval Sea Systems Command, U.S. Department of the Navy, under Contract N 00024-81-C-5301.     

Upper and lower bounds for sloshing frequencies by intermediate problems

This article presents very good, rigorous, numerical estimates for the sloshing eigenvalues of two families of two-dimensional regions. For each region the eigenvalues are proportional to the square of the frequencies of small lateral oscillations of an ideal fluid under the influence of gravity in a canal or in a horizontal cylindrical tank that has the region as cross-section. Our estimates are obtained by using conformal transformations that carry rectangles onto the regions, and then by employing intermediate problems with a generalized special choice to find upper and lower bounds to eigenvalues. The transformed problems are analogous to certain nonuniform string eigenvalue problems we estimate in a similar way.

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Résumé On calcule des bornes inférieures et supérieures aux fréquences d'oscillation latérale d'un liquide idéal sous l'influence de la gravité dans un réservoir cylindrique ou dans un canal. Les carrés des fréquences sont proportionnnels aux valeurs propres d'un opérateur aux dérivées partielles dans un ensemble de deux dimensions qui prend la forme de la section du liquide. Pour déterminer les bornes aux valeurs propres, on se sert des fonctions analytiques qui transforment les sections en rectangles ainsi que de problèmes intermédiaires choisis spécialement sous un aspect général. Les problèmes aux valeurs propres résultant des transformations sont analogues à certains problèmes de cordes vibrantes pour lesquels on peut calculer des bornes aux valeurs propres de façon semblable.

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This work was supported by the Department of the Navy, Naval Sea Command under Contract No. N 00024-81-C-5301.     

Estimations inférieures du noyau de la chaleur sur les variétés coniques et transformée de Riesz

Résumé Nous complétons les estimations supérieures du noyau de la chaleur sur les variétés coniques obtenues dans [13] par des estimations inférieures, et nous en déduisons quune variété à croissance polynomiale du volume peut vérifier des estimations supérieures et inférieures gaussiennes du noyau de la chaleur sans que la transformée de Riesz y soit bornée sur L^p pour tout p > 2.     

Fully-developed forced convection in rectangular ducts and illustrations of some general inequalities

New exact laminar convective temperature solutions for rectangular ducts with constant heat flux per unit length have been derived in uniform fashion for a variety of Dirichlet and Neumann boundary conditions. Those with null Dirichlet boundary conditions satisfy the hypothesis of a general inequality theorem. Consequences of the theorem are shown for the velocity and thermal fields of rectangular and elliptical ducts, which provide rigorous bounds for intermediate contours.

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Résumé Quelques solutions nouvelles exactes du problème de la convection laminaire de la chaleur dans les tuyaux de section rectangulaire ont été déduites d'une façon uniforme pour différentes conditions aux limites selon Dirichlet et Neumann. L'hypothèse d'un théorème général d'inégalité est satisfaite lorsque les conditions aux limites sont homogènes selon Dirichlet. Les conséquences de ce théorème sont montrées pour les champs de vitesse et de température dans les tuyaux rectangulaires et elliptiques, ce qui fournit des bornes précises pour des domaines intermédiaires.

     

Hauptprobleme der Unternehmensforschung

Zusammenfassung Die Haupt — Problemkreise der Unternehmensforschung, nämlich Lagerhaltungsprobleme, Zuordnungs- oder Zuteilungsprobleme, Wartezeit — Probleme, Ersatzstellungs- und Wartungsprobleme, sowie Konkurrenz-probleme werden besprochen und ihre Lösungsmöglichkeiten kurz skizziert. Dabei wird die Bedeutung elektronischer Datenverarbeitungsmaschinen zur Lösung solcher Probleme besonders hervorgehoben.

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Summary Operations research deals with five main groups of problems, namely Inventory problems, Allocations problems, Waiting-time problems, Replacement problems, as well as with Competitive problems. The nature and the means of solutions are explained. Special emphasis is put on the fact that electronic data processing machines are first of all suited to handle these problems.

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Résumé Les Problèmes de la recherche opérationelle peuvent être attribués à cinq classes principales de problèmes, c'est-à-dire des problèmes de stock, des problèmes de répartition, des problèmes d'attente, des problèmes de replacement, et enfin des problèmes de concurrence. La nature et les moyens de solution en sont expliqués, et une importance spéciale est attribuée au fait que ces problèmes peuvent, en pratique, aisément être résolus par le moyen de machines à calcul éléctroniques. Il en résulte la nécessité croissante de donner aux économistes des cours de programmation de ces machines.

