A NNALI DELLA
S CUOLA N ORMALE S UPERIORE DI P ISA Classe di Scienze
L ANDOLINO G IULIANO
Sull’equilibrio di una piastra indefinita a forma di striscia, incastrata e appoggiata
Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa, Classe di Scienze 3
esérie, tome 6, n
o3-4 (1952), p. 147-171
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SULL’EQUILIBRIO
A FORMA DI STRISCIA,
INCASTRATA E APPOGGIATA
di LANDOLINO GIULIANO
(Pisa)
In
questo
lavoro viene studiato ilproblema dell’equilibrio
di unapiastra
indefinita a forma di
striscia,
incastratalungo
un lato eappoggiata lungo
l’altro
lato,
servendosi del metodo della trasformata di FoURIER. Ilmetodo
ègià
statoadoperato
dal GHIZZETTI(1)
aproposito
delproblema dell’equi-
librio della
piastra
indefinita a forma distriscia,
iucastratalungo
i due lati.Naturalmente
analogie
molto strette intercorrono fra ilproblema qui
trat-tato e
quello
considerato dalGHIZZETTI,
e i risultati ottenuti daquesto
A.,
aparte
necessarie e ovviemodificazioni,
vengonosoltanto, quando
oc-corre, richiamati.
Dopo
avereottenuto,
sottoipotesi
necessarie richieste perl’applicabilità
del
metodo, riguardanti
i dati e lasoluzione,
una formula risolutiva delproblema considerato,
edopo
averedattagliatamente
studiatol’equazione degli autovalori,
viene dato unosviluppo
in serie uniformementeconvergente
della funzione diGREEN, sviluppo
che mette inevidenza,
in modo simme-trico,
le autosoluzioni delproblema.
A differenzaperò
delproblema
trattatoda
GHIZZETTI,
ilproblema qui
consideratopresenta
una dissimetriarispetto
alle condizioni nl contorno. Allo scopo di arrivare in modo naturale a sta- bilire lo
sviluppo
in serie a cui si è accennato della funzione diGREEN,
s’è
pensato
di considerare accanto alproblema qui
trattato ilproblema
chesi ottiene
quando,
fermo restando losforzo,
siprescriva
la condizione del- l’ incastro al lato della strisciaprima soggetto
adappoggio
e viceversa:questo
(1) A. G~HIZZETTI. « Ricerche analitiche sul problema dell’equilibrio di una piastra indefinita
a forma di 8triscià, incastrata lungo i lati » Rendiconti di matematica e Rlle appl ca-
’
zioni, Roma, -1947, pp. 145-187.
1. Annali della Scuola Norm. Sup. - Pisa.
problema
chepossiamo
dire ausiliariopossiede gli
stessi autovalori del pro- blema dato. Ciò ha permesso diesprimere
in modorapido
edelegante
l’au-tosoluzione del
problema
ausiliario per mezzo dell’autosoluzione delproblema
che è
qui studiato,
autosoluzioni entrambecorrispondenti
allo stesso auto- valore.Dopo
avere indicate leproprietà
della funzione diGREEN,
si arriva astabilire che la funzione espressa dalla formula risolutiva fornita dal
metodo,
sotto
opportune ipotesi
suidati,
che sono identiche aquelle imposte
daCxHIZZETTI
pel
Suoproblema,
dà una soluzione delproblema qui
stu-diato,
rilevando clie essagode
di uncomportamento
all’infinitoanalogo
aquello
di cuigode
lasoluzione,
fornita dalmetodo,
delproblema
tiat-tato da GHIZZETTI.
1. Sia 0 C x
C 1 ~
- oo y+
oo la striscia ~S.Supposto
che essa siaincastrata
lungo
il lato x _-_ le eappoggiata lungo
il latox- 0
9 ilproblema propostoci equivale
aquello
dideterminare
una funzioneu (x, y)
soddisfacente
all’equazione
dove
f (x, y)
è una funzionenota,
e alle condizioni :Sia A un
parametro
reale. Se laf (x , y) possiede,
coine funzione di y ,la trasformata di FouRmR e se la funzione
incognita u (x, y)
soddisfa alle stesseipotesi
ammesse daGHIZZETTI (2),
sivede facilmente che la trasformata di FoURli?,P. della
u (~~ ~ y) ~ u* (x , À),
sod-disfa
all’equazione
differenziale delquarto
ordine(nella
funzioneincognita
(dove
le derivazioni sl intendonoeseguite rispetto
ax)
e alle condizioni :(2) loe. cito (1) pp. 147-148.
