1)
.[f
Le systeme (IV-20) n'est pas encore
J \
I
completement decouple
dependent encore de par (IV-17) 1 0 Pour etudier la distribution neutronique
diat,
puisque
¢
Q et Q
o
1 v~)
,!l
En outre
a1 .:.
'ds
2
+ - - - ( - S,+
dit
dans Ie voisinage imme-
"zone proche" d'une source variable dans Ie temps; il faut faire
appel au systeme (IV-20) . Zone lointaine - Pour l'analyse des phenomenes dont les reacteurs sont
a une distance' '!. grande h.» ~tr ) ( dite zone lointaine)
Ie siege,
transport:
a la longueur du falre appel a l'equa-
(comparee on peut
tion de diffusion ordinaire I.es equations differentielle5 (IV - 20) se di>,tinguent des equations de la diffusion normalement utilisee par temporelles faisant
(i /dt 2)La suppression de ces d~rivees
croltre la vitesse
indefinimert
v/'f. :\ et 1/'2:.0.-
n ant constant Posons etudi.ons la
v
t'"fj donc dt t
fa~on
,,0
I
l'apparition de
secondes derivees secondes s 'obtient en
(v_) 0)
tout en mainte-
V.
dans la premiere equations
dont la seconde equation
(IV-20) et
(IV -20) pour Ie premier mo-
- 408-
T. Kahan
ment ~~ du flux
se trouve modifie . Pour
me (IV-IS) et (IV-I9) (p. 59 ) . On voit
.~
dans
deriv~e
cela gu'on
~liminahon
(IV-IS) pour queJ apres
seconde ne figure pas. De
l'~quation
, retournons au syste-
de
doit
annuler Ie terme
~ 1 dans
(IV-19) ainsi
(IV-20) la
abr~g~e,on
tire
pour Ie premier moment du flux 1
"& avec
a~o
~I = - 3I D '""\"
(IV-23) !o (J v.
-.)\7~pour
sph~rique
n~utronique
d'introduire Ie vecteur de la
indiqu~
-> -'>
J(r,
~->
(IV-24)
3.P 51
la symetrie
II est alors tout
courant
+
0..,
/ (r, t) =- D'V
t)
par
¢o (1,
t)
8i I 'on supprime dans
~limine avec ce qui reste,
- D grad
rb 0
lie
(;? ,t)
¢1
(IV -11) (p. 56) Ie terme ~
¢1 de
densit~
I dt
et qu 'on
l'~quation (IV-10), il apparait I'op~ra-
teur
,
qui se confond, dans Ie cas de symetrie spherique, avec Ie Iaplacien 2 <::;7 : D.. . 8i I 'on s 'affranchit de la sym~trie spherique que nous avons utilis~e
pour
(IV-I0) et du temps
(IV-25)
~tablir
de maniere simple I 'approximation. PI' on obtient avec
8 1 = 0 , I '~quation de la diffusion
~ = ¢o
pour
.!.vOlt ~
=
-v. (DtJ
Dans Ie terme source sultait de
mono~nergetique ind~pendante
1
1
C +8 i
0
8 nous avons supprim~ Ie. barre qui r~o
1 'int~gration de (IV -1) P . 54 ). A cette
dre l'~quation des noyaux meres
(IV-20) (de p.59
~quation
il faut adjoin-
- 409-
T, Kahan
~c
~t
(IV-26) En partant cin~tiques
=I/3-i J~f 111_}, ~ F\
i
~
de
(IV-25) et (IV-26},il est aisl! de formuler les equations
pour Ie r~acteur
f = V ~f
(IV-27) il vient
1~
~ C. ~ (1 t
.h
A.
(I-~) K 'f+ ~~. .
1 A
Q
monoenerg~tique, en posant ,
et
I - ':\ = v II1t
(IV-28)
C i
A.
A K 'f - /),
/ ~i
1
1
c.1
Comme I '~quation de la diffusion est autoadjointe I L'~quation
de la diffusion (IV-25) est une equation fort simplifiee
non seulement par rapport rapport
I 'on a
a l'approximation
~
I 'equation
PI sous
du transport
mais aussi
par
1a forme (IV-I8) et (IV-I9) (de p.59
La distribution de ~lmergie dans Ie reacteurt j 'ai montrl!, dans ce qui precede que sur l'exemp1e du rl!acteur monol!nergl!tique, qu'on peut travailler dans 1a p1upart des cas, avec une l!quation
de diffusions qui
est de premih ordre dans Ie temps. L'Hypothese essentielle pour la
a la
validite de ce procedl! est de se limiter ment
zone lointaine,
respective-
a des instants dans 1esquels la majorite I!crasante des neutrons de
source ont deja subi des chocs Le passage de 1a forme de diffusion ordinaire temporelle de
a
de 1'approximation PI
gen~ra1e
~te effectu~
par 1a suppression de 1a derivl!e
~l'
Le traitement monoenergetiQue du approximation
grossi~re
et n'est
gu~re
reacteur ne represente qu'une
satisfaisante pour 1a p1upart des
buts en vue. Obst pourquoi on fait usage des l'energie
a 1'equation ~
~quation!>
dependantes de
(IV-15) et (IV-16) (de p. 57) ou Pon aura pose ~4>
/'Q t = 0 .
- 410-
T. Kahan
Mais ~e sous ne peuvent tout
cette forme simplifieej ces ~quations (IV-15)
Mred~coopl~eB
a fait
et
int~gr~es
particuliers. lei aussi
gueur, telles que par exemple la m~thode
etant
sous forme close que dans des cas
des
m~thodes
m~thode
approcMes sont de ri-
de diffusion des
group~.
Cette
des groupes rassemble les neutrons ou divers groupes en fonc-
tion de leur J
(IV-16)
mono~nerg~tiques
type (IV-25)
a l'interieur I
~nergie,
desquels ils sont
. On obtient ainSl
un
cons'id~r~s
systeme
comme
d'~quations
du
(IV-26) (de p. 61 ) .
M~thode
de diffusion
Appliquons cette pour cela toute la bande
a
deux groupes
m~thode
des groupes
a
deux groupes. Nous divisons
des neutrons en Ie I1groupe rapide l1 qui
d'~nergie
de fission maximale E _ ( - 2 Mev) a l'~n~rgie, o mettons, E et en Ie ngroupe thermique n qui va de E a E = O. Affeca a 1 au groupe rapide, l'indice 2, an groupe thermique . On tons I' indice s'~tend
de
l'~n~rgie
obtient ainsi pour Ie groupe rap ide
l'~quation
de diffusion.
C, 1
+S
1
avec (IV-30)
? (i.
(avec duise
a um!
t, Eo) = ~n~rgie
0) G (E'-~ E)
inMrieure
a
~tant
la
E. En outre
neutrons de fission appartiennent au
probabilit~
que la collision con-
, on a admis que tous les
groupe rapide. Le facteur
(J
est
suppos~ constant dans Ie groupe rapide, respt. dans Ie groupe lent Le flux nrapide n est (IV-31)
A'I
."')
If,. (r, t) =
donn~ -)
par
(r, t, E) d E
-
411-
T. Kahan
(ou
~1 est bien entendu
dans cette section le flux rap ide et non pas
le prermer moment du flux!
Les constantes du groupe sont definies
par
Pour le calcul J on se sert de I'hypothese d 'un spectre d 'energie independant (au moins
par domaine)
(IV-33)
E) =
~ (t:
de
la position:
t) . Z(E)
De meme, I'equation de diffusion pour Ie groupe thermique est (IV-34)
1 d!\>2 - = v2 )t
2
2
) - L a cp 2 + q (r: 2
q(~ t, 0) = 0 et il n'apparait pas
lei
fission dotes Mre
V. (D 'il tP
a
2
pratiquement, de neutrons de
d'energie thermique . Les constantes de groupe. doivent
formes de ~c. _1
dt
a (IV-32) compl~mentaire prend ici analogue
manH~re
La condition (IV -35)
t, E) + S
=_~
i
la forme suivante
C +11 )) i
(. i-1 I
Formulation matricielle Eu egard
a
J
(IV-30l/on peut introduire dans (IV-29) et (IV-34) la de-
finition (IV-36l avee (IV-37)
5'\
El.... E
a
,
4> G(E'- E) dE'
- 412-
T.Kahan
qui definit une section efficace de freinage . Pour limite ELI il faut mettre la plus petite valeur
A l'aide de (IV - 36) et
29)
II
~
~
'I' (r, t) =
(IV-39)
Eo d Eo / J..
, il est possible de mettre les
(IV-39) sous une
(IV-38)
de
sup~rieure
<1>1
11 Ci (
C.1 VI r, t) = (0); (~)
~
(IV-
;J.
forme matricielle en posant : 1
(tP 2 );
~quation·s
t~t.
0
v
2
'
Matrice de perte et de diffusion
avec
Matrices de production
(IV-40)
Ceci permet de rassembler, avec une matrice de source maniE~re
analogue
des r~acteurs
•
(1) ~ v (It "\
ClC,
~qu'
= ~0
S constante de
(IV-29). (IV-34) et (IV-35) en les equations
d'apres la m~thode de diffusion II
(IV-41)
les
v
a deux
~ _ H~ + ~~. ~. + ~ .
1
1
groupes
,
1
..
v
-ri- =Ki q> -/)
Pour passer aux
"
i Ci
~quations cin~tiques
seIon (I1I-l3) (p. 52 ) • il faut
connattre la fonction d'influence. Pour cela. formons les op~rateurs adjoints
.'" =['J -r,) 1
(IV-42)
[en
Ht
o
J2
'
~
supposant pour simplifier
J<.
K
13
+
(VI ~. =\.V2 'l. f2
I ii 12i-r =
00)
/J - A ce qui entraine
- 413-
T, Kahan
(IV-43)
oJ
a
lesquels appliqu~s I
la fonction
d 'influence
liurent les ~quations dif-
.
ferentlelles pour la fonction d 'influence stationnaire .A
A
(IV-44)
(K - H) cl>
Une fois
r~solu
+
cette
=
0
~quation.
on peut former les grandeurs
n. s. c .• k et 1 de maniere analogue aux grandeurs du
ch III et
1
de ce chef les pes, Nous avons (IV-45)
~quations cin~tiques
a dMinir net)
)'5 -~ +~ 1
Au lieu des ~. ~, 1
1
Sf
dans
',It): f~\ dV ; ( + "'-
~ (t) = ,L~+ .... ~ d V Itt> H ~ dV
sit) = (fSd V; v
d'apres la mElthode des deux grou-
en particuller
J~ "'·4>d Vi
lit) =
~tablir
....
dV
H~d
V
(mI3) (p, 52),1'on a l'expression',
f~; (f3il\)l~f/~l +A2V2'E.f/~2) dV (IV-46)
)~ + (Vl~ 1
qui se confond avec (r~acteur
f
lorsque
rapide) •
~
~
fl
fl
cPI
+~2"£f
c1J
2
2) d V
0 (r~acteur thermique) ou ~~ 0 f2
Faisons encore une remarque sur la relation entre que et flux, Le flux rapide et le flux lent sont dantes (IV-47)
par
les
relations "
reli~s
aux
densit~ densit~s
neutronicorrespon-
- 414-
T,Kahan
""L cp
(2)
extr~males
rendent (3)
(~quation homogenel.
fonctionnell~ suivantes(L ~ =
les
S~ LVI
J =
En effet en
= 0
d't,
~J
0,
posant
(4)
4>
~1 et
ou sant
la
deux solutions distinctes de l'~qu, (2) et en ut ili-
2 sont
propri~t~
(1)1 lIon a en effet
b J = J[~i +5~] - J[~] =s( Q>2 +b~i'L(~1 +~~) -S~2 L ~'~ d'C =)4>2 L 2 L~1
d-c
dT +
+5~2 '1 f~ 1d-c"+y' 4>2-'"L ~~1 dt = a[O~I~~J 2 : 8'[ ( f¢)t] C.q.f. .i), ·sr~,'i41.J 1:
En dlautres termes , lorsqu'on commet une erreur "sur les solutions de (21
, la
fonctionnelle
ne suhit qulune variation du second orde
J
e((b cp)Z} De
envisageons
m~me,
l'~quation
avec
second nombre ou
~quation
inr..omogene) .I>-
L J..
(5)
t
't'
1
=
f.,
(equation inhomogene)
1
~tant toujours un op~rateur lineaire sym~trique,
et ou
les
f. sont des fonctions 1
poser I
(6)
et
cp.1 les
n..' 'fI i
,1>._1 = L
v~rifient
f. 1
tI>.
1
1t~quation
ou
sources
possMant un inverse
donn~es,
' On peut alors
-- 415 -
T.Kahan
n n I en va pas de
m~me
,pour la fonction d linfluence
~
lion a
au contraire
+
(IV-48)
ce qui
" N r~sulte
de ce qui suit. Par (IV-39) et
mettre Ie flux et la
densit~
(oJ 1 !. ~ ~quations
(IV-50)
stationnaires sous la forme
1
v
J-,
-J)v N +\J ~ 1 1 1 '- f 1 ./-
- J v N2 2 2 1 Nl i.
2
=0 .
adjo)fntes correspondantes ont pour expression
soit h)lZf - ""J l ) v N4 +~ .J 1 1 1 "ll2Z'f
Dans les deux v,
v - J v N 2 2 2 2 2 N;
demi~res ~quations
+
differentielles pour
N1 et
~quations
et
~~
,
N+ 2
-1
+
.0-
0
=0
(IV-50) • on peut
la seconde par v2 et on trouve pour
0
v 2, N2
1
pa'r
(IV-40), Pon peut en effet
soit
(IV-49)
Les
2
diviser la premiere
effectivement que les l!quations
+
N2 se aonfondent avec les deux premieres
Dans Ie cadre des hypotMses restrictives que nous avons introduites, il est
possible d 'appliquer la
cin~tique
des reacteurs len principe
a
des
-
416-
T. Kahan
substances moderatriceSquelconques . La difficulte principale qui se presente alors est la determination des constantes de groupes, en particulier pour
les
moderateurs si
ve red uite
la description
contenant de llhydrogene. Cette difficulte se trou-
lIon fait appel
a la
du processus de freinage. Cette theorie dont va nous en-
tretenir Ie Prof. Pignedoli conduit simplifiee
il
theorie de ll§ge de Fermi pour
est
vrai
a une
seule eq uation de diffusion, fort
, qui represente aSSez bien Ie comportement
de gros reacteurs thermiques pour certains buts.
-
417-
T. Kahan II Partie Methodes variationnelles en cinetique des reacteurs I
1. Introduction . - L'impossibilite ou l'on se trouve habituellement rt!soudre
a des
de maniere rigoureuse les equations
problemes de diffusion,
de
differentielles attacMes
atomiques nucleaires au autres, ont amene
divers auteurs, (Schurniger, Hulthen , Kohn, etc)
a proposer
)
des me-
thodes de resolution approchees cl l'aide de principes variationnels, .
t
.)
d 'a-
,
spect et de mamemen tres dlfferents. Ces principes s appliquant tous des problemes de
nature, nous avons
m~me
tent~
de voir,
des
a
1951
T. K. et G. Rideau .C. R. Acad. Sc. 233 1951, (1849), J. de Phys.13 (1952) 326, T. K. G. R. et p. Roussoupon pos des methodes d'approdimations variationneIEs dans la tMorie des collisions atomiques et dans la physique des pilES
nucl~ai~
res, memorial des Sciences Mathematiques, 1956»'il n' existerait pas un principe plus
gen~ral
liers. C'est ainsi que nous avons
et~
fait l'objet des presents expos~s et qui principalement en
a titre
de cas particu-
a proposer
Ie principe qui
englobant tous les autres amen~s
a
re~u
de nombreuses applications I
de la diffusion neutronique et en theorie des
th~orie
reacteurs nucleaires 2.
Formulation du principe I
g~n~ral.
I
Considerons un operateur lineaire
v~rifiant (1)
la relation
r'fl
~
,/0.
L
s~metriqueJc'est-a-dire
suivante (fJ
edd,;
=5e 1'1'd~
T
quelles que soient les fonctions
If et e.
Les solutions satisfaisantes a ~
L ='j} (I =bttll~ loc~l)
- 418-
T. Kahan /'
L ~
(7)
Elle
J-
....
= L (L
i
rendrons
-1
=0
f, - rh) 1 'f 1
extremales
une
fonctionnelle du type
(3)
(8')
=J(L
-1 f
=f(i t -1 cont
2
Y2 ) (f 1 -
-
L0/1) d T
=
f·f -IjJ f _i-If LljJ +\jJ~O/} dl: 2121 2121 f 1J- f"-
car
f
sont des fonctions derivees
=jt~2L
- 0/
=ft&2 (L ~ - f 1) - ~1
f.
FL
1
d2J
Les
¢' rendent 1
(8)
J
Quand on
~t'f2
substitue
-1
fonctionnelle
(8)
1" 1
se reduit
f~. ~.J
f, et
2
suivante
"0
et 1fl2 des solutions exactes de (5) , la
a (ou bien avec
et I 'on peut
constant puis que
done extremale la fonctionnelle
(1'1'1 - f 1)-'l'1 a
dt
f2} d"t
f d -c qui est 1 2 sont des fonctions derivees conues .
en omettant Ie terme
If par (1)
2 1
ainsi utiliser (8)
0/ 2->f1 a
-54' 2 f1d
1: )
pour Ie calcul approche de cette fonction-
nelle. Generalement , dans la conduite des calculs, il sera commode de transformer (5) en une equation rep res enter
~
L
integrale, ce qui
va no us amener /
a
par un operateur integral dont Ie noyau sera symetrique
- 419-
T.Kahan ;.
quand
Lest symMrique.
3.
Application aux L'~quation
qui
problemes de diffusion. r~git
canique quantique peut se
un probleme de diffusion (scattering) en
r~duire a
M~
Ia forme suivante (d1:"!d r ::. d 3r)
ob Ie noyau K( 1,{') est g~n~ralement un noyau sym~tri.que[K(.(',Ii') ~ .:;>,-'\1 A-. 0 . . , ) ::>.1 = K( r, r~ et ob '1'1 (!l.) represente l'onde incidente VIr, etant Ie potenti.el
De
du
centre diffusion
m~m~ de nombreux problemes en th~orie du transport des
neutrons ,se posent sous Ia forme d'une
~quation int~grale
du type de
-1', est
sym~trique
Fredholm (9 bis)
ou les limites
sont
ou sym~trisable et Fa.isons, dans
tt
(9)
-(1)-
PO,ur
donn~es
et Ie no:ra.u K (rt',
t')
Ie terme s.olU'ce. est
s(
r~el,
une fonction donn~e.
(9), Ie changement de fonction inconnue 4>1 :
p!'end alors la forme (1) ,~et
qUl slgmfl€
,
operateur, j'utilise la notation
5
L~= F (-;, 11)
....
S
-7
-?
L = F( r, r ')
{q,( 1! r)) d1 r
tr
- 420-
T. Kahan
( 11)
.->
dr ' En appliquant en revenant au
~
~~
a.
notre principe variationnnel relatif a. (8) et
1 initial , nous oQt enons l'expression suivante, sta-
tiona ire vis-a.-vis des solutions de (9) .
iTfr] ~ -50/2 ~;
V
-)~(t)
( 12)
d~ -f~1 '1': V d;?
V K
(f, r1 )
V(r?I) 0/-1
~ et VI 2 sont remplac~es
Quand
de (9) , l'expression
+)
'1\ V ~ 2 di'
(~~) d1 dr1
.
par des solutions
tp 2
(12) a pour valeur
( 13)
Seule
qui
quantit~
lis ions ou elle
L'op~rateur
L
-1
pour
vl-
un interet physique en
L, qui
J
theorie
l'amplitude de diffus ion (cf.
repr~sente A.
.A
ait
~qu.
des col-
(17))
figurro dans (11), doit avoir un inverse J
que les conclusions prec~dentes soient valables. Demontrons
qu lil est bien ainsi . Posons pour simplifier 11 ~criture (11-1 )
On cherche un noyau G(r::
1')
51/(i', -f" 15Q?"- r'l
(11-21
=
car [(f-r I)
~(r' - -;.'1)
tel que soit v~rifi~e 1'equation
-'Ib (i", )
est Ie noyau d1l'ophateur
unit~
1, I}~'
I (I ¢(f)
= 6' (~--f')¢(r') df' = ~ (r) . (11-2) fournit l'equation lntegrale suivante pour
~(7J r"').
-
421 -
T. Kahan
La resolution en
est
Ie noyau resolvant
relatif
(U-4)--y
(?,f')
avec la (11.5)
immediate
U(t, ~') ,
an noyau =
~ (i--f') +r (i'?,r"')
forme bien connue du noyau resolvant
r (r,
aussi un im1rse
H~(i"
a droite
pi.lisque
-14<:
+ -;")
= ~ (r - r') -
a
Diffusion en
(r, r')
il vient
, I
~ ~ ... eh ~
.
+ -7 --)-
Mais
G(r, r')
est
verifi~
(t(t, 1') r')
+
r(~ ;"', )
df /I
=
S';t - r:")
m~meru noyau r~solvant
D'apres la definition
4.
lion
":>-)
appelant I
t.)] i (;.". ;') d~"
-5'iftCl, t") r (~\ =
.,
en
~') = U(f, htJ1i(?, f" d-' (r'i ill
Ceci montre l'existence d'un inverse
(II. 6)
car
M~canique
r Ct, ;, ) .
quanti que .
Nous allor~ appliquer,
d 'abord ; titre
d' illustration,
la
theorlE
generale qui precede aux problemes de diffusion de la mecanique ondulatoire ( 14)
. Dans ce
cas
[ V 2
+
nous avons k
2
a
eonsiderer l'equation
-')lnh-)
- V(r)
0/ (r) = 0 ,
et la solution de celle-ci qui se reduit
I 1-':> 1\ 1 = k, en l'absence te
du potentiel diffuseur
solution verifie l'equation integrale
que ondulatoire
a
a l'onde
-~
plane
-",
=
e
r
1
V (r) . On sait que eet-
(ef. L . .L.. Broglie
la theorie du noyau , Hermann
~ ~
~
i K
,de la Meeani-
, t. III p. 35(55) et
- 422-
T. Kahan
and Massey , Theory of Atomic Collisions 2
Mott
Kahan, Revue de Physique Th~orique
(15)
=
ik1 .i
e
1 --41f'
t.
Moderne,
j'
ed. p. 116 (3) - T.
II etc.
et admet Ia forme asymptotique "'.>
~
ik r
( 16) ou
¢1(-::)
->
est
l'onde incidente donnee
par f(
00
ji:"
,dont Ia
A.
1 Mott et Massey
(d. -')
1
~ 1,- &2 ) ;: - 4'iT
J ik~. r>
~..,
Cette expression valeur stationnaire
(18')
e
p)
f( 't 1, -11,2) est
(V-S)
- 41T J [,} - ""(
. de
e
V
k\ I"-r'l \1--[-')
comme il resulte de nos formules (9)
v~lriationnel
,Je vais
defini
dans
valeur cif
-)
CPl
Vir) , au
lk. r ( 1 V(f)
e
sur Ia formule
dans la directlvn
t
de
la direction
p.114 (30)
-)
-
£.
J
2
-)-> (r) dr
facteur
- 41, pres,
Ia
S",
-)~
bosons
r
~~ lVi'" -; V(tl
(
ci,pe
ikr
Ia quantite
ll- ~I +)
fondee
e
-)
+ f(kl ' k)
I' amplitude de diffus ion
suivant
~
(17)
r--;>
-..,
e 1
-)
-)
f( k ,k) 1
est
-)
'~ 2(1)
r
2 dI<
V(t')
a
di>
.
liJ /(')
Tl
d? dr'
(13) . La methode variationnelle
(18) est une des formes que peut prendre Ie prinpar ( 8) .
indiquer maintenant
Ia generalisation de notre methode aux
et aux fermions. Generalement, I'equation de diffusion (14) est ecrite dans Ie barycen-
- 423-
T. Kahan
tre de deux particu1es semblab1es. On sait qu 'aIors l!indiscernabilite particules est responsable de phenomenes stique particuliere suive pour effet
par les deux
d'echange regis par la stati-
particules,
phenom~nes
de modifier la valeur des sections efficaces
obten~es
ne tient pas compte de cette indiscernabilite . Si Ie vecteur donn,e la direction
e
designe l'angle entre
de connaitre est
iI'
des ondes incidentes, est pris pour axe des
...,
9
~
kl et
f( 11'"
f( B) ~
qui ant quand on
_?
qui
t~
z et
S1~' -:1 t.
