О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости

The paper deals with an evolutionary degenerate system of the p-Laplacian type which is connected to the known Bean's model in type II superconductivity. For this system which describes the distribution of a magnetic field, we have studied the question of compactness of the support of a solutio...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автори: Дегтярев, С.П., Саникидзе, Т.А., Тедеев, А.Ф.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1650
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:О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости / С.П. Дегтярев, Т.А. Саникидзе, А.Ф. Тедеев // Доп. НАН України. — 2007. — N 3. — С. 7-13. — Библиогр.: 6 назв. — рус.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1650
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-16502025-02-09T13:46:25Z О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости Дегтярев, С.П. Саникидзе, Т.А. Тедеев, А.Ф. Математика The paper deals with an evolutionary degenerate system of the p-Laplacian type which is connected to the known Bean's model in type II superconductivity. For this system which describes the distribution of a magnetic field, we have studied the question of compactness of the support of a solution for finite initial data and external forces. We have obtained an estimate for the support of the solution. 2007 Article О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости / С.П. Дегтярев, Т.А. Саникидзе, А.Ф. Тедеев // Доп. НАН України. — 2007. — N 3. — С. 7-13. — Библиогр.: 6 назв. — рус. 1025-6415 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1650 517.9 ru application/pdf Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Математика
Математика
spellingShingle Математика
Математика
Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
description The paper deals with an evolutionary degenerate system of the p-Laplacian type which is connected to the known Bean's model in type II superconductivity. For this system which describes the distribution of a magnetic field, we have studied the question of compactness of the support of a solution for finite initial data and external forces. We have obtained an estimate for the support of the solution.
format Article
author Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
author_facet Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
author_sort Дегтярев, С.П.
title О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
title_short О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
title_full О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
title_fullStr О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
title_full_unstemmed О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
title_sort о компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели бина в теории сверхпроводимости
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
publishDate 2007
topic_facet Математика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1650
citation_txt О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости / С.П. Дегтярев, Т.А. Саникидзе, А.Ф. Тедеев // Доп. НАН України. — 2007. — N 3. — С. 7-13. — Библиогр.: 6 назв. — рус.
work_keys_str_mv AT degtârevsp okompaktnostinositelârešeniâodnojévolûcionnojsistemyvoznikaûŝejizmodelibinavteoriisverhprovodimosti
AT sanikidzeta okompaktnostinositelârešeniâodnojévolûcionnojsistemyvoznikaûŝejizmodelibinavteoriisverhprovodimosti