Se x~
(x , ~,),
a2(X ~)~
a3(x, 7~),
a4(x ~ ~)
sonoquattro integrali
lineari-mente
indipendenti dell’equazione
omogenea :e se
.K (x , ~,)
è Ilintegrale
della(5)
soddisfacente alle condizioni :si
ha,
com’è facileconstatare,
che lau* (x 9 1)
è della forma:dove le costanti
A, B C , D,
vanno determinate in modo che siano soddi- sfatte le(4).
Ora, per
la(5),
si ha KIV(0 , A)
~ 0 . Ne segue chesono due
integrali (linearmente) indipendenti
della(5),
soddisfacenti alleprime
due delle(4). Perciò, imponendo
alla u*(x , A)
di soddisfare alleprime
due delle
(4)
si trova che u*(x, 2)
è della forma :dove le costanti A dovraniio determinarsi in modo da soddisfare alle ultime due delle
(4)
Essendo :si ha
dunque :
, Detto A il determinante di
questo
sistema lineare nelleincognite
A e B si ha :
Poichè si trova :
risulta :
Dunque,
tenendopresente
0 now è autova,lore delproblema
omogeneo
associato,
com’è facileconstatare, possiamo
affermare : ilpJ’oble111n
o1nogeneo associato ha cotiie autovalo1’i A le non nulle trascendente :
’
Essendo
queste
tuttecomplesse, si
coacclzcd epertanto
che le relazioni:determinano
univocamente,
perogni A 1’eale,
la(x , l)
dellau
(x, y).
2. - Dalla
(7)
si ricavano le costanti A eB
i sostituiti i valori otte- nuti nella(6)
siperviene
alla formula :avendo
posto,
perSi
trova,
pere si verifica facilmente che la .~
(x , ~ , A)
è funzionesimmetrica
in(x , ~)
efunzione
pari
di A e che èper A
= 0 :Si constata
poli
che perx * $, H (x , ~ , A)
è unintegrale dell’equazione
omogenea
(5)
ilquale soddisfa
alle(4).
Se si ammette ora che la soluzione u
(x , y)
si possa dedurre dalla sua trasformata u*(x, 1)
mediante la formula d’ inversione :dove indica Il
integrale principale
diCAUCHY,
siha~
per la(8) :
e si
può
affermare :Se il
problema
consideratopossiede
una soluzione u(x , y) soddisfacente
alle
ipotesz
ammesse, essa è unica ed è data dalla(9).
3. - Si supponga ora che nella
(9)
sia lecito invertire l’ordine delleintegrazioni.
Sitrova, posto :
cioè,
tenendopresente
cheH (x ~ ~ ~ ~)
è funzionepari
di ~, :che è:
La funzione
(x, y , E , n)
che è simmetrica in(x , E)
e(y, n)
cos for-malmente
costruita,
è la funzione di GREEN del nostroproblema.
Ci
proponiamo
di far vedere che le formule scritte hanno senso eche,
sotto
opportune ipotesi
sulla funzionef (x , y),
la(12)
fornisce una soluzionedel nostro
problema.
4. - Prima di
prosegnire vogliamo
studiare come sono distribuiti nelpiano complesso A gli
autovaloriA,,
delproblema
omogeneo associato al nostroproblema (autovalori che,
comegià
si èosservato,
sono tutti com-plessi),
vale a dire le radici non nulledell’equazione :
È
evidente che se è una radice della(E),
lo sono anchePerciò ci si
può
limitare a supporre a ~0 , #
~ 0. Poniamo allora :e intendiamo che sia
(3)
Posto
dunque
la(E)
si scriverà :cioè, separando
il realedall’ immaginario :
Esaminiamo, anzitutto,
ildiagramma :
(3~ Le radici non nulle della (E) sono tutte
semplici.
Poichè
ne viene che la funzione ha infinite
determinazione
o-gnuna delle
quali
è funzione continua(ad
un solvalore)
di a inivi con derivate di tutti
gli ordini,
continue. Laprima
di esse è funzione crescente(di a)
da 0(incluso)
a20132013.
