Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области

Вивчено існування, єдиність розв'язку мїшаної задачї для коректного за Петровським рївняння у циліндричній обдастї та його поведінку при великих значеннях часу. We study the problem of existence and uniqueness of the solution of a mixed problem for the Petrovskii well-posed equation in a cylind...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Український математичний журнал
Date:2009
Main Authors: Гусейнова, Э.С., Искендеров, Б.А.
Format: Article
Language:Russian
Published: Інститут математики НАН України 2009
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166215
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области / Э.С. Гусейнова, Б.А. Искендеров // Український математичний журнал. — 2009. — Т. 61, № 2. — С. 214-230. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-166215
record_format dspace
spelling Гусейнова, Э.С.
Искендеров, Б.А.
2020-02-18T07:24:59Z
2020-02-18T07:24:59Z
2009
Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области / Э.С. Гусейнова, Б.А. Искендеров // Український математичний журнал. — 2009. — Т. 61, № 2. — С. 214-230. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1027-3190
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166215
517.957
Вивчено існування, єдиність розв'язку мїшаної задачї для коректного за Петровським рївняння у циліндричній обдастї та його поведінку при великих значеннях часу.
We study the problem of existence and uniqueness of the solution of a mixed problem for the Petrovskii well-posed equation in a cylindrical domain and the behavior of this solution for large values of time.
ru
Інститут математики НАН України
Український математичний журнал
Статті
Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
Mixed problem for the Petrovskii well-posed equation in a cylindrical domain
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
spellingShingle Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
Гусейнова, Э.С.
Искендеров, Б.А.
Статті
title_short Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
title_full Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
title_fullStr Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
title_full_unstemmed Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области
title_sort смешанная задача для корректного по петровскому уравнения в цилиндрической области
author Гусейнова, Э.С.
Искендеров, Б.А.
author_facet Гусейнова, Э.С.
Искендеров, Б.А.
topic Статті
topic_facet Статті
publishDate 2009
language Russian
container_title Український математичний журнал
publisher Інститут математики НАН України
format Article
title_alt Mixed problem for the Petrovskii well-posed equation in a cylindrical domain
description Вивчено існування, єдиність розв'язку мїшаної задачї для коректного за Петровським рївняння у циліндричній обдастї та його поведінку при великих значеннях часу. We study the problem of existence and uniqueness of the solution of a mixed problem for the Petrovskii well-posed equation in a cylindrical domain and the behavior of this solution for large values of time.
issn 1027-3190
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/166215
citation_txt Смешанная задача для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической области / Э.С. Гусейнова, Б.А. Искендеров // Український математичний журнал. — 2009. — Т. 61, № 2. — С. 214-230. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT guseinovaés smešannaâzadačadlâkorrektnogopopetrovskomuuravneniâvcilindričeskoioblasti
AT iskenderovba smešannaâzadačadlâkorrektnogopopetrovskomuuravneniâvcilindričeskoioblasti
AT guseinovaés mixedproblemforthepetrovskiiwellposedequationinacylindricaldomain
AT iskenderovba mixedproblemforthepetrovskiiwellposedequationinacylindricaldomain
