Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування

Введено обобщенное гибридное интегральное преобразование типа Мелера-Фока на отрезке [0; R] с n точками сопряжения. Рассмотрены примеры применения этого преобразования к решению типичных сингулярных краевых задач для линейных дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка в кусоч...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Український математичний журнал
Дата:2007
Автор: Конет, І.М.
Формат: Стаття
Мова:Ukrainian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2007
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/172496
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:Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування / І.М. Конет // Український математичний журнал. — 2007. — Т. 59, № 10. — С. 1376–1390. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-172496
record_format dspace
spelling Конет, І.М.
2020-11-02T16:17:36Z
2020-11-02T16:17:36Z
2007
Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування / І.М. Конет // Український математичний журнал. — 2007. — Т. 59, № 10. — С. 1376–1390. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.
1027-3190
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/172496
517.91:532.2
Введено обобщенное гибридное интегральное преобразование типа Мелера-Фока на отрезке [0; R] с n точками сопряжения. Рассмотрены примеры применения этого преобразования к решению типичных сингулярных краевых задач для линейных дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка в кусочно-однородных средах.
We introduce a generalized hybrid integral transformation of the Mehler-Fock type on a segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transformation to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the second order in piecewise-homogeneous media.
uk
Інститут математики НАН України
Український математичний журнал
Статті
Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
spellingShingle Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
Конет, І.М.
Статті
title_short Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
title_full Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
title_fullStr Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
title_full_unstemmed Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
title_sort узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу мелера–фока 1-го роду та його застосування
author Конет, І.М.
author_facet Конет, І.М.
topic Статті
topic_facet Статті
publishDate 2007
language Ukrainian
container_title Український математичний журнал
publisher Інститут математики НАН України
format Article
title_alt Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
description Введено обобщенное гибридное интегральное преобразование типа Мелера-Фока на отрезке [0; R] с n точками сопряжения. Рассмотрены примеры применения этого преобразования к решению типичных сингулярных краевых задач для линейных дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка в кусочно-однородных средах. We introduce a generalized hybrid integral transformation of the Mehler-Fock type on a segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transformation to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the second order in piecewise-homogeneous media.
