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.

---

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.