first_indexed 2025-11-25T04:47:29Z
last_indexed 2025-11-25T04:47:29Z
_version_ 1850507030546087936
fulltext УДК 517.957 Б. А. Искендеров, Э. С. Гусейнова (Ин-т математики и механики НАН Азербайджана, Баку) СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ We study the existence and uniqueness of a solution of a mixed problem for the Petrovskii well-posed equation in a cylindrical domain and the behavior of this solution for large values of time. Вивчено iснування, єдинiсть розв’язку мiшаної задачi для коректного за Петровським рiвняння у цилiнд- ричнiй областi та його поведiнку при великих значеннях часу. 1. Введение. При изучении распространения возмущений в вязком газе возникает уравнение ( ∂2 ∂t2 − ω ∂ ∂t ∆3 − a2∆3 ) u(t, x) = 0, x = ( x1, x2, x3 ) ∈ R3, t > 0, (1) где ω = 4 3 ν, ν — кинематический коэффициент вязкости, a — скорость звука в газе, ∆3 — оператор Лапласа по (x1, x2, x3) [1]. В работе [2], как результат исследования решения задачи Коши для операторно-дифференциального уравнения, приведено достаточное условие стабилизации при больших значениях времени решения зада- чи Коши для уравнения (1) с периодическими начальными данными. В работе [3] изучена смешанная задача для уравнения (1) в ограниченной области многомерно- го пространства, а в работе [4] — поведение решения задачи Коши для уравнения типа (1) в многомерном пространстве при больших значениях времени. В настоящей работе изучаются существование, единственность решения сме- шанной задачи для корректного по Петровскому уравнения в цилиндрической об- ласти и асимптотика решения смешанной задачи при больших значениях времени. 2. Определения, обозначения и теорема о единственности решения смешан- ной задачи. Обозначим через Rn+m(x, y) (n+m)-мерное евклидово пространст- во с элементами (x, y) = (x1, x2, . . . , xn, y1, y2, . . . , ym), через E = Rn(x) × Ω — цилиндрическую область в Rn+m, где Ω — ограниченная область в Rm(y) с доста- точно гладкой границей ∂Ω. В Q = (0,∞)× E рассмотрим смешанную задачу( ∂2 ∂t2 − ω ∂ ∂t ∆n,m − a2∆n,m ) u(t, x, y) = f(t, x, y) (2.1) с начальными функциями u(0, x, y) = ϕ0(x, y), ∂ ∂t u(0, x, y) = ϕ1(x, y) (2.2) и краевым условием u(t, x, y)|∂E = 0, t > 0, (2.3) где ϕj(x, y), f(t, x, y), j = 0, 1, — заданные функции, а c© Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА, 2009 214 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 215 ∆n,m = ∂2 ∂x2 1 + ∂2 ∂x2 2 + . . .+ ∂2 ∂x2 n + ∂2 ∂y2 1 + ∂2 ∂y2 2 + . . .+ ∂2 ∂y2 m . Условия на данные задачи будут сформулированы ниже. Отметим, что уравне- ние (2.1) является корректным по Петровскому. Введем пространство функций H(α,β) (E, ρ(x)), элементы которого имеют про- изводные в смысле Соболева – Слободецкого по x до порядка α, а по y до порядка β, для которых ∫ E ρ(x) α∑ |θ|=0 β∑ |j|=0 ( D(θ) x D(j) y v(x, y) )2 dE ≤ C, где ρ(x) ≥ 0 — измеримая и растущая на бесконечности функция, α, β ≥ 0 — целые числа, C > 0 — некоторая постоянная. Это пространство является банаховым пространством, норма элементов которого определяется следующим образом: ‖v(x, y)‖H(α,β)(E,ρ(x)) =  ∫ E ρ(x) α∑ |θ|=0 β∑ |j|=0 ( D(θ) x D(j) y v(x, y) )2 dE  1/2 . Через C2 [ [0,∞), H(α,β) (E, ρ(x)) ] будем обозначать пространство функций u(t, x, y), непрерывно дифференцируемых по t до второго порядка включитель- но и при каждом t > 0 принадлежащих пространству H(α,β) (E, ρ(x)) . Через C2 ε [ [0,∞), ◦ H (α,β) (E, ρ(x)) ] обозначим подпространство пространства C2 [ [0,∞), H(α,β) (E, ρ(x)) ] , элементы которого при каждом t > 0 удовлетворяют граничному условию (2.3) и неравенству∥∥u(t, x, y) ∥∥ H(α,β)(E,ρ(x)) ≤ Ceεt, (2.4) где ε > 0 — достаточно малое число, C — некоторая постоянная. Определение. Под решением задачи (2.1) – (2.3) будем понимать