issn 1027-3190
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/172496
citation_txt Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування / І.М. Конет // Український математичний журнал. — 2007. — Т. 59, № 10. — С. 1376–1390. — Бібліогр.: 20 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT konetím uzagalʹnenegíbridneíntegralʹneperetvorennâtipumelerafoka1gorodutaiogozastosuvannâ
AT konetím generalizedhybridmehlerfocktypeintegraltransformationofthefirstkindanditsapplications
first_indexed 2025-11-25T20:37:28Z
last_indexed 2025-11-25T20:37:28Z
_version_ 1850527028451737600
fulltext УДК 517.91:532.2 I. М. Конет (Кам’янець-Подiл. ун-т) УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА 1-ГО РОДУ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ A generalized hybrid integral transform of the Meler – Fok type is introduced on the segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transform to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the second order in piece-wise environments. Введено обобщенное гибридное интегральное преобразование типа Мелера – Фока на отрезке [0; R] с n точками сопряжения. Рассмотрены примеры применения этого преобразования к решению типичных сингулярных краевых задач для линейных дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка в кусочно-однородных средах. Вступ. При розв’язуваннi лiнiйних крайових та мiшаних задач математичної фiзи- ки однорiдних середовищ у сферичнiй системi координат методом вiдокремлення змiнних виникають рiвняння з диференцiальним оператором Лежандра Λm = d2 dr2 + cth r d dr + 1 4 − m2 sh2 r , m ≥ 0. (1) Пряме F0[f(r)] = ∞∫ 0 f(r)P− 1 2+iλ(ch r) sh rdr ≡ f̃(λ) та обернене F−1 0 [ f̃(λ) ] = ∞∫ 0 f̃(λ)P− 1 2+iλ(ch r)λ th(πλ)dλ ≡ f(r) iнтегральнi перетворення, породженi на полярнiй осi r ≥ 0 диференцiальним опе- ратором Лежандра Λ0 = d2 dr2 + cth r d dr + 1 4 , вперше у 1861 р. одержав Ф. Г. Мелер i строго обґрунтували В. А. Фок [1] та М. М. Лєбєдєв [2]. Цi перетворення ефективно використовуються при розв’язуваннi осесиметричних задач теорiї потенцiалу в областях, утворених двома сферами, що перетинаються, та в областях, обмежених поверхнями гiперболоїдiв обертання i тороїдальними поверхнями. У випадку вiдсутностi осьової симетрiї використовуються узагальненi iнте- гральнi перетворення Мелера – Фока [3] Fm [ f(r) ] = ∞∫ 0 f(r)Pm − 1 2+iλ(ch r) sh rdr ≡ f̃(λ), c© I. М. КОНЕТ, 2007 1376 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1377 F−1 m [ f̃(λ) ] = (−1)m ∞∫ 0 f̃(λ)P−m − 1 2+iλ (ch r)λ th(πλ)dλ ≡ f(r), породженi на полярнiй осi r ≥ 0 диференцiальним оператором Λm, m = 1, 2, 3, . . . . Iнтегральнi перетворення Мелера – Фока на полярнiй осi r ≥ R0 > 0 було одержано у працях [4 – 6]. Природним узагальненням диференцiального оператора (1) є оператор [7, 8] Λ(µ) = d2 dr2 + cth r d dr + 1 4 + 1 2 ( µ2 1 1− ch r + µ2 2 1 + ch r ) , (2) де (µ) = (µ1;µ2); µ1 ≥ µ2 > 0. Оператор (2) будемо називати узагальненим диференцiальним оператором Ле- жандра. Очевидно, що при µ1 = µ2 = m оператор (2) збiгається з оператором (1). Iнтегральнi перетворення типу Мелера – Фока, породженi на