Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием

За допомогою узагальнення чисельно-аналiтичного методу встановлюються умови iснування перiодичних по t з перiодом T розв’язкiв системи iнтегро-диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними з iмпульсним збуренням....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2005
Автор: Ткач, А.Б.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2005
Назва видання:Нелінійні коливання
Онлайн доступ:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177391
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием / А.Б. Ткач // Нелінійні коливання. — 2005. — Т. 8, № 1. — С. 123-131. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-177391
record_format dspace
spelling irk-123456789-1773912021-02-16T01:25:45Z Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием Ткач, А.Б. За допомогою узагальнення чисельно-аналiтичного методу встановлюються умови iснування перiодичних по t з перiодом T розв’язкiв системи iнтегро-диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними з iмпульсним збуренням. By a modification of the numerical-analytic method we establish conditions for existence of solutions periodic in t with period T for systems of partial integro-differential equations with an impulsive effect. 2005 Article Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием / А.Б. Ткач // Нелінійні коливання. — 2005. — Т. 8, № 1. — С. 123-131. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 1562-3076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177391 517.946 ru Нелінійні коливання Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description За допомогою узагальнення чисельно-аналiтичного методу встановлюються умови iснування перiодичних по t з перiодом T розв’язкiв системи iнтегро-диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними з iмпульсним збуренням.
format Article
author Ткач, А.Б.
spellingShingle Ткач, А.Б.
Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
Нелінійні коливання
author_facet Ткач, А.Б.
author_sort Ткач, А.Б.
title Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
title_short Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
title_full Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
title_fullStr Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
title_full_unstemmed Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
title_sort численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2005
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177391
citation_txt Численно-аналитический метод исследования периодических решений интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием / А.Б. Ткач // Нелінійні коливання. — 2005. — Т. 8, № 1. — С. 123-131. — Бібліогр.: 6 назв. — рос.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT tkačab čislennoanalitičeskijmetodissledovaniâperiodičeskihrešenijintegrodifferencialʹnyhuravnenijsčastnymiproizvodnymisimpulʹsnymvozdejstviem
first_indexed 2025-07-15T15:30:22Z
last_indexed 2025-07-15T15:30:22Z
_version_ 1837727400880766976