     

On the eigenvalue problem for fluid sloshing in a half-space

Summary The boundary-value problem for free oscillations of a liquid in a half-space, which is bounded above by a rigid plane that contains a circular aperture, is transformed to a homogeneous, Fredholm integral equation for the velocity distribution in the aperture. Rayleigh-Ritz approximations to the eigenvalues are obtained by expanding the velocity distribution in appropriately weighted Jacobi polynomials. Numerical results demonstrate that the convergence of the approximations is much stronger than that of the approximations developed by Henrici, Troesch and Wuytack; for example, retaining twelve terms in the Rayleigh-Ritz expansion yields the dominant eigenvalue within one part in 10^–8. A corresponding development is given for the two-dimensional problem, in which the aperture is an infinite strip.

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Résumé Le problème aux conditions limites pour les oscillations libres d'un liquide dans l'espace semi-infini sous un plan rigide contenant une ouverture circulaire est transformé en une équation intégrale homogène de Fredholm pour la distribution de vitesse dans l'ouverture. On obtient des approximations de Rayleigh-Ritz pour les valeurs propres en développant le champ de vitesse en série pondérée de polynômes de Jacobi. Les résultats numériques démontrent que la convergence des approximations est bien plus rapide que celle des approximations développées par Henrici, Troesch and Wuytack; par exemple, en retenant douze termes dans le développement de Rayleigh-Ritz on obtient la valeur propre dominante avec une erreur relative moindre que 10^–8. Un développement correspondant est donné pour le problème bidimensionnel, pour lequel l'ouverture est une bande infinie.

     

Homogenization of elliptic eigenvalue problems: Part 1

The aim of this paper is to study the homogenization of elliptic eigenvalue problems, with a second order homogeneous Dirichlet problem as an example. The main homogenization theorem states that the same operator which serves to homogenize the corresponding static problem works for the eigenvalue problem as well and that the structure of eigenvalues and eigenvectors is in some sense preserved. Formulae for first and second order correctors for eigenvalues are proposed and error estimates are obtained. These results are applied to the case of coefficients with a periodic structure and a simple numerical example is presented. Extensions to other types of boundary conditions and to higher order equations are indicated.

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Resume Le but de cet article est d'étudier l'homogénéisation du problème de valeurs propres pour des opérateurs elliptiques. On prend comme exemple un problème de second-ordre avec des conditions de Dirichlet homogènes au bord. Le Thèoréme principal d'homogénéisation dit que le même opérateur qui homogénéise le problème stationnaire correspondant sert également à homogénéiser ce problème de valeurs propres et que la structure des valeurs et vecteurs propres est, grosso modo, préservée. On propose des formules pour calculer les correcteurs de premier et second ordre pour les valeurs propres et on obtient des estimations d'erreur. Ces résultats sont appliqués à un cas particulier où les coefficients sont périodiques et des résultats numériques sont présentés. On indique des extensions possibles du point de vue conditions aux limites, et des problèmes de quatrième ordre.

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Part 2 of Dr. Kesavan's article will appear inAppl. Math. Opt. 5, Number 3.     

On estimating a density using Hellinger distance and some other strange facts

Résumé On s'intéresse ici aux possibles vitesses d'estimation d'une densité à support compact dans ^m sous des hypothèses de régularité, lorsque la perte est mesurée par le carré de la distance de Hellinger (on regardera aussi le cas connu des normes pour 1q2) et le risque est le risque minimax sur la famille. On donne une méthode générale permettant de traiter les problèmes dans le cadre de la théorie de l'approximation sous des conditions concernant l'entropie métrique et l' -capacité des familles à estimer. Les rapports entre régularité et entropie métrique étant bien connus, nous pourrons aussi traiter les cas classiques et d'autres qui le sont moins. Sous des conditions de bornes inférieures les vitesses sont celles observées pour la norme mais elles diffèrent dans le cas général. On montre aussi que les restrictions sur la compacité du support ou la régularité sont indispensables et que leur absence mène à l'impossibilité d'obtenir une estimation raisonnable en ce sens que n'importe quelle suite d'estimateurs sera arbitrairement mauvaise en un point au moins. Un résultat analogue est vrai sous des conditions de régularité.