функцию u(t, x, y) ∈ C2 ε [ [0,∞), ◦ H (2,2) (E, ρ(x)) ] , удовлетворяющую уравнению (2.1) и на- чальным данным (2.2) почти всюду. Имеет место следующая теорема. Теорема 2.1. Если решение однородной задачи, соответствующей зада- че (2.1) – (2.3), существует, то оно почти всюду равно нулю. Доказательство. Умножим однородное уравнение на u(t, x, y) и проинтегри- руем по (0, t) × ER, где ER = Ω × σR(x), σR(x) — шар радиуса R с центром в начале координат: εR(t) = t∫ 0 ∫ ER ( ∂2 ∂t2 u(t, x, y) ) u(t, x, y)dERdt − − ω t∫ 0 ∫ ER ( ∂ ∂t ∆n,mu(t, x, y) ) u(t, x, y)dERdt − ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 216 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА − a2 t∫ 0 ∫ ER (∆n,mu(t, x, y))u(t, x, y)dERdt ≡ ≡ ε1R(t) + ωε2R(t)− a2ε3R(t) = 0. (2.5) Рассмотрим каждое слагаемое в (2.5) в отдельности. Интегрируя в ε1R(t) один раз по t по частям и учитывая равенство нулю начальных функций для однородной задачи, получаем ε1R(t) = − ∫ ER ( ∂ ∂t u(t, x, y) )2 dER. Устремляя R к бесконечности в ε1R(t), находим ε1(t) = − ∫ ER ( ∂ ∂t u(t, x, y) )2 dER. (2.6) Рассмотрим второе слагаемое в (2.5). По первой формуле Грина [5] имеем ε2R(t) = − n∑ i=1 t∫ 0 ∫ ER ∂ ∂xi ( ∂ ∂t u(t, x, y) ) ∂ ∂xi u(t, x, y)dERdt − − m∑ j=1 t∫ 0 ∫ ER ∂ ∂yj ( ∂ ∂t u(t, x, y) ) ∂ ∂yj u(t, x, y)dERdt + + t∫ 0 ∫ ∂ER ∂ ∂ν ( ∂ ∂t u(t, x, y) ) u(t, x, y)dsRdt ≡ ε(1) 2R(t) + ε (2) 2R(t) + ε (3) 2R(t), где ∂ER = ∂Ω× σR(x) ∪Ω× ∂σR(x), σR(x) — шар радиуса R с центром в начале координат, ∂ΩR — поверхность шара ΩR, ds — элемент поверхности ∂ER, ∂ν — внешняя нормаль к поверхности ∂ER. Учитывая граничное условие (2.3), получаем ε (3) 2R(t) = t∫ 0 ∫ Ω×∂σ R (x) ( ∂ ∂ν ∂ ∂t u(t, x, y) ) u(t, x, y)dsdt. Поскольку ∂ ∂ν = cos(ν, x1) ∂ ∂x1 + . . .+ cos(ν, xn) ∂ ∂xn , применяя неравенство Коши – Буняковского к ε(3) 2R(t), имеем ε (3) 2R(t) ≤  t∫ 0 ∫ Ω×∂σ R (x) u2(t, x, y)dsdt  1/2 × ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 217 × n∑ i=1  t∫ 0 ∫ Ω×∂σ R (x) ( ∂ ∂t ∂ ∂xi u(t, x, y) )2 dsdt  1/2 . Используя теорему вложения Соболева [6], оцениваем первый интеграл в ε(3) 2R(t) :∫ Ω×∂σ R (x) u2(t, x, y)ds ≤ e−c0R ∫ Ω×∂σ R (x) ec0|x|u2(t, x, y)ds ≤ ≤ Ce−c0R ∥∥u(t, x, y) ∥∥ H(2,2) (E, ρ(x)) . Устремляя R к бесконечности, получаем∫ Ω×∂σ R (x) u2(t, x, y)ds→ 0 при R→∞ и любом t > 0. (2.7) Аналогично показываем, что∫ Ω×∂σ R (x) ∂ ∂t ∂ ∂xi u(t, x, y)ds→ 0 при R→∞ и любом t > 0. (2.8) Учитывая, что для однородной задачи ϕ0(x, y) ≡ 0, ϕ1(x, y) ≡ 0, имеем ε (1) 2R(t) = −1 2 n∑ i=1 ∫ ER ( ∂ ∂xi u(t, x, y) )2 dER, (2.9) ε (2) 2R(t) = −1 2 m∑ j=1 ∫ ER ( ∂ ∂yj u(t, x, y) )2 dER. (2.10) Применяя первую формулу Грина [5] и учитывая нулевое граничное условие, на- ходим ε3R(t) = − n∑ i=1 t∫ 0 ∫ ER ( ∂ ∂xi u(t, x, y) )2 dER − m∑ j=1 t∫ 0 ∫ ER ( ∂ ∂yj u(t, x, y) )2 dER. (2.11) Введем обозначения n∑ i=1 ∫ E ( ∂ ∂xi u(t, x, y) )2 dE = ‖∇xu(t, x, y)‖2L2(E) , (2.12) m∑ j=1 ∫ E ( ∂ ∂yj u(t, x, y) )2 dE = ‖∇yu(t, x, y)‖2L2(E) . (2.13) Переходя в (2.5) – (2.10) к пределу приR→ +∞ и учитывая (2.12), (2.13), получаем ε(R) = − ∫ E ( ∂ ∂t u(t, x, y) )2 dE− ω 2 ‖∇xu(t, x, y)‖2L2(E)− ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 218 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА −ω 2 ‖∇yu(t, x, y)‖2L2(E) − a 2 t∫ 0 ‖∇xu(t, x, y)‖2L2(E) dt − − a2 t∫ 0 ‖∇yu(t, x, y)‖2L2(E) dt = 0 (2.14) при любом t > 0. Учитывая значения начальных данных для однородной задачи и граничное условие (2.3), имеем u(t, x, y) ≡ 0 при любом t > 0. Теорема 2.1 доказана. 