Methoden der Mathematischen Physik I

485 Pages·1968·28.765 MB·German

by  Richard Courant, David Hilbert (auth.)

Heidelberger Taschenbiicher Band 30
R. Courant und D. Hilbert
Methoden der
Mathematischen Physik I
3. Auflage
Mit 26 Abbildungen
Springer-Verlag Berlin· Heidelberg· New York 1968
ISBN-13: 978-3-540-04177-1 e-ISBN-13: 978-3-642-96050-5
DOl: 10.1007/978-3-642-96050-5
Aile Rechte vorbehaltell.
Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Springer-Verlages iibersetzt
oder in irgendeiner Form vervielfaltigt werden. Copyright 1924 by Julius Springer in Berlin.
Library of Congress Catalog Card Number 67-31113.
Vorwort zur dritten Auflage.
Seit die "Methoden der Mathematischen Physik" erschienen (erste
Auflage des ersten Bandes 1924, zweite Auflage 1930, zweiter Band
1937) sind mancherlei Fortschritte in dem Gebiet erzielt worden. In der
englischen Ausgabe des ersten Bandes und in der wesentlich umgestalte
ten englischen Ausgabe des zweiten Bandes (John Wiley-Interscience,
New York, 1953 bzw. 1962), habe ich versucht, diesen Fortschritten
gerecht zu werden, was naturgema6 zu einer Vergro6erung des Um
fangs fiihrte, und vielleicht auch stellenweise die Direktheit der Dar
stellung beeintrachtigt haben mag.
Ich bin daher erfreut tiber den Entschlu6 des Springer-Verlages, das
lange vergriffene Werk in seiner ursprtinglichen Form einem weiteren
Leserkreis zuganglich zu machen.
Hoffentlich wird diese Neuauflage ftir das mathematische und physi
kalische Publikum, insbesondere ftir die Kreise der Studenten, von wirk
lichem Nutzen sein.
Dem Springer-Verlag mochte ich hiermit personlich meinen aufrich
tigen Dank aussprechen.
New Roc hell e, im Oktober 1967.
R. COURANT.
Aus dem Vorwort zur ersten Auflage.
Von jeher hat die Mathematik machtige Antriebe aus den engen Be
ziehungen gewonnen, welche zwischen den Problemen und Methoden
der Analysis und den anschaulichen Vorstellungen der Physik bestehen.
Erst die letzten Jahrzehnte brachten eine Lockerung dieses Zusammen
hanges, indem sich die mathematische Forschung vielfach von ihren an
schaulichen Ausgangspunkten ab16ste und insbesondere in der Analysis
manchmal allzu ausschlieBlich um Verfeinerung ihrer Methoden und
Zuspitzung ihrer Begriffe bemiihte. So kommt es, daB viele Vertreter
der Analysis das BewuBtsein der Zusammengehorigkeit ihrer Wissen
schaft mit der Physik und anderen Gebieten verloren haben, wahrend
auf der anderen Seite oft den Physikern das Verstandnis fiir die Pro
bleme und Methoden def" Mathematiker, ja sogar fiir deren ganze
Interessensphare und .S prache abhanden gekommen ist. Ohne Zweifel
liegt in dieser Tendenz eine Bedrohung fiir die Wissenschaft iiberhaupt;
der Strom der wissenschaftlichen Entwicklung ist in Gefahr, sich
weiter und weiter zu verasteln, zu versickern und auszutrocknen. SolI
er diesem Geschick entgehen, so miissen wir einen guten Teil unserer
Krafte dar auf richten, Getrenntes wieder zu vereinigen, indem wir unter
zusammenfassenden Gesichtspunkten die inneren Zusammenhange der
mannigfaltigen Tatsachen klarlegen. Nur so wird dem Lernenden eine
wirkliche Beherrschung des Stoffes ermoglicht und dem Forscher der
Boden fiir eine organische Weiterentwicklung bereitet.