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This work was carried out during a visit of the author at the Mathematical Sciences Research Institute at Berkeley     

Homogenization of elliptic eigenvalue problems: Part 2

The aim of this paper is to study the homogenization of elliptic eigenvalue problems, with a second order homogeneous Dirichlet problem as an example. The main homogenization theorem states that the same operator which serves to homogenize the corresponding static problem works for the eigenvalue problem as well and that the structure of eigenvalues and eigenvectors is in some sense preserved. Formulae for first and second order correctors for eigenvalues are proposed and error estimates are obtained. These results are applied to the case of coefficients with a periodic structure and a simple numerical example is presented. Extensions to other types of boundary conditions and to higher order equations are indicated.

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Resume Le but de cet article est d'étudier l'homogénéisation du problème de valeurs propres pour des opérateurs elliptiques. On prend comme exemple un problème de second-ordre avec des conditions de Dirichlet homogènes au bord. Le Théorème principal d'homogénéisation dit que le même opérateur qui homogénéise le problème stationnaire correspondant sert également à homogénéiser ce problème de valeurs propres et que la structure des valeurs et vecteurs propres est, grosso modo, préservée. On propose des formules pour calculer les correcteurs de premier et second ordre pour les valeurs propres et on obtient des estimations d'erreur. Ces résultats sont appliqués à un cas particulier où les coefficients sònt périodiques et des résultats numériques sont présentés. On indique des extensions possibles du point de vue conditions aux limites, et des problèmes de quatrième ordre.

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Part 1 of Dr. Kesavan's article appeared in Appl. Math. Optim. 5, Number 2.     

Problèmes de Sturm-Liouville: bornes pour les valeurs propres et les zéros des fonctions propres

Résumé A partir d'une fonction positive, continue dans [a, b], on construit, à l'aide du processus d'itération de Schwarz, une suite de fonctions positives. Les quotients de deux fonctions consécutives forment des quotients de Barta; en déterminant l'infimum de chacun d'entre eux, on obtient une suite croissante de bornes inférieures tendant vers la première valeur propre.Si la fonction initiale est telle que le premier quotient soit monotone dans [a, b], alors tous les autres quotients le sont aussi, et l'on montre qu'une telle fonction existe. Cette propriété particulière permet d'éviter la recherche (souvent ardue) de l'infimum.

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Summary Starting from a positive function, continuous in [a, b], and using Schwarz's iteration procedure, we construct a sequence of positive functions. The quotients of two consecutive functions are Barta's quotients; determining the infimum of each of these, we obtain an increasing sequence of lower bounds which tend to the first eigenvalue.If the initial function is such that the first quotient is monotonous in [a, b], then all the other quotients are monotonous, and we prove that such a function exists. This particular property permits to avoid the difficulty of localizing the infimum.

     

Reihenfolgeprobleme und Graphentheorie

Zusammenfassung Die Reihenfolgeprobleme, wie verschiedenartig sie auch sein mögen, enthalten immer die gleiche Grundaufgabe: den nach einem gegebenen Kriterium günstigsten Durchführungsweg zu finden für mehrere zu verrichtende Arbeiten, die untereinander durch Anordnungsbedingungen gebunden sind. Je nachdem, ob man die Aufsführungsdauer einer Arbeit durch Veränderungen im Personal-, Material- und Arbeitsmitteleinsatz variieren kann oder nicht und ob alle Anordnungsbedingungen festgelegt oder zum Teil unbekannt sind, kann man mehrere Problemtypen unterscheiden.Bei Problemen dieser Art kann man die Begriffe und Ergebnisse der Graphentheorie vorteilhaft anwenden, ganz besonders im einfachsten und häufigsten Fall, wo Dauer und Reihenfolge der Arbeiten festgelegt sind. Mit Hilfe einfacher Algorithmen errechnet man sehr schnell — mit oder ohne elektronische Rechenanlagen — die günstigste Lösung. Solche Probleme können auch in Form von linearen Programmen ausgedrückt und gelöst werden, nur würde die Kapazität der heutigen Rechenanlagen nur in den günstigsten Fällen ausreichen, und auch dann wären die Rechenzeiten viel zu lang.Umgekehrt kann man gewisse Typen linearer Programme, die an sich mit Reihenfolgeproblemen nichts zu tun haben, in Graphen transponieren und mit Hilfe einfacher Algorithmen schnell lösen.