I
- II. 2 ' 1a quantite qulil est interessant
- /1)
Ie signe + on Ie s 19ne -~ui -
avec
vant que lion considere des bosons ~-,
des
oU
des fermions,
;~
IU,i.
OU lion a pose
-'>
L2) = f(11"-/1) noterons .p (;) (r)
f(t, + 1
A partir de maintenant, nous
a
integrale suivante relative .....
( 18;.1)
£Pi (+)
-<)
1
411"
¢ ~+)
X
tamlis que la solution relative
4>~-) (~) (18-2)
a
et satisfera
<1>(;) (f)
une onde incidente suivant
ik.r
(t) = e
e
-i~
1
Quand Ie potentiel est
Ia solution de 1'equation
a
) (t')
e kli'--i"l
Ir\"¥' I
r .
'l. 1 .
vch
dt, -")
une onde incidente suivant - k
1
sera notee
l'equation integrale
t
-")
-)
(r') dr' uniquement foJinction de la distance I
rI=r
, on
verifie aisement la relation ( 18-3)
lI'I(+)
't'1
-">
(-r)
8i 1 'on tient compte de la statistique du probleme de diffus.ion s 'ecrit :
(effet
d'echange), la solution eXClc,e
- 424-
T. Kahan
+ q,(-) (?)
_1 (¢(+) (1)
'f2
.-t ( sta t"lstlque -1 de B ose- E'mste}n )
(statistique de
Fermi- Dirac) ,
et il· s 'agit de tenir compte, dans le principe ge. Reprenons donc (18) terme que nous notons
a partir
reli~e a V~+)
par
( 18-5)
Y~ (-) (r) -I
a
approch€~s
de maintenant 'VI
des solutions
On fait la meme convention necessaire
(18), de cet effet
terme. Ala
fonction d'essai
(+\f) ,
(+) ;-') (r)
'fA
En d'autres termes, les f0l1nctions des valeurs
,
exactes
pour la fojdnction
~~+)
9'2(~») ,
y} -) (f)
associons
Y (-)
et
1
(1) et
d'essai
d 'echan-
?
[r) sont
(F7 ) ,
Yz(rl ' 11
est donc
d'introduire les combinaisons
'If: (+) .A
+
4' (-)
-
1
1 ), -
V2
(+)
(CVt
(-)
~\f 2
(suivant la statistique adoptee) dans une formulation variationnelle devant tenir compte de l'echange. Puisque j'ai
a calculer
ajouter on retrancher les valeurs Soit
V~·:
+)e
V( It )
V(r)
1 fl'J"(+) ""9. 4 TT T 2 (r) V(r)
f(e)
'+
f(Ti' -e), j'aurai respectivement
de (18) relatives
a
-':>
+ k2 et
a -
--,
k2
a
- 425-
T. Kahan -'>
\ e
-")
(+)
-ik2' r _?
(
V~~) Y 1 (i~) di?
ik r
+)
e 1
v(r)y~-)(f)
+ d(-
( 18-6)
-jv:+)
v v;(-)
) -4f~2 1
Etant
donn~
- -)
d~
-
,,_")
e iktr-r'l
_)
(r)V(r)
\1-P'1
I
la definition des foJinctions ,
(18-7)
( 18-8)
(18-9)
=
+\0/(-) (~)
-) 1
V(r) liii·(+) (r) +Ijr(-) (r)) 'T 2 - 2
=.! ((y(+) (r) +,i}(-) (r») 2)
1
_Tl
V(r)
(~+) 2
d? =
(i) + \f(+) 2
f;)) d-;?,
-
426-
T, Kahan
repr~sente
l'onde incidente
~ quand on tient compte de la statistique, De 1 .llt~ f? -& m~me pour la quantit(! (e 1 + Q 1 ) , Donc, finalement, on
suivant la direction
t
obtient les deux princiPet2variationnels bles
, soit aux
bosons , soit aux fermions
f( e) + f( 'If - e)
=
.:':>
v, S,
11{2 -r [( e
+ e
-)
.-7
+c
(+) V(r)
-1"1 Y.
+e
~~ (+) (f)
- -.!...( r-"
-?
-lk 2 , r
.;:.J2
.t?::::> 1"1'!' (18-11)
ci-dessou3, directement applica-
411") ...... t
(+)
V(r)
8
F":"I
2
~
'3 ~+) (i'I) df
(tl
V(r)
+
dr? -
(+) (t) 2
V(r)
(t) df
-
f(6) - f(1r-e) =
(18-12)
~ V. s. tr·;~'·? -. -;);,.f 'k
+ ) .'
~
Vir) :::: (-) It) di'
-')
,.~- • ' ,.r
1
V(r):;:
I-~
rr)
d.t-
- 427-
-
'f
T. Kahan
(-)
-::::. 2
,......._ (-)
;;t,
_
(r) V(r)
(~)
dr , -
2
__ 1 (~(-) 4iT)'-' 2 Dans les forrnules
If)
Vir)
e
ik rf-1'\
t)
V( ')""-' (-) d-> dr" r'-="'-1 r r
\1-t'l
"-:' ....... (+) et '7' ........ (-)
pr~cedentes,
remplacent les quanti-
tes
essai
et representent les fonctionsi tera qu'elles sont assujetties de
la statistique de
dans Ie cas
qui doivent
utilis~es
. On no-
a la condition d'etre paires dans Ie cas
Bose- Einstein et
a la condition
d'~re
irrPaires
de la statistique de Fermi - Dirac
NOlls allons montrer maintenant comment
(18) permet d'arriver aux
(Phys Rev. ~ (1948) 1763 - Hulth(m , XO
methodes proposes par Kohn Congres
etre
des Mathematiciens scandinaves _ Copenhague
1946).
~
5
Methode de Kohn - A l'aide de la fonction de Dirac, on peut ./' 2 2 mettre l'op~rateur L =9' + k sous forme d 'op~rateur integral dont Ie
noyau
G(;'
:r1)
est
~videmment symEitrique . Ceci ~tant, l'~quation (14)
s'ecrit
)
V(;~ cp (r)
(19)
lavec
=) G(l, j?,) ¢ (i~')
L=(I?+
k 2)
di?'
=~G(;,-f'{--]dr'),
En posant
+
(20)
on obtient, pour les
, 'PI (r)
" VCr) J
,
l'equation integrale suivante
- 428-
~\f!
(21 )
au
j'ai
I
I
(0 0
-'>
(r) = -'f'
J
-)
1
T. Kahan
-1-
+
(r)
v;0
pos~
(22) I
En ~crivant notre principe variationnel relatif aux ~ 1 ' on obtient une m~thode de calcul approcM pour la i(l? -) e
(22)
quantit~
+k' ) Ii' 1
2
si bien qu 'en revenant aux
Vet)
t
dt -
/,11 f(
-'>
initiaux, l'amplitude de diffusion
est, au facteur 411 pres, valeur
stationnaire de la
-)
-:?
f('{ l' --{2)
quantit~
~
j" '1.[
X
V1(r) dr oJ( :') 1
- e 2
oil. j'ai
~ f~ 2) ,
\l L + k
2J 'K (f) d?
utilis~
(24)
Pour Ie ca1cul de la Green:
"&
de
dernH~re int~grale
df
r:
2
2
S(f~ -g~t\.)dS=/fY'g-g;Yf)
(23), on utilise la formule de
dl:,
~ ~tant une fonction d'essai que lion supposera avoir la forme asymptotique
e
(25)
ikr r
On conduira Ie calcul de la
fa~on
indiqu~t.
dans Ie memoire de Kohn
- 429
-~
T. Kahan
(cor. cit. p. 1766) . pour retrouver exactement Ie principe variationnel qu'il
a propose. 11 a lieu de remarquer que Ie principe (18) que nous proposons,
bien que d~coulant cision
sup~rieure
de la m~me methode, fournit n~anmoins a
celle obtenue
une pre-
par la meth,)de de Kohn . En effet,
en prenant pour fonction d'~ssai simplement l'approximation d'orde z~ro (onde plane) , Ie principe de Kohn fournit la premiere approximation de Born, ta:ndis que notre principe (18) donne directement jusqu'a la seconde approximation.
Methode relative a l'equation radical..!de la diffusion.
6.
Nous allons maintenant deduire les methodes relatives
a l'~quation
radicale de l'~quation de la diffusion directement de notre principe variationnel g~neral. A cet effet, prenoDs pour les fonctions
VlIet ~ 2
qui figurent dans l'expression
la forme
't'i (r) -~
(26)
(18) un
00
=~
(2n+1) i
n
(27)
--,
n
\¥2 (i") = ~ (2n+1) o
de
P (cos 8)!\ ( /rl) ,
n=O 00
-) au 1\ (r)
I\.
dev~loppement
t
'"
A P n (cos 12
";? ) '\ dt\),
a la forme asymptotique in'n. e . A 0 - - s m (kr
-) 1\) r-)
n
00
kr
-)
la direction ayant pour
{I ~tant cor.doonn~s
Nous aurons egalement pement suivant
prise comme polaires
a utiliser
axe des ( @, 0)
Ie deveIop-
rJ)
~) Mott-Sneddon, Waye mechanics and its application Oxford, 1948 p. 386
- 430-
T. Kahan
-41'
e
~k
_)"'>/ 1r-rl
I r-rl 1- -
0
n
k
r,
~
t
(kr) Co ___ P cos ...
.11."
/\
I •.,,;;YI II'.';J
3~(~ r):~ <\
(28)
:R. (t ) =V~ ainsi que l'expression
P
n
(cos
t
J
i
_-:,A
r.
~f~
)
~tant
les
e ) Pn
n
I (n+m) (
polaires de
coordonn~es
a I'origine
r)
,
(cos ( 1) +
I) celles
,(9!
entendu Ie potentiel V(r) , qui va intervenir) ne de Ia distance rz.
(k
-n-
p"" (cos 9 ) p'" (cos 9' ) cos"" (
2: (n-m).
"'~~
(k r) + (-D J
r~) = p(cos
n
+ 2 (9 ,
~ (kr)
00
"'- 2 .. +1
411'"
(symHriie
d~pendl
J
de rl . Bien
par hypothese" que
spherique).
Ceci ~tant, (18) se met sous la forme 00
41T~ (2n+1) (-It P (cos o
I..
n
00
[~·f a-2 k
J
n+Tt
o
(30)
-J (r
(k' r)r (r) V(r) drn
00
o
n (r))2 V(r) dr -
--k1frn(r) ou j'ai
6)
V(r)f (k r )
pos~
r
rn(rl) dr dr'lJ ,
(r)
/\ I\. (r)= - "r ' -
Quand
y;. et V2 sont des solutions exactes
d'onde , il est clair
que
"I\. devient
d iff~rentielle radicale / relative obtiendra d e s f 1 et
'II 2
a
L (r) n
la valeur n
diff~rant
2 de 11~quation
peu les
,solution de l'~quatiol1 du
moment cinHique . On et
- 431-
T, Kahan
dans
V2
des
(26)
ainsi
L (r) . La variation des 't'- et n 2 nlest pas la variation la plus g~n~rale, mais clest
obtenue
la seule qui
diff~rant peu des
An
importe dans Ie cas de la symNrie
envisageons ici.
La premiere variation de
sph~rique
que no us
(30) qui resulte de eette varia-
suite de llorthogonalite des poly-
tion radicale, doit t!tre nulle et, par
n(j'mes de Legendre, Ia premiere variation de chacune des quantites entre crochets cette
de
est nullc, Quand
30
entre corchets
quantit~
r
t\.
devient
(r) se confond avee ~gale
a
G (r) = L (r), n n
2i"1,.", -1
e
Uk 2 ) hasa te habl'tueI (-1-) Done, 11 expreSSlOn ' es t 1e dep en t re eroc he t S
OU'1 .. provenant
de
e
(30):
lit. .
-1 = V.S.[ 2 - ti k
~GdU: k2 t~ 2'" In+1~ (kr)l: (r)
co
-Jo (rn (r))
(30)
2 V(r) dr-
dr ' {.
)( V(rl) rhh') dr fournit une m~me
m~thode
V(r) dr-
variationnel1e de calcl approchee des
d~phasagfS.En
temps, (31) donne l'equation integrale que doit verifier G (r), n
a
llJRemarquons que la fonction G (r) introduite ici differe de celIe que lIon trouve dans Mott et Masse~, cit, ch. II et ch VII, en ce qu1e:De a· la forme asymptothique :
i"l
c n -~
,~
p
('111. - n
fI/2
+II'!) ~n
•
- 432-
T. Kahan
~
savoir
l.\~
G (r) = n
(32)
k~2
J
r \fJ (
- l.
n+1/2 (k r) -
kr )
»
k)oJ n
~ (k r) <
V(r') G (r') dr' . n
Nous allons maintenant etabLc' en Mtail les calculs conduisant /
la formule (30) . Procedons terme
co
n'=o
1 2k
Ce qui donne
~
(t n' + 1) (2n + 1) i Pt\.' (cos 9 )
J 1 ,( ),1 kr
I
(kr()
n)
o ...,..
o
\f I .
n=o
co
f
-')
d'abord l'integration sur dr' en tenant compte du
ne depend pas de
L.
terme
,
Nous effectuons fait que
~
r;> r (
p l(cOS 9') P n
n
V (r') 1\ (r') r" dr>' I\.
(cos 0) sin 6' de' .
En utilisant les relations
d'orthogonalite des polynomes de Legende ii')
il vient
~)
a
Valiron : TMorie des fOt1'nctions (Masson) p. 207
- 433-
T. Kahan
1 (e ik 1-r-r?11 _ -:) _) -4,,) Ir~ _rl/ V(rt) 'V-;(r) dr 00
r-
(30-2)
t·p
2n+1 {
n=o
(cos 0) n
(OOt.e! 'I.~)llt(l~v(rl) A (rI2) drl
Jo
'I.
I!.
11\
<1
Nous devons maintenant effectuer llint~gration sur df. ble
t~gration
If}
'f
(Yl"\
1-' -
ferons disparaltre les termes
e
-f
2-
00
'-Y 1(r-,l) dr'"")-~ dr l
00
A
)( ('T" P
2
n
T
~
12
0/ 2(r)
--)
qui con-
(2n+1) (_l)n Pn(cos
a
00
),
[ 1\ ~ (r) V(r) n o
1\ (rl) r
n+n l
=
p (cos n
dr dr 1
n
00
V(r)
r
(cos 0) p 1 (cos 0) sin
) o
)(
V(rl)
ko;:;o (2n+1) (2nl+1) i
''a,(r l ) r
4rr
ik\1-r1 /
If'-r l !
4~i2(r-1 V(r)
=-
de
et il reste
:7..
X V(rl)
ainsi en effectuant d1abord llin-
A
sur T nous
tiennent cos
6
V 2( -t) et
n1apparaitra que dans
. La varia-
Ode
=
®)
(kr ) ~ h~ .., n r
2
n
r
>r<
/2
dr dr l .
Cal cuI du terme
if?; (t)-, V(r)
f1f'ii"J
Vir)
ne contenant
Y,lf) df pas
If',
. en effectuant
d labord llint~gration
-
434-
T. Kahan
'P en
sur et il
~limine les termes
de
V It)
qui contiennent
cos
m If,
reste
-f~ (r)
(30-4)
%(1)
V(r)
00
d? =
00
L
=-2JT!
(2n+1 )(2n '+1) i
n+n'
n=o n'=o
00
x
)
CA o
Jo(IT'
)(
1\ ,
(r) V(r)
n
h.
r
2
P , (cos n
®)
dr
P (cos 0) P , (cos 0) sin 0 d 0 = n
n
00
= - 4fT
I..
(2n+1) (-It P (cos n
n=o
I 00
("n(r))
2
V(r) r
2
@)
dr,
Toujours en utilisant les relations d 'orthogonalit~
A
des polynomes
de Legendre. Pour Ie calcul
des deux termes restants, on doit utiliser Ie
veloppement bien connu (30- 5)
e
l*)
/\ (2n+l)t P (cos 1{. t n n=o
f~,t
00
L
J et en
employant
quantit~
c)
t*l L.
Ie
~
n+
1/
2
)
(kr) ,
d~veloppement
.I'-
(29) des polynomes de Legendre
.,
.
e
d~-
ik.t
V(r)
'V;
(f)
de Broglie, loco cit p. 20 T. Kahan, Precis.. de Physique
-:>
dr
,
Theorique
t.I1 (P. UF.)
, la
- 435-
T-. Kahan
devient, apres
Lf:
j -) .~
1
(30~6)
~limination
2' r
e
des termes contenant
_00
~
'\"00
nt-" '
1/ n+ 2
J
n
int~gration
sur
(r) dr =
= 2Ti?.. '- (2n+l) (2n'+1) i n=o n'=o
P
par
_'>
__';>
V(r)
'f
(cos B) P
(~'t)
n
I
P (cos @ ) rt
V(r) A (r) r2 dr n
(cos 8) Sin 8 d 8 =
00
471
~ (2n+l) (-It P (cos ®) n
o
Le calcul du terme
d)
s 'effectue de la meme fa(,:on . L~ encore,les termes contenant
Y'
et pro-
venant du developpement de \V2(~ s'elimine It par integration sur ~ 1'utilisation des relations
d 'orthogonalite des polynomes de Legendre don-
ne
00
'" 4 7T [
t
(2n+ 1) (- 1
n=o ;
00,
(]I
o V2kr
et
I n+ 1/ 2 (kr)
P (cos
n
Vir)
®) 1\
)r) r
2
dr,
- 436-
T, Kahan
Si bien que (30-8)
l'expression (18) devient .finalement
_00
L
411'
n
[1 faf:" 0
-.!.
rr
A-tn
7,
I n+I ,
Ikr)~lr)
Vir) dr -
VIr) dr -
(rll, (1'»
o
n
(cos \!Y )
2
00
- [
~
P
(2~1)(-1)
(1') V(r) j(kr )
~(kr~ ) V(r') rn(1")
n.,J
dr dr' ]
Methode de Schwinger deduite de notre principe general (3) Nous allons montrer maintenant que la methode de Schwinger~ se
deduit de notre principe general (3) en donnant une forme convenable
a
requation integrale (32) , A cet effet, introduisons une nouvelle fonction
fu
(r) reliee
a G(r) par
_i'l..
1 ,
n
n
(r) -== k G (1') _e_
n
cos"!..
n
Cette nouvelle fOJlnction
verifi~
1vn =[fk"2
ntI 2
(34)
(r)
(_I)n
-r
';( V(f kr,( 2
ii") J ,SChWinger·· 76 (1949) 21 ,
00
o
-
r J
/v kr V- 2 J
/
alors l'equation integrale (kr)-
7
J ntI/
2
({ I' 7 )
/ (kr ) V(r') -n-l 2 <;
~qn(1") dr' ,
Conf&tences in{dites, 1947. Blattand Jackson, Phys, Rev,
- 437-
T.Kahan
On peut alors
1?n(r)
(36) apr~s
~crire
avoir
(34) sous la forme
=ft1'l (r, r') V(r') 1n(r') dr' ,
fkr
pos~
I1J r'):- - 1 !J'Z(r J (kr)f~- kr' J 1/ (kr') + , tgT[ n 2 n+ 1/ 2 2 n+ 2
(37)
(_I)' \1pTKr( + __ __ k
On
sym~trise
J
n+l/ 2
l'~quation
avec
( k r~r7 )-<. 2 J -n- 1/ 2 (k r ., ) .
finalement Ie noyau
1tn(r) = (V[r)
(38)
et
'2
pr~c~dent
~In (r),
prend la forme
i~ n
=0
i.) ~'-"I d VI'ldl l" "I ~H
(39)
en posant
dr' ,
En appliquant alors Ie principe (3), on conclut que l'expression cot g IIJ.. n = V's{J'1! (r) VIr) dr -
(40)
-1-~lnfS 1'1 VI'I'f"; n+V I
X
,~fiikr 2-2- J- n+.(1 ...(fiffi": ~
1.'
1/ 2 (kr»)
V(~) 1(r') dr
2
k'
dr'
+
l2}
I n+1/ 2(kr) VIr) tn(r) drJ
a une valeur stationnaire pour les solutions exactes du (40) fournit la m~thode de calcul approcM
de cotg
"Z n
probl~me
propos~e
de diffusion, par
Schwinger (lit) ~') cf".
cit.
par exemple, Blatt-Jackson, loc. cit . p. 21 , J, Schwinger Loc.
- 438-
T. Kahan
Gl!n~ralisation(1) a des op~rateurs
8
non
sym~triques
du principe va-
riationnel general I
1
Considerons un op~rateur lineaire
L
et l'~quation homog~ne (sans
second membre /'0
Lq! = 0
(41) avec sa
transpos~e
hermetique
(2)
(42) Nous allons montrer en appliquant notre technique generale que la quantite (43) nulle quand
~', Ij)'
respectivement, ne
viennent coincider avec Ie souhons et
diff~re
du second ardre quand
de zero
'4'
if
et
I
\j7 de (41 et (42)
que par des termes infiniment petits
diff~rent
de
¢ et ~
par
des infi-
niment petits du premier ordre . Posans en dfet ,
11 vient alors
('
(
(lJ=)~'
+~
-
L ~'d~
=)(~+r~)+~L =
t Lr
s(r~
La premiere integrale est
(\iJ+bo/)dt: d"t
nulle par
=
5~
+
+ L ~ tf d"C.
(41). Ql.iant
a la
seconde, elle peut
s'ecrire (I) P. ROllSSOpoulos. C. R. Accad. Sc. Paris t. 236 (1953)1859) Kahan - Rideau ....
Roussopoulos, loc. cit. 22 (2)
'"
l'operateur adjoint
(43-1)
S0/+
L
L
+
adjoint
$dt
a ",.Lest
,
defini par
=JH +0/ ~
=<~it 1jJ)
-
439To Kahan
s~+[, ~!id< {lrft+~dTr ~O en appliquant la dMinition
du transpos(CI hermitique (adjoint) d 'un opera-
teur et I' (CIquation (42) . Le cas plus complique de 1'equation inhomogene ou avec second mem-
ijJ
ore ou
et
tp
sont solutions
de
A
Ly
(44)
./'0+ L
(45) ....
= f,
=g
I
se raml:'!ne au precedent en posant _
-
-"-I
Y= 'V - (L
q; et 1>
ou
) f,
th ./0-1+ 't' = ~ -(L) g,
I verifient maintenant des equation> du type (41) et (42)
0
Il vient alors
(46)
J
1¢
'-"LIP' dT =) ('f'-(L- 1)+g(L(o/'-(L
-It f) d"t
=j~Lifl-4"L 6~-ltf- (i-It g(L =
tV')
_(I.-It gi,rL- 1t
~
)[q,'LIti' -<\>' f - 4>10/' +¢~
=S[
- g Ij) ,
dC(I) = d1:
q
+ cp
Finalement , nous pouvons ecrire
(1- 1)+ = (L +)- 1 .
(1 )
+ Jo -1 + A -1 +A + +1 -1 -1 + En effet de 1 = 1 ~ (L L ) =(L ) L , on h l< (L ) =(L ) (A +)-1 A -l mltlque L =L 0
o
•
A.
,A
0
Si L est her-
- 440-
T. Kahan I
La notation V. S. sigilifiant comme precMement , que la mier nombre de
(47) est la valeur stationnaire (ou extr~male) de la fOI
ctionnelle du second
membre.
Les formules hermitique
au pre-
quantit~
1'-+ ...
pr~c~dentes
(L = L) car no us
se simplifient quand
a
aurons
.A
L est un
consid~rer
op~rateur
alors comme equa-
tions
(47) s'ecrivant dans ce cas
(48)
Remarquons que Ie principe variationnel (47) contient a titre de cas particulier
notre principe variationnel pour
op~rateur
symetrique
(8).