Diesem Ziele solI fiir das Gebiet der mathematischen Physik das
vorliegende Buch dienen. Es entwickelt mathematische Methoden, die
im AnschluB an klassische physikalische Fragestellungen des 18. und
19. Jahrhunderts ausgebildet worden sind und sucht die gewonnenen
Ergebnisse zu einheitlichen mathematischen Theorien auszugestalten.
VolIsHindigkeit erstreben wir nicht, hoffen aber doch, durch unsere
DarstelIung den Zugang zu einem wichtigen und an den schonsten
Zusammenhangen reichen Gebiete zu erleichtern. Abgesehen Von dem
rein Methodischen enthii.lt der vorliegende Band viele Einzelheiten,
die auch dem Kenner neu sein diirften.
Fiir den vorliegenden Band muB ich die Verantwortung alIein
iibernehmen, da Anlage und Einzelausfiihrungen zum groBten Teil
in meiner Hand lagen. Auch habe ich mir die Freiheit genommen, an
Vorwort zur zweiten Auflage. VII
zahlreichen SteHen des Buches groBere Abschnitte aus eigenen Abhand
lungen mit geringen Veranderungen abzudrucken. Wenn ich trotzdem
darauf bestanden habe, daB auch nach auBen hin die Autorschaft meines
hochverehrten Lehrers, KoHegen und Freundes HILBERT mit zum Aus
druck kommt, so geschieht dies nicht nur im Hinblick auf das vielfach
benutzte Material aus Hilbertschen Abhandlungen und Vorlesungen;
vor aHem wunsche ich vielmehr damit zu betonen, daB die hier ver
tretenen wissenschaftlichen und padagogischen Bestrebungen Kinder
der mathematischen Geistesrichtung sind, welche fUr immer mit HILBERTS
N amen verbunden bleiben wird.
Gottingen, am 11. Februar 1924.
R. COURANT.
Vorwort zur zweiten Auflage.
In der zweiten Auflage ist die Anordnung des Stoffes im groBen
beibehalten worden. Jedoch enthalt die zweite Auflage gegenuber der
erst en in sehr vielen Einzelheiten Vereinfachungen und Erweiterungen,
welche den inzwischen erzielten Fortschritten Rechnung tragen und
zum Teil in dieser Form bisher nicht veroffentlicht sind.
Ohne die se1bstlose Mitarbeit meiner jungeren Gottinger Freunde
ware die vorliegende N eugestaltung des Buches kaum moglich gewesen.
In erster Linie muB ich dabei neben KURT FRIEDRICHS, der schon
Helfer bei der erst en Auflage gewesen ist, FR. RELLICH und R. LUNE
BURG nennen. Ihnen verdankt diese Neuauflage sachlich viel mehr
als durch Hinweise an einzelnen Stellen ausgedruckt werden kann.
Aber auch den Herren FENCHEL, WEBER und WEGNER habe ich fur
ihre auBerordentlich wertvolle Hilfe bei der kritischen Durchsicht
des Manuskripts und der Korrektur herzlichen Dank zu sagen.
Dber die Einzelheiten des behandelten Stoffes unterrichtet das
ausfuhrliche Inhaltsverzeichnis. Fur die Anordnung waren methodische,
nicht stoffliche Gesichtspunkte maBgebend. Jedes Kapitel bildet in
gewissem Grade eine selbstandige Einheit und kann daher im wesent
lichen auch ohne Kenntnis der ubrigen gelesen werden. Ein aus
fuhrliches Register erleichtert die Orientierung. Die Literatur
angaben, insbesondere die jedem Kapitel beigegebenen Literatur
verzeichnisse, machen keinerlei Anspruch auf systematische Voll
standigkeit.
VIII Vorwort zur zweiten AufJage.
Das Erscheinen dieser zweiten Auflage legt mir mit verdoppelter
Stiirke die Verpflichtung auf, den zweiten Band, mit ,dem zusammen
dieser vorliegende erst ein abgeschlossenes Ganzes bilden wird, in Druck
zu geben. Die Verzogerung, welche die Fertigstellung dieses zweiten
Bandes erfahren hat, ist begriindet durch meinen Wunsch, zuniichst
noch eine Reihe Von dorthin gehorigen Fragen vollig zu kliiren. lch
hoffe, das Ergebnis in kurzer Frist vorlegen und damit die Verzogerung
des Erscheinens rechtfertigen zu konnen.