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Résumé Les problèmes d'ordonnancement présentent des aspects très divers, mais ils concernent toujours la recherche de la réalisation optimum, par rapport à un critère donné bien entendu, d'un certain nombre de tâches liées entre elles par des contraintes qui sont exprimées pratiquement sous forme de relations d'ordre: antériorité, postériorité, simultanéité. Il est possible de faire une classification de ces problèmes à partir des caractéristiques de ces tâches et de ces relations d'ordre. La durée de réalisation d'une tâche donnée est en effet une constante ou une quantité variable selon que l'on peut ou non faire varier les effectifs des moyens mis en oeuvre pour réaliser cette tâche. De la même façon, les relations d'ordre peuvent être entièrement imposées ou une partie d'entre elles peut constituer une des inconnues du problème.L'utilisation des concepts et des résultats de la théorie des graphes pour de tels problèmes est toujours très intéressante. Cette utilisation est particulièrement remarquable dans le cas le plus simple, mais cependant fréquent, où la durée des tâches et les relations d'ordre sont fixées. Des algorithmes simples conduisent très rapidement à la solution optimum soit manuellement soit sur calculateur électronique. De tels problèmes peuvent être exprimés aussi sous la forme de programmes linéaires, mais l'ampleur de ces programmes conduirait à des temps de calcul très longs dans les cas favorables où les capacités des calculateurs actuels ne sont pas dépassées.De ce parallélisme entre certains types de programmes linéaires et leur transposition sous forme de graphes il résulte qu'inversement des programmes linéaires dont le support concret n'a rien à voir avec des problèmes d'ordonnancement peuvent être résolus très rapidement par les algorithmes précédents.

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Vortrag auf der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Unternehmensforschung am 19. 10. 1962 in Bonn.

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Vorgel. v.:J. Nitsche     

Integral bounds for solutions of nonlinear reaction-diffusion equations

Differential inequality techniques are used to obtain upper bounds for theL ¹ norm of solutions of nonlinear reaction-diffusion equations. Essential use is made of Sobolev type integral inequalities. An extension to third order pseudo-parabolic equations is included.

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Résumé On utilise des techniques d'inégalités differentielles afin d'obtenir des bornes supérieures pour les normes de typeL ¹ des solutions des équations des réaction et diffusion non linéaires. On utilise de façon essentielle des inégalités intégrales du type de Sobolev. On inclut une extension aux équations pseudo-paraboliques du troisième ordre.

     

Aspects of magnetogasdynamic flows involving upstream influence effects

Résumé Pour l'analyse mathématique des problèmes concernant l'écoulement d'un fluide en présence d'un champ magnétique dans laquelle les parois nonconductrices existent, on doit considérer la solution des equationsMaxwell dans les régions des parois. Il y a des auteurs qui n'ont pas considéré cette solution, et cet article fait commenter sur quelquesuns des problèmes qui sont déficitaire dans cette matière.

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Sponsored by the Mathematics Research Center, United States Army, Madison, Wisconsin under Contract No.: DA-31-124-ARO-D-462.     

Streamlines in Bénard convection cells induced by surface tension and buoyancy

Résumé L'équation différentielle obtenue en appliquant la théorie des perturbations au problème de la convection cellulaire a déjà été résolue par rapport aux valeurs propres définissant le début de l'instabilité. Dans ce travail on cherche les fonctions propres correspondant à diverses combinaisons des forces de poussée et de tension superficielle et différentes conditions thermiques à la surface libre. On discute la relation entre la disposition des lignes de courant et le degré d'interdépendance des deux agents d'instabilité. On a tracé les lignes de courant dans le cas où la convection résulte de la tension superficielle seule sur une surface libre isolée thermiquement. Ces lignes sont peu différentes de celles qu'on trouve dans les mêmes conditions lorsque la convection est due à la poussée seule. Ceci explique le haut degré d'interdépendance entre les deux phénomènes, lorsque la surface supérieure est isolée thermiquement.     

General Weissenberg effect in free surface rheometry part I: analytical considerations

Summary The steady free surface motion of a layered medium of viscoelastic fluids driven by a vertical rotating rod and the free surface motion of a viscoelastic fluid between vertical, eccentric, rotating cylinders is solved by means of domain perturbations. The flow field, the shape of the free surfaces and the interface and the climb at the rod are determined by expanding the stress in a series of Rivlin-Ericksen tensors and developing the theory as a perturbation of the rest state in powers of the angular frequency of the rod or of the cylinders. It is shown that rheometrical measurements in the rotating rod geometry are reliably reproducible whilst concentric cylinder geometry presents important practical problems in measuring rheological constants.