полярних осях r ≥ 0, r ≥ R0 > 0 та полярних вiдрiзках [0;R], [R0;R] узагальненим дифе- ренцiальним оператором Лежандра (2), одержано в [9 – 11]. Вiдповiднi гiбриднi iнтегральнi перетворення, породженi на цих осях з однiєю, двома та n точками спряження гiбридним диференцiальним оператором Лежандра, розглянуто в [12 – 15]. У цiй статтi побудовано скiнченнi гiбриднi iнтегральнi перетворення типу Мелера – Фока на вiдрiзку [0;R] з n точками спряження. Одержанi перетворен- ня застосовано до розв’язання деяких сингулярних крайових задач для лiнiйних диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними другого порядку в кусково- однорiдних середовищах. Основнi результати. Побудуємо iнтегральне перетворення, породжене на мно- жинi In = { r : r ∈ n+1⋃ k=1 (Rk−1, Rk); R0 = 0, Rn+1 = R < ∞ } узагальненим гiбридним диференцiальним оператором Лежандра L(µ) = n+1∑ k=1 θ(r −Rk−1)a2 kΛ(µ)k , R0 = 0, (3) де (µ) = ( (µ)1, (µ)2, . . . , (µ)n+1 ) ; (µ)k = (µ1k, µ2k), θ(x) — одинична функцiя Хевiсайда. Означення. Областю визначення оператора L(µ) назвемо множину G вектор- функцiй g(r) = { g1(r); g2(r); . . . ; gn+1(r) } , якi мають такi властивостi: 1) вектор-функцiя f(r) = { Λ(µ)1 [ g1(r) ] ; Λ(µ)2 [ g2(r) ] ; . . . ; Λ(µ)n+1 [ gn+1(r) ]} є неперервною на множинi In; 2) компоненти gj(r) вектор-функцiї g(r) задовольняють умови спряження[( αk j1 d dr + βk j1 ) gk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) gk+1(r) ] ∣∣∣∣ r=Rk = 0, (4) j = 1, 2, k = 1, n; 3) справджуються крайовi умови lim r→0 rγg1(r) = 0, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) gn+1(r) ∣∣∣∣ r=Rn+1 = 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1378 I. М. КОНЕТ Вважаємо, що c1kc2k > 0 для k = 1, n, αn+1 22 ≥ 0, βn+1 22 ≥ 0, αn+1 22 + βn+1 22 6= 0, cjk = αk 2jβ k 1j − αk 1jβ k 2j , j = 1, 2, k = 1, n. Лема. Компоненти вектор-функцiй u(r) та v(r) з множини G задовольняють тотожнiсть( duj dr vj − uj dvj dr )∣∣∣∣ r=Rj = c2j c1j ( duj+1 dr vj+1 − uj+1 dvj+1 dr )∣∣∣∣ r=Rj , j = 1, n. (5) Доведення. За коефiцiєнтами умов спряження (4) визначимо величини ck11 = αk 11α k 22 − αk 21α k 12, ck12 = αk 11β k 22 − αk 21β k 12, ck21 = βk 11α k 22 − βk 21α k 12, ck22 = βk 11β k 22 − βk 21β k 12; k = 1, n. Для u(r) ∈ G з умов спряження αk 11u ′ k(Rk) + βk 11uk(Rk) = αk 12u ′ k+1(Rk) + βk 12uk+1(Rk), αk 21u ′ k(Rk) + βk 21uk(Rk) = αk 22u ′ k+1(Rk) + βk 22uk+1(Rk) за правилами Крамера [16] знаходимо спiввiдношення u′k(Rk) = c−1 1k [ ck21u ′ k+1(Rk) + ck22uk+1(Rk) ] , uk(Rk) = −c−1 1k [ ck11u ′ k+1(Rk) + ck12uk+1(Rk) ] . (6) Аналогiчно, для v(r) ∈ G маємо спiввiдношення v′k(Rk) = c−1 1k [ck21v ′ k+1(Rk) + ck22vk+1(Rk)], vk(Rk) = −c−1 1k [ck11v ′ k+1(Rk) + ck12vk+1(Rk)]. (7) На основi рiвностей (6) та (7) одержуємо u′k(Rk)vk(Rk)− uk(Rk)v′k(Rk) = = c−2 1k (ck11c k 22 − ck12c k 21)(u ′ k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk)). Враховуючи нерiвнiсть ck11c k 22 − ck12c k 21 = c1kc2k > 0, отримуємо тотожнiсть (5). Лему доведено. Визначимо числа σk =  n∏ j=k c1j c2j  1 a2 k ≡ c1kc1,k+1 . . . c1n c2kc2,k+1 . . . c2n 1 a2 k , k = 1, n, σn+1 = 1 a2 n+1 , вагову функцiю ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1379 σ(r) = [ n+1∑ k=1 θ(r −Rk−1)θ(Rk − r)σk ] sh r та