Gottingen, im Oktober 1930.
R. COURANT.
Inhaltsverzeichnis.
Erstes Kapitel.
Die Algebra der linearen Transformationen und
quadratischen Formen.
§ I. Lineare Gleichungen und Iineare Transformationen . . . . . . . . .
1. Vektoren S. 1. - 2. Orthogonale Vektorensysteme. Vollstandigkeit
S. 3. - 3. Lineare Transformationen, Matrizen S. 5. - 4. Bilinearformen,
quadratische und hermitesche Formen S. 10. - 5. Orthogonale und
unitare Transformationen S. 13.
§ 2. Lineare Transformationen mit Iinearem Parameter. 14
!l 3· Die Hauptachsentransformation der quadratischen und Hermiteschen
Formen ................... . 19
1. Die Durchfuhrung der Hauptacilsentransformation auf Grund eines
Maximumprinzips S. 20. - 2. Charakteristische Zahlen und Eigenwerte
S. 22. - 3. Verallgemeinerung auf Hermitesche Formen S. 23. - 4. Trag
heitsgesetz der quadratischen Formen S.24. - 5. Darstellung der Re
solvente einer Form S. 24. - 6. Lasung des zu einer Form geh6rigen
linearen Gleichungssystems S. 25.
§ 4. Die Minimum-Maximum-Eigenschaft der Eigenwerte. . . . . . . . . 26
1. Kennzeichnung der charakteristischen Zahlen durch ein Minimum
Maximumproblem S. 26. - 2. Anwendungen S. 28.
§ 5. Erganzungen und Aufgaben zum ersten Kapitel. . . . . . . . . . . 29
1. Lineare Unabhangigkeit und Gramsche Determinante S. 29. - 2. De
terminantenabschatzung von Hadamard S. 31. - 3. Simultane Trans
formation zweier quadratischer Formen in kanonische Gestalt S. 32. -
4. Bilinearformen und quadratische Formen von unendlich vielen Va
riablen S. 33. - 5. Unendlich kleine lineare Transformationen S. 33. -
6. Variierte Systeme S. 34. - 7. Die Auferlegung einer Bindung S.36.
- 8. Elementarteiler einer Matrix oder einer BilinearfQrm S. 36. -
9. Spektrum einer unitaren Matrix S. 37. - Literatur zum ersten Kapitel
S.38.
Zweites Kapitel.
Das Problem der Reihenentwicklung willkiirlicher
Funktionen.
§ 1. Orthogonale Funktionensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1. Definitionen S. 40. - 2. Orthogonalisierung von Funktionen S. 41-
- 3. Besselsche Ungleichung. Vollstandigkeitsrelation. Approximation
im Mittel S. 42. - 4. Orthogonale und unitare Transformationen in un
endlich vielen Veranderlichen S.45. - 5. Gultigkeit der Ergebnisse bei
mehreren unabhangigen Veranderlichen. Erweiterung der Voraus
setzungen S. 46. - 6. Erzeugung vollstandiger Funktionensysteme in
mehreren Variabeln S.46.
§ 2. Das Haufungsprinzip fUr Funktionen. . . . . . . . . . . . . . . . 47
1. Konvergenz im Funktionenraum S.47.
x
Inhaltsverzeichnis.
§ 3. UnabhangigkeitsmaB und Dimensionenzahl. . . . . . . • . . . .. 51
1. UnabhangigkeitsmaB S. 51. - 2. Asymptotische Dimensionenzahl
einer Funktionenfolge S. 53.