2(escluso)
e la rettaB = n
2 è un asin-toto ;
la seconda determinazione è funzione decrescente(di a)
da 2 n(incluso)
a
2013 (escluso)
e laretta
‘ 32
è unasintoto ;
y la terza è funzione cre-2
) N = 3
2 ’scente
(di a )
da 2 n(incluso) )
a 2(escluso) )
e la retta5 2 ir , e
un asin-toto ;
ecc. ecc.Ognuna
diqueste
determinazioni ha nelpunto
a = 0 deri-vata
(destra), alternatamente,
Esaminiamo ora il
diagramma
della funzione :cioè
Si trova :
1
punti
neiquali
a’(#)
= 0 sono le radicidell’equazione tag f3
=#.
Quelle, f3n,
fraqueste,
per cui a è reale sono contenutenegli
intervallie in ognuno di
questi
intervalli ve neè una e una sola. Esse tendono all’ infinito per n -
+
co . epoichè
ne viene , vale a dire
i
~n
tendonoasintoticamente,
per Inoltre si vede che icorrispondenti
an tendono all’infinito. Ildiagramma
cercato constadunque
di infinite curve che si possono facilmente tracciare. Con facili cal- colisi, trova,
per ilprimo
autovaloree si
hanno,
com’è statoosservato,
le limitazioni :e le formule asintotiche :
1
5. - Procuriamoci ora
l’espressione vn (x)
dell’ auto sol u zione del nostroproblema corrispondente all’autovalore An. Basterà,
perquesto,
porre, nella(6), f * (x , À) i 0 ,
A _~,~
e determinare le costanti A eB ,
non entrambenulle,
in modo da soddisfare al sistema :A
questo
sistema sisoddisfa,
con A e B non entrambenulle, ponendo
essendo c una costante
(complessa)
arbitraria diversa da zero. Poniamo adesempio
Si ottiene
dunque :
Ci sarà utile
procurarci
anchel’espressione (x)
dell’autosoluzione delproblema
che si ottieneconsiderando,
sempre per la stessaf (x , y),
lapiastra
S
appoggiata lungo
il lato e incastratalungo
il latox = 0 ,
autoso-luzione
corrispondente
all’autovaloreA*.
Ci si convince subito intanto chegli autovalori An*
coincidono congli autovalori An
delproblema
di cui cioccupian o.
Sitrova,
con considerazionianaloghe
aquelle sviluppate
sopra per arrivareall’ espressione
della 2~n(x),
che la CPn(x) è
data dadove le costanti A e B non entrambe nulle devono soddisfare al sistema
e basta
prendere
adesempio
e
percio
si ha: .È
chiaro che dalproblema
or ora considerato si passa al nostroproble-
ma
ponendo
x = ~.- t, dopo
di che le g~,~(x) ~
autosoluzioni delproblema
che diciamo
ausiliario,
si mutano nelle 1 -t) e queste, a
meno di un fat-tore
costante,
diverso da zero, che oracalcoleremo,
si mutano nelleSi ha
dunque :
-e
perciò
e, in
particolare, ponendo qui
t == 1 :cioè,
ricordando cheed
eseguendo
i calcoli :ossia :
Dunque :
6. - Ciò premesso~ consideriamo la funzione
~(~~~)~0~~1
come funzione meromorfa
in ~ ,
per laquale gli
autovalori del nostro pro- blema sonopoli
delprimo
ordine. Indicando il residuo diH (x ~ ~ ~ ~r)
nelpolo Ân,
si ha :Essendo :
si ha :
e tenendo
presente
cheÅ~~
= senhÅn
coshÅn
si ottiene :che,
infatti per la suasimmetria,
vale anche se xC ~
c 1 .,
7. - Studiamo ora le
proprietà
della funzione G(x, y , ~ , r~)
espressa dalla(11)
del n.3,
e delle sue derivateparziali rispetto
alle variabili x, y.Conviene porre la sotto la forma :
dove è
essendo Si ponga :
con
Si trova
(4)
Tenendo
presente l’eguaglianza :
si ha :
Con
ragionamento
noto(5)
si prova che la funzione continua neliiisieme a tutte le derivate e si ha :
(4) loc. cit. (1) p. 154.
(5) loc. cit. (1) pp. 1~~-1~3,
Si sa
poi (6)
che leG1
eG2
solo, inT, funzioni
continue insieme alle derivateparziali
derivate che si possono calcolare derivando sotto il segno icorrispondenti integrali (13).
Si trova infine :
Ne viene che sono funzioni continue in T. Si verifica
poi
facilmente chequeste
due derivate si possono ottenere anche derivando sotto il segno, inT,
ilcorrispondente integrale (13).