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Résumé Les problèmes des écoulements stationnaires à surface libre de plusieurs couches superposées de fluides viscoélastiques mis en mouvement par une barre verticale en révolution et d'un fluide viscoélastique entre des cylindres verticaux, excentriques et tournants sont résolus par le moyen des perturbations de domaine. Le champ des vitesses, les formes de la surface libre et de l'interface sont déterminées en développant la contrainte en une série de tenseurs Rivlin-Ericksen. La théorie est basée sur la perturbation de l'état statique et les variables sont exprimées en une série de puissances de la vitesse de rotation de la barre ou des cylindres. On a démontré que les mesurements rhéométriques dans la géométrie de barre tournante sont sûrement reproductibles tandis que l'utilisation de la géométrie de cylindres concentriques présente d'importants problèmes pratiques en mesurant les constantes rhéologiques.

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Parts of this paper presented at the 9th Canadian Congress of Applied Mechanics, University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada, May 29–June 3, 1983 and at the XVIth International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, The Technical University of Denmark, Lyngby, Denmark, August 19–25, 1984.     

Some general principles of dynamic instability of solid bodies

Résumé Ce travail représente une étude de l'équilibre des corps solides, avec un intérêt special accordé aux corps élastiques et à ceux de Voigt-Kelvin. Les efforts appliqués peuvent avoir des composants non conservatifs et gyroscopiques, quoique la dépendance explicite du temps soit exclue. Il est bien connu que, pour une catégorie de problèmes tellement large, l'établissement des conditions de la stabilité par les méthodes classiques de statique ou d'énergie n'est pas toujours applicable.Le traitement du problème essaie d'être assez compréhensif. En utilisant la méthode des vibrations modales on établie des critères généraux de stabilité sur la base d'une «énergie équivalente». Ces critères sont d'une telle généralité qu'ils contiennent, comme cas spéciaux, les critères publiés auparavant. En plus, de nouveaux principes ont été développés et démontrés à l'aide d'un exemple numérique.

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This work was supported by the National Science Foundation through Grant GK-368 to the University of Illinois at Chicago Circle.     

A note on plane nonlinear creep of free boundaries

Résumé On montre que la déformation plane et quasi-statique d'un corps incompressible qui est non-linéairement visqueux du second ordre, et dont les frontières sont soumises aux tractions données, ne peut être distinguée de celle d'un corps fluide, ayant les mêmes frontières et les mêmes tractions prescrites, qui est linéairement visqueux et incompressible. Ainsi, les solutions données préalablement (Berg, 1964) pour le fluage plan des frontières libres de tractions s'appliquent également au fluage plan et nonlinéaire du second ordre des frontières libres de tractions. Cela signifie en particulier que dans le fluage plan les effets visqueux du second ordre ne peuvent pas donner lieu à l'irréversibilité cinématique de la déformation d'une surface libre. Les résultats des effets du second ordre sont quelque peu étendus pour montrer que dans le cas le plus général d'un fluide non-linéaire et incompressible les problèmes de fluage plan peuvent se simplifier si l'on incorpore dans le champ de pression une partie des contraintes non-linéairement visqueuses.     

The inverse scattering problem for semi-infinite crystals

The inverse problem for the scattering by semi-infinite crystals, is studied in the one- and three-dimensional cases. The three-dimensional problem is reduced to a system of one-dimensional coupled ones. The inversion procedure is applied to one-dimensional differential equations to obtain the Fourier components of the potential describing the crystal, in terms of the scattering amplitudes and surface states information. The analytic properties of the scattering amplitudes are analyzed by using matching conditions.

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Sommaire Le problème inverse de la diffusion par cristaux semi-infinis est étudié dans les cas à une et trois dimensions. Le problème à trois dimensions est réduit à celui de systèmes couplés à une dimension. Le procédé d'inversion est appliqué aux équations différentialles à une dimension pour obtenir les composés de Fourier du potentiel décrivant le crystal, en fonctión des amplitudes de diffusion et des états de surface donnés. Les propriétés analytiques des amplitudes de diffusión sont analysées en utilisant des conditions de continuité.

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The financial support has been provided by Junta de Energia Nuclear (Madrid).     

On solution of higher approximations to boundary layer flows

Résumé Pour trouver des approximations d'un ordre élevé dans les problèmes de couche limite, l'auteur propose une méthode qui unifie le approches de Meksyn et Görtler. Les valeurs initiales, pour les approximations successives de Görtler, sont evaluées à l'aide de la methode de Meksyn. Toutes les valeurs initiales sont obtaneues par différentiation d'une seule équation. Les résultats obtenus sont au moins équivalent à ceux obtenus par la méthode de Hsu, avec considérablement moins de calculs.