Ce principe s' ~crirait
::;;; ~ V, s'rry-; ',d Hf~}2 dt -J~;
(49)
=V.S·t lJ T
~ et
If' ~
I
etant des
('f',f l )
+(o/~f2) 0/ l' 'Y2
/
formes approchees de
~o/;
dt }
-(Y'2,Lo/ 1)},
solutions des ~quationll
diff~rentielles
'"L
(50) A
L
~tant
un
montrerons
op~rateur
ais~ment
sous forme d 'un (51 )
UJ
T2
= f 2'
SYtmMrique tel que)' \f1
L Lf2
que (49) est identique
a
op~rateur int~gral
=) ~ Llf1
d
't •
(47) en envisageant
L
d'{
Nous
- 441-
T.Kahan Si "Lest la combinaison de les remplacer par des
d~riv~es
de divers ordres il surfit alors de
d~riv~es de divers ordres de la fonction ci
dont les noyaux sont des
op~rateurs int~graux
~
I
(cf. p. 7 J 11 ). eeJ
on Mduira aisement que Ie noyau prGpre au transpose hermiti-
~tant,
.A
que de
L sera
et que Ie noyau d'un sym~trique
pourra
sera
m~trique
op~rateur
de T et "'( I, Des lors, la seconde
se mettre
sous
+ .... +
) d'~ 10/ lrl) L (1;I,.1:)
ce qui permet de conclure que, les deux
~quation
une fonction
( 50) qui s I~crit
=f{r)
dans Ie cas des
+
,
op~rateurs
symetriques,
~quations A
L
~quivalentes
n
lui-m~me
la forme
(
sont
de Dirac
I
ill
, 2
::
f
2'
L
+ +
0/ 2
= f2
+
.
suffit maintenant d'ecrire Ie principe variationnel (47) en partant
du compte d ' 6quation
pour retrouver Ie principe variationnel (49). On peut gen6raliser notre prinCipie d'~quation.
(52) les
Envisageons
par exemple Ie
variationnel pour des
syst~me
syst~mes
homo gene
~
L. (w.) :: 0 , J ..,. J
L. etant des op6rateurs diff6rentielles oli lin6aires. E notation vectoJ rielle , (52) peut s ' 6crire
- 442-
T. Kahan
(53)
ou
·L
) n
qUi est du type (41) . On peut alors montrer que l'expression
J=f(f,l)~,
(53)
est
extr~male
ou
verifie l'~quation adjointe
Consid~rons,8. titre
d
1-
(55)
L aij
et
une fo nction
c
..
d
(56)
C 'est le cas simple ou
'
(i, j = 1,2,3, ... , n)
coordonn~es
x. et a ij = a ji I
."...
Llf = 0 avec les conditions aux limites
J = -
0/= 0
5
dans
(41) et (43)
x. I
J
i'
d
~
- a .. alJ
ij
dl& (a1J..::..;:r)+c!f]dr= dx. J
d ,/I
..2.:f dx. J d ID -d .:::.....I
n. dS + a 1
dx. ~x. .1 J
prend la forme
f1f,"
A I.{JL\Odt= -) I
~ i' d J) =- - ( a J .::::...I...)d"t+ a J _ T dx. dx. dx. I J J
conpte tenu
.
dl./ ) =0 dX j i $
(57)
(58)
+c
sont des fonctions des
telle que
a (53)
d'application, 1'op~rateur sym~trique
(a lJ - ) dx j
dx. I
oi:! les
d"t
_ c
ij
rJ
d
"\. a I
d If d -.p d'T d dx. X. I J d~ '
de la condition aux limites (57).
.
2
~ dt-(('f d't.= )
S \f c
2
d 1:
-
443-
T. Kahan
Soit maintenant d dx. J
(59)
Ie
syst~me
d-t
( ij
dx:") 9J.(3 !-'"
~!3
0
1
ou et J..j (1 = 1, 2, 3, ... , m ,
i, j = 1, 2, 3, ... , n
et ij
(60)
aJ(3
j 0 ij I = at-{2 = i:1~
, c.;..p =
13 ot.
avec les conditions aux limites
-
(61)
d
'PrJ..
dx.
1
n)
o
j 5
Dans ce cas , Ie principe vabationnel
a
appliquer
Contentons -nous d I~noncer Ie principe sans Ie
Jl-
(62)
J =
(58) et (62) jauent
sque la
9
m~trique
ij' aJ(J
~ dl/J~ dx.
un rtle n lest pas
Principe variationel
1
r J
cd-j1
f
tA
I{'
du type
d~montrer
(1]
important dans la
d~finie
est
(54).
:
d~ de l'hypercycle Ior-
m~thode
positive (j)
g~n~ral, c )mme extension
du
principe de
Ritz-Rayleigh I
L'inconvenient des principes variationels est de fcnrnir une approximat on
d~pendant
la forme
ala
mllcanique
diff~re
pas essen-
appliqu~e,
fournisse .1t une mllthode de calcul qui ne
tiellement du calcul des perturbations
(47) ou (48)
de la normalisation particulie-
re adoptlle pour les fonctions dlessai. De plus, quantique, ils
de
dont on sait, par
ailleurs, les dif-
*)cf. J. L. Synge, The Hypercycle in Mathematical Physics, p. 292 et (Cambridge Unniversity Press, 1957) L. Cairo et T. Kahan, Variational Techniques in Electromagnetique, p. 58 / Bmacjoe Mp, dp,; 1965
- 444-
T.Kahan
ficult~s
. Aussi donnerons-nous maintenant un principe variationnel
ral; extension du principe Ritz-Rayleigh qui dans I
d~ja ~te.
kson (loc .cit.) et champ
de
de
~tudie
a la
fa~on dl~taill~e
par ScllVinger, Blatt et Jac-
utilis~ pour la d~termination des dephasages dans un
forces centrales V(n) .
Rappelons dlabord Nous
application
quantique, ~chappe aux objections pr~c~dentes, Un cas parti-
mecanique culier a
Son
g~n~
allors
bri~vement ce
qu1est Ie principe de Ritz-Rayleigh (1)
Ie dMuire au demeurant par la suite (65) (83) de
notre principe variationnel g~neral Le probl~me pose est celui de la determination de
.A
ou
Ia plus
.....
A et
B
petite
valeur
sont des op~rateurs
lisant cette derni~re hypoth~se,
de sorte
que nous sommes
propre de
hermitiques d~finis positif . En uti-
on peut poser
ramen~s
a
1
B- 1/2 A B -"2 ~ _~ Ie
"ili J
probl~me
de valeur propre la plus simple possible. On verifie aisement
que A
AI
est comme que ( 63)
= ""B
2 A "'"B
I
1 2
un operateur hermitique dMini positif. On peut alors
,,=
d~montrer
V. S.
(l)Pour les d~tail~ cf. par exemple comant -Hilbert, M~thoden der mathematischen Physik ,ou Schwinger Lect. Nots Haward iJ. • 1947) .
- 445-
T. Kahan
En effet
est
en tenant compte de ce que
A cp I
=~
4l
donne
A=(~,A'~)
(¢' I~) pour les solutions exactes
OHI\. trouve i apres l'utilisation de l'hermiti-
cUi, une premiere variation nulle. Notons que aucun usage n la Ceci
~te'
fait du caractere
dans cette
d lop~rateur dMini
Id~monstration,
positif de
AI
•
n1entre en jeu que dans la suite dEB d~montrations permettant de conduire a la conver-
gence du
proc~d~
Ceci
vers la plus basse valeur propre d lop~rateur.
rappel~,
envisageons de
nouveau
des
~quations
de la forme
(64)
la
quantit~
que nous voulons calculer
~tant
(65)
on peut alors (66)
""+ L les
op~ratcurs int~graux
du second membre
~tant
bien
conjugu~s
hermitiques
- 446-
T. Kahan
d'apres ce qd
il
ete dit plus I aut.
Sous cette forme (66) , 1a determination de
1/ Q est ramenee
a 1a
resolution d 'un prob1eme de valeurs propres generalisees ,
L~ =AM~ Lt =A M+¢
(68)
J\
avec l'operateur (69)
AM.= ~
prob1eme au quel on
peut lcvidemment appliquer Ie principe de
igh , tout
au
moins
CL}
d 'Ul. ,point
l( L't ..} d't' Ritz-Rayle-
de vue formel , car Ie fait que
le~ ope-
rateurs integraux dans (68) ne sont plus obligatoirement definis positifS nous obligent arenoncer aux developpements classiques sur la <.:onvergence de 1a
methode. Nous obtiendrons donc
(69)
qui pour Ie cas particulier OU
~
(70)
Q
car dans ce cas dre
=
v'S'
Lest hermitfque s 'ecrit
~)~'+LQ'd"( ~ lllji'+ fl d-rf2 J ' on doit pren-
la seconde equation de (64) Mait
!.pl. crest un principe de la forme (70) qu'ont utilise Schwringer
Blatt et Jackson dans Ie cal cuI
.1\
des dephasages, l'operateur L etant alors
un operateur integral symetrique reel , donc hermitique.
10.
Unicite ou multiplicite des principes variationnels. N,.ous avons
variatinnnels (47)
r'"
associer a' meme type d'equations
et (70) , sens,hlement differents, par
deux principes
Ie calcul de la
mt!me quantite. Aussi peut-on se demander si les principes (47) et (70)
- 447-
T. Kahan
a
sont les deux seuls que l'on puisse associer (45)
,ou si , au
des equations du type (44)
contraire, il serait possible d'en trouver un plus
grand nombre. Crest cette seconde partie de l'alternative qui se trollve realisee. En effet, posons J-
(71)
+
=S~
f dT
J1+ L~\f'
,f3 =
d -c,
'( =) ~' /
d (' ,
et considerons une fonction analytique
a laquelle et
9'
a vis
nous imposons d '~tre stationnaire vis -
autour des solutions exactes
la valeur correcte de 0< quand
~'
de et
et
(44)
r'
des variations I(> ,
(45) et de se reduire
co'incident
a
avec ces solu-
tions exactes , Il suffit pour cela d'imposer la condition F(,f.., J.. , rf.)
quel que soit
.;..,
mais
ceci entraine
-oFI~; : •• ) et en tenant compte de donne les variations
f~
f.J.
d'ou resulte
~~(f'
+ =
,fi
~ F(v-,~, .1-)
1(j.
+
do.,(#.)
~rj,
= J..,
m.;..~,,) ,(M;.+ :lFI 3~~) ~~ I,
S.f. + f'(' , la
condition de stationnarite
etant arbitraires,
JF(c1\,~,d-) }F("',~,,J..)
d(J
d(1
+, dF(d--,:;l,o-)
'.
~F(do., fl., rJ. )
JF(d-.,,,, ,d-)
df1
dJ
-;)i
=0
= 1
Mais F etant suppose analysique , il existe au mains une valeur
d- o
de
-- 448-
T. Kahan
r:J..., (JA
r autour de laquelle elle est d~veloppable en s~rie
En portant les tions ecrites, serie telle
d~veloppements
de Taylor .
obtenues dans les dernieres equa-
on obtient des relations entre les divers c6efficients de la
qu 'un arbitraire illimite subsiste dans Ie choixe de ces coef-
ficients. Le nel F("
r~sultat
,(I, '() independant
17'
c/t!ssai celle de
est tout autre si nous cherchons un principe variation-
~'. Si en effet l'a norme de ~' est multipliee par I" '
et
rp'
par ;-',
~
L' independance Me
quels
des normes particulieres des fo,lfnctions
que
~ d., "("""y- ct~
est change en
vis-A-vis
en
veri-
)'" et ,?:
soient
= F(q.,/S,Y').
r
11., ,}I-"" i.. ' il vie)!t
1" =
particulifir
F(eJ. ,A ,'r) = F(I,
'/'
et
_.P- Y3 .
de la nor me ,entralne que soit
F(.rol,,;"-Fj1,I"Y) choisissons
en
t- , 1)
fA r
F (i- (l ,y) doit Mre une fonction de la seule quantite ~ '<',11 et la
condition
que F(d-.!,' Y ) F( d-
c 'est
a dire
Ie principe
= rA
quand '"
f3 . ( ) =
=(1 =Y conduit
A prendre
d-; .
(70),f· jj . On voit donc que
ce principe se distin-
gue de l'~nsemble de to us les autres possibles ce qui sans doute. a fait son int~r~t
et
son succes.
11.
Principes variationnels generaux de la theorie des collisions en
m~canique quantique. En
~crivant
sous
diff~rentes
formes
I
convenablement adaptees les
- 449-
T. Kahan
equations pur
fondamendales de
la theorie de la diffusion (1) , nous avons
deduire tout un ensemble de principes variationnels, appblicables
sp~cifiquement Ces
a la theorie des collisions (cf. aussi plus haut 14, p. 74
principes ont deja
ete
enonces par
Schwinger (2) , Schwinger et
Lippmann(3) , Goldberger(4) , mais aussi sans autre justification qu'une simple verification: (pa 'colle ")on trouvera dans notre M~morial des Scien-
,
,
ces Mathematique5la theorie detaillee
et la justification rigoureuse de
ces diverses methodes. 12.
Operateur
lineaires
particuli~rs
en physique des reacteursnucleaires
Les equations lineaires qui decrivent des systemes interessants en physique des reacteurs nucleaires peuvent toujours Nre mises sous la forme A
L ~
(72)
ou
<;
=
.I-
f
represente la distribution
lineaire et
f
I
est
./\.
, (L = K - H)
d'etat inconnue , "L
est un operateur
vecteur donne, (decrivant d'ordinaire
unt source ext~-
A
rieure
S si Lest
relie a la conservation des neutrons ) .
Le cas homog~ne
f =0
est inclus,
implique un parametre indeterminee solution
; ce
cas peut
tion in. . llOmogene lorsque
~tre
A
pour vu que l'operateur
pour assurer
.A-
H
l'existence d 'une
connu comme limite (singuliere) de 1'equa-
f tend vers
zero
et
Ie parametre s'approche
d rune valeur propre.
(1) T.Kahan G. Rideau, P. Roussoupoulos loco cit. p.14 (2) loco cit. (3) Phys. Rev. (4) Phys. Rev.
~ (1950) 469)
~
(1951) , 929
a 22,
p. 28 a 49 , etc,
- 450-
T. Kahan
¢
Bien que la d~termination de Ie systeme
d'~crit
par (72) , lIon
fournira toute I Iinformation sur d'ordinaire ala moyenne
s'int~resse
pond~ree
(73)
(g
+
ou
est un certain vecteur
g
ction
d1'
d'habitude, une
donn~,
quantit~
du genre se·
plut~t qulun vecteur complet
efficace,
possible de deviner ant
+ (+ '
grossitrement
la forme de la solutbn en s lapP)lIY-
sur des raisons physiques, Ie probleme de calcul revient a convertir )
cette information de mediocre pr~cise en ce
qUi
concerne
qualit~
la valeur de
Notre princip~ variationnelle permet vecteur adjoint
a 4>
t/> + correspondant
,
~
en une seule piece de information
+
(g
,~).
de Ie
fQ.i.,.<.
comme solution
DMinissons Ie de
l'~quation
adjodnte ~+
(74) et
L
consid~rons
I de
..,+ 'I'
+
= g
nouveau, notre
fonctionnelle
r,t
~ + + +'" Jl~' ~Ij = (g ,~I) + (~I ,f). (~I , L)~ I)
(75)
ou les arguments ¢I,
cI' +
sont maintenant
a
I
reacteurs arbitraire'i independants . Si, soit l'autre
v~rifient
se r~duit
(73) et (74) Ia fonctionnelle
+
(~ ,f) Pour des
(77)
1+
C\>, soit
J[~I
comme des
IP :, soit
l'un et
=
+J
a
(76)
Hons
regarder
exactes
=(g + ,$)
J+ variations petites des arguments ~ I , cf> aut our des solu·
cp,
Q> + , lIon a de
nouveau:
- 451 T. Kahan
I
II en resulte June fois de plus, que des erreurs du premier ordre dans les fonctions n '~ntrainent de Itordre une classe
4> '+
d 'essai
de
l'ordre de
10
+
de fonctions
stationnarite de
d'essai
peut se fonder sur la
J . Remarquons
que si la classe (t) -
diff~rentielle
est en effet l'equation
inhomogene
propri~t~
de
(t)
./---
(a)
L'r' (x) = fIx) ,
ci
li~e
a
certain<,conditions aux limites. Par inversion
(b
(c)
(d)
I-
'V
(x)
L
fIx)
=)
f(x')
ou
,
-1
'fix)
'"
'i-I fix) i
fIx)
~(x -
puis que L n 'agit que sur les
= ) f(x')
= AL
x) dx'
coordonn~es
-1 Sf(X')
non primees (x)
~ (x'-x)
dx' =
-1 S"(X'-X) dx' ,
;S
d;f
f(x') G(x', x) dx'
(e)
G(x, x') ~tant la fonction G(x', x )
(f)
dif
de
Green de
(a), (.. "Cb
.... -1 (' L Q (x' - x )
d'ou '" -1 r L G(x', x) = d(x' - x)
(g)
Si par
-1
que les erreurs du second ordre dans( g , .') (donc -1 2 -2 de (10 ) = 10 ); de plus, Ie meilleur choix parmi toute
I
d lOU
~' (mettons
et
exemple
une integrale de
L =~x 1... , on peut
mettre
-S (x'-x) sous la forme d'
Fourier
q- Carir-Kahan loco cit.
D
(Paris et Blanche (London)
)
- 452T. Kahan
~(X'-x) ~ 2/1
alors
-" -1 L
(en effet
n
c
(e
ik(x-x')
)
e
ikx
0
d",
.
ikx ik
A_I ikx L L e
A
e
ikx
ikx
ie k
A
= L
=
eikx)
vient alars pour la fonction de Green ,11._1(" 1 ( .... -1 ik(x-x') _.!. .Jeik(X-X') G (x, x') = L () (x'-x) =27T)L e dk -211 ik dk
J
permise de fonction, d'l!ssai n'inclut pas mation
noptimale" choisie par
la fonction
des
~carts a la
side dans Ie fait yenne
pond~r~e
Ie prindpe variationnel sera relative
aux diff~rents pointtide 1'espace des phaselO (~
solution qu~lle
de
<:p
de
et, par
vl
exact (1) .L'utilite de la
fonctionnelle (75) re-
fournit
variationnelle d'une mo-
une
estimation
quelconque de la solution.
+
En particulier, si on choisit de vecteur
a
w(x) dans le. produit scalaire, puisque w(x) dMinit
de poids
1'importance relative
la solution exacte, l'approxi-
base, ou peut
g
successivement comme un(serie
evaluer les
composante~
consequany Ie vecteur solution
En plus, notre principe comprend
correspondante<j
complet.
la plupart
des principes variation-
( 1) Tout op~rateur lin~aire nous llavons vu, est repr~sentable (moyennant des fonctions sous forme d 'un op~rateur int~gral (note sur p Ii 1 - DiS)
f)
(a)
11+=
j
w(r') H( 1',1") q>{r') dr'
oil w(r') est la fanction de La fonction de poinds peut (b) (d)
~(r)
"w(r)
H(r, 1") =
+
avec (b) H (1',1") = H(r', '"I.) eliminee , en posant
rc>"cI~, ~tre
cp (1')
Vw(r)
H(r, r')~ w(r"ij
sans chan~er les syrretrie du noyau H. Au deme"rant, la libhte dans Ie choix d; Ie fonctian d'essai peut ~tre utilis~e Ie cas echeant pour symetriser les equations du syst~me.
- 453-
T. Kahan nels
utilis~s
pour les
l'operateur est
q;
+
=¢et
titre
probl~mes lin~aires.
de
cas particuliers. Si
""Lz + L et g+=f, alors
auto -adjoint (hermitique)
A
a:
(75)se reduit
(78) fonctionnelle utilisee par pour la solution A'/\
-
'..
ou
(79)
J
La condition .A ( fb' T; H ~) soit
f = 0 , s i l' on remplace
homog~ne I AA,
L
ind~pendament
par Huang(2)
du probleme de Hllnt
Pour Ie cas
AI
Kourganoff (1) et
t
par
l'op~rateur unit~ • alors
I .. 1 est
[~IJ =
2
que
J 2 est
( ~, ~ ) soit maintenu
constant,
justement Ia condition que
a Ia condition
assuJettie •
extr~male
est
extr~male
(la valeur propre
supplementaire que
A apparaissant
comme
multiplicateur de Lagrange ) et elle est equivaIen"k. au principe de Ritz-Rayleigh que
...
( "", L
.r
J 3 [IP] I =
(80)
A.I )
~ (~ ,q)
(dit quotient de Rayleigh)
soit stationnaire. On peut aussi admettre
f> I independantes ~
forme
c
+ +
et c I choisir
Enportant dans
des
,ou c
de iacon
fonctions et
a
c
T
rendre
d'essai de la
sont des amplitudes scalaires
T
stationnaire (3)
(75), il vient
(1) Kourganoff, V. Basic Methods in Transfer Problem, Oxford U. P.(1952) p.141. (2) Huang, S. Phys. Rev. 88(1952) 50 (3)
Davison
B, Neutron
Transport
Theory Oxford U. P. (1952) p.141.
- 454 -
T. Kahan
En portant dans (75), il vient
- +
~galant a z~ro
En
a
+
,1
JLq' ,¢'J
(81)
ce qui
suit c
(82)
=c(g,
d~riv~es
les
comme
(f +,f)-cc+ (
de J
choDe
par
rapport
a
c
et c + conduit
optimal pour les amplitudes
,+
c
et
/(1)
+
=~----..J} /( g
¢')
'+ (¢ , H~')
.... 1·' ¢ '+,Hill'
En portant
+
A
(82) dans (81) conduit
a
une fonctionnell e independan-
te de la normalisation
[r/,
J, '+, fh .. 'I' r
(83) (83)
a ete
utilise
Franc is , et
+
+ ,IP ') I (quotient de Rayleigh generalis~) (¢ , H 4»
J1 -_it',+... ,f)(g
par Schwin ger (2) dans Ie calcul de diffusion, et par
al. ( 3 ' dans des problemes neutroniques; Goertzel (4 ) a
donne une autre d~monstration de (83) . Il d~finit Ie scalaire
et il
+
1/(gt , ¢
~ =
(84)
multipli~
(72) cO: d.
t
<ef> =
-AL rf" 't'
(85)
II
par
)
f, pour
1=
~ (/, ¢»
pour obtenir
+
=!) fIg , ~ ) .
dont 1'~quation adjointe s '~crit (1)
1'"" ",', JJ
Jc
"G}J
=
+
(g ,
+
+
'-I-
A
(¢, H ') = 0,
+ '"
~ = (~' , f) - c(~' , H ~') =
~~)thYS' R~V;
°
78 (1950) 135, H. Levine et J. ,schwi.mger, Phys Rev. 75 (1949)1423 Francis, N, Stewart .J. Bohl, L. et Krieger T. , Seconde conference de 4 Geneve ,Pager A conf. 151 62. ,1947). ( )Goertzel, G. Discussion at the Gathriburg Conference on Neutron Thermalisation, may 1958.
pi
- 455 --
T. Kahan + +
..A
(86) Comme
ces
propre,
Ie quotient
(¢'
f)
sont mises sous la forme avec ~ comme
equations
,
de Rayleigh g(meralise
tement pour fournir voyons dont:
\++
cP = I'lg
L
(83) peut
~tre
utilise imlidia-
+
1/~ =(g ,~) . Nous
une estimation variationnelle de
que la demonstration indiquee par Goertzel
en 1958, n'est
a (70)
autre chose , formule par formule, que notre demonstration 68)
d~
parue
(p. 99) f'.
Si
r
'956 (1)
.....
L:; I - K , de sorte que
A.+..
valeur
.A....
les equations du
syst~me
deviennent
.A-
.A.
H",= f=(J-K)¢>=,
+
g = f et
+
K = K, alors
(83) peut s'ecrire
(87)
(puisqu'une fonctionnelle
differente
se l'est) ; c'est Ia Ie principe
de zero sera stationnaire
utilise par Marshak (2)
pour Ie
de Milne Pour Ie cas par
......
AI
.A.
-
L , f
.~
si son inver-
probl~me
,
d'une equation aux valeurs avec H remplace ;. .... + + g = 0, et H =H, et prenant c ~' comme fon-
ction d'essai, lion obtient
(88)
Comme I 'amplitude doit triviale , il en
, ~tre
dift'~rente
de
zero pour une solution non:
resulte
(1) Kahan _ Rideau _ Roussopoulos, loco cit (1956) p. 24. 25 .
(2) Cairo - Kahan Blackie, loco cit. p. 53 Phys. Rev. 71 (1947) 688 .
- 456-
T. Kahan
" 4»
(4)1' L
(~, ~ ce qui est Ie quotient de
13.
Lagrangien et
)
Rayleigh obtenu prec~demmentcf. (80) ) .
d'Euler.