§ 4. Der WeierstraBsche Approximationssatz. Vollstandigkeit der Potenzen
und der trigonometrischen Funktionen. . . . . . . . . . . . . . . 55
1. Der WeierstraBsche Approximationssatz S. 55. - 2. Ausdehnung
des Ergebnisses auf Funktionen von mehreren Veranderlichen S. 57. -
3. Gleichzeitige Approximation der Ableitungen S. 57. - 4. Vollstandig
keit der trigonometrischen Funktionen S. 57.
§ 5. Die Fouriersche Reihe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
1. Beweis des Hauptsatzes S. 58. - 2. Mehrfache Fouriersche Reihen
S. 62. - 3. Die GraBenordnung der Fourierschen Entwicklungskoeffi
zienten S. 62. - 4. Streckung des Grundgebietes S. 63. - 5. Einige
Beispiele S. 63.
§ 6. Das Fouriersche Integral. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1. Beweis des Hauptsatzes S.65. - 2. Ausdehnung des Resultates
auf mehr Variable S.67. - 3. Reziprozitatsformeln S.68.
§ 7. Beispiele fiir das Fouriersche Integral. . . . . . . . . . 69
§ 8. Die Polynome von Legendre . . . . . . . . . . . . . . 70
1. Erzeugung durch Orthogonalisierung der Potenzen 1, x, X2 S. 70. -
2. Die erzeugende Funktion S. 72. - 3. Weitere Eigenschaften S. 73.
§ 9. Beispiele anderer Orthogonalsysteme. . . . . . . . . . . . . . .. 74
1. Verallgemeinerung der zu den Legendreschen Polynomen fiihrenden
Fragestellung S. 74. - 2. Die Tschebyscheffschen Polynome S. 75. -
3. Die Jacobischen Polynome S. 76. - 4. Die Hermiteschen Polynome
S. 77. - 5. Die Laguerreschen Polynome S. 79. - 6. Vollstandigkeit der
Laguerreschen und Hermiteschen Polynome S. 81.
§ 10. Erganzungen und Aufgaben zum zweiten Kapitel. . . . . . . . . . 82
1. Die Hurwitzsche Lasung des isoperimetrischen Problems S. 82. -
2. Reziprozitatsformeln S. 83. - 3. Fouriersches Integral und mittlere
Konvergenz S. 84. - 4. Spektrale Zerlegung durch Fouriersche Reihe
und Fouriersches Integral S. 85. - 5. Dichte Funktionensysteme S. 85.
- 6. Ein Satz von H. MUNTZ uber die Vollstandigkeit von Potenzen
S. 86. - 7. Der Fejersche Summationssatz S. 86. - 8. Die Mellinschen
Umkehrformeln S. 87. - 9. Das Gibbssche Phanomen S. 90. - 10. Ein
Satz uber die Gramsche Determinante S. 91. - 11. Anwendung des
Lebesgueschen Integralbegriffes S. 92. - Literatur zum zweiten Ka
pitel S. 94.
Drittes Kapitel.
Theorie der linearen Integralgleichungen.
§ 1. Vorbereitende Betrachtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
1. Bezeichnungen und Grundbegriffe S. 96. - 2. QuellenmaBig dar-
gestellte Funktionen S.97. - 3. Ausgeartete Kerne S.98.
§ 2. Die Fredholmschen Satze fiir ausgeartete Kerne . . 99
§ 3. Die Fredholmschen Satze fiir einen beliebigen Kern 101
§ 4. Die symmetrischen Kerne und ihre Eigenwerte 104
1. Existenz eines Eigenwertes bei einem symmetrischen Kern S. 104.
- 2. Die Gesamtheit der Eigenfunktionen und Eigenwerte S. 107. -
3. Die Maximum-Minimum-Eigenschaft 'der Eigenwerte S. 112.
§ 5. Der Entwicklungssatz und seine Anwendungen. . . . . . . . . . . 114
1. Der Entwicklungssatz S. 114. - 2. Auflasung der inhomogenen
linearen Integralgleichung S. 115. - 3. Die Bilinearformel fiir die
iterierten Kerne S. 116. - 4. Der Mercersche Satz S.117.