3. Построение функции Грина стационарной задачи. Для построения реше- ния смешанной задачи (2.1) – (2.3) изучим стационарную задачу, соответствующую задаче (2.1) – (2.3). С учетом оценки (2.4) выполним преобразование Лапласа над задачей (2.1) – (2.3). В результате получим( k2 − kω∆n,m − a2∆n,m ) V (k, x, y) = F(k, x, y), (3.1) V (k, x, y)|∂E = 0, (3.2) где Re k ≥ ε > 0, V (k, x, y) — преобразование Лапласа по t от u(t, x, y), знак ∧ над функцией обозначает преобразование Лапласа по t этой функции, а F(k, x, y) = f̂(k, x, y) + ϕ1(x, y) + (k − ω∆n,m)ϕ0(x, y). Учитывая оценку (2.4), применяем к задаче (3.1), (3.2) преобразование Фурье по x. Тогда( k2 + ( ωk + a2 ) |s|2 ) Ṽ (k, s, y)− (ωk + a2)∆mṼ (k, s, y) = F̃(k, s, y), (3.3) Ṽ (k, s, y)|∂Ω = 0, (3.4) где знак ∼ над функцией обозначает преобразование Фурье по x. Рассмотрим дифференциальный оператор L, порожденный дифференциальным выражением L̃ = ∆m, с областью определения D(L) = { u(y) : u(y) ∈W 1 2 (Ω), L̃u ∈ L2(Ω) } . Оператор L отрицательно-самосопряженный, спектр его дискретен и для собствен- ных значений λl имеет место неравенство 0 > λ1 ≥ . . . ≥ λl ≥ . . . , lim l→+∞ λl = −∞. Собственные функции ψl(y) оператораL, соответствующие собственным значе- ниям λl, образуют базис в пространстве L2(Ω) [7]. Использовав этот факт, докажем следующую теорему. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 219 Теорема 3.1. Функция Грина задачи (3.1), (3.2) является аналитической функ- цией от комплексного параметра k в полуплоскости Re k ≥ ε, и для нее имеет место представление G(k, x, y, z) = i 4 (2π)−n/2 |x|1−n/2 a2 + ωk ∞∑ l=1 ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(1) n/2−1 ( i|x| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) ψl(y)ψl(z), (3.5) где H(1) n/2−1(z) — функция Ханкеля первого рода. При |x| ≥ δ > 0 ряд в (3.5) сходится равномерно по (k, x, y, z) в каждом компакте из {Re k ≥ ε} × E× Ω и его можно дифференцировать по (x, y) любое число раз. Функция (3.5) допускает аналитическое продолжение в полуплоскость Re k < ε, в которой имеет точки ветвления k (l) 1,2 = −|λl|ω 2 ± √ |λl|2ω 4 − |λl|a2, из которых k(l) 1 → − a2 ω , k (l) 2 → −∞ при l→ +∞. При нечетных n точки ветвле- ния являются алгебраическими, а при четных n — трансцендентными. Доказательство. Используя теорему 3.6 из [7] для решения задачи (3.3), (3.4), имеем Ṽ (k, s, y) = ∞∑ l=1 Cl(s, k)ψl(y) |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl , где Cl(s, k) = 1 (2π)n ∫ Ω F̃(k, s, y)ψl(y)dy. (3.6) Решение задачи (3.1), (3.2) определяется как обратное преобразование Фурье от (3.6): V (k, x, y) = 1 (2π)n ∞∑ l=1 ψl(y) ∫ Rn Cl(s, k)e−i(s,x)ds |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl . (3.7) Здесь интегрирование законно в силу равномерной сходимости ряда в (3.6), которая будет показана ниже. Вычислим интегралы в (3.7). Подставляя выражение Cl(s, k) из (3.6) в (3.7), получаем V (k, x, y) = 1 (2π)n ∞∑ l=1 ψl(y) ∫ Rn Fl(k, ξ)  ∫ Rn ei(s,x−ξ)ds |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl dξ, (3.8) где ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 220 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА Fl(k, ξ) = ∫ Ω F(k, ξ, y)ψl(y)dy. Теперь вычислим интеграл в (3.8). Обозначим τ = x− ξ и Jl(τ, k) = 1 (2π)n lim N→+∞ ∫ |s|≤N ei(s,τ)ds |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl . (3.9) Переходя в (3.9) к сферическим координатам и учитывая при этом сферическую симметричность подынтегральной функции, находим Jl,N (τ, k) = (2π)−(n/2+1)|τ |1−n/2 N∫ 0 |s|n/2Jn/2−1 (|τ ||s|) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl , (3.10) где Jn/2−1(z) — функции Бесселя порядка n/2− 1. Далее, вычислим интеграл в (3.10). Пусть n— нечетное число. Тогда zn/2Jn/2−1(z) есть четная функция. Поэтому Jl,N (τ, k) = 1 2 (2π)−(n/2+1)|τ |1−n/2 N∫ −N |s|n/2Jn/2−1 (|τ ||s|) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl . (3.11) Используем формулу Jn/2−1(z) = 1 2 ( H (1) n/2−1(z) +H (2) n/2−1(z) ) (3.12) из [8], где H(1,2) ν (z) — функции Ханкеля I и II рода. Подставляя (3.12) в (3.11), получаем Jl,N (τ, k) = = 1 4 (2π)−(n/2+1)|τ |1−n/2  N∫ −N |s|n/2H(1) n/2−1 (|τ ||s|) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl + + N∫ −N |s|n/2H(2) n/2−1 (|τ | |s|) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl  ≡ ≡ J (1) l,N (τ, k) + J (2) l,N (τ, k). (3.13) Подынтегральные функции в (3.13) имеют полюсы в точках |s|(l)1,2 = ±i √ |λl|+ k2 a2 + ωk . При Re k > 0 корни |s|(l)1,2 расположены поровну в верхней и нижней полуплос- костях, симметрично относительно вещественной оси. Учитывая асимптотику функции Ханкеля H(1,2) ν (z) [9] при больших значениях аргумента, получаем, что подынтегральная функция в J (1) l,N (τ, k) в полуплоскости ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 221 Im|s| > 0, |s| → ∞, экспоненциально убывает. Выходя в верхнюю полуплоскость и применяя метод вычетов, находим J (1) l,N (τ, k) = i 8 (2π)−n/2 |τ |1−n/2 a2 + ωk ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(1) n/2−1 ( i|τ | √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) . Выходя в нижнюю полуплоскость Im|s| < 0, аналогичным образом имеем J (2) l,N (τ, k) = − i 8 (2π)−n/2 |τ |1−n/2 a2 + ωk × × ( −i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 H (2) n/2−1 ( −i|τ | √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) . Учитывая формулу H (2) n/2−1(−z) = (−1)n/2−1H (1) n/2−1(z), (3.14) из [9] получаем J (1) l,N (τ, k) = J (2) l,N (τ, k). (3.15) Подставляя значения J (1) l,N (τ, k), J (2) l,N (τ, k) в (3.13), учитывая (3.14) и устремляя N к бесконечности, находим Jl(τ, k) = i 4 (2π)−n/2 |τ |1−n/2 a2 + ωk ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(1) n/2−1 ( i|τ | √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) . (3.16) Пусть теперь n — четное число. Выражая функцию Бесселя через функции Ханкеля по формуле (3.12), имеем Jl,N (τ, k) = (2π)−(n/2+1) 2 |τ |1−n/2 N∫ 0 |s|n/2 ( H (1) n/2−1 (|τ | |s|) +H (2) n/2−1 (|τ | |s|) ) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl . (3.17) Поскольку при четных n H (2) n/2−1(z) = (−1)n/2H(2) n/2−1(z), интеграл в (3.17) можно привести к виду Jl,N (τ, k) = (2π)−(n/2+1) 2 |τ |1−n/2 N∫ −N |s|n/2H(1) n/2−1 (|τ ||s|) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 222 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА При Im |s| > 0, действуя так же, как при вычислении J (1) l,N (τ, k), и устремляя N к бесконечности, получаем Jl(τ, k) = i 4 (2π)−n/2 |τ |1−n/2 a2 + ωk ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(1) n/2−1 ( i|τ | √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) . При Im |s| < 0, используя формулу (3.14), интеграл в (3.17) можно привести к виду Jl,N (τ, k) = (2π)−(n/2+1) 2 |τ |1−n/2 N∫ −N |s|n/2H(2) n/2−1 (|τ | |s|) d|s| |s|2 (a2 + ωk) + k2 − (a2 + ωk)λl . Далее, применяя метод вычетов, при этом выходя в нижнюю полуплоскость Im |s| < < 0, и устремляя N к бесконечности, находим Jl(τ, k) = − i 4 (2π)−n/2 |τ |1−n/2 a2 + ωk ( −i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(2) n/2−1 ( −i|τ | √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) . Учитывая четность и формулу (3.14), получаем Jl(τ, k) = i 4 (2π)−n/2 |τ |1−n/2 a2 + ωk ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(1) n/2−1 ( i|τ | √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) , т. е. формулу (3.16). Таким образом, для Jl(τ, k) при нечетных и четных n получили одну и ту же формулу (3.16). Подставляя (3.16) в (3.8) и выделяя F(k, ξ, z), имеем V (k, x, y) = ∫ E G(k, x− ξ, y, z)F(k, ξ, z)dE, (3.18) где G(k, x, y, z) = i 4 (2π)−n/2 |x|1−n/2 a2 + ωk ∞∑ l=1 ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×H(1) n/2−1 ( i|x| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) ψl(y)ψl(z). (3.19) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 223 Функция G(k, x, y, z) называется функцией Грина задачи (3.1), (3.2). Изучим