скалярний добуток ( u(r), v(r) ) = R∫ 0 u(r)v(r)σ(r)dr ≡ n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 uk(r)vk(r)σk sh rdr, u(r) ∈ G, v(r) ∈ G. Теорема 1. Узагальнений гiбридний диференцiальний оператор L(µ), визна- чений рiвнiстю (3), є самоспряженим, тобто ∀u, v ∈ G : ( L(µ)[u], v ) = ( u,L(µ)[v] ) . (8) Доведення. Iнтегруючи двiчi частинами, безпосередньо маємо ( L(µ)[u], v ) = n+1∑ k=1 a2 k Rk∫ Rk−1 L(µ) [ u(r) ] vk(r)σkshrdr = = n∑ k=1 { a2 k [ u′k(Rk)vk(Rk)− uk(Rk)v′k(Rk) ] σkshRk− −a2 k+1 [ u′k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk) ] σk+1shRk } + +a2 n+1 [ u′n+1(R)vn+1(R)− un+1(R)v′n+1(R) ] σn+1shR− −a2 1 [ u′1(R0)v1(R0)− u1(R0)v′1(R0) ] σ1shR0 + ( u,L(µ)[v] ) . З урахуванням тотожностi (5) i структури чисел σk одержуємо a2 k[u′k(Rk)vk(Rk)− uk(Rk)v′k(Rk)]σkshRk = = a2 k c2k c1k [ u′k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk) ] σkshRk = = a2 k+1 [ u′k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk) ] σk+1shRk. Отже, вираз у фiгурних дужках пiд знаком суми дорiвнює нулю. Третiй доданок дорiвнює нулю внаслiдок крайових умов у точцi r = 0. Якщо αn+1 22 = 0, то другий доданок дорiвнює нулю за рахунок крайових умов un+1(R) = vn+1(R) = 0. Якщо αn+1 22 6= 0, то внаслiдок крайових умов у точцi r = R маємо u′n+1(R)vn+1(R)− un+1(R)v′n+1(R) = = 1 αn+1 22 [( αn+1 22 u′n+1(R) + βn+1 22 un+1(R) ) vn+1(R)− −un+1(R) ( αn+1 22 v′n+1(R) + βn+1 22 vn+1(R) )] = ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1380 I. М. КОНЕТ = 1 αn+1 22 (0 · vn+1(R)− un+1(R) · 0) = 0, тобто у цьому випадку другий доданок також дорiвнює нулю. Отже, одержуємо рiвнiсть (8). Теорему доведено. Оскiльки оператор L(µ) не має на множинi In особливих точок, то його спектр є дискретним i дiйсним [17]. Знайдемо множину власних чисел (спектр) та множину власних вектор-функцiй V(µ) = { V(µ)1 ;V(µ)2 ; . . . ;V(µ)n+1 } оператора L(µ). Для цього розглянемо спектраль- ну задачу Штурма – Лiувiлля: побудувати нетривiальний обмежений на множинi In розв’язок сепаратної системи узагальнених диференцiальних рiвнянь Лежандра (Λ(µ)j + b2j )V(µ);j(r, β) = 0, r ∈ (Rj−1, Rj), j = 1, n+ 1, (9) за крайовими умовами lim r→0 rγV(µ);1(r, β) = 0, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) V(µ);n+1(r, β)|r=Rn+1 = 0 (10) та умовами спряження[( αk j1 d dr + βk j1 ) V(µ);k(r, β)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) V(µ);k+1(r, β) ]∣∣∣∣ r=Rk = 0, (11) k = 1, n, j = 1, 2, де b2j = a−2 j (β2 + γ2 j ), aj > 0, γ2 j ≥ 0, j = 1, n+ 1, β — спектральний параметр. Для j ≥ 2 за фундаментальну систему розв’язкiв вiзьмемо двi дiйснi функцiї A (µ)j −1/2+ibj (ch r) та B(µ)j −1/2+ibj (ch r) [8]. Якщо загальний розв’язок однорiдної крайової задачi (9) – (11) шукати за фор- мулами V(µ)1(r, β) = A1P (µ)1 −1/2+ib1 (ch r), V(µ)j (r, β) = AjA (µ)j −1/2+ibj (ch r) +BjB (µ)j −1/2+ibj (ch r), j = 2, n+ 1, то умови спряження (11) i крайова умова в точцi r = Rn+1 ≡ R дають алгебраїчну систему (2n+ 1)-го рiвняння вiдносно (2n+ 1)-го невiдомого: Z (µ)1,11 −1/2+ib1;m1(chR1)A1− −Y (µ)2,11 −1/2+ib2;m2(chR1)A2 − Y (µ)2,12 −1/2+ib2;m2(chR1)B2 = 0, m = 1, 2, Y (µ)j ,j1 −1/2+ibj ;m1 (chRj)Aj + Y (µ)j ,j2 −1/2+ibj ;m1(chRj)Bj− −Y (µ)j+1,j1 −1/2+ibj+1;m2 (chRj)Aj+1− −Y (µ)j+1,j2 −1/2+ibj+1;m2 (chRj)Bj+1 = 0, j = 2, n, m = 1, 2, Y (µ)n+1,n+1,1 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)An+1 + Y (µ)n+1,n+1,2 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)Bn+1 = 0. (12) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1381 Для того щоб система (12) мала ненульовий розв’язок, необхiдно i досить, щоб визначник системи дорiвнював нулю [16]. Таким чином, одержуємо трансцендент- не рiвняння для власних чисел δ(µ̃)(β) ≡ Y (µ)n+1,n+1,1 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)ω (n) (µ̃)n+1;2 (β)− −Y (µ)n+1,n+1,2 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)ω (n) (µ̃)n+1;1 (β) = 0, (13) де (µ̃)k = ( (µ)1, (µ)2, . . . , (µ)k), (µ ) j = (µ1j , µ2j), µ1j ≥ µ2j , k = 1, 2, . . . , k, ψ1 (µ̃)2;1j(β, chR1, chR2) = Z (µ)1,11 −1/2+ib1;11 (chR1)Y (µ)2,1j −1/2+ib2;22 (chR2)− −Z(µ)1,11 −1/2+ib1;21 (chR1)Y (µ)2,1j −1/2+ib2;12 (chR2), j = 1, 2, ψk ((µ)k;(µ)k+1);mj(β, chRk, chRk+1) = = Y (µ)k,km −1/2+ibk;11(chRk+1)Y (µ)k+1,kj −1/2+ibk+1;22 (chRk)− −Y (µ)k,km −1/2+ibk;21(chRk)Y (µ)k+1,kj −1/2+ibk+1;12 (chRk+1), k = 2, n, ω (1) (µ̃)2;j (β) = ψk ((µ)1;(µ)2);1j(β, chR1, chR2), j = 1, 2, ω (k) (µ̃)k+1;j (β) = ω (k−1) (µ̃)k;2(β)ψk ((µ)k;(µ)k+1);1j(β, chRk, chRk+1) − −ω(k−1) (µ̃)k;1(β)ψk ((µ)k;(µ)k+1);2j(β, chRk, chRk+1)j = 1, 2, k = 2, n. Згiдно з роботами [18 – 20] доводяться такi теореми. Теорема 2 (про дискретний спектр). Коренi βs трансцендентного рiвнян- ня (13) утворюють дискретний спектр: дiйснi, рiзнi, симетрично розташованi вiдносно точки β = 0; їх модулi складають монотонно зростаючу послiдовнiсть з єдиною граничною точкою β = ∞. Пiдставимо в систему (13) β = βs (bjs = a−1 j (β2 s + γ2 j )1/2) i знехтуємо остан- нiм рiвнянням внаслiдок лiнiйної залежностi. Рiвняння, що залишилися в систе- мi (13) при bk = bks, утворюють n рекурентних систем по два рiвняння в кожнiй. Розв’язуючи останнi, одержуємо V(µ);1(r, βs) = ∆(µ);n(βs)P (µ)1 −1/2+ib1s (ch r), ∆(µ);n(βs) = n∏ m=1 c2m shRm 1 S(µ)m (bms) , V(µ);k(r, βs) = ( n∏ k=m c2m shRm 1 S(µ)m (bms) ) × × [ ω (k−1) µ̃k;2 (βs)A (µ)k −1/2+ibks (ch r)− ω (k−1) µ̃k;1 (βs)B (µ)k −1/2+ibks (ch r) ] , k = 2, n, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1382 I. М. КОНЕТ V(µ);n+1(r, βs) = ω (n) µ̃m+1;2 (βs)A (µ)n+1 −1/2+ibn+1,s (ch r)− −ω(n) µ̃n+1;1 (βs)B (µ)n+1 −1/2+ibn+1,s (ch r). Власному числу βj вiдповiдає одна власна (спектральна) вектор-функцiя V(µ)(r, βj) = n+1∑ k=1 θ(r −Rk−1)θ(Rk − r)V(µ);k(r, βj), R0 = 0, Rn+1 = R. Квадрат норми спектральної вектор-функцiї визначається формулою ||V(µ)(r, βj)||2 = R∫ 0 [V(µ)(r, βj)]2σ(r)dr ≡ ≡ n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 [V(µ);k(r, βj)]2σk sh rdr, R0 = 0, Rn+1 = R. Теорема 3 (про дискретну функцiю). Система власних вектор-функцiй {V(µ)(r, βj)}∞j=1 є ортогональною на множинi In з ваговою функцiєю σ(r), повною i замкнутою. Теорема 4 (типу теореми Стєклова). Будь-яка вектор-функцiя g(r) ∈ G роз- гортається за системою власних вектор-функцiй {V(µ)(r, βj)}∞j=1 оператора L(µ) в абсолютно i рiвномiрно збiжний на кожнiй компактнiй множинi I∗n ⊂ In ряд Фур’є: g(r) = ∞∑ j=1 R∫ 0 g(ρ)V(µ)(ρ, βj)σ(ρ)dρ V(µ)(r, βj) ‖V(µ)(r, βj)‖2 . (14) Ряд Фур’є (14) визначає пряме M(µ);n та обернене M−1 (µ);n скiнченнi гiбриднi iнтегральнi перетворення типу Мелера – Фока 1-го роду на множинi In: M(µ);n[g(r)] = R∫ 0 g(r)V(µ)(r, βj)σ(r)dr ≡ g̃j = n+1∑ k=1 g̃kj = = n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 gk(r)V(µ);k(r, βj)σk sh rdr, R0 = 0, (15) M−1 (µ);n[g̃j ] = ∞∑ j=1 g̃j V(µ)(r,βj) ||V(µ)(r, βj)||2 ≡ g(r). (16) Теорема 5 (про основну тотожнiсть). Якщо вектор-функцiя f(r) = L(µ)[g(r)] є неперервною на In, а компоненти gm(r) вектор-функцiї g(r) задовольняють крайовi умови lim r→0 sh r ( V(µ);1 dg1 dr − g1 dV(µ);1 dr ) = 0, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1383( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) gn+1(r) ∣∣∣∣ r=Rn+1 = gR = const та умови спряження[( αk j1 d dr + βk j1 ) gk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) gk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = ωjk, j = 1, 2, k = 1, n, то справджується основна тотожнiсть iнтегрального перетворення узагальне- ного гiбридного диференцiального оператора Лежандра L(µ), визначеного рiвнiс- тю (3): M(µ);n[L(µ)[g(r)]] = −β2 j g̃j + (αn+1 22 )−1(shR)V(µ);n+1(R, βj)gR − − n+1∑ k=1 γ2 k Rk∫ Rk−1 gk(r)V(µ);k(r, βj)σk sh rdr + + n∑ k=1 a2 kσk c1k shRk { Zk (µ);12(βj)ω2k − Zk (µ);22(βj)ω1k } , (17) де Zk (µ);m2(βj) = ( αk m2d/dr + βk m2 ) V(µ);k+1(r, βj)|r=Rk . Застосування. Наявнiсть основної тотожностi (17) дозволяє використати вве- денi формулами (15), (16) iнтегральнi перетворення для одержання iнтегрального зображення точного аналiтичного розв’язку вiдповiдних сингулярних крайових за- дач для лiнiйних диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними другого по- рядку в кусково-однорiдних середовищах. Приклад 1. Побудувати обмежений в областi Dn = { (r, z) : r ∈ In; z ∈ (−∞, +∞) } розв’язок сепаратної системи диференцiальних рiвнянь елiптичного типу з оператором Лежандра( ∂2 ∂z2 + a2 jΛ(µ)j − χ2 j ) uj(r, z) = −fj(r, z), j = 1, n+ 1, (18) за крайовими умовами ∂u1 ∂r ∣∣∣∣ r=0 = 0, ( αn+1 22 ∂ ∂r + βn+1 22 ) un+1 ∣∣∣∣ r=Rn+1 = gR(z) (19) та умовами спряження[( αk j1 ∂ ∂r + βk j1 ) uk − ( αk j2 ∂ ∂r + βk j2 ) uk+1 ]∣∣∣∣ r=Rk = = ωjk(z), j = 1, 2, k = 1, n. (20) Не зменшуючи загальностi розв’язку задачi, будемо вважати, що max { χ2 1;χ 2 2; . . . . . . ;χ2 n+1 } = χ2 1 ≥ 0. Запишемо систему (18) у матричнiй формi ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1384 I. М. КОНЕТ ( ∂2 ∂z2 + a2 1Λ(µ)1 − χ2 1 ) u1 (r, z)( ∂2 ∂z2 + a2 2Λ(µ)2 − χ2 2 ) u2 (r, z) . . .( ∂2 ∂z2 + a2 n+1Λ(µ)n+1 − χ2 n+1 ) un+1(r, z)  = −  f1 (r, z) f2 (r, z) . . . fn+1 (r, z) . (21) Iнтегральний операторM(µ);n згiдно з (15) зобразимо у виглядi операторної матрицi- рядка M(µ);n [. . .] =  R1∫ 0 . . . V(µ);1 (r, βj) σ1 sh r dr R2∫ R1 . . . V(µ);2 (r, βj) σ2 sh r dr . . . . . . Rn∫ Rn−1 . . . V(µ);n (r, βj) σn sh r dr R∞∫ Rn . . . V(µ);n+1 (r, βj) σn+1 sh r dr  . (22) Покладемо γ2 m = χ2 1−χ2 m дляm = 1, n+ 1 i застосуємо за правилом множення мат- риць операторну матрицю-рядок (22) до системи (21). Внаслiдок тотожностi (17) одержимо крайову задачу: побудувати обмежений на (−∞,+∞) розв’язок дифе- ренцiального рiвняння другого порядку зi сталими коефiцiєнтами[ d2 dz2 − ( β2 j + χ2 1 )] ũj (z) = −F̃j (z) , (23) де F̃j (z) = f̃j (z) + ( αn+1 22 )−1 sh R