~quations
L'analyse pr~c~dente 12) Dr~suppose que les ~quations lin~aires "A If. + + + (L'f ::f)p.l02 et (74) (L ~ =g )(p.l03) sont donnees et on en conclut Itallure
(0
sta!Jonnaire de la fonctionnelle (75) (p.lo ~ )
L []=(g
a l'interpr~-
'" +.1L 41') AI La reciproque est aUSSl. vrale " e t con d"t +( rt I.ft+,f) t¥' Ul tation de
comme
J
Ie lagrangien du
a partir
syst~me
dtLquel
obtenir des ~quations de definition (~quation d'Euler) ui appendice Supposons en faibles
,~')+
on peut
(-A..,t
effet que la fonctionnelle (75) soit stationnaire pour de
ind~pendantes ~ ~+
variations
~~
et
autour des
solutions
~+,
et ~ . Par l'equation (77)Lr Ie ~ ).
+ .,A.+ +
(g - L
(90)
~f
Comme
~$
et
stants
s'annulent dans.
re d«.
J
entrame
b ~)
(+.,A.
+ (~~ ,
sont arbitraires, toutes
dans
Par consequent,
la quelle estimation
ecrire
les equations pour
toute
~
)=0
les composantes des facteurs
....
car~cU!re
re~
stationnai~
les equations
~tant donn~
me physique, on peut
f - L
les directions; Ie
.,A. L
(91)
9.
!p,
les
A+
L4>
+
=g
~quations lin~aires
imm~diatement
peuvent
+ syst~~
untforme lagrangienne J de
t!tre dMuites et
fonctionnelle
decrivant Ie
lin1!aire
qui
desir~e
fournir~
une
de la solution.
Signification et importance de Ja fO.r1nction adjointe De nombreux
travaux
ont
et~
consacres
ces
derni~res
ann~es
- 457-
T.Kahan
pour de
interpr~ter
et utiliser la notion
de fonction adjointe
• en theorie
la diffusion neutronique , en particulier en physique des
r~acteurs
nucleaires. ce
Nous allons I dans tion de la fonction
adjointe
pour un
sorte un point de vue plus Pour Ie systeme
H.
H
Le paramMre
nous avons vu que) dans
prend
.
source
de
continuit~
pour
sera done pas
la
une constante dHerminant
conditions
sources
Oll.
repr~sente
Ie
de
op~rateur
fUite).
la multiplication
(neu-
)
suppos~
AC'l. "\CA.l,a (t
criticalit~
inferieure a la valeur
sour ce exterieur.(. ne
nulle partout.
LI~quation inhomog~ne
les
....
K un
ext~rieure,
tronique) du systeme et sera pour l'instant n~cessaire
ll~tat
la forme
op~rateur de pertes (absorption et
un
est
arbitraire. On obtient de la
-'l
J
S une
la significa-
-}.K~+ S
comme une equahon
flux neutronique, et
lin~ai re,
r~actif
0=
production
syst~me
relief
g~n~ral.
.A.
(92)
et s 'interpr~te
suit mettre en
t /"iJ t :: 0) ,l'~quation
~
stationnaire
qui
aux limites notre
singuli~res,
(92) a un
non
terme
de somme (S:f). Comme
nulles peuvent
~quation
(92)
se traiter comme des
se mettra
sous la forme
g~
n~rale A
(93)
avec genes (94)
J..
L't'=f
.... L
A
:: AK -
.A.
H
"j:
La fonctionnelle J
f :: S, avec des conditions aux
et
duale
W(L~-f)-g+"'J
limites homo-
- 458-
T. Kahan
donne , par
variation
de
+
+
l'equation
(93) et l'equation ad-
jointe L
avec
.I'
L
+
I
defini
fanctian
~
"h+
=g
A
<''t' '
par
L'equation 1a
+
.A-
(95)
f
L
(93) est dite
>= <
parfois
L
+ +
¢ , f>
l'equation du systeme, et ~ ,
du systeme
Remarquons (96)
J
Lorsque nelle. Jest
que
(b
=)a
(93)
donnee
peut se mettre sous
(94)
dx
et
forme
f,; [L.... +¢ + - g+)-f
(95\ sont satisfaites
par llune
des
deux
+
dx g (x)!P(x)
(97)
-1
la valeur de la fonction expressions
+
= - (g
,~)
~=J
b
(98)
la
~ fIX) = -(f ,4>+)/
dx fIx)
a
Cbmme en general
Ie choix
hon adjointe est
dans une mesure
des reacteurs,
a un coup
du
on prend pour
certain de liberte
processus pour
+
g
1a section
une
obtenir
inhomogene
+
g
dans l'equa-
tres large, arbitraire (en theorie
physique
choisir
au systeme , qulon d~sire
terme
efficace) correspondant
donne) Nous disposons grandeur interessante
avec une precision
de beauJ,
re1i~~
du second ordre.
- 459-
T. Kahan
Pour mettre en E!vidence Ia signification de Ia [onction adjointe gE!nE!ral,
dcms Ie cas
~ (x
fix) =
(99)
I'Mfet d June source unitE!
consid~rons
- x ) o
En portant dans (98) il vient (100)
En rapprochant fonction
t~ressante
adjointe est
de l'E!quation (98) , on voit que Ia
la contribution d June source unitE!
a la
quantitE! in-
J. Dans ce sens, la fonction adjointe est une fonction de Green
pour une certaine
quantit~ reli~e
t~ ~tant d~termin~e Lorsque alors
(100)
l'~quation
l'~quation
au
l'inhomog~rleitE!
par Ie choix de
l'~quation
(en l'occurence J) , la quanti-
syst~me
adjointe g+ .
"'t~ :: f est un probleme de valeur initiale, ... + + + ""adjointe (95): L 4> = g doit etre un probleme de (93)
valeur finale. Soit par exemple
.A
L (x, t)
(100-1)
et la fonctionnelle (100- 2)
l'~quation
J
=
(T
J
dt
b ~
dX[q>
+
(L~ - f)
- /(X, t)¢ (x, t)
J
o
La valeur de la fonctionnelle est chacune des deux suivantes
-)0 T
(100-3)
J ::
t
T
(100-4)
J
=-
Soit f la source
+
b
dt
~a
dx
b
dt
unit~
Sa
dx
t
g (x, t) ~ (x, t) :: - ~ dt <
fix,
+
t)~
T (x, t) = - ) o
dt
g~~ >
+ < fl ~ >.
- 460-
T. Kahan
f(x, t)
(100~5)
=~ (t-t ) ~ (x-x o
L'equation (100-4) devient
= - ~+
J
Dans un
0
)
alors
(x , t ) o 0
physique, une source telle que (100-5) peut affec-
syst~me
ter I 'avenir , mais non pas Ie passe. Avec cette source (100-5) doit
~tre
nul pour des temps precedents to (pour t < to' '1> (x, t)
,
(x, t)
=0 ) ,
et l'equation (100-3) devient T
J = -~.
(100-7)
b
dt
5a dx
+
g (x, t)
P (x,
t)
=.0
a
La fonction adjointe est done une contribution integree interessante J pour l'intervalle de temps
t
adjointe est une condition de valeur finale
+ g (x, t)
(100~8)
=f
+
la quantite
< t ~ T. Si 1'inhomogeneit~ o alors
~(t ~ T)
T
et l'equation (100-7) devient b
(100-9)
et
J,
J
=-
5a dx; +T
(x) ; (x, T)
la fonction adjointe est la contribution
a
1'instant final
cp+
une description plus fondamentale du
syst~me
une certai~ quantite telle
que
T.
Dans un sens, la fonction adjointe offrant
a
. La fonction
des sources en general .
syst~me
comme
que la fonction du
nous dit comment Ie systeme (reacteur)
va se comporter pour une source exterieure tion adjointe, d'autre part
peut ~tre concue
particuli~re
, nous dit comment Ie
donnee. La fonc-
r~acteur
repond
a
- 461-
T. Kahan I
On peut presenter ce rl!sultat sous une forme differente.
(A <.:\ ) ,
Tant que Ie systllme est sous critique melle de (92) peut s'l!crire
=
'"
(101)
T
Dans la
.... -1
L
"
-'I.
(H - ~ K)-
f
1
f
reprJs~ntation coordonn~e ,on utilis~ les fonctions propres de
l'op~rateur
x. dont chacune peut
coordonn~
leur correspondante entier
la solution for-
"'-
n (c'est
dl:
a dire
~tre l!tiquet~e
par la va-
x (c. fl.. d rJ.. ) plutdt que pour un indice
~ n)
(1)
4>
(102)
l' x
=~ (x-x') arbitraire 0/:
(x')
x
On a alors pour vecteur
:
(103) ./"
(104)
L
L(x, x') tat ion que
~tant ici
Ie noyau de
l'op~rateurL.
crest
dire que la
".
abstraits
d'op~rateurs
'V
xx'
tels que L,et de vecteur
J
.
repres~n-
abstraits
tels
I
sous la forme d'opl!rateurs intl!graux et de fonctions integrales
peuvent Mre considl!rl!e laquelle des fonctions
comme une representation delta sont
utilis~es
de composantes dans
comme vecteur
de base
(cf. 102) • Si la sommation dans ce cas intl!gration formelle sur des indi-
ces rl!pl!tl!s est sous entendue • les l!quationS(93) et (95) peuvent s'l!crire ~
(105) puisque
L
L
+ xx'
( 1)Alors pour
IV
xx'
~
x'
= L XiX quelconque
f
+A x
4> x'
.
Lx' x
+
= gx
- 462-
T.Kahan
~
Des lors
(101),
s'~crit
repr~s~ntation coordonn~e
dans cette
comme (106) Cette repr6sentation en termes de source (f) du flux '1> x au point
d~ a une source externe au point source exte~ieure pr~s~nte au point x' x
I
5
est jusH\'ment la fonction de =
x' (c. a.. d
~(X-x'))
somm~
x' ;
sur
fois Ja
iH _}. K) xx-I,
Green G(x, x') du syst~me : (e ,'a. d ~x =
fIx') G(x, x') dx') . La solution adjointe de (95)
s'~crit
de la mt!me
fapon sous la forme +
(107)
¢x
= (H
+
-
"-1
I~ K)
xx'
+
~,
r.A. J ....K) -1J+ + xx' g = (H _AK- 1\-1
= L(H -
Xl
'X'x
..... -1+ puis que (L) = (L ) .l'AA_l+ .... -1+)'+ En effet I de I = ( LL ) = (L ) L on
/
Xl
... +-1
En faisant appel A la mt!me
interpr~tation
~videmment donn~ par Ie flux en Xl diZ +
s
multipli~
~:
=
g
par la section efficace
(x', x)
crest
~I
'
g
dire que
toute
quantit~
unit~
espace en x.
du genre section
a une x'
la fonest
x
source unit~ en
x,
a. d)
et somm~ sur
Xl (c.
I
la vitesse
repr~sent~
pr~cMente
pr~cisement
par la section efficace
de phase du systllme lorsqu¢ I on
n convient
de faire observer
que
efficace peut t!tre utilism pour la sour-
ce adjointe et que chacune donnera lieu La dMuction
Ie
Ie flux adjoint en x est
se produit dans I 'entier
introduit une source
a l'heure, pour flux adjoint ~ +
dx' ) .
avec laquelle Ie processus physique,
+
en
"+-1 ,,-1+ (L) = (L ) .
que tout
permut~s,
ction de Green avec les arguments
l
r~"'~
a une
solution adjointe distincte.
demeure valable seulement pour. un
syst~-
- 463-
T. Kahan
me sous critique . Pour discuter Ie cas Ie consid~rer comme un cas s'annuje tandis
que
limite
A.
H
th
'rn ./-
Ii - XK inverse
solution
de
=An
a
la limite, introduisons les vecteurs pro-
A
K,j.,., 't" n
.
++ H ~ In
...... ++ "" '\" n
=11n K
2:: (A n - A) K~n (Q> +n , )
_AK)-l
(92) (dep.110)
(~+, n
m~me
K-1 f)
=[ ~ (tl I\n - ~
c.a.
+ ,
n
(
;n -,\
..A.
~-1
f)
.....
H~=AK~+f, peut
d (92)
la source externe
qui engendrerait des
"-"-1
K
Rtf., 'fn
="n ~n ,
n~utrons a
f, fois son importance par
, avec'\' .A
s'~crire
~n
est 1'int~grale du flux
vitesse que
(1)
Si
Iorsque la source exterieure
s '~cr~ (1)
~ =~
(93)
la
nous allons
Ie d~veloppement de Schmidt usuel pour I'op~rateur resol vant. La
comme
ou
=
{H
(110)
,
R - ~ K a pour r~solution spectrale
L'op~rateur
et son
=0
homog~ne
(108)
(109)
avec f
Ie paramHre .>. tend vers la plus basse valeur pro-
pre. Pour effectuer ce passage pres du systeme
homog~ne
= 'E n
a £P.
n n
- 464-
T. Kahan
a
rapport
la source adjointe .
r,
On peut maintenant envigaset le cas ou
A
propre la plus basse
les termes impliquant ront et
sup~rieurs
la solution pourra s '{!crire ,.h+
l' ~
(94)
....
('fo ,K
1\ o
-1
f)
-~
Ao- A.A'
alors
taus
au premier mode s 'annulle( 1)
comme
.t-
'Yo
Physiquement, Ie r{!acteur syst~me
de P~tat
la solution
meme vitesse que
des modes
vers la valeur
. Si nous faisons maintenant d~cror-
critique
a la
tre la source ext~rieure
a
correspondant
o permanent pour Ie syst~me
tend
se comporte de plus en plu
~omme
sans absorption pour les neutrons dans Ie mode Ie plus bas
s i bien qu 'un neutron donn{! et ses mode {!chappent aux neutrons dans
descendants
pertes pendant une
les
modes
(au sa pr~geniture
rfto dans ce
longue p{!riode. alors que des
superieurs sont pendus'sensiblement
m~me vitesse ind~pendanmment de la valeur de il n I y a pas de perte
un
nette de neutrons
dans
A.
a la
A la criticabilit~,
Ie mode Ie plus bas, et
son amplitude croitrait lineairement avec Ie temps si la source ext~rieliJ
re ne s 'Hait
annul{!e elle aussi.
L'~quation
che
de ~ . Il
(94)
en
devient exacte
dans 1a mesure du flux
resu1te que la forme
sera celIe du mode
Ie plus bas,
de
ind~pendant
pr~s
ou'\
s 'approa de la criticabilite
la distribution de source
qUi ne dNerminera que l'ampllttude relative . Par cons{!quent,
a
tion d'influence (importance neutronique relative processus physique fonction
Ii. 'f' +0
(x)
a un
facteur d'tkhelle
pr~s,
d'influence correspondant
a
dans Ie systeme sous-critique tendent tous
(1) Eneffet
\ -"4 -)
110
n importe quel
qui peut se produire dans Ie r{!acteur sera la
diff~rentes fonctions sique
la fonc-
0
'
f
-J
0 avec ~ -). o
"
m~me
.en d'autres termes, les chuque processus phy-
a se
F 0,
si
confondre (aux
iF o.
- 465-
T. Kahan
amplitudes relatives pres) lorsque Ie
r~acteur
raisonnable pour des raisons physiques car un entretenir Ie mode Ie plus bas daps steme
l'~tat
devient critique. Ceci est r~acteur
personnel;
critique ne peut
a mesure
s'approche de la criticabilite,es neutrons avec leur
que Ie sy-
prog~niture
persistent assez long temps pour oublier la distribution de source. L' portance ft d 'un neutron relativement aux des phases d'un systeme critique peut
diff~rentes positions
dans l'espace
donc se mesurer par
n'importe
quel processus physique et pas seulement en termes de
densit~
de fission
de puissance .
ou; de niveau
I A. Application des
a
'~m
m~thods
variationnelles
a l' ~quation
de diffusion
deux dimensions
,
Le formalisme qui vient d't!tre pr~sent~ peut etre utilis~
, par exemple.
pour ramener de maniere syst~matique l'~quation de Boltzmann aux d iverses formes simplifi~es g~n~ralement r~acteurs I en
de
l'~nergie
mises en ouvre
en physique des
partant -avec la d~pendance complete vis -
a vis
de la position
et de l'angle de diffusion.
Au lieu de proc~der ainsi, nous allons, avec Salengul, une application
choisie
qu'on peut utiliser pour
de faeon r~duire
a illustrer
un lagrangien
l~ genres donn~
consid~rer
d 'approximations
a une
forme plus sim-
ple, bien que les rMultats finaux pr~sentent un certain int~rt!t Le motif et tivariant pos~s/
est
l'int~r~t
d'~tablir
principal qu'il y a
,
a reduire
intrinseque.
Ie lagrangien mul-
un certain type de compromis entre les buts op-
d'une part d'une. simple description qui diminuera la
mation mise en jeu
et par consElquent
et d'autre part, d'une
pr~cision
siques essentiels du probleme .
Ie temps
suffisante pour
quantit~ d'infor~
consacr~
repr~senter
aux calculs)
les traits phy-
- 466-
T. Kahan
A titre de cette application, qui conduit la plus simple, consid~rons un probleme
au type d 'approximation
a deux
composition est une fonction arbitraire de deux
dimensions dans lequel la coordonn~es.
Cette situa-
tion peut se pr~senter dans Ie probleme d'une r~partition plus uniforme
,
de la puissance dans un
r~acteur
changeant les
du
propri~t~s
la position. L'effet sur la
en redistribuant Ie combustible ou en
coeur
(partie centrale) comme fonction de
r~activitE!
(1) et la distribution de puissance (en
particulier si Ie reflecteur entoure completement Ie coeur) se trouve compliqu~
du
fait
de la non
de diffusion
L'~quation
a
de I '~quation de diffusion.
un groupe peut
s'~crire
- 'V. D~ ¢ + t a ~ =.!K »~f q> ,
(95)
ob
s~parabilit~
~
est
la constante de
multiplication
comme un parametre commode
5:
du systeme (2) qui est introduit
valeur propre. Si Ie systeme est ther-
mique et sensiblement homogene pour les neutrons rapides, consid~r~
a condition
comme Ie flux thermique,
"\) l.. -) !
(96)
p
e
- B
B2 (3)
r~sonance
1:
V "2-
g~om~trique
et l, p
et
~ sont
r~acteur
r~activit~
res-
dit de fission rapide, la probabilit~ de (-\.Ioih .\c
et I ':fge neutronique . Comme ( 95) est auto -adjointe,
(1) Pour un (2) La
de faire Ie remplacement
f
est Ie facteur de forme
pectivement Ie facteur local
peut ~tre
2
f
ob
son
infiniment grand R = C ( C = criticalit~)
est la quantitE! (C = C-1 on
~crit
aussiJC
J~/£ , h =v~/Z:a
+ +A 1 -1 (k=(N R N) (N ,HN). K =op de production H = op de diffusion et de pertes o 0 Ie "Bakling" de la distribution fn (3) Les Anglo-Saxons appellent B2 De
'4' (,-)\ 2 II! I ~. Ijin\'1. 1+ Bn r.,.{'l'), ot il resulte B2 = _ A~ /~
est une me sure de la
Pf
2
convexit~
de la surface
'¥
n
a Ie second membre(flamvage)
n (x, y, z)
- 467-
T.Kahan
lagrangien peut s '~crire J
(97)
[~J :: (dlt. [D (V~)2+! 4>2 _ .!. ~I. <J>2] )
a
k
f
On a om is les termes provenant de l'int~gration par parties qui fournit Ie terme de fuite tions qui
; l'espace fonctionnel ne comporte que les fonc-
I
verifient des conditions aux limites, de sorte que des variations
de flux aux limites ne fournissent aucune contribution. Pour fixer les les
id~es,
des
z
supposons
que Ie
r~acteur
soit uniforme suivant la direction
et que sa section droite soit dans Ie plan (x, y) soit rectangulaire
! ~+-+---1
l
t ).
Pour approcher
i-
d~tail
en
produit de founctions d';pendant
(98)
Comme
l'~quation
::
la distribution de flux, choisissons un
separ~ment
~ (x).
de
de diffusion est
SdX ~.f2
ou
l'int~gration
Le Iagrangien (100)
(x):: 1,
s '~tend sur Ie r~duit
de y
4t(y). homog~ne,
normer les flux moyens dans les directions x (99)
x et
et
)dytpi (y)::
il sera commode de
y de la fa\!on suivante 1,
r~acteur ~ntier
est alors
d~ 2 D ( dy 2) +
- 468-
T. Kahan
et les
d'Euler correspondante,> sont
~quations
-i4 (r d2
(101)
-D
(102)
-D
+
dx
1
d2~
ou
2 -2
2
+ (L
dy
a1
+D
+D a2
2
1
B2lcp 1 1
=l..v~ 4> k1
f1
1
B2)th - 1 ~~ J.. 2 i2 - k f2 l' 2 2
les coefficients sont donnes par D1(x) =
(103)
L a1 (x) =
(104)
(105)
\J
dy
~~
j tP: dy
(y) D(x, y), D 2(y) (y) La (x, y),
~ fl (x) = jdY ~~ (y)v~ (x,
y)
2 5dA~2 D(x,y)
B (x) 1 \
Y 2 lY~2 (y) D(x, y)
(106)
~ a2(y)
,vtf2
=)dX~: (x) D(x,y), = ) dx
dx4>~ (x'lt, y)
(y) =)
2
B (y) 2
4>~(X)!.a (x, y)
5 (::1)2 dX
D(X,y)
= -Ih2- - - -
dX't'1 (x) D(x, y)
,
Com me les deux t\quations sont coupMes par les moyennes des 2 sections efficaces, on peut admettre une valeur de ~ (y), calculer B (x), 2 2 2 . 1 puis admettre une valeur de ~ 1 et calculer B 2 , recalculer 42 et ainsi de
suite. Pourvo\.l que ce procMt\
ensemble de flux self-consistants leure approximation forme
2
t
B1 et Bt
produit/ q> donnent
1
it~ratif
I
converge, il definira un
et ~ 2(y) qui fournira la meil-
~ 2 pour Ie flux r~el . Les facteuI""de
les fuites
appropriees
transverses correspondantes. Le procede est
dans les directions
l'analogue exact de la me-
thode de Hartree-Fock pour Ie calcul du champ self-constant en physique atomique.
- 469-
T.Kahan Ayant et (102) systeme
I
obtenu
des solutions self-consistantes des Equations (101)
on determine une valeur de k par
la constante de multiplication au
,
chacune d'elles. Pour etablir llidentite des deux valeurs
propres calculees de cette tivement par CP1
fa~on
J
multiplions les deux equations respec-
et 4>2 et integrons-les;
il vient
5dx~~ 1) ~ fl
(107)
(108)
,:;
~a2
En faisant usage des dMinitions les deux
sont
egaux
a
I
zero
a la
(103)
valeur de
+
a (106),
D
2
B 2)
2
il vient
k obtenue
kl = k2 et
que
en posant
: J = 0 il slensuit que lE5 valeurs calculees pour tout
ces equations sont coherentes comme il se doit. La derivation variationnelle ass que la distribution de flux rEsultante est la meilleure solution (comme estimee p l'effet des erreurs sur la valeur propre)a l'interieur des limitations imposees par la condition de separabilite.
II. Applications Nous avons vu
du principe
variationnel au probleme de Milne .
que maint probleme de la th~orie du tr.ansport
des neutrons se pose sous la forme
dlune equation integrale
de Fredholm (1)
4> (x)
~5L
(x, Xl)
~ (Xl) dx l +
S(x) ,
du type
- 470-
T. Kahan
ou les limites sont que ou
, et ou Ie noyau
donn~es
L(x, x')est
r~el
symMri-
sym~trisable,
Si la solutien exacte de (1) est Ia plupart du temps inconnue, il est relativement ais(! de trouver des solutions Si l'on pose alors
a trouver
Ie probleme revient ~(x) (3)
Iy'(x) =
.