Se infine si tiene
presente
che .H è identicamente nulla per x ‘ 0 eper x = 1
eH
identicamente nulla siconclude,
racco-dx
gliendo quanto
si èdetto,
colseguente :
TJiJOREMA. - La
junzione
G(x , y , ~ , n)
e le sue sonofunzioni
continue nel dominio.
Queste
due derivate si possono calcolare colla(11)
deri-vando sotto il segno di
integrale. La
G si annulla identicamente per x = 0 eer x = = 1 e i e
L a G
/« 201320132013 si annulla identic e annulla identicamente er per x x -1. ,== = 1 .i .8. - Passia,mo ora a studiare le derivate successive della funzione G. e Esaminiamo anzitutto le funzioni
G2
eG3.
Con il solitoragionamento (7)
sistabilisce l’uniforme convergenza
degli integrali
(6) loc. cit. (1) pp. 1.54-1~.~.
(7) loc. cit, (1) pp. 152-1?3.
nell’insieme
dove e nuche nell’insieme
si conclude che tutte le derivate
parziale.
sono continue nell’insieme e anche nell’insieme T"ed espresse, in ognuno di
questi
dueinsienii,
dalleuguaglianze :
Quanto
a 1 si ha(8),
oell’insieme T’ e anche in T" :e si hanno
singolarità se, nella
striscia~’,
ilpunto (x, y)
coincide colpunto (E , n) . Quando
ilprimo punto
è distinto dal secondopunto
le derivate orascritte si possono calcolare derivando sotto il segno il
corrispondente
inte-grale (13).
Tenendopresente quanto
è stato detto nel n. 7 aproposito
dellafunzione
G4
siha,
per tuttoquello
chequi
è statodetto,
inparticolare, l’uguaglianza
156.
identicamente
rispetto
ar~
+ oo) , essendo,
come fu osservato nel D.4, H .,,, (0 , ~ , l)
= 0 identica-mente
rispetto a ~ (0 $ 1 )
e a~, (- cxJ) .
Quel
chequi
è stxtodetto, quel
che ha stabilito GHIZZE1’TI(9)
equel
che è stato detto nel n. 7 sulla funzione
G41 permette
di enunciare ilseguente :
TEORE1VTA. - Le derivateparziali
di2°, 3°, 4°,
ordinerispetto
alle va-riabili x , y , della
funzione
G(x, y , E , n)
sonofinite
e eontinue nell’insiemee anche nell’insieme
salvo che per
x = ~ ~
yLe
singolarità
che ivipresentano
tali derivate sonodefinite
dallee dalle
uguaglianze che
siottengono
cleavvcraicloleparzialmente
una, o dueSussiste la
formula :
’
se
(~ 2013 ~ -{- (~/ 2013 ~)~ > O ?
@ con-se x * ~.
La
.funzione
G(x , y , E , ii) , pensata .funzione
di x , y ,soddisfa
neipunti
iutewzi di~~~,
diversipunto (~, ii) all’equazione:
I noltt’e eS2 ha
identicamente
rispetto
a(9) 100. O cit O (1) pp O 157-158. é
9. -
Scopo
diquesto
n0. èquello
di stabilire unosviluppo
in serie della funzione di GREEN uniformementeconvergente
nel dominio T :(0
C x1,
y,
sviluppo
che mette inevidenza
in modosimmetrico,
le autosoluzioni delproblema (1°).
Da ciò de-durremo,
inparticolare,
ilcomportamento
all’infinito della funzione G e dellesue deri vate.
Riprendiamo l’espressione (10)
diG(x, y, E, n).
Essa sipuò scri vere,
ricordando che
(,x , ~ ~ À)
è funzionepari
di A :dove
1’integnazione
vaeseguita lungo
l’asse reale. Consideriamo ora nelpiano
della variabile il
rettangolo Rk
cos definito :(N
interopositivo,
2 K] aN)
essendo,
come fuconvenato,
Ilrettangolo Rk
contiene nelsuo interno i ~ u
poli
Il residuo di
H (x ~ ~ ~ ~,)
nelpolo (dove Q,, (x, ~)
è ilcomplesso coniugato
dion (x ~ ~)) .
Si hadunque, pel
teorema deiresiduo,
indicando con
FRk
la frontiera delrettangolo Rk :
cioè
ponendo
(111) Solo per maggior chiarezza abbiamo preferito riportare qui sostanzialmente le linee generali di un ragionamento di GHIZZETTI (loc. cit. (1) p. 161 e pp. 176 e segg.).