AT tedeevaf okompaktnostinositelârešeniâodnojévolûcionnojsistemyvoznikaûŝejizmodelibinavteoriisverhprovodimosti
first_indexed 2025-11-26T10:24:27Z
last_indexed 2025-11-26T10:24:27Z
_version_ 1849848158860869632
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 3 • 2007 МАТЕМАТИКА УДК 517.9 © 2007 С.П. Дегтярев, Т.А. Саникидзе, А. Ф. Тедеев О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости (Представлено членом-корреспондентом НАН Украины А.М. Ковалевым) The paper deals with an evolutionary degenerate system of the p-Laplacian type which is connected to the known Bean’s model in type II superconductivity. For this system which descri- bes the distribution of a magnetic field, we have studied the question of compactness of the support of a solution for finite initial data and external forces. We have obtained an estimate for the support of the solution. В работе мы рассматриваем задачу Коши для следующей вырождающейся квазилинейной системы уравнений относительно неизвестной вектор-функции H(x, t) = (H1(x, t), H2(x, t), H3(x, t)) (здесь и ниже все векторные величины, в отличие от скалярных величин, выде- ляются полужирным шрифтом): Ht + ∇× [|∇ × H|p−2∇×H] = F(x, t), (x, t) ∈ Q, (1) ∇ ·H = 0, (x, t) ∈ Q, (2) H(x, 0) = H0(x), x ∈ R 3. (3) Здесь Q = R 3 × (0,∞), p > 2 — заданная константа, F(x, t) и H0(x) — заданные век- тор-функции; Ht — производная по времени t. Для вектор-функции A(x) символ ∇ × A означает rotA, т. е. векторное произведение векторов ∇ ≡ (∂/∂x1, ∂/∂x2, ∂/∂x3) и A(x); символ ∇ · A — скалярное произведение векторов ∇ и A(x), т. е. ∇ · A = divA; |A| — абсолютную величину вектора A. Задача (1)–(3) обычно используется как приближение к известной модели Бина для сверхпроводимости типа II (см., напр., [1, 2] и имеющуюся там библиогр.). При этом век- тор H(x, t) имеет смысл напряженности магнитного поля. Не останавливаясь подробно на точной формулировке модели Бина (отсылаем читателя к работам [1, 2]), отметим, что по самой своей постановке указанная модель подразумевает решение с компактным носителем. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 7 Поэтому естественно возникает вопрос об установлении компактности носителя решения задачи (1)–(3) при финитных данных H0(x) и F(x, t). До настоящего времени вопрос о финитности решения задачи (1)–(3) при финитных дан- ных исследован не был. Такая финитность была доказана в работе [1] при существенном ограничении, состоящем в предположении о двумерности задачи. А именно, в предположе- нии, что неизвестное поле H в задаче (1)–(3) является плоским и зависит только от двух пространственных переменных x1 и x2, т. е. H = (H1(x1, x2, t),H2(x1, x2, t), 0). Целью данной работы является доказательство компактности носителя решения H(x, t) в общей трехмер- ной постановке. При этом мы используем метод, развитый в работах одного из авторов [3–5]. Приведем теперь некоторые вспомогательные утверждения, используемые в дальней- шем, и сформулируем требования на данные задачи и основной результат. Мы будем пользоваться следующим легко проверяемым интегральным тождеством: ∫ Ω A(x) · (∇×B(x)) dx = ∫ Ω (∇× A(x)) ·B(x) dx, (4) справедливым для области Ω с достаточно гладкой границей и векторных полей A(x) и B(x) таких, что A(x), B(x), ∇× A(x), ∇ × B(x) ∈ L2(Ω) и B(x) = 0 при x ∈ ∂Ω (или A(x) = 0 при x ∈ ∂Ω). Для векторного поля A(x) = (A1(x), A2(x), A3(x)) и скалярной функции a(x), обладаю- щих соответствующими обобщенными производными, справедливы также формулы ∇× (a(x)A(x)) = a(x)∇× A(x) + (∇a(x)) × A(x), (5) ∇×∇× A(x) = −△A(x) + ∇(∇ ·A(x)), (6) где ∇a(x) — градиент a(x); △ — оператор Лапласа. Из соотношения (6) следует важное и используемое ниже неравенство. Пусть A(x) = 0 при x ∈ ∂Ω, ∇ · A(x), ∇ × A(x) ∈ Lp(Ω). Тогда ‖DA(x)‖Lp(Ω) 6 C(‖∇ × A(x)‖Lp(Ω) + ‖∇ ·A(x)‖Lp(Ω)). (7) Здесь и далее C обозначает все абсолютные константы (зависимость от данных задачи ого- варивается отдельно), DA(x) — вектор (совокупность) всех производных первого порядка по пространственным переменным от компонент вектора A(x), т. е. DA = {∂Ai(x)/∂xj : i, j = 1, 3}. При этом мы говорим, например, что вектор-функция A ∈ Lr(Ω), если каждая компонента вектор-функции принадлежит указанному пространству, и используем также обозначения ‖A(x)‖Lp(Ω) = ( ∫ Ω 3 ∑ i=1 |Ai(x)|p dx )1/p , ‖DA(x)‖Lp(Ω) = ( ∫ Ω 3 ∑ i=1 |∇Ai(x)|p dx )1/p . Кроме того, всюду ниже мы обозначаем |DA(x)|p ≡ 3 ∑ i,j=1 ∣ ∣ ∣ ∣ ∂Ai(x) ∂xj ∣ ∣ ∣ ∣ p . 8 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №3 Соотношение (7) следует из общей теории эллиптических краевых задач, примененной к задаче (ср. [1, 2]): △A(x) = −∇× (∇× A(x)) + ∇(∇ ·A(x)), x ∈ Ω, A(x) = 0, x ∈ ∂Ω. Отметим также, что в силу уравнения последней задачи и известных свойств Ньютонова потенциала неравенство (7) справедливо также при Ω = R 3. Далее, для вектор-функции U(x) такой, что U(x) = 0 при x ∈ ∂Ω, U(x) ∈ Lε(Ω), DU(x) ∈ Lp(Ω) справедливо такое же, как и для скалярных функций, мультипликативное неравенство Ниренберга–Гальярдо (q > ε > 0): ‖U(x)‖Lq(Ω) 6 C‖DU(x)‖α Lp(Ω)‖U(x)‖1−α Lε(Ω), (8) где показатель α находится из соотношения 1 q = α ( 1 p − 1 3 ) + (1 − α) 1 ε . (9) При этом ограничения на q > 0 при заданных p и ε соответствующим образом следуют из (9), в котором α ∈ (0, 1). Отметим, что константы C в соотношениях (7) и (8) не зависят от размеров области Ω. Для (8) это хорошо известно, а для (7) это легко проверяется путем сведения соотноше- ния (7) к области какого-либо стандартного размера путем замены независимых перемен- ных x = ky (легко убедиться, что неравенство (7) не зависит от такой замены). Сформулируем теперь требования к данным задачи (1)–(3). Пусть H0(x) — измери- мая финитная вектор-функция, обладающая обобщенными производными первого порядка по x, и такая, что ∇ ·H0(x) = 0, |∇ × H0(x)| ∈ Lp(R 3), |∇ × [|∇ × H0| p−2∇× H0]| ∈ L2(R 3). Пусть, далее, F(x, t) — финитная при каждом t > 0 измеримая вектор-функция, обла- дающая фигурирующими ниже обобщенными производными, и такая, что ∇ · F(x, t) = 0, Ft(x, t), ∇× Ft(x, t) ∈ Lp(QT ) ∀T > 0, QT = R 3 × (0, T ), F(x, t) ∈ L2(Q). Обозначим f(t) = sup 06τ6t inf r>0 {r > 0: F(x, τ) ≡ 0, H0(x) ≡ 0, |x| > r}. Из этого определения следует, что F(x, τ) ≡ 0 при |x| > f(t), τ ∈ [0, t]; H0(x) = 0, |x| > f(t), т. е. f(t) — размер точной границы носителей функций H0(x) и F(x, t). Под слабым решением задачи (1)–(3) будем понимать вектор-функцию H(x, t) ∈ L2(0, T ; W 1 p (R3)) ∀T > 0 такую, что ∇ · H(x, t) = 0 почти всюду в Q и выполнено интегральное тождество T ∫ 0 ∫ R3 [−HΦt + |∇ × H|p−2(∇× H) · (∇× Φ)] dxdt = ∫ R3 H0(x) ·Φ(x, 0) dx (10) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 9 для любой финитной по x вектор-функции Φ(x, t) ∈ W 1 2 (0, T ;W 1 p (R3)) такой, что ∇·Φ(x, t) = = 0 почти всюду и Φ(x, T ) ≡ 0 в R 3. Следующая теорема утверждает существование и свойства слабого решения задачи (1)– (3) и следует из результатов работ [1, 2] (см., в частности, теорему 2.2 в [1]). Теорема 1. При сделанных выше предположениях о данных задачи (1)–(3) эта задача имеет единственное слабое решение, причем