Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви

Для нелiнiйного гiперболiчного рiвняння з нескiнченновимiрним лапласiаном Левi ΔL наведено розв’язки крайової задачi U(0,x)=u0,U(t,0)=u1 i крайової зовнiшньої задачi We present solutions of the boundary-value problem and the external boundary-value problem for the nonlinear hyperbolic equation with...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Український математичний журнал
Дата:2012
Автори: Ковтун, И.И., Феллер, М.Н.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Український математичний журнал 2012
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/165402
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:Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви / И.И. Ковтун, М.Н. Феллер // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 11. — С. 1492-1499. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-165402
record_format dspace
spelling Ковтун, И.И.
Феллер, М.Н.
2020-02-13T12:19:41Z
2020-02-13T12:19:41Z
2012
Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви / И.И. Ковтун, М.Н. Феллер // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 11. — С. 1492-1499. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
1027-3190
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/165402
517.9
Для нелiнiйного гiперболiчного рiвняння з нескiнченновимiрним лапласiаном Левi ΔL наведено розв’язки крайової задачi U(0,x)=u0,U(t,0)=u1 i крайової зовнiшньої задачi
We present solutions of the boundary-value problem and the external boundary-value problem for the nonlinear hyperbolic equation with infinite-dimensional Lévy Laplacian Δ L
ru
Український математичний журнал
Український математичний журнал
Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with Lévy Laplacian
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
spellingShingle Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
Ковтун, И.И.
Феллер, М.Н.
title_short Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
title_full Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
title_fullStr Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
title_full_unstemmed Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви
title_sort краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом леви
author Ковтун, И.И.
Феллер, М.Н.
author_facet Ковтун, И.И.
Феллер, М.Н.
publishDate 2012
language Russian
container_title Український математичний журнал
publisher Український математичний журнал
format Article
title_alt Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with Lévy Laplacian
description Для нелiнiйного гiперболiчного рiвняння з нескiнченновимiрним лапласiаном Левi ΔL наведено розв’язки крайової задачi U(0,x)=u0,U(t,0)=u1 i крайової зовнiшньої задачi We present solutions of the boundary-value problem and the external boundary-value problem for the nonlinear hyperbolic equation with infinite-dimensional Lévy Laplacian Δ L
issn 1027-3190
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/165402
citation_txt Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви / И.И. Ковтун, М.Н. Феллер // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 11. — С. 1492-1499. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT kovtunii kraevyezadačidlânelineinogogiperboličeskogouravneniâslaplasianomlevi
AT fellermn kraevyezadačidlânelineinogogiperboličeskogouravneniâslaplasianomlevi
AT kovtunii boundaryvalueproblemsforanonlinearhyperbolicequationwithlevylaplacian
AT fellermn boundaryvalueproblemsforanonlinearhyperbolicequationwithlevylaplacian
first_indexed 2025-11-25T20:31:33Z
last_indexed 2025-11-25T20:31:33Z
_version_ 1850524383432409088