fulltext УДК 517 . 946 ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ С ИМПУЛЬСНЫМ ВОЗДЕЙСТВИЕМ А. Б. Ткач Киев. нац. ун-т им. Т. Шевченко Украина, 01033, Киев, ул. Владимирская, 64 By a modification of the numerical-analytic method we establish conditions for existence of solutions periodic in t with period T for systems of partial integro-differential equations with an impulsive effect. За допомогою узагальнення чисельно-аналiтичного методу встановлюються умови iснування перiодичних по t з перiодом T розв’язкiв системи iнтегро-диференцiальних рiвнянь з частинни- ми похiдними з iмпульсним збуренням. Введение. Численно-аналитический метод отыскания периодических решений, предло- женный А. М. Самойленко [1] для отыскания периодических решений систем обыкно- венных дифференциальных уравнений, допускает многочисленные обобщения. В моно- графии [2] численно-аналитический метод обобщен на системы уравнений с частными производными. В статье [3] численно-аналитический метод отыскания периодических решений развит для систем уравнений с частными производными с импульсным воздей- ствием. В статьях О. Д. Нуржанова, Б. Е. Турбаева, Н. А. Перестюка, Г. Х. Сарафовой, М. А. Хе- кимовой [4 – 6] изучаются условия существования периодических решений систем интегро- дифференциальных уравнений с импульсным воздействием. 1. Постановка задачи и формулировка основных результатов. В настоящей работе численно-аналитический метод обобщается на системы интегро-дифференциальных уравнений с частными производными с импульсным воздействием вида ∂2u(t, x) ∂t∂x = B(t, x)u(t, x) + f ( t, x, u(t, x), u′t(t, x), x∫ 0 t+T∫ t φ(t, s, x, η, u(s, η), u′s(s, η))dsdη ) при t 6= ti, (1) ∆ ∂u(t, x) ∂x ∣∣∣∣ t=ti = Di(x)u(τi, x) + qi(x, u(τi, x), u′t(τi, x)). (2) Здесь u, f, φ, qi ∈ En, (n × n)-матрицы B(t, x), Di(x), i ∈ Z, непрерывны относительно своих аргументов. Вектор-функции f, φ, qi и матрицы Di, i ∈ Z, удовлетворяют равен- ствам c© А. Б. Ткач, 2005 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 123 124 А. Б. ТКАЧ f(t, x, u, u′t, z) = f(t + T, x, u, u′t, z), φ(t, s, x, η, u, u′t) = φ(t + T, s, x, η, u, u′t) = φ(t, s + T, x, η, u, u′t), (3) Di+s(x) = Di(x), qi+s(x, u, u′t) = qi(x, u, u′t) для некоторого натурального числа s, T — период системы. Будем искать периодическое по t с периодом T решение системы (1), (2), удовлетво- ряющее условиям u(t, 0) = u0(t) + ν(0), u(0, x) = u0(0) + ν(x). (4) Вектор-функция u0(t) задана, непрерывна, периодична по t с периодом T, имеет непре- рывную производную и удовлетворяет неравенствам∣∣u0(t) ∣∣ ≤ N, ∣∣u′0(t)∣∣ ≤ N1, (5) а вектор-функция ν(x) находится в процессе построения периодического решения. Предполагаем, что матрицы B(t, x), Di(x) и вектор-функции f(t, x, u, u′t, z), φ(t, s, x, η, u, u′t) и qi(x, u, u′t), i ∈ Z, удовлетворяют следующим условиям: I. Матрица B(t, x) определена и непрерывна в области Ω0: (t, x) ∈ (−∞,+∞)× [−a, a], периодична по t с периодом T и элементы матрицы B определены соотношениями Bij = sup (t,x)∈Ω ∣∣{B(t, x) } ij ∣∣. (6) II. Матрицы Di(x), i ∈ Z, определены и непрерывны при x ∈ [−a, a], матрица D0 определяется равенствами D0 kj = sup x∈[−a,a] ∣∣{Di(x) } kj ∣∣. (7) III. Матрица 1 T ∫ T 0 B(ξ, x)dξ+ 1 T S∑ i=1 Di(x) невырождена, а элементы матрицы B0 опре- делены соотношениями B0 ij = sup x∈[−a,a] ∣∣∣∣∣∣∣   1 T T∫ 0 B(ξ, x)dξ + 1 T S∑ Di(x) −1  ij ∣∣∣∣∣∣∣ . (8) IV. Вектор-функция f(t, x, u1, u2, u3) определена в области Ω : (t, x, u1, u2, u3) ∈ (−∞,+∞)× [−a, a]×D1 ×D2 ×D3, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ . . . 125 где D1 = {u1 : b ≤ u1 ≤ c} , D2 = {u2 : |u2| ≤ b1} , D3 = {u3 : |u3| ≤ b2} , непрерывна по всем аргументам в этой области, периодична по t с периодом T и удовлетворяет неравен- ствам |f(t, x, u1, u2, u3)| ≤ M, ∣∣∣∣∣∣f t, x, u0(t), u′0(t), x∫ 0 t+T∫ t φ(t, s, x, η, u0(s), u′0(s))dsdη ∣∣∣∣∣∣ ≤ M1, (9) |f(t, x, u1, u2, u3)− f(t, x, u1, u2, u3)| ≤ K1|u1 − u1|+ K2|u2 − u2|+ K3|u3 − u3|. (10) Здесь элементы матриц K1, K2, K3 неотрицательны, b, c, b1, b2 — векторные постоянные, причем векторы b1, b2 определены ниже. V. Вектор-функция φ(t, s, x, η, u1, u2) определена и непрерывна в области Ω1 : (t, s, x, η, u1, u2) ∈ (−∞,+∞)× (−∞,+∞)× [−a, a]× [−a, a]×D1 ×D2, периодична по первым двум аргументам с периодом T и удовлетворяет неравенствам |φ(t, s, x, η, u1, u2)| ≤ M, (11) |φ(t, s, x, η, u1, u2)− φ(t, s, x, η, u1, u2)| ≤ K4|u1 − u1|+ K5|u2 − u2|. VI. Вектор-функции qi(x, u1, u2), i = 1, 2, . . . , определены в области Ω2: Ω2 : (x, u1, u2) ∈ [−a, a]×D1 ×D2, непрерывны по своим аргументам в области Ω2 и удовлетворяют неравенствам |qi(x, u1, u2)| ≤ M1, |qi(x, u0(τi), u′0(τi))| ≤ M2, (12) |qi(x, u1, u2)− qi(x, u1, u2)| ≤ L1|u1 − u1|+ L2|u2 − u2|. VII. Собственные числа матрицы P, P = ( B + 2sD0 T )(( a T 2 B + asD0 ) B0 + a T 2 E ) + + ( K1 + aTK3K4 + 2sL1 T )(( a T 2 B + asD0 ) B0 + a T 2 E + B0 ) + + ( K2 + aTK3K5 + 2sL2 T )( aBB0 + aE ) , (13) лежат в круге единичного радиуса. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 126 А. Б. ТКАЧ VIII. Векторные постоянные b, c и вектор-функция u0(t) удовлетворяют неравенству b + S ≤ u0(t) + ν0(x) ≤ c− S, (14) где ν0(x) =  1 T T∫ 0 B(ξ, x)dξ + 1 T s∑ i=1 Di(x) −1 × { −1 T T∫ 0 [ B(ξ, x)u0(ξ) + + f ( ξ, x, u0(ξ), u′0(ξ), x∫ 0 ξ+T∫ ξ φ(ξ, s, x, p, u0(s), u′0(s))dsdp )] dξ− − 1 T s∑ i=1 [ Di(x)u0(τi) + qi(x, u0(τi), u′0(τi)) ]} , (15) S = a T 2 ( B + 2sD0 T ) B0(E − P )−1R + a T 2 (E − P )−1R+ + B0P (E − P )−1R + a T 2 Q1 + aQ2 + B0R (16) и векторы R, Q1, Q2 определены равенствами R = ( B + 2sD0 T )( a T 2 Q1 + aQ2 ) + ( K1 + aTK3K4 + 2sL1 T ) × × ( a T 2 Q1 + aQ2 + B0N0 ) + ( K2 + aTK3K5 + 2sL2 T ) aQ1, Q1 = B(N + B0N0) + M1, (17) Q2 = sD0(N + B0N0) + sM2, причем N0 = BN + M1 + s T D0N + s T M2. (17′) Последовательность вектор-функций {un(t, x)}, периодических по t с периодом T, выбираем в виде u0(t, x) = u0(t) + ν0(x), ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ . . . 127 un+1(t, x) = u0(t) + ν0(x) + n+1∑ i=1 δi(x) + x∫ 0 t∫ 0 {[ B(ξ, η)un(ξ, η) + + f ( ξ, η, un(ξ, η), u′nξ(ξ, η), η∫ 0 ξ+T∫ ξ φ(ξ, s, η, p, un(s, p), u′ns(s, p))dsdp )] − [ B(ξ, η)un(ξ, η)+ +f ( ξ, η, un(ξ, η), u′nξ(ξ, η), η∫ 0 ξ+T∫ ξ φ(ξ, s, η, p, un(s, p), u′ns(s, p))dsdp )]} dξdη+ + x∫ 0  ∑ 0≤τi≤t ( Di(η)un(τi, η) + qi(η, un(τi, η), u′nξ(τi, η)) ) dη− − x∫ 0 t  ∑ 0≤τi≤t ( Di(η)un(τi, η) + qi(η, un(τi, η), u′nξ(τi, η)) )dη, n = 0, 1, 2, . . . . (18) Здесь [Bun + f ] = 1 T T∫ 0 [Bun + f ] dt, ∑ 0≤τi≤t qi = 1 T s∑ i=1 qi, un(t, x) = un(t, x)− δn(x). (19) Вектор-функции ν0(x), δ1(x), δ2(x), . . . определяются при n = 0, 1, 2, . . . из условий 1 T T∫ 0 [ B(ξ, x)un(ξ, x)+ + f ( ξ, η, un(ξ, x), u′nξ(ξ, x), x∫ 0 ξ+T∫ ξ φ(ξ, s, x, p, un(s, p), u′ns(s, p))dsdp )] dξ+ + 1 T S∑ i=1 [Di(x)un(τi, x) + qi(x, un(τi, x), u′nξ(τi, x))] = 0, n = 0, 1, 2, . . . . (20) Имеет место следующая теорема. Теорема 1. Пусть система интегро-дифференциальных уравнений с частными про- изводными с импульсным воздействием (1), (2) удовлетворяет условиям I – VIII. Тог- да существует единственное решение системы (1), (2), периодическое по t с периодом T . Это решение является равномерным в области Ω0 пределом последовательности (18) – (20) периодических по t с периодом T функций un(t, x) и удовлетворяет системе интегро-дифференциальных уравнений ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 128 А. Б. ТКАЧ u(t, x) = u0(t) + ν(x) + x∫ 0 t∫ 0 [ B(ξ, η)u(ξ, η)+ + f ( ξ, η, u(ξ, η), u′ξ(ξ, η), η∫ 0 ξ+T∫ ξ φ(ξ, s, η, p, u(s, p), u′s(s, p))dsdp )] dξdη+ + x∫ 0  ∑ 0≤τi≤t (Di(η)u(τi, η) + qi(x, u(τi, η), u′ξ(τi, η)))  dη, (21) где вектор-функция ν(x) является равномерным по x ∈ [−a, a] пределом последова- тельности { ν0(x) + n∑ i=1 δi(x) } , ν(x) = lim n→∞ [ ν0(x) + n∑ i=1 δi(x) ] . 2. Доказательство теоремы. Периодичность по t периода T последовательности (18) – (20) функций un(t, x) следует из ее структуры. Для доказательства равномерной сходимости последовательности {un(t, x)} оценим сначала разность u1(t, x) − u0(t, x). Рассмотрим соотношение (18) при n = 0. Из этого соотношения находим вектор-функцию ν0(x) в виде (15). Используя соотношения (6) – (8), неравенства (5), (9), (12), из соотношения (15) полу- чаем оценку |ν0(x)| ≤ B0N0, (22) где вектор N0 определен равенством (17′). Тогда, используя лемму 1 [3], для разности u1(t, x)− u0(t, x) получаем неравенство |u1(t, x)− u0(t, x)| ≤ aα(t)Q1 + aQ2, (23) |u′1t(t, x)− u′0t(t, x)| ≤ aQ1, где векторы Q1 и Q2 определены равенствами (17) и функция α(t) = 2t ( 1− t T ) . Вычитая из (18) при n = 1 выражение (18) при n = 0 и используя условия Липшица (10), (11), оценки (22), (23) и лемму 1 работы [3], для вектор-функции δ1(x) получаем оценку |δ1(x)| ≤ B0R, (24) где вектор R определен равенством (17). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ . . . 129 Теперь, оценивая разность u2(t, x)− u1(t, x) и используя оценки (23), (24), находим |u2(t, x)− u1(t, x)| ≤ ( a T 2 B + aD0s ) B0R + a T 2 R, |u′2t(t, x)− u′1t(t, x)| ≤ aBB0R + aR. Продолжая последовательно процесс оценки δ2(x), δ3(x), . . . , |u3(t, x)−u2(t, x)|, |u4(t, x)− −u3(t, x)|, . . . , получаем |δn+1(t, x)| ≤ B0PnR,∣∣∣un+1(t, x)− un(t, x) ∣∣∣ ≤ a T 2 ( B + 2sD0 T ) B0Pn−1R + a T 2 Pn−1R + B0PnR, ∣∣∣u′(n+1)t(t, x)− u′nt(t, x) ∣∣∣ ≤ aBB0Pn−1R + aPn−1R. Далее имеем δn+k(x)| ≤ B0Pn+k−1R, (25)∣∣∣un+k(t, x)− un(t, x) ∣∣∣ ≤ a T 2 ( B + 2sD0 T ) B0Pn−1 k−1∑ i=0 P iR+ + a T 2 Pn−1 k−1∑ i=0 P iR + B0Pn k−1∑ i=0 P iR, ∣∣∣u′(n+k)t(t, x)− u′nt(t, x) ∣∣∣ ≤ aBB0Pn−1 k−1∑ i=0 P iR + aPn−1 k−1∑ i=0 P iR, (26) n∑ i=1 |δi(x)| ≤ B0 n−1∑ i=0 P iR. Из условия VII и неравенств (25) вытекает равномерная по (t, x) ∈ (−∞,+∞) × ×[−a, a] сходимость последовательности (18) – (20) функций un(t, x) к предельной функ- ции u∞(t, x), периодической по t с периодом T . Из (18) и (20) при n → ∞ следует, что u∞(t, x) удовлетворяет системе интегро-дифференциальных уравнений (21). Равномерная по x ∈ [−a, a] сходимость последовательности{ ν0(x) + n∑ i=1 δi(x) } следует из условия VII и неравенства (26), при этом ν(x) = lim n→∞ { ν0(x) + n∑ i=1 δi(x) } . ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 130 А. Б. ТКАЧ Из неравенств (25) вытекают оценки∣∣∣u∞(t, x)− un(t, x) ∣∣∣ ≤ a T 2 ( B + 2sD0 T ) B0Pn−1(E − P )−1R+ + a T 2 Pn−1(E − P )−1R + B0Pn(E − P )−1R, |u′∞t(t, x)− u′nt(t, x)| ≤ aBB0Pn−1(E − P )−1R + aPn−1(E − P )−1R. Легко видеть, что u′∞t(t, x) ∈ D2, если выбрать b1 = N1 + aQ1 + aBB0(E − P )−1R + a(E − P )−1R и b2 = aTM. Для доказательства единственности периодического по t с периодом T решения пред- полагаем существование двух решений u(t, x) и z(t, x) системы (1) – (4). Используя периодическое по t решение (21) и соотношения (20) при n → ∞, после k итераций для разности u(t, x)− z(t, x) получаем оценки |u(t, x)− z(t, x)| ≤ a T 2 P kG, (27)∣∣u′t(t, x)− z′t(t, x) ∣∣ ≤ aP kG, где вектор G определен равенством G = ( B + K1 + aTK3K4 + 2sD0 T + 2sL1 T ) ∣∣u(t, x)− z(t, x) ∣∣ 0 + + ( K2 + aTK3K5 + 2sL2 T ) ∣∣u′t(t, x)− z′t(t, x) ∣∣ 0 , причем |u(t, x)− z(t, x)|0 = sup (t,x)∈Ω0 |u(t, x)− z(t, x)|0. Из неравенств (27) и условия VII при k → ∞ следует единственность периодического по t с периодом T решения системы уравнений (1) – (4). Теорема доказана. 1. Самойленко А. М. Численно-аналитический метод исследования периодических систем обыкновен- ных дифференциальных уравнений // Укр. мат. журн. — 1965. — 17, № 4. — C. 16 – 23. 2. Самойленко А. М., Ткач Б. П. Численно-аналитические методы в теории периодических решений урав- нений с частными производными. — Киев: Наук. думка, 1992. — 208 c. 3. Tkach A. B. Numerical-analytic method of finding periodic solutions for systems of partial differential equati- ons with pulse influence // Nonlinear Oscillations. — 2001. — 4, № 2. — P. 278 – 288. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1 ЧИСЛЕННО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ . . . 131 4. Перестюк Н. А., Сарафова Г. Х., Хекимова М. А. Периодические решения слабо нелинейных интегро- дифференциальных уравнений с импульсным воздействием // Вестн. Киев. ун-та. Математика и меха- ника. — 1980. — Вып. 22. — С. 96 – 101. 5. Нуржанов О. Д. О периодических решениях нелинейных интегро-дифференциальных уравнений с импульсным воздействием // Аналитические методи теории дифференциальных уравнений. — Киев: Ин-т математики АН УССР, 1977. — С. 88 – 103. 6. Турбаев Б. Е. О периодических решениях слабо нелинейных интегро-дифференциальных уравнений с импульсным воздействием // Укр. мат. журн. — 1986. — 38. № 2. — С. 211 – 214. Получено 14.07.2004 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2005, т . 8, N◦ 1