,
des valeurs raisonnablement correctes pour
dans[~)Jil vient
(2)
Portant
~
~(X)=~a(X)+'f>(x)
(2)
approch~es
AJL(X, x')o/(x') dx' +f(x)
ou f(x) = )
(4)
J
L(x,x')
q,a. (x')
dx ' - ~ a(x) + S(x)
Si d'autre part, G (x -) x) est Ia fonction de o c.a.d. fq(X) =)G(x, xo)
J
G(x ,x) = ~J L(x, x') G(x ,x') dx ' +
(4)
A I'
"'!l L(x, x )
0 0 0
de notre L
les
Green de
~quations
(x-x')
(3) et
(4)
-
L(x, x')
...
dx,
prennent Ia forme
(3')
L
(4')
L G(x , x) = o
Notre
int(!grale
op~rateur
(x) = f(x ) , o 0
th~or~me
montre que les deux
(x )L(x, x )dx o
L{x,x ) o
0
0
et
quantit~s
f(x )G(x , x) dx o 0 0
(1)
- 471T.Kahan
sont
~gales
~ (Ylx )
(5)
la
~
0
m~me
valeur stationnaire (S. V)
) L(x, x ) dx ~ 0
Sf(X o )G(x ,x )dx
SGI(X~X
0, V
S ./'"
0
....
oJ 1
0
GI(X,- xo ) et 'YI(XO) sont des valeurs
savons par ailleurs
)f(x )dx (tyI(X )L(x, x )dx 0
0
00
pour Get
approch~s
'P . Nous
que la fonctionnelle (5) garde sa propri~t~
tionnaire: inMpendamment de la signification particulihe de G(x -J x ) et
0
5G' (x-;x )L WI(X ) dx
00
OU
0
sta-
\f(x), fIx ), o
0
L(x, x ) •
o
0
Un cas
particulier important est Illstimation de
Si L(x, x ) = 0 et o
lim
x -')
00
lim
Sex) = 0 ,
Pon aura lim
(5 bis )
x _)
ou
J'"
est
un facteur constant
lier par des
(6)
lim x~oo
G(x , xl = ·o.x) o j7\ 0
00
physiques.
consid~rations
Y'Y(Xo) L(x,
~ d~terminer
x0 ) dx 0
= r(f(x ) ~
J
f
=r
0
a
variationnel mis
(7)
S
f(X )
o
0
0
fIx orr ""(x0 ) dx 0
~tre ~valu~
par exemple par notre
sous la forme particulit!re de Schwinger
= V. S.
) dx
!p (x
Dans ces conditions
(x )dx + 11- f(x )IJJ(x ) dx 00 I oT 0 0
Le dernier terme de (6) peut principe
dans chaque cas particu-
{
(rx (J.l )f(x )dx
~
I
I.f (x
o
J )L hll(X )dx 0
2}
Too
- 472-
T.Kahan
n
ne nous a pas
dans (5)
(par
, . l'equatlOn (7),
on
res
a
~t~
possible de
exc~B
ou par
d~terminer
la direction de 1'erreur
dMaut). Toutefois dans Ie cas de
a montr~ (1,2,3,4) que,sous des conditions particuli~
"""L
f(x), la fonctionnelle (7) est un maximum. o Nous notons aussi que notre fonctionnelle (5) nous fournit une
impos~es
estimation
de
et
Ij/(x) pour chaque point dans l'intervalle d'integration, en
contraste aux mNhodes
expos~es
dans
(2), (3) et (4) .
Le probleme de Milne. Nous allons appliquer avec J. Devonght, la
d~termination
du flux
semi-infini diffusant
de
de neutrons mani~re
la fonctionnelle (5)
(ou de photons) dans un milieu
isotrope et sans capture , qui
mite
par la vide et qui entretient un courant
l.'infini
: c 'est Ie
probl~me
est li-
constant venant de
de Milne
La situation physique de ce probleme produite par la surface
a
de Milne est assez bien re-
ext~rieure d'un r~acteur nucleaire sans
ecran
Il se pose aussi en astrophysique sous la forme du transfert du rayonnement de l'interieur du soleil vers sa surface. Ce phenome-ne est essentiellement
r~gi par
qui gouvernent Ie transport des neutrons dans les En
r~alit~,
radiatif au entre prises
sein
c 'est des
a
les m~mes equations
r~acteurs
propos des problemes souleves
~toiles
que la plupart
sur ce probleme majeur
des
de Milne.
(1)
J. Devooght,
(2)
Phys. Rev.lII (1958) 665
J. Le Caine, Phys Rev. 72 (1947) 564
(3)
R. E. Marschak,
(4)
B.Davison,
Phys. Rev. (71) (1947) 694
Phys. Rev. (71) (1947) 694
par Ie transfert
recherches ont
et~
- 473-
T.Kahan 1
lci no us avons ~ '" l'• SIx) = 0, L(x,x') = "2 ~(I x-x, et 1'approximation de diffusion nous donne I/f> a (x) = x • c'est ~ dire 1
fIx) ="2 E 3(l x l)
• ou co
En{jXp= Comme lim
L(x. x')
e -t
~
t
Ix! n
dt
= 0 • on pourrait appUquer aussi bien (7) avec
(cf. (3)f..;)co
'" (co) =
(8)
lim
puisque
lim
S
L(x, x')
x_) co
't' (x')
dx'
fIx) = 0
x -., co
et obtenir (9)
+yv.S I
Des considerations physiques (ef (3) et B. Davison, Neutron Transport Theory (Oxford U. Pr, New York, 1957, p. 210) mont rent que 1'-= 3. Notons que la solution (9) nlest autre chose qu'une estimation variationnelle bien connue de la longueur dite d'extrapolation en th60rie du transport. Si d1autre part, nous voulons d6terminer drons (2')
'f' '(x) =
Zo et en
0/ (co)
rempla~ant G(x. xo) par
m (x ) =
par (5). nous pren-
[ef. equ. (2)J
• nous obtenons
- 474-
T. Kahan
dloll il
par
r~sulte
int~gration
3+z
o 4/(00) = 4+6z
o
Le r~sultat
travers ma
d~pend de la normalisation choisie pour prendre
de moins de
11 reste a
z
1 =-
"1'( 00) qui differe
[~-
mais si lIon prend une valeur compatible avec un sch~-
il faut
it~ratif,
11/ (x)
= 0/(00) ce qui donne immMiatement
0, 7071
0,5
d~terminer
o
~
'/0
de la valeur exacte 0,7104 .
(x) pour tout point du milieu
~
llaide
de
la fonctionnelle (5) . Comme la fonction de Green pour llapproximation de diffusion dans un demi-espace sans capture 2 IT nOus choisirons
I x + xo I -
la fonction de Green
est
217 Ix - x
0
approch~e
I, suivante
(11)
qui jouit
de la
propri~t~
lim X~
c'est-~~ire
}A-= 4".
00
suivante :
GI(X, xo) = 4f1' Ixo + ~ (oo)J ' cf (5 bis ) p.124) . Llassociation de l'~quation
- 475-
T. Kahan
(5) avec
(3)
conduit
ti
Des integrations
directes mais longues conduisent au resultat
final (13)
qui admet la forme asymptotique correcte
La valeur sur la frontiere
(interface libre
4-'(0) = 7/ 12 = 0,584
differe
de
1 ()
/a
de la valeur exacte
L'erreur n 'excede jamais presumer
1,5
0,577
.
#10 en d'autres points. On peut
que l'erreur plus grande pres de l'interface libre est
ti 1a forme assez
due
incorrecte de la fonction de Green ti 1a frontiere x=O
Conclusions Pour terminer, cipe variationne1
je voudraise
souligner
que Ie nouveau prin-
(5) dont la precision parait suffisante pour 1a plu part
des objectif!)ti atteindre,
joilit
de deux proprietes
int~ressantes
majeures .
1.
Nous n 'avons fait aucune
hypothese
sur
Ie
I de~loppement
de la
- 476-
T. Kahan fonction d'essai
Ip'(x) en
tenons avec Devooght sai
grossi~rement
de fonctions, et
s~rie
une
satisfaisante avec la fonction d'es-
pr~cision
'fI '(x)
approch~e
nous ob-
n~anmoins,
=
Z0
•
On pourrait obtenir une pr~cision bien plus grande si I 'on avait
fait appel
a un
E (x) avec n
des coefficients
2
n 'avons pas
Nous
En
a
If '(x)
en une
calculer un
la
de
bien s'appliquer
a des
re, contrairement aux
expos~e
pourrait aussi
I
problemes en theorie du transport
tion exacte est inconnue, tel
dont la solu"'-
que Ie probleme de la basse
m~thode.s
classiques
sommes
E (x), ce qui est long et n
qui vient d'l!tre
m~thode
et nous
extr~mum
. g~n~ral,
de fonctions
s~rie
inconnus •
de calculer les coefficients
dispens~s fastidi~ux
de
d~veloppement
(cf. (2)
0)\
a (4) et
de la
sph~-
Weinberg et
Wigner , The Physical Theory of Neutron Chain Reactor) . The University of Chicago 1958) valables pour des totiques. Nous avons et non pas Ie cas nies.
par
0/(00) qui,
ob tous les points Les fonctions de
t!tre prises
une
~tabli
d~termination
densit~
directe de
'¥ (x)
asymr-
par
(5)
aU demeurant , serait impossible dans
du milieu
r~actionnel
sont
a des
distances fi-
Green approch~es G'(x; xo) pourraint toujours
sous forme de fonction de Green appartenant
mation de diffusion qui sont tout
a fait
faciles
a
a I 'approxi-
construire pour un
grand nombre de problemes. Signalons, pour terminer, un travail
int~ressant
Brooks, Journal for Mathematical Physics, sur la
m~thodes et ses applications
a la
U{eorie
de Koshin et
g~n~ralisation
de nos
du transport des neutrons
- 477-
T.Kahan
Signalons encore: M. D. Kostin et M. Brooks" generalization of the variational method of Kahan, Rideau and Roussopoulos . II . A variactional Principle for linear operators and its application to Neutron - Transport theory"
Journal of Mathematical Physics. Vol. 8 . n. 1. January 1967.
-
478-
T. Kahan
APPENDICE 1 1 Rappel des notions fonda.mentales en calcul des variations.
L' objet du cal cuI des variations est de trouver des fonctions y(x)
qui
rendent stationnaires ou
pe
J&(XU J (y)
des fonctionnelles du ti-
extr~males
. Vne fonctionnelle
JkY] est
llne variable qui rev~t
une valeur numerique particuliere pour chaque fonction portee
y(x) qui
y est
Example simple b
(A. 1)
J [y]
Chaque fonction fonctionnelle appelE\e
J
~ y(x) dx .
=
y(x) fournit
[Y] . Pour
une seule valeur
num~rique
de la
cette raison , une fonctionnelle est parfois
IIfonction d 'une fonction" . Soit
donn~e
la fonctionnelle
(A.2)
Ie probleme fonda mental
du calcul des variations est de trouver donc une
fonction y(x) telle que des accroissements du premier ordre dans cette fonction
(y _") Y + by) induisent
'y(x)
seulement des accroisse-
ments du second ordre dans la fonctionnelle J (J -)
.u t;?
J ); en
d'autres termes lorsque y(x) -)
(A.3)
J
(A.4)
En port ant (A.3) une
~quation
&] -) dans
y(x) +
J + 0
f
y(x) , /!nax 'Y(X)] 2
(A.2) et en imposant
determinant y(x). Cette
~quation
(A.4), on obtient
porte Ie nom d '~quation
d 'Euler du probleme,. Dans la section suivante, nousetablirons les ~quations
d'Euler pour plusieurs problemes.
- 479T.Kahan
2.
Probl~me
simple . Le
J
cas
ou la fonctionnelle est
de la forme
b
J =
(A.5)
est un des
les
probl~mes
sant varier y(x)
ry :
plus simples du calcul des variations. Fai-
comme dans b
fJ Sa
_, 10
(A.6)
(car
=
~x =
0
(y' = dy/ dx)
F(x, y, y') dx
A.3, on obtient, au premier ordre en
ClF ( jF \ +-. Oy') dx, 'dY Y ()y'
(- 0
"...,
I
I
A
t
ou (A.7)
En integrant par parties, il vient
(1)
~J
b = (
'OF d (""""" - Oy dx
'OF
1o
Si la fonction y(x)
est
assujettie
~
(A.8)
~~ dx flY
r
tJ Y
I
verifier
1
dF r ~ + -OY' "y
les conditions
(aux limites (A.9)
alors
~y (a)
et
~y(\,)
(1)
b (
)a
dF ("
7"\"':: fI y'
d y' dx
d¥ent etre nuls et les termes aux limites de
Sa .()-.y'
=b
., F d(fy) d F~b dx = dx '0 y'
r
- -
d
~F
(
L..::....-~dy dx
dx ~ y'
- 480-
T.Kahan
(A.8) sont nuls. Si non, y(x) doit satisfaire aux conditions aux limites naturelles
~F
(A.IO)
-
,(h' Comme ~y(x)
~
(a)
~F
=-
aY'
b
( g) = 0
est arbitraire (sauf ~ satisfaire, Ie cas ~cheant
certaines conditions aux limites ), y(x)
do it
v~rifier
par
(A.8)
l'~quation
(A. 11)
pouifque la variation du premier ordre en (A. II) , ~quation
J
soit
nulle. L'~quation
difrJrentielle ordinaire, est dite "~quation d'Euler du
probleme. Pour
d~terminer
si cette valeur stationnaire ou
minimum, un maximum ou un ncol n, on peut ~tudier
vement. 3. des
la valeur
extr~male
n~gative,
ou de signe
ind~
est un minimum, maximum ou un col respecti-
L'effet des termes aux limites. 11 est souvent ~quations
est un
,2 la variation second b J=E; (b J )
Si cette variation seconde est dMinie positive, dMinie t~rmin~,alors
extr~male
int~ressant
avec des conditions aux limites autres que les
(A. 9) ou (A. 10) . La fonctionneUe peut mes de limite, conduisant ainsi
~
~tre modifi~e
une
~quation
d'obtenir
~quations
par l'addition de ter-
d'Euler avec des con-
ditions aux limites diff~rentes. Supposons par exemple que la fonctionneUe (A. 5) . Soit
modifi~e
ainsi:
b
J =
(A.12)
Par Ie
1 a
F(x,y, y') dx - gI[ y( aU + g2[ y (
procM~ pr~c~dent,
on aboutit de nouveau
~
b)] 1t~quation
d'Euler (A. /I ) , mais les conditions aux limites naturelles sont ainsi :
modifi~es
- 481 -
T. Kahan
(A.13)
"0 g1 dF (a) + (a) d y' ()Y
(A.14)
() F (b) + - - (b) gY ~Y
0,
og2
4.
Probl~mes
=
o.
avec plusieurs variables dependantes .
Si la fonctionnelle depend
de plusieurs fonctions
y (x) , y 2' •.. y n
sous la forme b
=.1.
(A. 15)
on obtient
un
syst~me
dx F(x, Y1 ,y{
d'equations
,y 2'
d'Euler
Y2' '" , Yn'
yIn) ,
simultane (i = 1, 2,1/ .. , n)
(A.16)
avec les termes de limite. ( i = 1, 2, 3, ... , n)
(A.17)
5.
Probl~mes avec plusieurs variables ind~pendantes.
Si la fonctionnelle la forme (A.18)
Jest definie
sur
plusieurs dimensions sous
b dX 2 ..• { n a
dx
n
n
ou (A.19)
, (x = 1,2, ... , n) ,
- 482-
T. Kahan
alors
l'~quation
d'Euler
est-
l'~quation
aux
d~riv~es
partielles
(A.20)
6.
Fonctionnelle. avec des d~riv~s d'ardre s_u~~!!eur Soit
l
(A.21)
'
(1)
(2)
(n)
J = ~ dx
F (x, y, y
)ar parties
seront necessaires pour obtenir
,y
,"" y
)
ou (A.22)
alors
n
quat ion
int~grations
d'Euler
~F
ay
--
7
en
g~n~ral,
Prob1~mes
dF
n d - - + + (-1) dx (1) '"
ay
d n ~f n ay(n) dx
=0
dtordre 2n.
une equation
avec contraintes;
multiplicateurs de Lagrange. b
Supposons que dre stationnaire
It~quatian
assujettie
Cette contrainte nous arbitraire9
en
dx F(x, y, yt) sait
(A.5) ; J =
a la contrainte dx
(A.24)
tement
l'~-
qui sera
(A.23)
c 'est la,
I
E
ren-
(x, y, y') " 0
interdit
de prendre des
y(x) , de So.ft
1 t~quation dtEuler pour ce probleme.
a
a
variations compl~
que (A.l1)
ntest pas
- 483-
T.Kahan
Le proc~d~ du multiplicateur de Lagrange revient ~ multiplier 1'~quation terme
b
~
dx
[F(X,
En faisant varier
y
,1 'on a
r.ab
dx
J =
(A.25)
(A.26)
)
de
fa~on
~
(F + \
~
pour
est
appel~
r~soudre pour
d~
G) -
~
x.
A -.
V(x,
proc~d~
Le
pour
y(x,
paramN~e
la fonctionnelle
(A.28)
est similaire,',
L'~quation
d'Euler
.
il -peut
d:' (F+~G)
Nre
y, y')
=
(A.5)
= O.
t.) et faire appel ~ (A. >. choisi de cette fa~on
"multiplicateur de Lagrange". Un
te souvent appliquee
Le
AE(x, y, y')]
l'~quation
On peut r~soudre 1 '~quation (A.27) 24)
Ie
~ y [L (F+ A E) _ ~ ~(F+ -1E) 0y dx;3 y'
satisfaire
(jdy
(A.27)
y, y') +
~ est un paramMre arbitraire ,
Puisque
et ~ ajouter
J; 1'on obtient alors
la fonctionnelle
r~sultant ~
choisi
~
(A. 24) par une constante arbitraire
autre type de contrainest
0
sauf que Ie multiplicateur est une fonction de
devient
(A.29)
Les et
~quations
A (x)
.
(A.28) et (A.29) sont
r~solues simultan~ment
pour
y(x)
CENTRO INTERNAZIONALE MATEMATICO ESTIVO (C.I.M.E.)
C. CATTANEO
n
SULLA CONDUZIONE DEL CALORE"
In questa conferenza sono state svolte considerazioni contenute nei seguenti lavori : " Sulla conduzione del calore" , Attt Semin. Mat. Fis. della Universita di Modena,
1'
3 (1948)
"Sur la conduction de la chaleur" , C. R. de l'Acad. des SC. de Paris, 247 , p. 431 (1958) .
Corso tenuto a Varenna (Como) dal 19 al 27 settembre 1966
CENTRO INTERNAZIONALE MATEMATICO ESTIVO (C.I.M.E.)
Cataldo Agostinelli
"FORMULE DI GREEN
PER LA DIFFUSIONE DEL CAMPO MAGNE-
TICO IN UN FLUIDO ELETTRICAMENTE CONDUTTORE"
Corso tenuto a Varenna dal 17-al 19 settembre 1966
FORMULE DI GREEN PER LA DIFFUSIONE DEL CAMPO MAGNETICO IN UN FLUIDO ELETTRICAMENTE CONDUTTORE . di Cataldo Agostinelli (Universita - Torino) 1.
E' noto come in un mezzo
cibilita. finita, e s:>ggetto a
elettricamente conduttore, di condu-
un campo magnetico , questa , col tempo, si
diffonde nel mezzo e il coefficiente di diffusivita magnetica logo
'7
, ana-
a I coefficiente di condicibilita termica e alla viscosita cinematica
nei fluidi viscosi
in movimento, e\ inversamente proporzionale
alla con-
ducibilita elettrica. Ora in
questa lezione
ne del campo magnetico in un di un
mi
propongo di stabilite per
la tliffusio-
fluido elettricamente conduttore, dotato
assegnato movimento, delle formule integrali che gnneralizzano
queUe ben note di Green. Queste formule, che sono
cosi feconde nei
Fisica matematica, sono gill state come
diversi rami della
si sa impiegate da tempo nella
idrodinamica pura. In effetti H. A. Lorents aveva ottenuto dei risultati interessanti nel caso dei moti permanenti e poi dlcato
un'ampia memoria nella !Viluppo di
G. W. Oseen aveva de-
una teoria
generale del mo-
vimento dei fluidi viscosi mediante l'applicazione delle formule generalizzate di Green (1). Recentemente , in una memoria in corso di stampa nella Rivista della Associazione Italiana di
Meccanica Teorica e Applicata (A. I . M. E . T. A)
queste for mule sono state
da me estese
al
caso del movimento di
un; fluido viscoso incomprensibile, elettricamente conduttore, in cui si ge-
(l)G. W. Oseen, Sur les formules de Green generalis~es qui se pres~ntent dans l',hydrodynamique et sur quelques-unes de leurs applications. "Acta Mathematica n, B.34, 1911, pp. 205-284, B. 35,1912, pp. 97-192.
- 490-
C.. Agostineili
nera un campo magnetico (2), mentre la Prof. ssa Maria Teresa Vacca ne ha fatto l'applicazione
al caso piano (3) .
Qui, come ho gia detto, mi limitero a considerare soltanto Ie formule generalizzate di Green per la diffusione del solo campo magnetico.
2.
Nel caso in
cui
siano
trascurabili la corrente di spostamento
e la corrente di convezione, Ie
equazioni di Maxwell e l'equazione che
espriD;le la legge generalizzata di Ohm, risultano
...
..
rot H
I , rot
r
E =-
...
r:JH-
""t
• \ div H = 0).
.. -+ I = C"'{E + ". v 1\ H)
l'
Prendendo il rotore di
-
ambo
i
membri della prima di queste equazio-
ni, eliminando quindi la densitii. di corrente
E, servendosi
delle altre
si ha
H = ...div
..
e
I
il
-
campo elettrico
due, e osservando che
.... ,~......
rot rot
-+
H-
r
~
II
H=
2
...
-.a 2 H ... 'JH
-1I2 H = orot (vAH) - r·t'.l')t Dividendo per
t!'V'
1
rG"
con 11 coefficiente di diffusivi-
(2)C. Agostinelli, Sulle formule integrali
di Green in Magnetoidrodinamica.
tii. magnetic a, si
e ponendo " - -
ottiene
I
-
I
(3)M. T. Varra, Sui moti magnetoidrodinamici piani di un fluido viscoso incomp,rensibile elettricamente conduttore. nRendiconti del Seminario Matematico dell'Universita e del Politecnico di Torino", Vol. 25 0 , 1965-66.
- 491-
C. Agostinelli
....
~
= rot (H 1\ v)
(1)
che l! llequazione della diffusione del
....
div H
(2)
Alle
equazioni (1) e
campo magnetico, con
0.
(2), dove il secondo membra della (1) 10
considereremo come noto, associeremo Ie equazioni
lJii' , J. 2 ~I H + "J t -
(3)
+
div HI
(4)
con la condizione
U'
=0
= 0,
,
(5)
A
u
essendo il vettore
grad
II = 0 ' 2
......
HI e 10 scalare
Le equazioni
(3), (4) ,(5)
VI
delle incognite da determinare
ammettono Ie solutioni:
~ ~ "?'#' .. til = rot rot ('f'i) = grad ;;;:- - U2 1(. j ..~."
_
dove
,
...Ha :: rot rot ('f' j) ::: grad ')y -..1 '(, j.. , 2 ...H; ::: rot rot (1"k).. :: grad IJZ ')", .... - ~2'f'. k,
(6)
...
aggiunte (4)
. 'J
?",
V' :: - ( - + 114.1..,.) 1 nx? t I 2 VI ::
L/~::t:. + tltJ 'f"')
2 'Jyy)t
'2
'J )'1'
U' :: - ( - + 17J:y) 3 /,)z?t I 2 '
"9
i, j, k
sono
i
versori
di una terna di
assi
cartesiani orto-
gonali O( x y z) di riferimento, con la condizione che la funzione
r
(4) Si osservi che se si assumano come equazioni aggiunte, associate alle (1)e(2)le
... 'JH* , A2 H* + /)t :: 0, ~...