fulltext УДК 517.9 И. И. Ковтун (Нац. ун-т биоресурсов и природопользования Украины, Киев), М. Н. Феллер (УкрНИИ „Ресурс”, Киев) КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ С ЛАПЛАСИАНОМ ЛЕВИ We present solutions of the boundary-value problem U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1, and the external boundary-value problem U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣ Γ = v1, lim‖x‖H→∞ U(t, x) = v2 for the nonlinear hyperbolic equation ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x) with infinite-dimensional Lévy Laplacian ∆L. Для нелiнiйного гiперболiчного рiвняння з нескiнченновимiрним лапласiаном Левi ∆L ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x) наведено розв’язки крайової задачi U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1 i крайової зовнiшньої задачi U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣ Γ = = v1, lim‖x‖H→∞U(t, x) = v2. 1. Введение. Линейным гиперболическим уравнениям с лапласианом Леви посвящены работы [1 – 3]. Нелинейное гиперболическое уравнение с лапласианом Леви встречается лишь в статье [4], в которой рассматривались краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x) с дивергентной частью и с лапласианом Леви. В настоящей статье приводится решение краевой задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласианом Леви ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ H, U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1, и решение краевой внешней задачи для нелинейного гиперболического уравнения с лапласиа- ном Леви ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ Ω′, U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim ‖x‖H→∞ U(t, x) = v2, где Γ ⋃ Ω′ = { x ∈ H : Q(x) ≥ R2 } , а функция Q(x) такая, что ∆LQ(x) = γ (γ > 0, const.). Заметим, что уравнения ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x) c© И. И. КОВТУН, М. Н. ФЕЛЛЕР, 2012 1492 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 1493 и ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x) совпадают лишь в случае, когда α(ξ) = 0, а k(ξ) = 1, т. е. в случае волнового уравнения с лапласианом Леви ∂2U(t, x) ∂t2 −∆LU(t, x) = 0. 2. Предварительные сведения. Пусть H — счетномерное вещественное гильбертово про- странство. Рассмотрим скалярные функции F (x) на H, x ∈ H. Бесконечномерный лапласиан ввел П. Леви [5]. Для функции F (x), дважды сильно диф- ференцируемой в точке x0, лапласиан Леви в этой точке определяется, если он существует, формулой ∆LF (x0) = lim n→∞ 1 n n∑ k=1 (F ′′(x0)fk, fk)H , (1) где F ′′(x) — гессиан функции F (x), {fk}∞1 — выбранный ортонормированный базис в H. Приведем свойство лапласиана Леви (1), полученное в [5], которое понадобится в дальней- шем (см. также [6]). Пусть функция F (x) = f ( V1(x), . . . , Vm(x) ) , где f(v1, . . . , vm) — непрерывно дифференцируемая функция в области значений { V1(x), . . . . . . , Vm(x) } ⊂ Rm. Пусть Vk(x) — равномерно непрерывные, дважды сильно дифференцируе- мые функции и ∆LVk(x), k = 1, . . . ,m, существует. Тогда ∆LF (x) существует и ∆LF (x) = m∑ k=1 ∂f ∂vk ∣∣∣∣ vk=Vk(x) ∆LVk(x). (2) Обозначим через C шиловский класс функций — совокупность функций вида F (x) = f ( (a1, x)H , . . . , (am, x)H , ‖x‖2H 2 ) , где a1, . . . , am — некоторые элементы пространства H, f(ξ1, . . . , ξm, ζ) — функция m + 1 пере- менной, определенная и непрерывная в области пространства Rm+1. Обозначим через C∗ подмножество функций из C, дважды непрерывно дифференцируемых по аргументу ‖x‖2H 2 . Тогда для F (x) ∈ C∗ имеет место формула [7] ∆LF (x) = ∂f((a1, x)H , . . . , (am, x)H , ζ) ∂ζ ∣∣∣∣ ζ= ‖x‖2H 2 . Лапласиан Леви в шиловском классе функций не зависит от выбора ортонормированного базиса {fk}∞1 в пространстве H . Обозначим через Ω ограниченную область в гильбертовом пространстве H (т. е. ограничен- ное открытое множество в H), через Ω = Ω ∪ Γ область в пространстве H с границей Γ. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1494 И. И. КОВТУН, М. Н. ФЕЛЛЕР Определим область Ω и поверхность Γ следующим образом: Ω = { x ∈ H : 0 ≤ Q(x) < R2 } , Γ = { x ∈ H : Q(x) = R2 } , где Q(x) — дважды сильно дифференцируемая неотрицательная функция такая, что ∆LQ(x) = = γ, γ — постоянное положительное число. Такие области и поверхности называют фундамен- тальными. Пусть также lim‖x‖H→∞Q(x) =∞. Обозначим через Ω′ множество точек x ∈ H, внешних по отношению к Ω : Ω′ = { x ∈ H : Q(x) > R2 } . Примеры: 1. Шар Ω = { x ∈ H : ‖x‖2H ≤ R2 } , Ω′ = { x ∈ H : ‖x‖2H > R2 } , Γ = { x ∈ H : ‖x‖2H = R2 } . 2. Эллипсоид Ω = { x ∈ H : (Bx, x)H ≤ R2 } , где B = γE + A, E — единичный оператор, а A — вполне непрерывный оператор в H(γ > 0, const.), Ω′ = { x ∈ H : (Bx, x)H > R2 } , Γ = { x ∈ H : (Bx, x)H = R2 } . Введем функцию S(x) = Q(x)−R2 γ . (3) Функция S(x) имеет такие свойства: S(x) > 0 при x ∈ Ω′, S(x) = 0 при x ∈ Γ, ∆LS(x) = 1. 3. Краевая задача. Рассмотрим задачу ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ H, (4) U(0, x) = u0, (5) U(t, 0) = u1, (6) где α(ξ) — заданная функция на R1, числа u0, u1 заданы. Теорема 1. Пусть α(ξ) — непрерывная функция и α(ξ) ∈ L1(R1). Тогда решение задачи (4) – (6) (в неявном виде) дается формулой U(t,x)∫ u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds  u1∫ u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds −1 = 2√ π t/2 √ ‖x‖2H 2∫ 0 e−p 2 dp. (7) Доказательство. Дифференцируя формулу (7) по t, имеем e ∫ U(t,x) u0 α(ξ)dξ ∂U(t, x) ∂t  u1∫ u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds −1 = 2√ π e−t 2/ 4‖x‖2H 2 1 2 √ ‖x‖2H 2 , (8) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 1495 e ∫ U(t,x) u0 α(ξ)dξ { α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 + ∂2U(t, x) ∂t2 } u1∫ u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds −1 = = − 2√ π t 4 ( ‖x‖2H 2 )3/2 e−t 2/ 4‖x‖2H 2 . (9) Из (7), используя формулу (2) при m = 1, получаем e ∫ U(t,x) u0 α(ξ)dξ ∆LU(t, x)  u1∫ u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds −1 = − 2√ π t 4 ( ‖x‖2H 2 )3/2 e−t 2/ 4‖x‖2H 2 , (10) поскольку ∆L  U(t,x)∫ u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds  = e ∫ U(t,x) u0 α(ξ)dξ ∆LU(t, x), a ∆L ( ‖x‖2H 2 )−1/2 = −1 2 ( ‖x‖2H 2 )−3/2 ∆L ‖x‖2H 2 = −1 2 ( ‖x‖2H 2 )−3/2 ( так как ∆L ‖x‖2H 2 = 1 ) . Правая часть выражения (9) равна правой части выражения (10). Поэтому равны и их левые части. Приравняв их и сократив на e ∫ U(t,x) u0 α(ξ)dξ [∫ u1 u0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds ]−1 , получим тождество ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x). Полагая в (7) t = 0, получаем U(0, x) = u0, а полагая x = 0, имеем U(t, 0) = u1. Теорема 1 доказана. Следствие 1. Для волнового уравнения с лапласианом Леви (т. е. при α(ξ) = 0) из (7) следует, что решение задачи ∂2U(t, x) ∂t2 −∆LU(t, x) = 0, t > 0, x ∈ H, U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1, имеет вид U(t, x) = (u1 − u0) 2√ π t/2 √ ‖x‖2H 2∫ 0 e−p 2 dp+ u0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1496 И. И. КОВТУН, М. Н. ФЕЛЛЕР Действительно, в случае α(ξ) = 0 согласно формуле (7) имеем U(t, x)− u0 u1 − u0 = 2√ π t/2 √ ‖x‖2H 2∫ 0 e−p 2 dp. 4. Краевая внешняя задача. Рассмотрим задачу ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ Ω′, (11) U(0, x) = v0, (12) U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, (13) lim ‖x|‖H→∞ U(t, x) = v2, (14) где α(ξ) — заданная функция на R1, числа v0, v1 заданы (v2 = v0). Здесь Γ ⋃ Ω′ = { x ∈ ∈ H : Q(x) ≥ R2 } , Q(x) — дважды сильно дифференцируемая функция такая, что ∆LQ(x) = γ (γ > 0, const.). Теорема 2. Пусть α(ξ) — непрерывная функция и α(ξ) ∈ L1(R1). Тогда решение задачи (11) – (14) (в неявном виде) дается формулой U(t,x)∫ v0 e ∫ s v0 α(ξ)dξ ds  v1∫ v0 e ∫ s v0 α(ξ)dξ ds −1 = 2√ π t/(2 √ S(x))∫ 0 e−p 2 dp, (15) где S(x) = Q(x)−R2 γ . Доказательство. Из формулы (15), дифференцируя по t, получаем e ∫ U(t,x) v0 α(ξ)dξ ∂U(t, x) ∂t  v1∫ v0 e ∫ s u0 α(ξ)dξ ds −1 = 2√ π e − t2 4S(x) 1 2 √ S(x) , (16) e ∫ U(t,x) v0 α(ξ)dξ { α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 + ∂2U(t, x) ∂t2 } v1∫ v0 e ∫ s v0 α(ξ)dξ ds −1 = = − 2√ π t 4(S(x))3/2 e − t2 4S(x) . (17) Из (15), используя формулу (2) при m = 1, имеем e ∫ U(t,x) v0 α(ξ)dξ ∆LU(t, x)  v1∫ v0 e ∫ s v0 α(ξ)dξ ds −1 = − 2√ π t 4(S(x))3/2 e − t2 4S(x) , (18) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 1497 поскольку ∆L(S(x))−1/2 = −1 2 (S(x))−3/2∆LS(x) = −1 2 (S(x))−3/2 ( ∆LS(x) = ∆LQ(x) γ = 1 согласно (3) ) . Правая часть выражения (17) равна правой части выражения (18). Поэтому равны и их ле- вые части. Приравняв их и сократив на e ∫ U(t,x) v0 α(ξ)dξ [∫ v1 v0 e ∫ s v0 α(ξ)dξ ds ]−1 , получим тождество ∂2U(t, x) ∂t2 + α(U(t, x)) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x). Полагая в (15) t = 0, получаем U(0, x) = v0. На поверхности Γ S(x) = 0 и из (15) имеем U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1. Из (15) следует, что lim‖x‖H→∞ U(t, x) = v0. Наконец заметим, что в случае, когда Ω — шар, Γ ⋃ Ω′ = { x ∈ H : ‖x‖2H ≥ R2 } , а S(x) = = ‖x‖2H −R2 2 . Теорема 2 доказана. Следствие 2. При α(ξ) = 0, т. е. для волнового уравнения с лапласианом Леви, из (15) следует, что решение задачи ∂2U(t, x) ∂t2 −∆LU(t, x) = 0, t > 0, x ∈ Ω′, U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim ‖x‖H→∞ U(t, x) = v0, имеет вид U(t, x) = (v1 − v0) 2√ π t/(2 √ S(x))∫ 0 e−p 2 dp+ v0, где S(x) = Q(x)−R2 γ . Действительно, при α(ξ) = 0 согласно формуле (15) имеем U(t, x)− v0 v1 − v0 = 2√ π t/(2 √ S(x))∫ 0 e−p 2 dp. Приведем примеры решения некоторых краевых задач. Пример 1. Рассмотрим краевую задачу ∂2U(t, x) ∂t2 + 1 U(t, x) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ H, U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1, u0, u1 > 0. Согласно формуле (7) решение запишется в виде ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 1498 И. И. КОВТУН, М. Н. ФЕЛЛЕР U(t,x)∫ u0 e ∫ s u0 dξ ξ ds  u1∫ u0 e ∫ s u0 dξ ξ ds −1 = 2√ π t/2 √ ‖x‖2H 2∫ 0 e−p 2 dp. Поскольку U(t,x)∫ u0 e ∫ s u0 dξ ξ ds = 1 2u0 (U2(t, x)− u2 0), а u1∫ u0 e ∫ s u0 dξ ξ ds = 1 2u0 (u2 1 − u2 0), то U2(t, x)− u2 0 u2 1 − u2 0 = 2√ π t/2 √ ‖x‖2H 2∫ 0 e−p 2 dp. Отсюда U2(t, x) = (u2 1 − u2 0) 2√ π t/2 √ ‖x‖2H 2∫ 0 e−p 2 dp+ u2 0. Пример 2. Рaссмотрим краевую внешнюю задачу ∂2U(t, x) ∂t2 − 2U(t, x) [ ∂U(t, x) ∂t ]2 = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ Ω′, U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim ‖x‖H→∞ U(t, x) = v0, где Γ ⋃ Ω′ = { x ∈ H : ‖x‖2H ≥ R2 } . Согласно формуле (15) решение запишется в виде U(t,x)∫ v0 e − ∫ s v0 2ξdξ ds  v1∫ v0 e − ∫ s u0 2ξdξ ds −1 = 2√ π t/2 √ ‖x‖2H−R 2 2∫ 0 e−p 2 dp. Отсюда U(t,x)∫ v0 e−s 2 ds = v1∫ v0 e−s 2 ds 2√ π t/2 √ ‖x‖2H−R 2 2∫ 0 e−p 2 dp, т. е. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 1499 Φ(U(t, x)) = [Φ(v1)− Φ(v0)]Φ  t 2 √ ‖x‖2H −R2 2 + Φ(v0), где Φ(z) = 2√ π ∫ z 0 e−z 2 dz — интеграл вероятности. 1. Феллер M. Н. Краевые задачи для волнового уравнения с лапласианом Леви в классе Гато // Укр. мат. журн. – 2009. – 61, № 11. – С. 1564 – 1574. 2. Albeverio S., Belopolskaya Ya. I., Feller M. N. Boundary problems for the wave equation with the Lévy Laplacian in Shilov’s class // Meth. Funct. Anal. and Top. – 2010. – 16, № 3. – P. 197 – 202. 3. Альбеверио С. А., Белопольская Я. И., Феллер М. Н. Задача Коши для волнового уравнения с лапласианом Леви // Мат. заметки. – 2010. – 87, вып. 6. – С. 803 – 813. 4. Феллер M. Н. Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с дивергентной частью и с лапла- сианом Леви // Укр. мат. журн. – 2012. – 64, № 2. – С. 237 – 244. 5. Lévy P. Problémes concrets d’analyse fonctionnelle. – Paris: Gauthier-Villars, 1951. – 510 p. 6. Feller M. N. The Lévy Laplacian. – Cambridge etc.: Cambridge Univ. Press, 2005. – 153 p. 7. Шилов Г. E. О некоторых вопросах анализа в гильбертовом пространстве. I // Функцион. анализ и его прил. – 1967. – 1, № 2. – С. 81 – 90. Получено 18.06.12 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 11