теперь сходимость ряда в (3.19). Обозначим через Oδ ( −a 2 ω ) δ-окрестность точки k = −a 2 ω . Тогда в любом компакте K ⊂ C\Oδ ( −a 2 ω ) при достаточно большом l имеем Re √ |λl|+ k2 a2 + ωk ≥ |λl|1/2(1− ε), где ε > 0 — достаточно малое число. Используя асимптотику функции Ханкеля H (1) n/2−1(z) при больших значениях |z| [9], в компакте K получаем ∣∣G(k, x, y, z) ∣∣ ≤ C(n, ω, ε) |k| ∞∑ l=1 |λl|(n−3)/4e−|x|(1−ε)|λl| 1/2 ‖ψl(y)‖2C(Ω) . (3.20) Здесь C(σ, ε, n) — некоторая константа, зависящая от σ, ε, n. В [8] получена сле- дующая оценка собственных функций оператора L :∥∥ψl(y) ∥∥ Cν(Ω) ≤ C|λl|([m/2]+1+ν)/2. (3.21) Известно [10], что C0l 2/m ≤ |λl| ≤ C1l 2/m, (3.22) где C0, C1 — константы, не зависящие от l. Тогда из (3.21) и (3.22) имеем∥∥ψl(y) ∥∥ Cν(Ω) ≤ Cl([m/2]+1+ν)/m. Из (3.20) и (3.21) при ν = 0 находим ∣∣G(k, x, y, z) ∣∣ ≤ C(n, ω, δ) |k| ∞∑ l=1 |λl|((n−3)/4+[m/2]+1)/2e−|x|(1−ε)|λl| 1/2 . (3.23) Пусть теперь |x| ≥ δ > 0. Тогда в силу оценки (3.22) ряд в (3.23) сходится равномерно в каждом компакте K1 ⊂ {Re k ≥ ε} × E × Ω. Используя формулу дифференцирования функций Ханкеля [9] и их асимптотику при больших зна- чениях аргумента так же, как и выше, можно показать, что ряд в (3.19) можно дифференцировать по (x, y) любое число раз. Остальные утверждения теоремы следуют из представления (3.5). Теорема 3.1 доказана. 4. Существование решения смешанной задачи (2.1) – (2.3) и его оценка при больших значениях времени. Решение смешанной задачи (2.1) – (2.3) определя- ется как обратное преобразование Лапласа от V (k, x, y): u(t, x, y) = 1 2πi ε+i∞∫ ε−i∞ V (k, x, y)ektdk. (4.1) Подставляя в (4.1) выражение V (k, x, y) из (3.18), получаем ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 224 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА u(t, x, y) = 1 2πi ε+i∞∫ ε−i∞ ekt ∫ E G(k, x− ξ, y, z)× × [ f̂(k, ξ, z) + ϕ1(ξ, z) + (k − ω∆n,m)ϕ0(ξ, z) ] dE dk ≡ ≡ 3∑ ν=1 uν(t, x, y). (4.2) Как следует из формулы (4.2), uν(t, x, y) являются обратным преобразованием Лап- ласа по t от Vν(k, x, y), определяемых по формуле V1(k, x, y) = G(k, x, y, z) ∗ f̂(k, x, y), V2(k, x, y) = G(k, x, y, z) ∗ ϕ1(x, z), (4.3) V3(k, x, y) = G(k, x, y, z) ∗ (k − ω∆n,m)ϕ0(x, z), где свертка совершается по цилиндру E. Рассмотрим каждое слагаемое в (4.2) в отдельности. Для изучения сходимости интегралов, входящих в эти слагаемые, докажем следующую лемму. Лемма 4.1. При |Im k| ≥ N, Re k ≥ 0 имеет место неравенство Re √ |λl|+ k2 a2 + ωk ≥ α1 ( |λl|+ Re k ω )1/2 + α2 ( |Im k| ω )1/2 , где N — достаточно большое число, α1 = √√ 2 + 1 25/4 , α2 = 1 25/4 . Доказательство. Поскольку для достаточно больших |k| k2 a2 + ωk ∼ k ω , при |Im k| ≥ N, Re k ≥ 0 имеем Re √ |λl|+ k2 a2 + ωk ∼ Re √ |λl|+ k ω = = √√√√√√ √( |λl|+ Re k ω )2 + ( Im k ω )2 + |λl|+ Re k ω 2 . (4.4) При любых вещественных a и b√ a2 + b2 ≥ |a|√ 2 + |b|√ 2 . (4.5) Дважды применив неравенство (4.4) к (4.3), получим Re √ |λl|+ k2 a2 + ωk ≥ √√ 2 + 1 25/4 ( |λl|+ Re k ω )1/2 + 1 25/4 ( |Im k| ω )1/2 . Лемма доказана. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 225 В дальнейшем будем полагать, что ρ(x) = eC0|x|, где 0 < C0 < √( 1 + 1√ 2 ) |λ1|, λ1 — первое собственное значение задачи Дирихле для оператора Лапласа в области Ω. Имеет место следующая теорема. Будем считать n ≥ 3 и положим β =  [ n− 3 2 ] , если n нечетное,[ n− 3 2 ] + 1, если n четное. Теорема 4.1. Пусть ∂Ω ∈ C(2m+β), f(t, x, y) = f(x, y)eiω ∗t, f(x, y), ∆n,mϕ0(x), ϕ1(x, y) ∈ H(0,β) (E, ρ(x)) . Тогда для решения u(t, x, y) задачи (2.1) – (2.3) имеет место принцип предель- ной амплитуды, т. е. при t→ +∞ u(t, x, y) = V (iω∗, x, y)eiω ∗t +W (t, x, y), где V (iω∗, x, y) — решение стационарной задачи (3.1), (3.2) при k = iω∗ с правой частью f(x, y), ω∗ — любое вещественное число,∥∥W (t, x, y) ∥∥ L2(E,ρ(x)) ≤ ≤ Ceδt [ ‖∆n,mϕ0(ξ, z)‖H(0,β)(E,ρ(ξ)) + ‖ϕ1(x, y)‖H(0,β)(E,ρ(x)) ] , C — некоторая константа, зависящая от ω, a, n, m; −a 2 ω < δ < 0. Доказательство. Рассмотрим V1(k, x, y) = i 4 (2π)−n/2 1 a2 + ωk ∞∑ l=1 ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × × ∫ E H (1) n/2−1 ( i|x− ξ| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) ψl(y)ψl(z)f̂(k, ξ, z), в силу равномерной сходимости ряда в (3.19) f̂l(ξ, k) = ∫ Ω f̂(k, ξ, z)ψl(z)dz. Тогда V1(k, x, y) = i 4 (2π)−n/2 1 a2 + ωk ∞∑ l=1 ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × × ∫ Rn H (1) n/2−1 ( i|x− ξ| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) ψl(y)f̂l(ξ, k)dξ, (4.6) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 226 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА u1(t, x, y) = 1 2πi ε+i∞∫ ε−i∞ ektV1(k, x, y)dk = = (2π)−n/2−1 4 ε+i∞∫ ε−i∞ ekt a2 + ωk ∞∑ l=1 ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × × ∫ Rn H (1) n/2−1 ( i|x− ξ| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) ψl(y) fl(ξ) k − iω dξdk. Выберем число δ так, чтобы −a 2 ω < δ < 0, и рассмотрим в комплексной плоскости C контур Γ = T−N ∪ [δ − iN, α+ iN ] ∪ TN , где T−N , TN — лучи, выходящие из точек k = ±iN и составляющие с мнимой осью углы ±π 6 . Учитывая лемму 4.1 и то, что функция Ханкеля при |Im k| → ∞ экспоненциально убывает, контур интегрирования в (4.6) можно заменить на Γ, где −a 2 ω < δ < 0. Меняя в (4.6) порядок интегрирования и применяя теорему Коши, получаем u1(t, x, y) = V1(iω∗, x, y)eitω ∗ + + ∫ Γ ektV1(k, x, y)dk ≡ V1(iω∗, x, y) + u1,δ(t, x, y). Оценим норму u1,δ(t, x, y) при больших t: I1,δ(t) = ∫ E eC0|x|u2 1,δ(t, x, y)dE = = ∫ E eC0|x|  1 2πi ∫ Γ ekt (k − iω) (a2 + ωk) ∞∑ l=1 ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ×  ∫ Rn |x− ξ|1−n/2H(1) n/2−1 ( i|x− ξ| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) ψl(y)fl(ξ)dξ  dk  2 dE. (4.7) Поскольку ψl(y) образуют ортонормированный базис в пространстве L2(Ω), то I1,δ(t) = = − 1 4π2 ∫ Rn eC0|x| ∞∑ l=1  ∫ Γ ekt (k − iω∗)(a2 + ωk) ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 227 ×  ∫ Rn |x− ξ|1−n/2H(1) n/2−1 ( i|x− ξ| √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 fl(ξ)dξ  dk  2 dx. (4.8) Теперь оценим интегралы в (4.7). При больших |Im k| I1,δ(t) ≤ ≤ C ∫ Rn eC0|x| ∞∑ l=1  ∫ Γ etRe k 1 |k − iω∗| |a2 + ωk| × × ( |λl|(n/2−1)/2 + ∣∣∣∣ kω ∣∣∣∣(n/2−1)/2 ) × × ∫ Rn |x− ξ|1/2−n/2 1 |k − iω| ∣∣∣∣∣ √ |λl|+ k2 a2 + ωk ∣∣∣∣∣ × × e−|x−ξ|(α1|λl|1/2+α2|Im k/ω|1/2) ∣∣fl(ξ)∣∣dξ∣∣dk∣∣  2 dx ≡ ≡ C ∫ Rn eC0|x| ∞∑ l=1 [( I (1) 1,δ,l(x, t) )2 + ( I (2) 1,δ,l(x, t) )2 ] dx, I (1) 1,δ,l(x, t) = 1√ 2π ∫ Γ etRe k |λl|(n/2−1)/2 |k − iω||a2 + ωk| × × ∫ Rn |x− ξ|(1−n)/2 1∣∣∣∣∣ √ |λl|+ k2 a2 + ωk ∣∣∣∣∣ × ×e−|x−ξ|(α1|λl|1/2+α2|Im k/ω|1/2) |fl(ξ)| dξ |dk| , (4.9) I (2) 1,δ,l(x, t) = 1√ 2π ∫ Γ etRe k 1 |k − iω| |a2 + ωk| ∣∣∣∣ kω ∣∣∣∣(n/2−1)/2 × × ∫ Rn |x− ξ|(1−n)/2 1∣∣∣∣∣ √ |λl|+ k2 a2 + ωk ∣∣∣∣∣ × ×e−|x−ξ|(α1|λl|1/2+α2|Imk/ω|1/2) |fl(ξ)| dξ |dk| . (4.10) Оценивая внешний интеграл в (4.10), при больших t имеем ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 228 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА I (1) 1,δ,l(x, t) ≤ Ce δt|λl|n/4−1 ∫ Rn |x− ξ|(1−n)/2e−α1|λl|1/2|x−ξ| |fl(ξ)| dξ. Применяя неравенство Коши – Буняковского, находим I (1) 1,δ,l(x, t) ≤ Ce δt|λl|n/4−1  ∫ Rn |x− ξ|1−ne−α1|λl|1/2|x−ξ|dξ  1/2 × ×  ∫ Rn e−α1|λl|1/2|x−ξ|f2 l (ξ)dξ  1/2 ≤ ≤ Ceδt|λl|β/2e−α1|λ1|1/2|x|  ∫ Rn eα1|λ1|1/2|ξ|f2 l (ξ)dξ  1/2 . Аналогичным образом получаем I (2) 1,δ,l(x, t) ≤ Ce δte−α1|λ1|1/2|x|  ∫ Rn eα1|λ1|1/2|ξ|f2 l (ξ)dξ  1/2 . (4.11) Подставляя (4.11) в (4.9), имеем I1,δ(t) ≤ Ce2δt ∫ Rn e(C0−2α1|λ1|1/2)|x|× ×  ∞∑ l=1 ( |λl|β + 1 ) ∫ Rn eα1|λ1|1/2|ξ|f2 l (ξ)dξ  dx. (4.12) В силу условий на функцию f(x, y), меняя порядок суммирования и