Ht(x, t) (а следовательно, и ∇×(|∇×H|p−2∇× × H)) принадлежат L2(QT ) ∀T > 0 и справедливы оценки sup 0<τ<T ∫ R3 |H|2(x, τ) dx + T ∫ 0 ∫ R3 |∇ × H|p dxdτ 6 C ( ∫ R3 |H0| 2(x) dx + ∞ ∫ 0 ∫ R3 |F|2dxdτ ) , T ∫ 0 ∫ R3 |Ht| 2dxdτ + sup 0<τ<T ∫ R3 |∇ × H|p(x, τ) dx 6 C(H0,F). Из этой теоремы следует, что при сделанных предположениях уравнение (1) выполнено не только в слабом смысле, но и почти всюду, т. е. слабое решение является, по существу, сильным решением. Сформулируем теперь основной результат. Теорема 2. Пусть выполнены сформулированные выше условия на данные H0(x) и F(x, t). Тогда решение H(x, t) задачи (1)–(3) финитно при каждом t > 0, причем но- ситель функции H(·, t) обладает свойством supp(H(·, t)) ⊂ {x ∈ R 3 : |x| < max{4f(t), C(H0,F)t2/k}}, (11) где k = 3(p − 2) + 2p. Доказательство. Как отмечено выше, из теоремы 1 следует, что уравнение (1) выпол- няется почти всюду в поточечном смысле. Ниже для получения некоторых интегральных оценок мы будем умножать уравнение (1) на некоторые пробные функции с последую- щим интегрированием по частям. Все эти операции легко оправдываются использованием стекловских усреднений с последующим предельным переходом в окончательных соотно- шениях. Пусть t > 0 фиксировано, B1 ⋐ B2 — два открытых множества с достаточно гладкой границей, причем B2 ⋂ (suppH0 ⋃ suppF(·, τ)) = ∅, 0 < τ 6 t, и пусть ζ(x) — гладкая срезающая функция множества B2, ζ(x) = 1 на B1, ζ(x) = 0 вне B2. Пусть еще s > 0. Умножим систему (1) скалярно на вектор-функцию H(x, τ)ζs(x) и проинтегрируем по Qt = R 3 × (0, t). В результате, пользуясь (4) и (5), получим 1 2 ∫ B2 H 2(x, t)ζs(x) dx + t ∫ 0 ∫ B2 |∇ × H|p(x, τ)ζs(x) dxdτ = = −s t ∫ 0 ∫ B2 |∇ × H|p−2(∇× H) · (∇ζ × H)ζs−1(x) dxdτ ≡ I. (12) 10 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №3 Оценим интеграл I в правой части последнего неравенства по неравенству Юнга с ε, учи- тывая, что |∇ζ × H| 6 C|∇ζ| |H|: |I| 6 ε t ∫ 0 ∫ B2 |∇ × H|pζsdxdτ + Cε t ∫ 0 ∫ B2 |H|pζs−p|∇ζ|p dxdτ. (13) Выбирая ε достаточно малым, из предыдущего неравенства, ввиду произвольности t > 0, получаем sup 0<τ<t ∫ B2 H 2(x, τ)ζsdx + t ∫ 0 ∫ B2 |∇ × H|pζsdxdτ 6 C t ∫ 0 ∫ B2 |H|pζs−p|∇ζ|p dxdτ. (14) Далее, так как в силу (2) ∇ · H = 0, то ∇ · ζs H(x, t) = ζs∇ ·H + sζs−1∇ζ ·H = sζs−1∇ζ · H. Следовательно, ∫ B2 |∇ · ζs H|pdx 6 C ∫ B2 |H|pζps−p(x)|∇ζ|p dx. (15) Заметим теперь, что ∇× (ζs H) = ζs∇× H + sζs−1∇ζ × H, и поэтому |∇ × (ζs H)|p = C(ζps|∇ × H|p + |H|pζps−p|∇ζ|p). (16) Ввиду того, что p > 2, ζps 6 ζs, ζps−p 6 ζs−p, ζ2s 6 ζs, из соотношений (16), (15) и (14) получаем sup 0<τ<t ∫ B2 (ζs H(x, τ))2dx + t ∫ 0 ∫ B2 |∇ × ζs H|p dxdτ + t ∫ 0 ∫ B2 |∇ · ζs H|p dxdτ 6 6 C t ∫ 0 ∫ B2 |H|pζs−p|∇ζ|p dxdτ. Применяя теперь неравенство (7) к функции A = ζs H(x, t), из последнего неравенства имеем sup 0<τ<t ∫ B2 (ζs H(x, τ))2dx + t ∫ 0 ∫ B2 |Dζs H|p dxdτ 6 C t ∫ 0 ∫ B2 |H|pζs−p|∇ζ|p dxdτ. (17) ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 11 Пусть по-прежнему t > 0 фиксировано. Зафиксируем число R > 8f(t). Для n = 0, 1, 2, . . . рассмотрим монотонно убывающую последовательность Rn = R(1 + 2−n−1) и монотонно возрастающую последовательность rn = R(1 − 2−n−1)/2. Обозначим для n = 0, 1, 2, . . . Cn = {x ∈ R 3 : rn < |x| < Rn}. Легко видеть, что {Cn} представляет собой последовательность сжимающихся кольцеоб- разных областей. Пусть, далее, {ζn(x)} — последовательность гладких срезающих функций таких, что ζn(x) = 1, x ∈ Cn+1; ζn(x) = 0, x ∈ R 3 \ Cn; |∇ζn(x)| 6 C2n R . (18) Отметим, что в силу выбора параметра R носители