4.
div H :: 0 • ~
I
basta porre
H· = HI - gra
per avere le equazioni
(3) e (4) • con la condizione (5) •
--- 492 ---
C. Agostinelli
verifichi l'equazione (7)
Considereremo di questa e uazione una soluzione che dipende soltanto 222 dalla distanza r = (x - x ) + (y-y) + (z-z) di un punta P(x y z) o 0 0 da un punto p (x y z ), e dal tempo t 000
Se poniamo A 2'f' =
0
f ' la
(7) diventa
'. '1+
'1 J 2f +0t
(7')
Essendo ~
funzione
=0,
soltanto di
!. '
r e di
si pub scirvere
(8)
Ora
se
I
F(r, t) e
cilmente che
e
Dalla teoria del
soluzione
anche
di
questa
soluzione
calore si
equazione
si
la
e
ha che r
soluzione della
2
e pertanto avremo ~
da cui si deduce
r= -1~J2 -
2 - r /)r 2
IJ
(rr)
f
1~
= =-r I) -r
~r (rf)
e quindi
riconosce fa-
=r
F
(r F)
(8)
la funzione
- 493-
C. Agostinelli
(9)
jr 1'rc:t
t
(r, t) , , - 1- o
che t:
la
soluzione
arbitraria
,
rl
errata
della
(7), dove
che assumeremo come raggio
nel punta
In base HI
Ix' tano:
(10)
HI
HI
ly'
al
1z
valore (9)
del vettore
di
1
per t > t
-12 W "- 1-; +~:._1_[1_3 Ix !\" 1\ a 2 'I/y liz r
r
2
(t-E)
lz
=--- =
0
{)z
per semplicita
(11 )
E(r, t)
(12)
3(x-x )(z-z ) o 0
('(
-E)
r
si
1
=
27(t o -t)
E
(x-x )(z-z ) o 0 2
E
r
e posto r2
la funzione scalare UI si ha 1 UI
E -J---
r
rlt
dove
2
o +[l--_ 2
"
'J2y1 HI
0
prima delle (') , risul-
'12'1' 3(x-x )(y-y ) (x-x )(y-y ) ~" . 0 0 (f-E) _ 0 0 1y I") x')y 4 2
HI
< t ,ed
componenti
(x-x )
r
e per
Ie
2
--0-1 (x-x )
0 ~t
con
o
'f
definito dall
:J2
So
una sferetta
della funzione HI,
t: una costante
rl
t: definita per
P (x y z ) . Essa o 0 0 0 t: per definizione identicamente nUlla
centro
.11'
411 (to-t)
e
il valore
rl(x-x ) 0
E{rl, t) .
2t3(t -t) o
Le componenti degli
altri due
le funzioni scalari corrispondenti
vettori
U2, U3 I
(12) con opportuno scambio delle coordinate.
,
H~,
3, e
H
i
valori
si ottengono dalle
del-
(10) e
- 494-
C. Agostinelli
S ,ci~e per r " r' ,si ha 't = 0, -t-Ie quantita o H' ,H' ,U' assumono i valori ly lz 1 2 (x-x )2 (x-x )) E , H' = _1_[1 _ 3 -_0-1E (r' t) + [1-~ (r, t) Ix ,2 ,2' ,2 211 (t -t) r r r 1 0 Sulla sfera
3(x~x
H':: .. lz
(x-x )(y-y )
)(y-y )
0 r,4
HI:ly
( 13)
0
E(r',t)-
r'
3(x-x )(z-z ) o 0 E(r', t) 4 r' x - x U' = 1
(14)
3.
O
2 r'
2
0
(x-x J(z-z 0)
-
r
,2
E(r' , t) 21(t o -t)
I
E(r ,t) t - t
0
2
0
Cib premesso consideriamo, nel campo in cui si muove il fluido,
un dominic
D (t) limitato da
col tempo. Sia
un superficie
S(t), in generale variabile
P
(x, Y , z ) un punta interno a questa dominio, e o 0 0 0 una sferetta con centro in P e raggio r' sufflcientemente
sia S o 0 piccolo in modo che quest a sfera nelPintervallo di tempo 0 sia sempre tutta contenuta nel Formiamo ora
~
t ~ t
o
dominic J) •
mediante Ie
equazioni
(1)
e (3), la seguente
combinazione
..... X HI
ottenuta te per
..
1( ~ 2 H
(15)
moltiplicando ~
H,
... ;T (H... x .....HI)+ grad U'X H =rot (Ht\v)JC .......... HI,
- A2HI X H) la
~
(1) scalarmente per
e sottraendo quindi membro
Integrando ambo i limitato dalla
superficie
~
la
(3) scalarmen-
a membro.
membri della (15) S(t) e dalla
it' ,
sfera
rispetto al dominio DI(t) S , abbiamo o
- 495-
C. Agostinelli
[
(16)
D'(t)
-to
,(4
!
1';) .....
........
HXH'-~H'XH)dt,,-(HxH')df+ gradU'XHdl'= 2 2 D'(t)~t '(t)
.. . .
J
=
"9
rot (HI\ v) " H' dr.
D'(t)
Applichiamo
ora Ie note formule di trasformazione degli
integrali di
volume in integrali di superficie , osservando che grad e ricordando ta
inlOltre
che
in una regione della
una superficie
...
U' X H = div (U' H) , F(x, y, z, t) e una funzione derivabile, defini·
se
spaz40 contenente il dominio D(t) limitato da
8(t) , variabile col tempo, sussiste la relazione (5)
~F
J
J
~h
dt'= F d'Y+ F V d8 D(t) ") t dt D(t) 8(t) n '
dove
V
n
con cui
e
la componente, secondo la normale interna, della velocita
si spostano
i punti
Dalla (16) si ha aHora
-L
8(t) + 8 o
,
di
8(t) .
.....1
( dH X H dn
-
...
~
d! .....
dR'"
- X H) d 8 - H X H' d 1: dn dt D'(t) ..
L(
.. +
..
-/, (H x.H'.V + U!H xt)d 8 = rot(HAv)" H' dt'. 8(t)+8 n D'(t) o
..
Integrando ancora che per
t .... t
o
e
rispetto
al tempo
da
0 a t , e osservando o
H' = 0 , si ottiene
(5)
efr. E. Goursat, Course d'Analyse, t. I. p. 666 (Paris,Gauthier- Villars, 1933) .
- 496-
C, Agostinelli
...
J.H JS [~(-d. ~
dt
n
..
... X
HI -
d H'
H)+ VnH.JC H' + V' H X n d S-
~dX H)+V
(H X H')
D'(O) In questa scalare
l'
dt= t=O
J to o
V', succesivamente i vettori
2
3
.
......
~
HX HI+V!H.xtJdS+ n
1
.....-1> d t r o t (H,'\V) X H' D'(t)
. . . .
equazione occorrera sostituire al
V', V', definiti dalle
ri V'
1
n
1 ......
o +
..-+]
~...
d H''''
- ~ X
(17)
vettore
..
H' e alla
H' H' e Ie funzinni scalal' 2' 3' (6) e passare al limite per r ' ... 0 •
...H'
H'
= Hie U' = V', dove 1 1 H' e della funzione V' sono dati dalle 1 1
Riferiamoci al Ie componenti di
caso
funzione
di
valori
del-
relazioni
(10) e (12) ,
Si riconosce
intanto
f1
(18)
che
dH
S ~x o Si osservi per questo che
.....
~ dn
...,
H' d S = 0 , 1
.... l(
d. H d H d Hz H' = X H' + _.2. HI + HI 1 "Qil Ix dn ly dn Iz'
So
e che sulla sfera
risulta
'JH
d H ~H x - x y-y -")H x-x __ x H' j __x _ _0 + _ _x ~ +_x_ _ _o)HI dn Ix \~x r' /'Jy r' ~z r' f A ' ece, dove H'
,H' H' harolD i valori espressi dalle (13). Ix
dia sugli integrali, si vede Analogamente,
sub ito
e
ehe quelliintegrale
sfera e S 0 Y-Y _ _0 +V __ 0+ V Z-z { r' 1 r' r'
poich€: sulla
x-x
V = V n x
°
nullo.
-
497-
C. Agostinelli
si trova che (19)
Per
1 ....
V. H)(H' .,J.,s = 0 • S n 1 o quanto riguarda il limite dell'integrale
J t
(20)
1=
0
d'Is
d 'ft'
(1
d
~ - u'l ;) "it,d's,
o 0 intanto che si ha
osserviamo
d~'
__ 1
dn
XH =H
... ...
d H' d H' d H' Ix + H --..!l. + H ~ x dn y dn ~ dn
U'l' H"n = U'1 IH ~ \ X cos n x + Hy cos
e sulla sfera d H'
~' ~
=..2.-[; r,3
x
x-x JH Ix I __ o+
ot'
'V
y
y-y __ 0 r'
')H'
+~
'J z
rt-
2 (x-x o ) -11 E (r' t)+_I_ r' ~ ' 2 1 r ,L
2
XO }
~/.t"
dn
z)
~[1-
_1]E(r',tL to -t 412 . (X-X o
r' d H'
n
z-z __ 0 = r'
_
--....!L =
H~ cos
S risulta o
~=~
d n
.y +
9(x-x )(y:'y ) 0
r'S"
0
E(r', t) +
3(x-x )(y-y ) 0 30 r'
21
E(r', t)
)2]
2
E(r', t) 2 ' (t -t) o
(x-x )(y-y ) ~ r ,t
o 0 - - - +--::---to -t
4 ,2 r'
dHi 9(x;.x )(z-z ) 3(x-x )(z-z ) (x-x )(z-z ) __z_= 0 0 E(r't)t 0 0 E(r', t) + 0 0 E(r', t) 2 ' dx 1"5 . , 3 t -t 4 " 2r , (t -t) 21J. r' 0 " o , ... -+ x-x y-y U1 nXH = U\ (Hx_,_o + H _,_0+ H z-z,o). r y r z r Si trova che
(to _t)2
- 498-
Jto
lim
r!..O
dt
C, Agostinelli
I
II
d H'
J"'(H ----.!.Y S 11 Y dx
y-y z-z d H' + H ~)- U'(H _0 +H _0),1d S = 0
J.
1 Y rl
dn
~
• rl
o
e pertanto il limite dell'integrale
=I'1m
, I I 1m
rl~o
rl..,.o
jt
dt
0
j,
f
- lim -
r
I
"t 0
dn
1 rl
1t
x
2
2
E..I1-
_ 1] t -t o
4,
2
(X-X o )]
r'
2
2
E(rl,t) _ (t -t)2
, E(r , t)
,3
2r (t -t)
0
= - r I ...,
I
r
H (x ,Y ,z ,t) 3x 0 0 0
7
J 0
3E (
I
L t 2' (t -t)
)
21C + -3
o
y
(x
z
x 0' 0' 0'
It 01 ~
t )lim 0 rl~o 0
+ 27t rl E(r', t) 3
1' -H (x,, y ,z ,t ) 1m x 0 0 0 0 rl... 0
o
,3 r
I
E(r', t -t o
t)} dt
27C r' 3E(r', t) ,;. 2 (t -t) o
t -t
J
E(r l , t) (t _t)2
o
rl 3E (r ' , t) +
37
(t _t)2
o
=
dt
o
}\127f 37 0
r ,3 E(r ' , t) (t _t)2 0
Ma risulta
Jto r' ..... o
~
o
H (x ,Y ,z ,t)-H (x ,y ,z ,t x 0 0 0 x 0 0 0 o~
[
to -t
lim
_ S-
)1137
0
+ 21(, r,E(r l, t)Jdt-H 3
Jd
o
12TC'
0
(x-x o)
t
lim
1 [ (x-x o) 3 2r r'
+ 2'
I
H (x ,y ,z ,t) dt - 2 - -1 E r ,t) x 0 0 0 S r' rl o
E(rl,tL
t
1
~~X-Xo) ~
0
0
j
a
0
t
' _ - l 1m -, r ? 0 0
riduce
dH' x-x_ (- _ _1_x _ UI _ 0) H, Js
S
o
(20) si
l' 1m
+ .!?£rl E(r', t)jdt 3
t -t 0
[to ~
r'+o 0
tI
I
t -t o
dt
= 2 I'X..Y ~i'
- 499-
C. Agostinelli si ha percio infine
1
J
to dt S o
lim rl-.o
(21 )
...
d HI
(7-d1_ U11.~))C iLls" n
-41f{,;H (x,y,z ,t ).
Ixoooo
o
Consideriamo ora
f
r
-t 0
~
-+
.
U',HXn dS"hm rl-+ 0 Sit) 1
\im Jto dt
(22)
il
o
Posto f(t) "
i
....
i
t0
J
dt
r'x-x )
Sit)
0
I
HJCti'. __o_E(r,t)dS. to -t
2 r3
x-x 0
~
HX n - - d S 3
Sit)
r
possiamo scrivere
r Jto dt )S(t) o
;){r7. UI d s" .!, 1Jt o
+Jo [f(t) e passando
al
r' fIt ) E(r',t) dt +
21 0 t-t t O O 1
limite
- fit )] 0
r'E(t''', t) dt to-t
per
si
1 lim ) H'K n . U I dS " - f( t ) 1 2 0 riot 0
...
ottiene t
-'0
0
(23)
r
I limiti
l ,..
j dtl to
lim 0
o
degli
j ....... - r
r-:*'. HlC'n,U ' dS=v7C'Y Hxn 1 Sit ) Sit) o
integrali
-to ...
che figurano
DI(t).
tendo no agli stessi
pure
i limiti dei rimanenti
agU stessi integrali, dove
integrali integrali
nella
=v!C7 f (t o)
o
o cio~
c::
r'E(t", t) t-t dt
x-x
o
,
dS,
r
(17) estesi al
dominio
estesi all'intero dominio D(t); cosi estesi all
pero Ie componenti
superficie S(t), tendono
HI HI HI del vettore Ix' ly' lz
- 500C, Agostinelli
.
HI vanno calcolate per rl =(),
cioe mediante Ie
I
(10), ove si ponga
I
(24)
r~ o
L'equazione
...
'*
HI =H' 1
per
(17) ,
, al
~UI=UI
1
limite
per
rl~o
porge quindi
47f.f;; H(x ,y ,z,t) =1
(25)
x
0
0
D(o)
00
(HXH')
I t=o
-JtodtJ
[j(dH XHI - -dn dRl l x .. H) d S(t) n 1
o
-
to
J
dt
l
..........
rot (HA v) )( HI
D(t)
o
r
dS -
.-+J dS -
+ Vn, H XHI'
d T' ,
(25) si hanno per Ie
componenti
H, H del y z
magnetico, Osserviamo .......
che
= e pertanto
il
trasforma
nel
J
risulta ~
-+
H x Hl1 = HICrot
(26)
f
X-X
S(t o )
I
Due formule analoghe aHa campo
d-r-rn;! H
div [
rot (t 1)
=
ii X grad'r
'
primo
integrale
modo
seguente
.........
(H X HI') _ dt = D(o) t-o
-1
del
+
(rot
r
rot
r -H
..... i) H
ti'
A
x grad
secondo
t'1 +
rot
membro
...
~
+ rott+- i)Xrot H= HAgrad della
t
X
7,
(15) si
(H x gradt ,cos 'tx - H d'l') d S+ x d n t=o
.. to) S(o)
div
....
H Agrad'Y- Xi)
- 501-
dove figura
la
corrente di
conduzione
e
ed
grad'(
'J", = ~r
=LrE(rr' t)
grad· r
C. Agostinelli
. .. I = rot
H alllistante iniziale,
J
r
-"2I
E(~, f: )cJ~
]
grad
r.
0
r
Cost pure, essendo
=div
.."..,....
rot (H/\ v) )( H~ si ha
(27~ J'
.......
-to
rot (HAV) x HI d"t'
dove
4.
10
~
J+ rot
l'
(H/\ v) A H\
-00
I ....
(HA V)I\HI J( n d S +
S(t)
...
1
_+
rot H;lI'Hh v d 1";
D(t)-
e
Se il campo
condizioni gli
si
integrali
estende di
a tutto
superficie
10
spazio, sotto determinate
tendono
di volume risultano convergenti. In tal caso to
~/
HI x HI\ v
J .. +......
=-
1
D(t)
[
delle (26) e
a zero
e gli
integrali
la formula (25), tenendo con-
(27), porge
(28)
-J
to
o
dti~[iA E(ri t) 2 4" (t -t) I
.1
~
...
r grad rJ X HA v d l'"
0
e analogamente 47f.fi;
Hy(Xo'Yo'~6to) = lJJ(iA grad.,.
ICj)t"O
_)'0 d' 11p, Ejr, ') 2 r o
Jj
47 (to-t)
d l'"-
grad r
l~ii~;
d l'
- 502-
C. Agostinelli
..
(28 1)
::}I((
41Cm H (x ,y ,z ,t)
z
I
0
0
0
(IA grad'1' )(
JJ
0
4
k)
t=o
dt'-
_Jt dtjffJr k1\ E(;, t) 2 o
~t
o dove gli
conduzione
...I
e
i primi integrali dei secondi al Le
assegnata in memhri
un
spazio. Se inizialmente la dominio limitato
D , o
delle formule precedenti saranno
dominio D • o formule (28) e (28 ') si possono ovviamente conglobare nell 'u_
nica formula
4'1fM
7 (to -t)
estesi a tutto 10
integrali tripli sono
corrente di
estesi
4
vettoriale
H(x ,y ,oJ; It )= o 0 0 0
JIIJ.
(iAgradt)
Jl" -
t=o
jo ~.j~'\to~t) . .. to
E r, t 2
dt
2 r gra4"
A (H" v ) d~,
che
e
un'equazione
ogni punta
P (x ,y ,~ ,t ) ,e in 00000
della corrente di "'dei valori
integrale che definisce il
conduzione
della velocita del
ogni
istante t ,per menD dei 0
~
I all 'istante mezzo
campo magnetico
fluido
iniziale
in
un
.....
H in
valori
dato dominio
che occupa tutto 10 spazio.
CENTRO INTERNAZIONALE MA TEMA TICO ESTIVO
(C. I. M. E.)
A. PIGNEDOLI
" TRANSFORMATIONAL METHODS APPLIED TO SOME ONE-DIMENSIONAL PROBLEMS CONCERNING THE EQUATIONS OF THE NEUTRON TRANSPORT THEORyn.
Corso tenuto a Varenna dal 17 al 19 settembre 1966
TRANSFORMATIONAL METHODS APPLIED TO SOME ONE-DIMENSIONAL PROBLEMS CONCERNING THE EQUATIONS OF THE NEUTRON TRANSPORT THEORY by Antonio PIGNEDOLI (Universita - Bologna)
1. Introductory remarks. There is a very great bibliography concerning the mathematical theory of slowing down and diffusion of the neutrons within the moderating medium of an atomic fission pile. The methods used for such study must allow for the differences in the reactivity that take place in the reactors chiefly during the starting and because of the sinking and the prising of the control bars, so doing a quantitative scheme of the behaviour of the fast neutrons produced in the nuclear fission, to reach, by slowing in the moderating medium, the thermal energy. The neutrons, endowed with such energy, are "trapped" :h turn, by the uranium nuclei producing new nuclear fissions, and so on, by the well known chain reaction. The methods used for the study of the neutron diffusion in a moderator recall or upon the research, in opportune conditions , of the solution of the Maxwell-Boltzmann integro-differential equation of the transport theory, or on the research of opportune supplementary conditions of solutions of the partial differential equations, of diffusion, derived from the application of these so called .. phenomenological theory". This lecture is concerning the transport theory point of view and, in particular, the application of transformational methods to some one-dimensional problems. As well known, a neutron is a heavy uncharged elementary particle. Of the forces which act upon it the nuclear forces are by far the most important and they are only one that need be taken into a account under the conditions in which one is interested in the diffusion of neutrons.
- 506-
A. Pignedoli
Since these forces have an extremely short range, it follows that: 1) the motion of a neutron can be described in terms of it collisions with atomic nuclei and with other freely moving neutrons; 2) these collisions are well-defined events; 3) between such collisions a neutron moves with a constant that is in a straight line with a constant
velocity,
speed;
4) the mutual collisions of freely moving neutrons may safely be neglected and only the collision of neutron with atomic ding medium need be taken
nuclei with a surroun-
into account;
5) for a neutron travelling at a
given speed through a given medium the
probability of neutron collision per unit path
lenght is a constant;
6) the neutron or neutrons emerging from a collision do
so
at the point
of space where the collision took place. We will indicate with N the neutron density N in vector
a medium
is
density in a
a function
medium (the neutron
of the position, denoted by the
...o ,
1, the direction of the neutron
its velocity v and
the
time t). Let
!: (v)
be the total
macroscopic cross section for all
processes;
r (v)
is the inverse mean free path. Let c(v) be the mean number of secondary neutrons produced per collision. The quantity number of secondary of unit path. Let
c(v) E (v) is the mean
C(V') f (v',
nL. v,
the mean number of neutrons produced in the velocity range dO when a neutron of velocity
v'
and
a collision with a stationary nucleus. Let
....
a
direction S(it, v,
n,
0)
dv dO be dv
and cone
undergoes
t) be the source
strenght of neutrons in the particular volume element. The rate of change
-
507-
A, Pignedoli
n,
of N(r ,v, red to
t) with time is equal to the number of
n from
the velocity v and direction
neutrons scatte-
other directions and ve-
n
locity less the loss due to leakage and scattering out of v and The transport equation
..
...
~N(r ,v, n, t)
at
1)
is therefore : =_v
n• grad
N _ v E(v) N +
..... . v, n) N (r , v',
((
+ ) JV'c(v') E(v') f (v',
12' -
...
...
0', t) dv' dO'
+
...
+ 8 (r ,v, 0, t) , The physical meaning of this equation is the following. The rate of
a~N
change
is equal to the neutrons scattering to v and
sources minus the leakage and the scattering out of v and In the case
r
of
nplus
....n .
the isotropic scattering, the density of the neutrons at
is
1
and the following integral equation is obtained v N (r , v)
(2)
0
=
eKpl- ,EI
41T
+ ~ v'
f2
Ls
[8
(~,
, v, t - -)Pv +
(v') f (v'_ v) . N/!', v', t-
~)dV'] dV
(dV = volume element) , If the neutron distribution does not vary with time, then
N(; ,v, (3)
n) satisfies the equation:
v~ , grad N + v
=~~Vl(C(V')
r (v)
N
=
L(v') f(v', n'_v, n) N(? ,v',
n') dv'
dn'
+ 8(r, !i,V) .
-- 508 -
A. Pignedoli
This equation does not have, generally,. a solution and the following modified equation is considered : (4)
vn • grad =
N + (ex + v
~ ~ v'c(v') E(v')
E )N=
f(v',
n' -v, 0) N (r
,v',
n') dv' dO',
(0( is a constant) .
This
equation has
functions
solutions for certain eigenvalues
C\I .• 1
The eigen-
of the equation satisfy to the following conditions:
a) Continuity at the boundary between two media; b) N. = 0 at the free surface for all incoming directions. 1
A gene ral solution of (1) is :
...
-..
N(r ,v, 0, t) =
(5)
L a. .
..
1
...
N.(r, v, 0)
exp
1
( at. t) 1
1
(We assume For large
that t, it
...n,
(6)
where (
Cl
o
0(
o
ex
<0
o )
is
the N. are a complete
set).
1
is
:
v, t) =
N
o
(r.
-+
0) exp
v,
the maximum of the
(01 t) , o
I
01. S • 1
subcritical
system,
01,
0
=0 critical system,
> 0 supercritical system) .
The coefficients conditions which
a. of the series 1
are determined from
the boundary
may be specified at some particular time.
- 509-
A. Pignedoli
2. The one group theory. Consider the time-dependent equation (1) . If all neutrons have the same velocity v
0,
,
-a,
N(i'"
then it v, t)
is:
= ~(v-v 0) N (r,
ff,
t) , ...... ( f(v', 0' --.. v,O) = 0 (v'-v ) f (0' _ O) , o .... --t .... -.. S(r, 0, v, t) = o(v-v ) S(r ,0, t). o r
~
(7 )
Let:
n, t) = f N(r, n, v, t) dv , { f(n'_n) = ~ f(v', n' -v, n) dv , N(r,
(8)
....
~
S(r, 0, t)
= Jr S(r. . . , --0, v, t) dv .
Integrating the transport equation over
v,
results in the following one
velocity group equation:
(9)
[VON
= 't' (r , n, t) = angular
distribution of the neutron flux.
If we assume :
A} time independence of N ; B} No C} f
-a N Tt,
variation
of
E
and
(n' --- n) independent we
0
b
. tam
:
of
c
with
neutron velocity;
v; and integrate
(1) without the
term
- 510-
A. Pignedoli
n. grad
(10)
where
'I" (r, S1) +
.. - r .. ... { 'r(r,.. fl) : F~ (r, v,_fl) dv , S(r, n) - S(r • v, fl) dv .
r
(11 )
3. Solution of the one group transport
equation in an
infinite uniform
medium in the case of the time-independence and with at
a plane source
x =0 .
We consider now the one group time indipendent transport infinite uniform medium with That
equation for an
a plane source at x • 0 .
is the equation:
d(x)
(1 )
41T'
J(x)
where
We apply to indicate
with
is
the Dirac
this 'IT
'
"Delta distribution "
equation
the method
of
the Fourier transform. We
(t, y.) the Fourier transformation
of
'¥ (x'.J-)
, that
is we put: +00
y(x'.r) exp (-i t' x) dx .