2. Annali della Souola Norm. Sup. - Pisa.
ossia:
Tenendo
presente
ladecomposizione :
dove :
(11) Dato nn numero complesso z, i simboli R (z) e I (z) iudicane, rispettivamente, la parte reale e il coefficiente dell’immaginario di z.
si prova facilmente
(1~)
che il secondo e ilquarto integrale
tendono a zeroper K - 00 , uniformemente
rispetto
Si arrivapertanto,
facendo tendere Kall’infinito,.
alla formula :Vogliamo
ora provare che vale ilseguente sviluppo
inserie, uniforme-
mente
convergente
dominio T :Dimostreremo che si ha :
uniformemente
in T.Poichè,
essendo H(x , ~ , Â) funzione pari
di~1,
sipuò
scrivere :(12) 1’C. cit. (1) p. 161.
basterà provare che
è,
unifornemente in T:Supponiamo 0 E x
e osservia4noche,
dalladecomposizione
poco sopraadoperata,
si deduce che sipuò
scrivere :dove
Si riconosce subito
che,
essendo0~.rI~
sussistonoper
le limitazioni
segnenti :
Si
può
scrivere :Ciò
premesso, proviamo
che è :avendo posto
e
perciò quando
N - 00 è«PN -
00 . Poichè èsi ha
e
dunque
e
perciò
essendo
Poichè
è (13)
da
quanto
è statoprovato
si ricavadunque :
Usufruéndo,
fral’altro,
diquesta diseguagliauza,
si prova(14)
che èIo, h 12,
-0 , quando
N - 00, uniformemente in T eperciò
rimaneprovata
la validità dellosviluppo
in serie della funzione diGREEN,
inT, uniformemente, sviluppo
annunciato all’inizio diquesto
n°.(~3) loe. cit. (1) pag. 185.
(14) loc. cit (i) p. 180 e segg. ,
Dallo
sviluppo
in serie :moltiplicando
ambo i membri per si ottiene :da
cui,
essendo per n ~ 2 :si ha che il
primo
membro è infinitesimoper 1 y - n i
-- oo in nraodo uni-forme rispetto
a(x s ~)
epoiché
taleprimo
membro è continuo in T e per- ciòlimitato,
ne viene che la funzioneè limitata in T.
Un
ragionamento perfettamente analogo
sipuò
fare per le funzioniPossiamo
dunque
enunciare il, TEOREMA 1. - Detto
B1
2 =39749
... il valore assoluto delcoefficiente dell’immaginario
delle radici non nulle e di modulodell’equazione
tra-scendente senh 2 A ==
2 Å,
lefunzioni
)
sono limitate nel dominioSi
può
enunciare(15) poi
ilTEOREMA 2. , col solito
significato
della costantele
funzioni
si
mantengono
limitate nel duminio10. - Si trriva finalmente al
seguente
di esistenza.TEOREMA. - Se
f (x ~ y) soddisfa
alleseguenti ipotesi :
I)
siadefinita
nella striscia,S,
everifichi
la condizione diH61der,
esi-stano cioè tre costanti
positive d ,1V1,
oc tali che perogni coppia
dipunti P, Q,
di 8 per cui sia l)Q d,
risultiP Qa
II)
lafunzione
siaintegrabile
in8;
allora lafunzione
al nostro
problema.
Ripetendo
unragionamento
noto(16)
si prova che la funzione u(x, y)
definita dalla
(A)
e continua nella strisciaA8 ,
insieme alle sue derivate par-ziali
prime
e che èidenticamente
rispetto
a y e,inoltre,
cheè,
nell’ interno di ~’ :Ci rimane da provare che
è,
identicamenterispetto
a y :(1;» loc. cit. (1) p. 165.
(16)
loc. cit. (~) pp. 165-166.Poichè dal teorema del n. 8 e dal teorema 2 del n. 9 risulta che la
Gxx
ha unasingolarità logaritmica per Q (0 , 17) == ~P (0 , y) ,
conragionamenti analoghi
aquelli
di GHIZZETTI sigiustifica l’ uguaglianza
e
perciò,
essendoGxx (0 , ~ , y ~ q)
== 0 identicamenterispetto a ~ (0 ~ 1) ,
si
ha,
comevolevasi,
11. - Si prova
(1~) poi
che èuniformemente
per(17) loc. cit. (i) pp. 168-169.