интегри- рования и учитывая формулу (35) из [10], находим I1,δ(t) ≤ Ce2δt ∫ Rn eα1|λ1|1/2|ξ| ‖f(ξ, z)‖2Hβ(Ω) dξ ≤ ≤ Ce2δt ‖f(ξ, z)‖2H(0,β)(E,ρ(ξ)) , где Hβ(Ω) — пространство Соболева – Слободецкого. Отсюда получаем∥∥u1,δ(t, x, y) ∥∥ L2(E,ρ(x)) ≤ Cδt ∥∥f(ξ, z) ∥∥ H(0,β)(E,ρ(ξ)) , (4.13) u2(t, x, y) и u3(t, x, y) оцениваются точно так же, как u1δ(t, x, y). Поэтому при больших t > 0 имеем∥∥u2(t, x, y) ∥∥ L2(E,ρ(x)) ≤ Cδt ∥∥ϕ1(ξ, z) ∥∥ H(0,β)(E,ρ(ξ)) ,∥∥u3(t, x, y) ∥∥ L2(E,ρ(x)) ≤ Cδt ∥∥∆n,mϕ0(ξ, z) ∥∥ H(0,β)(E,ρ(ξ)) . (4.14) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА ДЛЯ КОРРЕКТНОГО ПО ПЕТРОВСКОМУ УРАВНЕНИЯ . . . 229 Из (4.13) и (4.14) следует доказательство теоремы 4.1. Теперь рассмотрим задачу (2.1) – (2.3) в случае, когда правая часть уравне- ния (2.1) f(t, x, y) не является периодической функцией от времени. Имеет место следующая теорема. Теорема 4.2. Если f(t, x, y) ∈ C0 [ [0,∞), H(0,β)(E, ρ(x)) ] и выполнены ос- тальные условия теоремы 4.1, то для решения смешанной задачи (1.1) – (1.3) при больших t имеет место оценка ∥∥u(t, x, y) ∥∥ L2(E,ρ(x)) ≤ C   t∫ 0 ∥∥f(t, x, y) ∥∥2 H(0,β)(E,ρ(x)) dt 1/2 + + eδt [∥∥∆n,mϕ0(ξ, z) ∥∥ H(0,β)(E,ρ(x)) + ‖ϕ1(x, y)‖H(0,β)(E,ρ(x)) ] . Доказательство. Поскольку {ψl(y)} образует ортонормированный базис в L2(Ω), по формуле Парсеваля имеем ∫ Ω u2 1(t, x, y)dy = ∞∑ l=1 ∣∣∣∣∣∣ t∫ 0  ε+i∞∫ ε−i∞ ekτ a2 + ωk ( i √ |λl|+ k2 a2 + ωk )n/2−1 × × ∫ Rn |x− ξ|1−n/2H(1) n/2−1 ( i|x− ξ| √ |λl|+ k2 a2 + ωk ) fl(t− τ, ξ)dξ  dτ ∣∣∣∣∣∣ 2 . Здесь также применена формула Эфроса. Рассуждая так же, как при оценке I1,δ(t), получаем ∫ Ω u2 1(t, x, y)dy ≤ C(ω, δ, n)e−2α1|λ1|1/2|x|× × t∫ 0  ∫ Rn eα1|λ1|1/2|ξ| ( ∞∑ l=1 ( 1 + |λ1|β ) f2 l (t− τ, ξ) ) dξ dτ ≤ ≤ C(ω, δ, n)e−2α1|λ1|1/2|x| t∫ 0 ∥∥f(t− τ, ξ, y) ∥∥2 H(0,β)(E,ρ(ξ)) dτ. (4.15) Умножая обе части (4.15) на eC0|x| и интегрируя по Rn, находим∫ E eC0|x|u2 1(t, x, y)dE ≤ ≤ C(ω, δ, n) ∫ Rn e(C0−2α1|λ1|1/2)|x|dx t∫ 0 ∥∥f(t− τ, ξ, y) ∥∥2 H(0,β)(E,ρ(x)) dτ. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2 230 Б. А. ИСКЕНДЕРОВ, Э. С. ГУСЕЙНОВА Отсюда при C0 < 2α1|λ1|1/2 ‖u1‖L2(E,ρ(x)) ≤ C(ω, δ, n)  t∫ 0 ∥∥f(τ, ξ, y) ∥∥2 H(0,β)(E,ρ(x)) dτ  1/2 . (4.16) Из (4.2), (4.14), (4.16) следует доказательство теоремы 4.2. Замечание . Как следует из формулы (4.15), если f(t, x, y) ≡ 0, то∥∥u(t, x, y) ∥∥ L2(E,ρ(x)) при больших t экспоненциально убывает. 1. Войт С. С. Распространение начальных уплотнений в вязком газе // Уч. зап. МГУ им. М. В. Ло- моносова. Механика. – 1954. – 5, № 172. – С. 125 – 142. 2. Горбачук М. Л., Кочубей А. Н., Шкляр А. Я. О стабилизации решений дифференциальных урав- нений в гильбертовом пространстве // Докл. РАН. – 1995. – 341, № 6. – С. 734 – 736. 3. Iskenderov B. A., Huseynova E. S. On a mixed problem in boundary domain for one equation correct by Petrovskii and estimate of its solution // Trans. NAS Azerbaijan. Ser. Phys.-Techn., Math. Sci. – 2005. – 25, № 7. – P. 31 – 40. 4. Huseynova E. S. On a behaviour of the solution of Cauchy problem for one correct by Petrovsky equation at large time // Ibid. – 2006. – 26, № 7. – P. 85 – 96. 5. Владимиров В. С. Уравнение математической физики. – М.: Наука, 1981. – 512 с. 6. Смирнов В. И. Курс высшей математики. – М.: Физматгиз, 1959. – Т. 5. – 655 с. 7. Мизохата С. Теория уравнений с частными производными. – М.: Мир, 1977. – 504 c. 8. Iskenderov B. A. Principles of radiation for elliptic equation in the cylindrical domain // Colloq. math. sic. Janos Bolyai. Szeged, Hungary. – 1988. – P. 249 – 261. 9. Никифоров А. Ф., Уваров В. Б. Основы теории специальных функций. – М.: Наука, 1974. – 303 с. 10. Михайлов В. П. Дифференциальные уравнения в частных производных. – М.: Наука, 1983. – 424 c. Получено 09.10.07 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2009, т. 61, № 2