) -00
We have
(2) i 'r
Y.
11 ('t' •Y' ) +
~
L..
11 ( t
cL
,yl = -2-
+1
f
1'l' (t'• .)I-) dy. + 41'1'
-1
Now we indicate member
of
with
Tro( 't') the
(2); and we
have
:
y.
indipendent
quantity at the second
- 511-
A. Pignedoli
(3)
Substituting back
(4)
f(
o
From
(t')
=
in
the equation (2) we have:
[_ ~
4 1T 1
the Fourier
1:'
T
arctg
't
inversion fourmula we obtain :
r
c 1: +i t' ]-1. [ 1 - -2.-1g (~. ) d't.
(5)
1 t'
L,-l't'
The total flux is obtainErl by integration over )A+1
~
2rr
!(x) =
dr'
"'f(x,,;.}
-1
that is
r
1
(6)
=-41'1'
Tx [1 _~ 2it
ei
'('
log
-co
.
(1 t)
The integral The integrand
-1
L..-
it']
-1
(~ L.+lt
r
+it log (-~-.- ) d~ " -It
can be evaluated by the method of residues. has
a simple pole where the term in the denominator
vanishes , i. e. where: (7) If c
C
("
< 1 the poles are at
(S)
(The principal
log
l..
t' =
KIf.. = tgh rooth of this
E+i't.
,,-It = 21 t
.
K, where
K is
-~-.-
±i
given
by
K (7t ).
equation
is
real). An examination of the
- 512-
A. Pignedoli
integrand reveals a singularity log
z for
z
-4'
0 • To
avoid this
the deformed contour is taken back again
. We
T =i
t' = +i
I. .
This is of the form
singularity the plane is cut and
along the imaginary axis to
i
r.
and
have:
I) an asymptotic part
at
at
of the solution
that
is arising from the residue
1<
II) a transient part which is only important near to the source; that
arises from
the contributions of the integral around the cut
(fig. 1) .
Deformed path
original path
Fig. 1 .
- 513-
A. pignedoli
For
x < 0, the integral can be e.lIaluated by taking a path
gration arises
in the lower half of the complex plane. A contribution then from the pole
We have therefore
1
c
part
This
in
T
of the solution
(10)
of the solution, that is :
t2 -K 2 K 2 2 . 2(1-c)r K - E (I-c)
dominates
A second part
at
x is
corresponds
"l
log (2"l
(-(,+1) IxlI: ) d, 2(1.+1)
o
is important near the source (-
4. Solution
-1
r. x)
c
+1)
> 1 , that is
]2
2 2 2 +'1l'c E
the integral comes from
i. e. the integral is given approximately by :
exp
(11)
exp
to
small, the major contribution to
large values of
This
exp (-K Ixl ) .
large values of x.
r.l2L('1.+1)-C!:
When
as
't' = - it( •
a first part
~ = 2(1-c) •
(9)
of inte-
when x tends to
=.!.
2
x = 0 and
Fl (LjXI ) . decreases rapidly
co
of the time-dependent transport equation
without sources in
a semi-infinite medium. Now we consider equation for
the time-dependent Boltzmann
the case of the neutron
integro-differential
transport in a semi-infinite me-
dium without sources and for the one-group theory with non-isotropic collisions . That is we consider the integra-differential equation: (1)
v
oN(x,},-, t) + ". iN(x,,,..., t) =
'dt
= 1'l0's
L +1
h N(x'l' t)
1+3 p
I
2 .}J:.JL d.r I
- ( 0' S
+ O'/lt N(x,.f' t)
,
- 514A. Pignedoli
where
'tl. = number per unit
of volume of collision c.enters
for the
neutron;
o-e
= cross section of capture of the neutron;
0'.
= cross section of scattering.
P
= constant
and (1+3P~r')/2
.
Putting
11. ()'o=!\..-t ,1IllOC:'t-1 , we obtain the equation: (2)
aN(x,}\-. t) +VJA dN(x,).I., t) = (_:::.. + l) N(x t) + J A t 'JA'
ot
r
ax
,1+3P~;i N(x", t) 2
1
v
+A
J
dj, (A, v, t
-1
We have the following boundary condit ion: (I)
for
N(x, J-' t) = 0
x =0,
"u.
We put now: (3)
Writ ing (4)
N(x'.f,t)
= exp (-wt)
F(x'JA,t) I
we obtain: (5)
8F(x,.l':' t)
at
cF(x,)L, t)
+V)J-
ax +1
=w
0
t
F(x,i,t)
= 1+3Pe~ df'l 2
,
P constants)
- 51S-
A. Pignedoli
with F(x'.fL,t) =
°
for x = 0,
J: t, p £ x, q
We apply a
(double
!
/,<0. -transformation) and we put:
+0()
=}
exp (-pt) F(O,.!.t) dt,
-0()
o
'I'(q,y.)
=~
exp (qx) N(x,y., 0) dx,
-0()
o
4>
(p, q, 1oL) = ./
oLt.L [N(X~, t)] = ,p x, q
+0()
~ e
dx ) e -ptN(X
-0()
l' t)dt}
o
We obtain the integral equation: (6)
-V(q,y.) + pq>(p, q'jl) +
vy-
+1
with (7)
c.p(P,j.l) =
°
One considers F(O)'-, t)
for
F(x, )A. ,t) and
will
as a given function
(11'11
Cf
is
and
dependent from
be determined
cf (p,y.)
=
L
m=l
~
Ifmff)' m p
=[ 1
(9)
~mn(JL) mn
n n p q
and we observe that we shall have:
is a known
the initial values of
when the function
solve the integral equation (6) we write: 0()
(8)
2
.J-< 0.
function. The function 'l"(q, y.)
In order to
1+3P)oLJt'
~-1 ~ (p,qj)
= Wo
If
is given.
- 516-
A. Pignedoli
for
(11)
~mn(y.)
L
m-l n p q
m, n=l
-
0
'I'n(y.) -- + n q
0()
L n-1 +1
0()
w
Lm,n=1
mn p q
• (m=l. 2. 3....... ) .
equation (6) • we obtain:
Substituting in the integral
(12)
.r < 0
J 1
vr [~1 1+3P.l~ 2
tf)
'fro!)'}
L Pmnr,.}]
---m-~-1 p m. n=l p q ~.
Therefore we have necessarily:
(13)
cFm1 = 'fm (!) ,
(m = 1,2,3, ...... )
= 'Y)J)'
(n = 1,2,3, ...... )
(14)
.
(15)
=W
)
o
'!)
-1
(r) =
1+3PJA:JA:
2
dJA-'.
The equations (13) give the coefficients
(m.n=1.2,3, ..... ).
of the double series
<.f m . The equation (15) is recurrent ••• ,
terms of the
we have
the functions
p.m,n ,we
have also
and the
and gives
't': in terms of the functions If . n
Applying the theorems on the
m
i, -transformation
in
of the series. we
obtain , after the calculations: (-X
t -1 ]
(n-l)!
'
- 517-
A. Pignedoli
that is (unicity of the L-transformation):
L mn 00
F(x, Y. . t) =
(17)
t
,h
'±'mn (r)
1
m-I
n-I
~
(m-I)l' (n-I)!
One demonstrates immediately that it is F (x.Jl.t) = r: for
y.<
x = O.
0 •
F(x, y. , t) exists an
It is easily possible to demostrate also that for
exponential majorant series
x w(t-- )
w H (1
+ 3P -
w
o
)e
v
Finally we obtain the density function: For
y.>
( 18)
N(x,.f' t) = e
0:
-wt
00
[
m=l
m-l { oc [ m=O
Vm+n(f)
(~-l)!
(v)'-)
00
+ 3Pwo For
y.<
L m=l
n
nl
<xm+2n-2,2n-2 2n-l v
0:
(19) N = 3P
Wo
e
-wt
C:Xm+2n-2,2n-2 2n-l mn=l v
L 00
And it is N(O, Y ,t) = 0 So our problem is solved .
for
y <0
t
n
J.::.:L
m-I
(m-I)!
x
2n-1
(2n-I)~
+ 2n-l
~2n-l)'
I
- 518-
A. Pignedoli BIBLIOGRAPHY Hopf, E Mathematical problems of radiative equilibrium, Cambridge Tracts, No 31. Davison, B, Neutron transport theory, Oxford University Press, 1957. Marshak, R, Rev. of modern Physics, 19, No 3, 1947. Lecaine, J, Phys. Review, 72, 564, 72, 1947. Lecaine, J, Canad. J. Res, A, 28, 242, 1950. Case, K., Annals of Physics, 91, No 1, 1960. Pignedoli, A. Atti del Seminario mat. e fis. della Universita di Modena, 1947. Tait, J. H., Neutron transport theory, Longmans, London, 1964.
CENTRO INTERNAZIONALE MATE MATICO ESTIVO
(C.l. M .E. )
A. PIGNEDOLI
ON THE RIGOROUS ANALYSIS OF THE PROBLEM OF THE NEUTRON TRANSPORT IN A SLAB GEOMETRY AND ON SOME OTHER RESULTS.
Cor sot e nut 0
a
Va r e n-n a
d all 7 all 9 set t e m b reI 9 {; G
ON THE RIGOROUS ANALYSIS OF THE PROBLEM OF THE NEUTRON TRANSPORT IN A SLAB GEOMETRY AND ON SOME OTHER RESULTS. by Antonio Pignedoli
1. Introduction. This lecture is concerning the problem of the neutrons distribution in a slab geometry (1) . The statement of the problem is the following. The neutron density is satisfying the integro-differential Boltzmann equation: (1)
1.v dN(x,y., t) + I.A. ()t J
,
oN(x,,)4, t) + ~N cZ: (}x f.. (x'r ,t) = -2-
J
+1
N(x, Y. I, t)d X. I
-1
where the symbols are usual (see my first lecture in this Course) . The physical conditions are the following: a) the cross section b) the production
~ is constant;
of particles is isotropic;
c) the slab is surrounded by a vacuum, so that no particle may enter the slab from outside; d) at the time t
.~
0 a particle distribution f(x,
y.. ) exists inside
the slab. The supplementary conditions of the problem are: N(a, )A-, t) (2)
=0
,
.JA < 0
•
{ N(-a ,y...t) = 0, )A->O. N(x. J-'-. 0)
= f(x.r)
t
>0
;
t >0;
; -a ~ x ~ a. -1 ~r 51.
We ask for the resulting time-dependent particle distribution. The equation (1) may be simplified somewhat by writing .
(I)Important works in this direction have been done by : J. Lehner and C. M. Wing. Communications on pure and applied mathematics. vol. 8. 1955. idem Duke Mathern. Journal, 1956. R. L. Bowden and C. D. Williams. Journal of mathematical PhysiCs. vol. 11. 1964.
- 522-
A. Pignedoli
1
N(x, y-, t) " exp (-c ~ t)
(x,
oJl). ,
t)
and choosing, for convenience, v = 1, ~ =1. We have: Ol(X,P.,t)
at
(3)
+~
=_Ll.a}(X,Y.,t)
)
ox
2
+1
r 1(x, y!, t)d JA'
)1
with the supplementary.conditions :
ita"~, t) = 0 , .f-< 0, t > 0 ; { ](-a,p, t)=O. y.>o. t > 0 ;
(4)
] {x,;;:, 0) '"
f{X~Iol),
-a::: x::: a, -1<1.\.<1. -) -
In order to obtain a formal solution, we can write the equation (3) in the
form:
d1 (x,'ilt)A • t) = A J (x' ))..l' t) ,
(5)
where A
is the time-independent operator: +1
~ .df'
(6)
-1
A formal application of the Laplace transformation with respect to t
gives:
"1 - f{Xt') =A J.
(7 ) where
}(x.y,t) 1 = j(X'f' A ) = +fJ e - At-
(8)
dt =
o
=! t, .\ fIx, .J- ' t)
•
Obviously the equation (7) can be written:
(j.. - A)
(9)
If
i
-A were
J = f.
now just a complex-valued function, the solution to (9)
would be simply:
- 523-
A. Pignedoli
}= (,( _A)-l
(10)
f.
But A
is actually an operator, and it remains the problem of -1 finding (/... -A) when it exists and determining its properties. Let us for inverse
a moment press the formalism still further. Applying the
transform operator to (10) yields:
l(x, f'
(11)
t) = (2 1l i)
r+
b ioo
-1
[(I,._A)-1
fJ
e ht
dA.
lb-ioo
The evaluation or
estimation of
(11) depends on
a knowledge of the
behavior of (A_A)-1 f . The singularities of this function are of particu'\
-1
lar importance. Thus we must study the operator
(/I-A)
we must investigate the spect rum of the operator
A. Let us -suppose
that ( J.. -A) values
-1
is
f
a
"well-behaved" function of
A
; this implies
except for certain
A.
where the operator A fails to exist. This latter event J will happen when there are functions y.(x, u.) such that: J J
( A. - A) '!'; = /.... 't': - A 'f. '"
(12)
J
J
that is when
'f.
J
is an
J
J
J
eigenfunction
of
A
0,
belonging to an eigenvalue
..( j .
If
there were infinitely many
pansion
as the following: 00
(13)
l
(x'j'-,t) = [ ,
But there is not an strates that (14)
J.. . , J
then we should have a formal ex-
.<.t e J
j=1
infinite number of
g.(x, )\.A.) • J ~ eigenvalues
the soiution (13) must be replaced by:
Aj'
and one demon-
- 524-
A. Pignedoli
~ (x, )"-, t) is, in
where
a sense,
small compared to
the other terms
of (14) . There is, of course, always at least an eigenvalue ging to the operator A. Therefore the sum
'=1
contributes the dominan~
empty and the sum Thus one can
J=
ming
L.. 1\..
belon-
J term for large
determinate the asymptotic time behavior of e At g(x,},-) and then finding
J..
kt 1 e J g .(x, y-) is never
the value of
A
J
t.
by assu-
of largest
real part for which this expression satisfies the equation c + 2
(15)
But we shall is an
+1
1,(X'j'-,,.ty dy-' . -1
expose a rigorous analysis of the problem , on which there
important literature .
2. The rigorous analysis of the problem. The action of the operator
J.L 'at
(1)
Now we g(x,
r ),
A is
=A-,.J
rectangle
Ix
I~ a
by the equation
•
choose the Hilbert space defined and
defined
H of complex valued
functions
square integrable in the Lebesgue sense over the
,1 f'1 ~ 1:
(2)
We define the usual (3)
(g, h)
=
+1
1
-1
and the usual norm :
inner product
~
of two functions
+a
t
g(x.J- ) h(x.,. ) d x ,
g and
h in
H:
-
525-
A. Pignedoli
(4)
Write: A
(5 )
Let gE
= -D+c J •
absolutely continuous in
and such the set and
() .JJ-a;' ,
J.
the domain of the operator
~
H
D.=
Dg E
that of all
gE
H
such
D be the set
x
H . Call
for
dJ
that
2
each
of functions inly.l.::: 1
}J-
the domain of the operator J g
g,
J.
1
exists for each 1: in x I.::: a
J g EH
Finally define
ciA
d J and such
and
both d])
g(a,
{
(6)
as the linear manifold of all fUnctions
Hence
A is
an
that
p) = o.
g( -a.y- )
-1,:::p<
=0 •
operator
g belonging to
O.
O<jA-'::: 1. from
the Hilbert space
H
into
itself
with domain Concerning the spectrum of the operator
A
, one can first demonstrate
that there are no eigenvalues in the left half of the lambda plane. We ha ve the following:
Theorem 1. There
is no function
I..
for some In order I",
(I..
'\IT
with
d.II
satisfying the equation
we consider the function:
CP(x)
=~
-1
=
J.. 'f
if there exist eigenvalues of A with Re(" )~O,
+1
(7)
Ay
Re (..{ ) < 0 .
to establish
rr 0,
L
1"
o/(x,}'-')dIL-'
J
in
L 2(-a,a) ,
-
526-
A. Pignedoli
and
we demonstrate the following theQrems :
Theorem 2.
-y(x,y.) ~dA satisfies
Suppose
Then the function =~
(8)
1
A'f=A.'f
with Re(A)~
0,1..10.
satisfies:
E(A Ix-x'i ) ¢ (x') dx' ,
-a where
i 00
E( u ) =
exp (-ut)
1
t
dt,
~
Re(u)
0,
uFO.
Theorem 3, There is tm( J...)
I
no
function
d A satisfying
Alf =.(rwith
Re (~ ) ~O,
0
It remains to
write J.. =
'fE:
r
examine the poss-ibility of
when
A is
real
. The case
f... real non-negative. We shall ~ = 0 is easy, The equation
A'i" = ,( 't' becomes
which yields : ~
't"(x,y.) - 'f'(-a,y. ) =~ ) d x', Ix I:: a , .J-A- _)(
(9)
Choose :x such
the right side of (9) is not zero, x = xl ' 1 -a < xl < a, Because of the .)A. factor, the right side is then not in:egrable over fl
~
since
that
f ,If-}::
1. But the left side of (9) is integrable over
'f E- d. 4 . Hence
~ =0 is not an eigenvalue. Suppose now
> 0 , By theorem 2, every solution of
satisfying (8) ,
A'f = A.'f yields
a function
4
- 52i-
A. Pignedoli
cp & L2
Conversely if solution
'f
satisfies (8). then the corresponding
is
a
A'I' = f... y.
of
We have the following: Theorem 4 A necessary and sufficient
A"I' = AY solution
condition that
~ = 0 is that there be
corresponding to to
CP(x)
c
=2
1:
\f (x •.J-)
be a solution of an
L
2
-
E(" Ix-x'i )P(X') dx' ,
for that ~ value. We have also the following: Theorem V. The point spectrum set
of points
'PO"
A of
fil > 132 > ...
A consists of a finite but
nonempty
> ftm all lying on the positive A. -axis.
Theorem VI. The eigenvalues
of the operator
we consider the adjoint
Aa of
A are of finite multiplicity. Now A (2)
It is a matter of relatively easy computation to prove that the operator
•
A
adjotnt
to
A is
given
by:
d, - + -c A•• =J U-ax' 2
. dJ'" .
(2)cfr. F. Riesz-B. Sz. Nagy. Functional Analysis, F. Nugar., New York, 1954 M. H. Stone, Linear transformation in Hilbert Space and their applications to Analysis, Amer. Mathern. Society Colloquium pubblication n. 15, New York, 1932 A.E. Taylor, An introduction York, 1958
to functional analYSiS, J. Wiley, New
- 528A. Pignedoli
The domain to both
'f
dA•
C.
H
consists of those functions Y(x,y.) belonging
db and d.J and such that jA-< O.
(a.'r) = 0.,.> 0 ;'l'(-a~) = 0,
Clearly the operator A is not
self-adjoint (this fact
com~cates
consi-
derably the problem). If 'V(x. y.} is
'tl( x,y.)
an
eigenfunction
='1'( -x'f') is
of
A,
an eigenfunction
with
eigenvalue
of A· with
A. ,
then
K.
eigenvalue
The converse is also true. Theorem 1 The residual spectrum 'RItAof
A
is empty.
Theorem 2. The continuous spectrum Let
f'
be the set
of the points of trum) or domain
I1t A d A is
of
A
contains the half-plane
of points in the right half of the
PO' A.
The points of (
dense
in
H
A-plane
are either in
(restr. Spectrum) and hence (" -
A)
One demonstrates
"Re (")
-1
~ 0.
exclusive
Co- A(const.
spec-
exists and its
the following:
Theorem.
A
The resolvent set of contains ( deleted by the point spectrum, Summary theorem, The linear operator
A of
. The resolvent
set
is: Re ( A )>0
A'f=A'f
a) is non self-adjoint; h) decomposes the spectral plane as follows: Point
spectrum: a finite nonempty point set lying on
Residual spectrum: empty ; Continuous spectrum : Re( A. )~ 0; Resolvent set
Re( A) > 0 deleted by the point spectrum
I..
> 0;
- 529-
A. Pignedoli
3. An integral representation of the solution of the transport equation. Considering the integro-differential equation: (1 )
C)JC(x,JI:., t)=
at
-IA.
+1
d)(X,JL, t)
J
S J(x,y.',t)~'
+{
ox
-1
whit the supplementary conditions : }(a'jJ-,t) = 0 ,jA< 0,
t
1(-a,j4' t) = 0 ,jJ-> 0,
t
{
(2)
> 0; >0 ;
1(X, jJ-' 0)= f(x,,.) , -a ~ x ~ a; -1 and having determined how the operator plane , we
are in condition to
A
2..r 2.
1,
decomposes the spectral
return to our original problem, that is
the solution of the aforesaid problem. We write: l(x'jA-,t) = T(t) f(x'JA) .
(3)
Symbolically we have: T(t) = exp (At) ; more properly
T(t) ,
t:>;. 0 is
a semigroup
by A. Such a semigroup exists provided: A
H; I R.( ~
< (I.. -K)
-1
Effectively the operator operators for It follows from
t
~
of operators generated is closed; ciA is dense in
,f... > 'K. for some K > 0 . A
generates
a semigroup T(t) of bounded
0 •
known theorems (3) that the solution
1 is
unique in
H,
(3) E. Hille, Functional Analysis and Semi-groups, ArneI' Math.Soc. colI. publ, VI. 31, New York, 1948
R. F. Phillips, Perturbation Theory for semi-groups of linear operators, trans. of the Amer. Mathem. Soc., Vol. 74,1953.
-
530-
A. Pignedoli
that lim
(4) t
-+
0
II px,y, t) - f(x'Jl) I
=0
,
and that (5 )
fIx, l"
b+iw t) =
lim
2TTi
w..... co
S.b-iw
The integral is to be considered the strong limit of Riemann sums.
< to
for fixed (x,y,) . If we
fix
It converges uniformly for
ous in
valued continuous
0
A
function of
on
tl ~
~
00
J
so that
(x, fA) then
is continu-
R A f is a complex
the integration path so that the in-
tegral may be considered as an ordinary Riemann integral. We now wii;lh to move the
line
of integration
in (5) to the left so as to pick up
the contributions from the singularities at
A (j = 1,2, ... , m).
accomplish this we must study the behavior of We restrict
f
to
analytic function
d.A of /..
• Then, for fixed
for
j3.,1i = 1,2, ... , m). J Let ft. be an eigenvalue
J eigenfunctions
R e (/..)
x
R.(
To
f.
and)A , R,{
f
is an
> 0 except at the points
of multiplicity
s, with
linearly independent
'if.J, 1 ''fJ, 2 ' ... , '1"J, s .
Let the adjoint functions
be 1J./ k ( x..r) =0/ k (- x I J, J,
,y)
j= 1,2, ... ,m;
k = 1,2, ... , s .
One demonstrates
that
it
is
e
(6)
JH e J
.(t
s. )J
L
k=1
R,c. f d/.. +
(f,'1/
J,
k)'f· k (x'jol) , 0 J,
<$
(one shifts the line of integration to the left of )3m but not as far as the
-
531 -
A. Pignedoli
imaginary axis, picking up the residues at And estimating the integral, one obtains: s. J m fo.t (7) } (x'P.' t) = e J k=1 j=1
L
j = 1,2,3, ... , m.
[
where for almost all (x, J-') , \
>I
is dominated as follows (setting
IS (x,y., t)! where D depends on f
p.,J
<
D(x~jA)
2
cS=~:
2
t log t,
and is finite for almost all (x, }A-) :
4. Some other results on the transport theory. From the somewhat practical viewpoint, it is desirable to obtain more information about the eigenvalues of the operator A. Results in this direction have been obtained
by S . Schlesinger (4). But
we will not consider this direction of research in this lecture . We consider some other results in the transport theory. G. Pimbley (5\as studied the multienergy state time -dependent slab problem . Thi s is especially important from a physicist's viewpoint because practical calculations of particle behavior (e. g. of neutron behavior in rea· ctors)
generally rely on replacing the continuous energy dependence by
(4)S.Schlesinger, Approximating eigenvalues and eigenfunctions of symmetric kernels, Juurnal of the Society of industrial and applied mathematics, vol. 5,1957. ideql., Some eigenvalue problems in the theory of neutrons, Los Alamos scientific laboratory reports, LA 1908, 1955. (5)G. Pimbley , Solution of an initial value problem for the multi-velocity neutron transport equation with a slab geometry, Journal of Mathern. and Mech., vol. 8, 1959.