Inhaltsverzeichnis. XI
§ 6. Die Neumannsche Reihe und der reziproke Kern. 119
§ 7. Die Fredholmschen Formeln . . . . . . . . . . 121
§ 8. Neubegriindung der Theorie . . . . . . . . 124
1. Ein Hilfssatz S. 125. - 2. Die Eigenfunktionen eines symmetrischen
Kernes S.126. - 3. Unsymmetrische Kerne S. 127. - 4. Stetige Ab
hangigkht der Eigenwerte und Eigenfunktionen vom Kern S. 128.
§ 9. Erweiterung der Giiltigkeitsgrenzen der Theorie. . . . . . . . . . . 128
§ IO. Erganzungen und Aufgaben zum dritten Kapite1 . . . . . . . . . . 130
1. Beispiele S. 130. - 2. Singulare Integralgleichungen S. 130. - 3. Me
thode von E. SCHMIDT zur Herleitung der Satze von FREDHOLM S. 131.
- 4. Methode von ENSKOG zur Auflosung symmetrischer Integral
gleichungen S. 132. - 5. Methode von KEj:.LOGG zur Bestimmung von
Eigenfunktionen S. 132. - 6. Symbolische Funktionen eines Kerns und
ihre Eigenwerte S. 132. - 7. Beispiel eines unsymmetrischen Kerns
ohne Nullosungen S. 133. - 8. Volterrasche Integralgleichungen S. 133.
- 9. Abelsche Integralgleichung S. 134. - 10. Die zu einem unsymme
trischen Kerne gehorigen adjungierten Orthogonalsysteme S. 134. -
11. Integralgleichungen erster Art S. 135. - 12. Die Methode der un
endlich vielen Variablen S. 136. - 13. Minimumeigenschaften der Eigen
funktionen S. 136. - 14. Polare Integralgleichungen S. 136. - 15. Sym
metrisierbare Kerne S.137. - 16. Bestimmung des losenden Kernes
durch Funktionalgleichungen S. 137. - 17. Die Stetigkeit der definiten
Kerne S. 137. - 18. Satz von HAMMERSTEIN S. 137. - Literatur zum
dritten Kapitel S. 137.
Viertes Kapitel.
Die Grundtatsachen der Variationsrechnung.
~ I. Die Problemstellung der Variationsrechnung . . . . . . . . 139
1. Maxima und Minima von Funktionen S. 139. - 2. Funktionen
funktionen S. 142. - 3. Die typischen Probleme der Variationsrechnung
S. 144. - 4. Die charakteristischen Schwierigkeiten der Variations
rechnung S. 147.
§ 2. Ansatze zur direkten Liisung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
1. Isoperimetrisches Problem S. 149. - 2. Das Ritzsche Verfahren.
Minimalfolgen S. 149. - 3. Weitere direkte Methoden. Differenzen
verfahren. Unendlich viele Veranderliche S. 151. - 4. Prinzipielles uber
die direkten Methoden der Variationsrechnung S. 156.
Die Eulerschen Gleichungen der Variationsrechnung ...... . 157
1. Das einfachste Problem der Variationsrechnung S. 158. - 2. Mehrere
gesuchte Funktionen S. 161. - 3. Auftreten hoherer Ableitungen S. 163.
- 4. Mehrere unabhangige Variable S. 164. - 5. Identisches Ver
schwinden des Eulerschen Differentialausdruckes. Divergenzausdrucke
S.165. - 6. Homogene Form der Eulerschen Differentialgleichungen
S. 168. - 7. Variationsprobleme mit Erweiterung der Zulassungs
bedingungen. Satze von DU BOIS-REYMOND und HAAR S. 171. - 8. An
dere Variationsprobleme und ihre Funktionalgleichungen S. 176.
Bemerkungen und Beispiele zur Integration der Eulerschen Differential-
gleichung ........................... . 177
§ 5· Randbedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
1. Natiirliche Randbedingungen bei freien Randern S. 179. - 2. Geo
metrische Probleme. Transversalitat S.181.
§ 6. Die zweite Variation und die Legendresche Bedingung ..... 184