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...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2007
Hauptverfasser: Дегтярев, С.П., Саникидзе, Т.А., Тедеев, А.Ф.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2007
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/1650
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren: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.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1650
record_format dspace
spelling Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
2008-09-01T14:26:31Z
2008-09-01T14:26:31Z
2007
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
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.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Математика
О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
spellingShingle О компактности носителя решения одной эволюционной системы, возникающей из модели Бина в теории сверхпроводимости
Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
Математика
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
author Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
author_facet Дегтярев, С.П.
Саникидзе, Т.А.
Тедеев, А.Ф.
topic Математика
topic_facet Математика
publishDate 2007
language Russian
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
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.
issn 1025-6415
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 okompaktnostinositelârešeniâodnoiévolûcionnoisistemyvoznikaûŝeiizmodelibinavteoriisverhprovodimosti
AT sanikidzeta okompaktnostinositelârešeniâodnoiévolûcionnoisistemyvoznikaûŝeiizmodelibinavteoriisverhprovodimosti
AT tedeevaf okompaktnostinositelârešeniâodnoiévolûcionnoisistemyvoznikaûŝeiizmodelibinavteoriisverhprovodimosti
first_indexed 2025-11-26T10:24:27Z
last_indexed 2025-11-26T10:24:27Z
_version_ 1850620469275787264
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