- 532-
A. Pignedoli
a discrete dependence. Pimbley considered the equations: dN.(x'j4,t)
(8)
1
v.
(IN. \' +1.0\. __1 +'-- N
)"0 x
'a t
1
i
+1
n
2
[ j=l
C ..
1J
~ N/X',jA', t) djA' -1
i=l, 2, 3, •.. ,n
with (9)
It was discovered
that, while some results carried over quite comple-
tely, it was required in other cases to considerably restrict the matrix c. . in order to preserve the analogy . 1J For the time-dependent transport problem for bounded geometries, some very general results have been obtained by K. Jorgeps (6). Let
c;b and 1J be bounded measurable sets in position space (\' x 2' x 3 )
and velocity space (v!' v 2' v 3) respectively. Let
V
from zero (the particle velocity cannot become
arbitrarily small, and
be bounded away
"trapping" is avoided) . The transport equation can be written in such a general case in the form:
(10)
dN elt
Let N~ H,
3 = _ [,
.
1
v J'
ax
J= 1 the space of square integrable functions on-p)\r and let
I: (x, v) be
non-negative, bounded and measurable on"bN. In Jorgens analysis K is a quite general bounded linear operator on H. In must cases K in an integral operator: 6) K.Jorgens , An asymptotic expanSion in the theory of neutron transport, Comm. in pure and applied mathem., vol. 11, 1958.
- 533-
A. Pignedoli
(10')
f
K N '"
k(x, V, Vi) N (x, v', t) dv l
V·
whlch describes the scattering of particles of velocity (v~, v 2' , v
3) into
velocity (v I' v 2' v 3) . It is further assumed that no particles can enter ~
from outside.
Under the conditions stated, the problem
dN cH
=AN,
N(x, v,O) = f(x, '\T)
has a unique solution N(x, v, t) = e
At
f(x, v) = T(t) f(x, v) .
(L(~,v) =[(x 1,x 2,x 3' v 1,v t v 3 )etc. ).
With certain additional restrictions, the operator T(t) is completely continuous for
t
t where to is the maximum length of time that a para tic1e takes in crossing :l> . This io true, for example, in the n velocity
>
~
group theory. It is also true when
( *) and
k is
tV" is
bounded
and
a three-dimensional set K
integrable over ;]) >< V X V' .
When T(t) is completely continuous it has
a discrete spectrum
(plus possibly the point zero) where the /.... are the J The spectrum of A may be empty . The spectrum is certain
is the form ,0 e J
eigenvalues of A.
non empty for the sphere problem (7)
The formal series expansion of the solution function
(7) R. Van Norton, New York
N is complicated.
Univ. Report, 1960
J. Lehner, Comm.on pure and app!. mathem
,
1962.
-
534 -
A. Pignedoli
Jroblem of the convergence of this series, in the case that the specis infinite, remains insolved. Asymptotic results holding for large 'e been obtained by J8rgens (8)
5.
Researchs using the method of distributions in
sense of L. Schwartz. Consider the simple time-indep. transport operator:
Y.
a: d
+N
=
~
J +1
N(X'jA')
d.}I-"
c = const
-1
(L =1
for convenience).
ssume : N(x'r) = g(x) h(r) .
ituting in (1) we have readily: N(x,
fA'
x
J = exp (-~ J
jJ. ~ (u.) =c (1 --) y .., I 2
\l
+1
r
)-1
-
CP.., (}4)
cp.., (}Jo')
,
djA'
is a yet arbitrary. Let us require that:
J
+l
=1 .
-1
J8rgens
, An asymptotic expansion in the theory of neutron transport , Cornrnunic. in pure and appl. Mathern. vol. 11, 1958 .
Grosswald,
Neutron transport in spherically sirnrnetric systems, Journal of Mathern. and Mechanics, 1961 , vol. 10 .
- 535-
A. Pignedoli
Then manipulating we have:
.t1
(5)
f
1 =.
-1
c'\>
-]A
y'" -1
=
-
0 < c < 1,
+1
ciJ"'.
-1
v
2
11
The equation (5) has two roots + ry ; for
,
I)
0
.
-.r
For
= ~ c t gh
-1 1
(:;). v
c
> 1,
I)
0
is pure imagina-
"
> 1. K. M. Case(9) has observed that other solutions o may be obtained assuming that is a distribution in the sense of
L. Schwartz (10) Using this idea we can write :
4>
(6)
where
P
integral For
~
However
~
(r) = ~ P
2
_v_ + F(V)d(r- V)
v
-~
indo that the Cauchy princ. value is to be taken whenever an invol ving ~,,(1') occurs.
not
in ( - 1, +1) the procedure leads again
for
-1 < y <1
1
='c2
y P
to two roots
+
vo .
) gives
1+ 1
+ F (v)
-1
from which F( v ) may be found Thus for any V
in (-1,+1) there is a solution of the type (6).
Case has also examined some time-dipendent cases in
(9)
K. M. Case, Elementary solutions applications Annals
this way.
of the transport equation and their of Physics, vol. 9. 1960 .
(,lOlL. Schwartz, Theorie des distributions, vol. I, Hermann, Paris, 1950
- 536-
A, Pignedoli
p,p, Abbati Marescotti(ll) has studied the problem of the slab in
the
multigroup theory and in the case of non isotropic scattering, that is the non-stationary problem
df.
aT-
(8)
= A fi
0':::
t
' in the rectangle R:
< + co
fi(x,.f'O) =
Ixl,:::
a,ljll~ 1, (i =1,2"", n) ,
;
'I'lic'r);
fi(a,J'A' t) = 0, /A< 0 ;
fi(-a 'f' t) = O,]A> 0 . It is solved the problem
of determining
fi I: L 2(R)
One gives here a summary of the results : a) Using the theory of the semi-groups, one demonstrates a theorem of existence and uniqueness; b) The determination of the resolvent R(,{, A) is reduced to a solution of a system of integral equations of Fredholm of the second kind; c) One finds the solution in the form of a Neumann series: (9)
f.(x, 1
1Jt.,
J
_ CIO (r) t) - exp (-I.v.t) f.(x-v.rt.r' 0) + [ F. (x'r' t) , 11 1 1 0 r 1
where the first term at the second member represents the neutrons of the i th
group without interactions in the time interval
cond term the number of neutrons with
0 f---I t and the se-
r+l interactions in
the same ti-
me interval. Abbati Marescotti(12) has also solved the problem of the transport in a homogeneous sphere in stationary conditions, with spherical simmetry, isotropic scattering and with unknown source term S(r) : that is the problem:
(11) see p.P. Abbati-Marescotti,Atti Ace. Scienze di Bologna, 1962. ( 12) P. P. Abbati-Marescotti j Atti Scienze di Torino, 1962 - 63.
-
537-
A. Pignedoli
(10)
df
1-) df
~
)'\1; + - r - Or + O'f"
t
}-1
o < r < r , (r "radius of the sphere) , -
The function
o .- 1.
0
0
g()A-) is assumed
absolutely continuous in
S(r)
The problem of determining f(r'J") and
the interval
is reduced with a
unique unknown function
(11 )
'V(r)
c
"2
~+1
f(r
-1
This ra of
function
,r)
dr'+ S(r) .
is determined by solving an integral equation of
the first kind. One studies also the dependence between
Volterf
and
S.
Finally we shall say that the author (13) has studied the approximate solution of the problem in a spherical medium
!
with
c" c(r) (: B v ,
= L(r)EB v (the symbols are usual) without regular
ning g. The problem
is reduced to determiling
f(r,.I") and S(r) satisfying the
conditions (12)
f+l (0
)-1 Jo
2
r If(r:t")\ dr
ctr
r10 r
0
r
2
IS(r)\dr<+cc;
(the quantity of matter or radiation is finite). One determines necessary and sufficient conditions for g; in the case of
L." const in
every part in
which the interval is divided, one solves a chain of integral equations; in general one constructs an approximate solution, demonstrating the convergence of the method.
(13)p. P. Abbati-Marescotti , Atti della Acc. delle Scienze di Bologna, 1964.
- 538-
A. Pignedoli
BIBLIOGRAPHY
B. Davison,
Neutron Transport theory, Oxford at the Clarendon Press, 1957.
G. Milton Wing, An Introduction to transport theory. J. Miley and Sons, New York-London 1962 K. M. Case, , F. de Hoffman and G. Placzak, Introduction to the theory of neutron diffusion, Government Printing Office, 1954.
CENTRO INTERNAZIONALE MATEMATICO ESTIIlO (C.I.M.E.)
Giorgio Sestini
nPRINCIPI DI MASSIMO
PER LE SOLUZIONI DI EQUAZIONI PARABOLICHEII
Corso tenuto a Varenna (Como) dal 19 al 1966
27 settembl
PRINCIPI DI MASSIMO PER LE SOLUZIONI DI EQUAZIONI P ARABOLICHE di Giorgio Sestini (Universita.- Firenze) Introduzione. Questo seminario ha I 'unico scopo di richiamare 1'attenzione sull'impor
M
tanza dei cosi detti "principi di massimo" nella risoluzione di problemi al contorno per I 'equazioni parabolic he , ad es. della diffusione, qualunque sia la questione fisica che ha condotto
a quel problema e il tipo di gran-
dezza caratteristica del processo considerato. E' ben noto che, dopo aver superato Ie notevoli difficolta di tradurre in equazioni un problema fisico , troppo spes so anche a spese del suo stesso significato fisico, si presenta la questione della risoluzione del problema matematico cui si
e
giunti. Questa risoluzione, specialmente se
si tratta di problema non lineare, si rivela spesso cosi difficile da preferire una valutazione approssimata della soluzione, in modo da potere controllare, attraverso al confronto con dati sperimentali, fino ache punta
il
problema matematico resti aderente al problema fisico considerato. In ogni caso, almena in un primo tempo, si cerca di assicurare I 'esistenza e
l'unicita della soluzione del problema analitico in esame,
seguendo di regola una via che permette anche l'istituzione di un algoritmo costruttivo della ricercata soluzione, appartenente ad una fissata classe di funzioni. Due metodi assai usati sono quello delle approssimazioni successive, generalmente applicato dopo aver trasformato il problema da differenziale in integrale
0
integro-differenziale, oppure quello proprio
dell 'analisi funzionale che conduce a considerare una conveniente trasformazione di un opportuno spazio funzionale in
s~,
alla quale si possa appli-
care il teorema del punto unito. In tali metodi, sia per dimostrare la convergenza del processo iterativo, sia per assicurare l'esistenza del punto unito per la trasformazione
-
542 --
G. Sestini
funzionale individuata,
e di
fondamentale interesse il conoscere "a priori"
valut
danno un fonliamenta1e aiuto a questo ordine di
problemi. Di rilevante interesse
e poi il
loro impiego nella dimostrazione
eli tr,uremi di unicita. Sulla scorta degli studiatissimi problemi di tipo ellittico e, in partico1are delle proprieta di massimo delle funzioni armoniche, molti studi sono st.ati fatti per giungere a stabilire anche per le soluzioni di equazioni cti. tipo parabolico analoghi teoremi, atti a caratterizzare Ie proprieta di
speciali classi di
soluzioni di problemi al contorno di questo tipo.
Conviene subito osservare che se anche tali classi di soluzioni POS80110
sembrare assai ristrette dal
punto di vista analitico, esse tutta-
via sono del tutto soddisfac.enti a descrivere vaste categorie di fenomeni fisici del
tipo di quello classico della diffusione del primi risultati ottenuti riguardavano, come
calore.
e ben
naturale, Ie
so:uzioni di particolari problemi lineari. Successivamente sono state rilevale analoghe proprieta anche per classi pili generali di soluzioni di problem, parabolici anche quasi lineari. Per i problemi al contorno non linea-
ri, a quanto ne so, moltissimo resta ancora da fare. In cia sta il carattere di "seminario" di questa lezione. Per una sistematica, ampia e moderna trattazione delle equazioni pa caboliche, accompagnata da una ricca bibliografia,
e
ressante la ]ettura del recente libro di A. FRIEDMAN I " principi di massimo II Seguendo L. NIRENBERG guono
;.11
molto utile ed inte-
[1] (') .
•
[2J,
i "principi di massimo" si distin-
"deboli" e in "forti" .
('l I nume:'i in parentesi quadra si riferiscono alla bibliografia posta 1& termine della relazione.
- 543-
G. Sestini
I principi deboli affermano che la soluzione di
un problema pa-
rabolico , in un conveniente dominic e appartenente ad una certa classe di funzioni , ha i suoi massimi suI contorno del campo di definizione. Quelli forti affermano che se una soluz lone di un problema parabolico, in un certo dominic e appartenente ad una certa classe, ha un massimo interno al campo di definizione, essa
costante.
~
EI evidente che questa secondo tipo include i principi deboli come imme-
diata conseguenza. EI quasi superfluo accennare che principi analoghi valgono per i minimi .
In generale Ie dimostrazioni di tali principi vengono date nel caso di due variabili, ed io, nell 'esporne alcuni, mi atterro alla regola, essendo immediatamente estendibili ad eqL,azioni parabolic he in un numero qualsivoglia di variabili. Del res to dal punta di vista fisico-matematico Ie equazioni in due variabili coprono una vasta classe di problemi non stazionari (quando una delle due variabili sia il tempo) nei quali la dipendenza dal posto della grandezza caratteristica ricercata
e affidata
ad una sola variabile, cosa
che si verifica tutte Ie volte che si ha a che fare con campi dotati di simmetria (problemi piani, cilindrici
0
sferici) , nei quali la coordinata spazia-
Ie puo interpretarsi come distanza del generico punto, in cui si cerca il valore della grandezza ad un certo istante, da un piano
0
da una retta
0
da un punto. II "principio di massimo" di M. GEVREY (1913) M. GEVREY
[3J ,
che con E. E. LEVI
[4J
puo considerarsi il fondatore
dello studio sistematico dei problemi di tipo parabolico, ha stabilito che, assegnata I 'equazione parabolica lineare : (1 )
Z
xx
+ a(x, y) Z + b(x, y) Z+c(x, y) Z x
y
= 0
Z = a
d
Z
"0 a '
- 54-1--
G. Sestini
con a(x, y) , b(x, y) , c(x, y) funzioni continue di finita R
x
ed y in una regione
del piano x, y, ogni soluzione regolare di (1) (cioe continua con
Ie derivate
che compaiono in (1 ), non puo avere in R
tivi ,ne minimi negativi, quando sia c
n~
massimi posi-
<0 .
Infatti Ie necessarie condizioni per Pesistenza ad es. di un massimo positivo in un punto P
rendono insoddisfatta la
= (x 0 ,y 0 ) GR :
0-
(1).
Nel caso in cui sia b
< 0 (che e il caso dell 'equazione della dif-
fusione), qualunque sia il segno di cambiamento di funzione incognita modG che risulti
kb + c
c (se
e c.:::
0 basta operare
in (1) il
Z = U exp ky e scegliere la costante in
< 0 ) resta facilmente provato che per ogni campo
R' interno ad un contorno regolare
't'
(nel senso di essere continuo, sem-
plice e tale da formare con una caratteristica che 10 incontri uno contorni privi di punti doppi) il valore assunto
0
piu
da Z in un punto PE R' ri-
sulta compreso tra il massimo positivo e il minimo negativo dei valori che la Z assume sulla parte di
r
al di sotto della caratteristica per P.
Da questa proprieta discende subito, nelle condizioni specificate, il teorema di unicita per la soluzione di (1) con assegnate condizioni al con-
torno. Il "principio di massimo" di M. PICONE (1929) . Un altro principio deb ole si deve a M. PICONE 1'equaz ione di
( 2)
[5] .
5i consideri
tipo parabolico : a
E(Z) =
h,k
hk
(P) Z
xh x k
+
L:
b (P) Z - z h h xh t
+ c(P)
= f(P) ,
-
545-
G. Sestini
~ ahk Ah Ak
con
forma quadratica definita pos itiva, per
essendo ahk = a kh funzioni continue di
e un ad
A. i reali,
P:: (xl' x 2' ..• ,X n' t) £ R, dove R
qualunque dominio limitato e connesso di uno spazio euclideo En+l n+1 dimensioni. Si indichi con FR la frontiera di
R e con F R la parte di -t
FR,
se esiste, per i cui punti esiste la normale interna ad R avente verso opposto a quello dell'asse della variabile t
e tale che un intorno circolare,
convenientemente piccolo, di un suo punto P
appartiene a
F _tR (un domi-
nio sferico non ha evidentemente F R; un dominio parallellepipedo, con
-t
gli spigoli lat~rali paralleli all'asse della variabile t, ha come F _tR la base superiore) . Nell'ipotesi che anche bh , c, f siano funzioni continue di pER e Z (P) soluzione regolare (nel solito senso) di (2) , si ha il seguente teorema; se f (P) ~ C (~ 0) ed allora
e
e
ZIP) ~ 0 (~ 0) per
P (& FR-F _tR,
ZIP) ~ 0 (~ 0 ) per P E. R.
Discendono immediatamente , come corollari del teorema, la unicita della soluzione di (2) , neUe ipotesi dichiarate, che prende assegnati valori su FR-F _tR e, nel caso dell'equazione omogenea (f=O), se
c
~
0 il seguen-
te principio di massimo debole : nelle ipotesi dichiarate, ogni soluzione regolare di E(Z)
= 0 raggiung~)l
massimo dei valori del suo modulo su
FR-F_t· Il criterio di massimo viene poi esteso al caso di campi illimitati,
facendo alcune ipotesi suI campo e suI comportamento della ricercata soluzione per P-+oo. L 'elegante dimostrazione del teorema s i basa essenzialmente su di un Lemma di algebra Siano
L::hk
di Moutard) che ci limitiamo a ricordare:
2«..~. ~.
a hk A).k'
ij
11
o semidefinite (positive
~eor.
0
1J
11J
due forme quadratiche definite
negative) . La somma
I!hk
- 546-
G. Sestini
e non negativa hanno
10
non positiva secondo che Ie due forme, se non son nuHe,
0
stesso segno
segno opposto.
0
11 "principioforte di massimo" di L. NIRENBERG (1953)
[2] .
Sia Z(x ,x 2' ••• , x ; t 1, t , ... , t ) una funzione di n+m variabili 1 n 2 m in un dominio D ad n+m dimensioni e consideriamo 1'operatore differenziaIe : (3)
ellittico neUe variabili
xh e parabolico neUe variabili \' cioe tale che
:J...
la forma quadratica rna
qUadratiCa~ ~. ~.f~ IJ
reali.
IJ
Z(P) C.
e soltanto semidefinita positiva
per Ah e
1 J
a k ' ~ .. ,b ,
Supposti i coefficienti .
a hk '\h Ak e definita positiva, mentre la for- .
R.
funzioni continue di
2 h IJ h /'1 C , si ha il seguente teorema : Se Z e tale che rislulti
~i
P~ D e
L( Z)
2: D
e in un punto
PET la Z raggiunge il suo valore massimo, aHora e o Z(P) = Z(P ) in tutta la parte di iperpiano t. = costante, passante per P o
e appartenente
1
0
aT.
Accenneremo aIle linee
della dimostrazione nel caso di due va-
riabili e cioe per 1'operatore : L'(Z)
=
AZ
xx
+ B Z + aZ + bZ , tt x t
A>D, B> D.
Si dimostra da prima che, se in
P (x, t ) e-T la Z alSSume il suo valo-
re massimo M • aHora e ancora
Z
o
=
0
0
M in ogni punto della caratteristica
t = t , appartenente aT. o
Questo
teorema e una quasi immediata conseguenza del seguente
Lemma: se Z assume il valore massimo in punto P' della circonferenza di
-
547-
G, Sestini
un cerchio appartenente aT, llascissa Xl di pi coincide con quella del centro del cerchio, La proprieta vale anche per un contorno ellittico, avente gli assi paralleli agli assi
x
e
t.
ei riJeriremo ora al caso
B=O e b = -1 , c ioe al caso che interes-
sa i problemi di diffusione. Quanto ora ricordato implica che se in T
(4)
L"(Z)
AZ
xx
+aZ
x
-Z
t
e:
>0
e in P E. T la Z(P) raggiunge il suo val ore massimo, allora si ha Z(P)=: o 0 =: Z(P ) , per ogni P appartenente alIa caratteristica t =: t passante per o 0 P e appartenente aT, o
Premesso questo si indichi, per ogni dei punti
t
PET, con
Q € T,
S(P) llinsieme
che possono
essere
collegati con P mediante curve semplici, appartenenti a T, sulle quali, nel senso da Q a P, la tenon decrescente , Ebbene se per P E: T e -----
Z(P) massima ,
0
0
aHora si ha Z(P) =: Z(P ) per P E S(P ) ; 0-
0
in questa affermazione, valida naturalmente anche per l'operatore
o
,~
L( Z) definito
in (3), sta il principio forte di massimo, Ne segue in particolare che Ia soluzione
regolare della equazione
L"(Z) = 0 pub raggiungere i suoi valori mas simi
(0 minimi) suI contorno del campo di definizione e da cia la possibilita
di limitazioni "a priori" della cercata soluzione per un particolare problema al contorno associato all'equazione L" (Z) =: 0 Ie dei tipi considerati
(L( Z) ::: 0 , L I (Z) =: 0 ) ,
0
ad altra piu genera-
- S48-
G. Sestini
Generalizzazione di T. KUSANO (1953). Oi questo molto importante "principio forte di massimo II si hanno generalizzazioni di A~ FRIEDMAN
(6)
e di T. KUSANO
[7] . Accennere-
mo soltanto a quella di KUSANO , perche riguarda una equazione quasili ~ neare e cioe del tipo :
~
(5)
con a hk ed f
II grad
zII<
\k (P, t, Z, grad Z) Z \
x - Zt" f(P, t, Z, grad Z), k
funzioni definite in un dominio
co]
e limitate in ciascun
D'::[(p, t)t:D,
Iz I < co,
sottoinsieme compatto di D'.
II principio forte di massimo per la (5) , la cui dimostrazione ricalca passo
a passo
quella del criterio
di NIREMBERG, e il seguente :
se esiste una funzione semicontinua, positiva H(P, t, Z , grad Z) tale che :
Z f..K ~
Q
(P, t, Z, grad
rispetto a punto P
--0
Z
Z)~
a
hk
A.h A k ->
Hllll12, per ogni Ah reale
D' ; se inoltre la f(P, t, Z, grad Z)
e gradZ e si ha
f(P, t, Z, 0)
~
e lipschitziana'
0 per Z ~ 0 , allora, se in un
€: D - la ZIP0 ) e inassima , si- ha Z(P) " ZIP ) per Pc SIP ), 00
essendo SIP) I 'insieme appartenente a 0, gia definito. Conclusione. Questa una rapida e molto sommaria scorsa sui cosidetti "principi di massimo" per Ie equazioni
di tipo parabolico e un rapidissimo cen-
no suI lora utile impiego nella risoluzione di problemi al contorno originati da questioni
fisico-matematiche, ad es. del tipo di queUe che hanno
formato oggetto di studio il questo
Corso.
n fatto
che tra il principio di
GEVREY e quello di KUSANO intercorrano cinquanta anni giusti, avvalora l'importanza e I 'attualita della questione, e, a mio avviso, giustifica I 'aver-
- 549-
G. Sestini ne fatto oggetto di un seminario.
BIBLIOGRAFIA .
1
A .. FRJ.EDMAN. Partial differential equations of parabolic type, Prentice-Hall In c. , Englewood Cliffs N. J. 1964 .
2.
L. NIRENBERG , A strong maximum principle for parabolic equations , Comm. Pure Appl. Math. 6, 167-177 (1953).
3
M. GEVREY , Equations aux derivees partielles dUo tipe parabolique, J. Math. Pures Appl. , (6) 9,306 - 471 , 1913 .
4.
E. E. LEVI, Sull1equazione del calore, Ann. Mat. Pura Appl. (3), 14, 187-264, 1907 .
5,
M. PICONE, SuI problema della propagazione del c3.lore in un mezzo privo di frontiera , conduttore, isotropo omogeneo, Math. Ann. 101,701-712, 1929.
6.
A. FRIEDMAN. Remarks on the maximum principle for parabolic equations and its applications, Pacific J. Math. 8, 201-211,1958.
7.
T. KUSANO, On the maximum principle for quasi-linear parabolic eqvations, Proc. Japan Acad., 39, 211-216, 1963.
Stampa; Editorial. Gra/lea . Aoma . reI. S800154