функций ζn(x) не пересекаются с но- сителями функций H0(x) и F(x, t). Применим теперь неравенство (17) к областям B1 = Cn+1, B2 = Cn (n > 1) и ζ(x) = = ζn(x). Ввиду (18) это дает sup 0<τ<t ∫ Cn (ζs nH(x, τ))2dx + t ∫ 0 ∫ Cn |Dζs nH|p dxdτ 6 C 2np Rp t ∫ 0 ∫ Cn |H|p dxdτ. Используя определение последовательности ζn(x), последнее неравенство записываем в виде sup 0<τ<t ∫ Cn (ζs nH(x, τ))2dx + t ∫ 0 ∫ Cn |Dζs nH|p dxdτ 6 C 2np Rp t ∫ 0 ∫ Cn−1 |ζs n−1H|p dxdτ. (19) Следовательно, вводя обозначение Vn(x, t) ≡ ζs n(x)H(x, t), имеем sup 0<τ<t ∫ Cn V 2 n(x, τ) dx + t ∫ 0 ∫ Cn |DVn(x, τ)|p dxdτ 6 C 2np Rp t ∫ 0 ∫ Cn−1 |Vn−1| p dxdτ. (20) Применим теперь к интегралу по Cn−1 по dx в правой части соотношения (20) нера- венство (8) с q = p, ε = 2. Получим ∫ Cn−1 |Vn−1| p dx 6 C ( ∫ Cn−1 |DVn−1| p dx )α( ∫ Cn−1 V 2 n−1dx )p(1−α)/2 , (21) где α определяется из соответствующего соотношения (9): α = 3(p − 2) 3(p − 2) + 2p = 3(p − 2) k , k = 3(p − 2) + 2p. Интегрируя неравенство (21) по времени, вынося sup 0<τ<t ∫ Cn−1 V 2 n−1(x, τ) dx и применяя нера- венство Гельдера, получаем для интеграла в правой части (20) t ∫ 0 ∫ Cn−1 |Vn−1| p dxdτ 6 Ct1−α ( t ∫ 0 ∫ Cn−1 |DVn−1| p dxdτ )α( sup 0<τ<t ∫ Cn−1 V 2 n−1(x, τ) dx )p(1−α)/2 . (22) 12 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2007, №3 Обозначим Yn ≡ sup 0<τ<t ∫ Cn V 2 n(x, τ) dx + t ∫ 0 ∫ Cn |DVn(x, τ)|p dxdτ. Тогда неравенства (20) и (22) дают для n > 1 Yn 6 C 2npt1−α Rp Y α+p(1−α)/2 n−1 = C 2npt2p/k Rp Y 1+p(p−2)/k n−1 . Из итеративной леммы 5.6 из [6] следует, что Yn → 0 при n → ∞, если достаточно мала величина: C t2p/k Rp Y p(p−2)/k 0 6 γ0. (23) С другой стороны, в силу теоремы 1 и оценки (7) для всего пространства R 3 для Y0 спра- ведлива оценка Y0 6 sup 0<τ<t ∫ R3 H 2(x, τ) dx + t ∫ 0 ∫ R3 |DH|p dxdτ 6 C(H0,F). Таким образом, если при фиксированном t > 0 число R в (23) выбрано достаточно большим, R > R(t) ≡ max{8f(t), C(H0,F)t2/k}, то неравенство (23) выполнено и, следовательно, Yn → 0 при n → ∞. Последнее же в силу определения величин Yn и функций Vn(x, t) означает, что H(x, t) ≡ 0 в шаровом слое {x ∈ R 3 : R/2 6 |x| 6 R} при любом R > R(t). Тем самым теорема 2 доказана, так как установлены финитность решения и соотношение (11). 1. Hong-Ming Yin. On a p-Laplacian type of evolution system and applications to the Bean model in the type-II superconductivity theory // Quart. Appl. Math. – 2001. – 59, No 1. – P. 47–66. 2. Hong-Ming Yin, Ben Q. Li, Jun Zou. A degenerate evolution system modeling Bean’s critical-state type-II superconductors // Discrete and Continuous Dynamical Systems. – 2002. – 8, No 3. – P. 781–794. 3. Тедеев А.Ф. Условия существования и несуществования в целом по времени компактного носителя решений задачи Коши для квазилинейных вырождающихся параболических уравнений // Сиб. мат. журн. – 2004. – 45, № 1. – С. 189–200. 4. Andreucci D., Tedeev A.F. Finite speed of propagation for the thin-film equation and other higher-order parabolic equations with general nonlinearity // Interfaces and Free Boundaries. – 2001. – 3. – P. 233–264. 5. Andreucci D., Tedeev A. F. Universal bounds at the blow-up time for nonlinear parabolic equations // Adv. Different. Equat. – 2005. – 10, No 1. – P. 89–120. 6. Ладыженская О.А., Солонников В.А., Уральцева Н.Н. Линейные и квазилинейные уравнения пара- болического типа. – Москва: Наука, 1967. – 736 с. Поступило в редакцию 04.09.2006Институт прикладной математики и механики НАН Украины, Донецк ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2007, №3 13