V(µ);n+1 (R, βj) gR (z)+ + n∑ k=1 a2 kσk sh Rk c1k [ Zk (µ);12 (βj)ω2k (z)− Zk (µ);22 (βj)ω1k (z) ] . Безпосередньо перевiряється, що єдиним обмеженим на множинi |z| <∞ розв’язком рiвняння (23) є функцiя ũj (z) = ∞∫ −∞ e−qj |z−ζ| 2qj F̃j (ζ) dζ, qj = ( β2 j + χ2 1 )1/2 . (24) Оператор M−1 (µ);n згiдно з (16), як обернений до (15), зобразимо у виглядi оператор- ної матрицi-стовпця M−1 (µ);n [. . .] =  ∞∑ j=1 . . . V(µ);1 (r, βj) (∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 )−1 ∞∑ j=1 . . . V(µ);2 (r, βj) (∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 )−1 . . . ∞∑ j=1 . . . V(µ);n+1 (r, βj) (∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 )−1  . (25) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1385 Визначимо головнi розв’язки елiптичної задачi (18) – (20): 1) функцiї впливу ε(µ);ik (r, ρ, z, ζ) = ∞∑ j=1 e−qj |z−ζ| 2qj V(µ);i (r, βj)V(µ);k (ρ, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , i, k = 1, n+ 1; 2) функцiї Грiна W(µ);n+1,i (r, z, ζ) = = ∞∑ j=1 e−qj |z−ζ| 2qj shR αn+1 22 V(µ);i (r, βj)V(µ);n+1 (R, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , i = 1, n+ 1; 3) функцiї Грiна Rik (µ);m2 (r, z, ζ) = ∞∑ j=1 e−qj |z−ζ| 2qj a2 kσk shRk c1k Zk (µ);m2 (βj) V(µ);i (r, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 . В результатi застосування за правилом множення матриць операторної матрицi- стовпця (25) до матрицi-елемента [ ũj(z) ] , де функцiя ũj(z) визначена форму- лою (24), одержуємо єдиний розв’язок елiптичної крайової задачi (18) – (20): um (r, z) = n+1∑ k=1 ∞∫ −∞ Rk∫ Rk−1 ε(µ);mk (r, ρ, z, ζ) fk (ρ, ζ)σk sh ρ dρ dζ + + ∞∫ −∞ W(µ);n+1,m (r, z, ζ) gR (ζ) dζ + + n∑ k=1 ∞∫ −∞ [ Rmk (µ);12 (r, z, ζ)ω2k (ζ)−Rmk (µ);22 (r, z, ζ)ω1k (ζ) ] dζ, m = 1, n+ 1. Вектор-функцiя u (r, z) = { u1(r, z);u2(r, z); . . . ;un(r, z);un+1(r, z) } визначає iн- тегральне зображення єдиного аналiтичного розв’язку даної елiптичної крайової задачi. Приклад 2. Побудувати обмежений в областi D+ n = { (t, r) : t ∈ (0,∞); r ∈ ∈ In } розв’язок сепаратної системи рiвнянь параболiчного типу з оператором Ле- жандра ∂uj ∂t + χ2 juj − a2 jΛ(µ)j [uj ] = fj (t, r) , j = 1, n+ 1, (26) за початковими умовами uj (t, r)|t=0 = gj (r) , r ∈ (Rj−1, Rj) , j = 1, n+ 1, R0 = 0, (27) умовами спряження ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1386 I. М. КОНЕТ [( αk j1 ∂ ∂r + βk j1 ) uk (t, r)− ( αk j2 ∂ ∂r + βk j2 ) uk+1 (t, r) ]∣∣∣∣ r=Rk = = ωjk (t) , j = 1, 2, k = 1, n, (28) та крайовими умовами |u1|r=0 <∞, ( αn+1 22 ∂ ∂r + βn+1 22 ) un+1|r=Rn+1 = gR (t) . (29) Вважаємо, що виконуються умови узгодженостi[( αk j1 d dr + βk j1 ) gk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) gk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = = ωjk (0) , j = 1, 2, k = 1, n, g1|r=0 <∞, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) gn+1|r=Rn+1 = gR(0). Запишемо систему (26) i початковi умови (27) у матричнiй формi ( ∂ ∂t + χ2 1 − a2 1Λ(µ)1 ) u1(t, r)( ∂ ∂t + χ2 2 − a2 2Λ(µ)2 ) u2(t, r) . . .( ∂ ∂t + χ2 n+1 − a2 n+1Λ(µ)n+1 ) un+1(t, r)  =  f1 (t, r) f2 (t, r) . . . fn+1 (t, r) , (30) u1 (t, r) u2 (t, r) . . . un+1 (t, r)  ∣∣∣∣∣∣∣∣ t=0 =  g1(r) g2(r) . . . gn+1(r) . У припущеннi, що max { χ2 1;χ 2 2; . . . ;χ 2 n+1 } = χ2 1, застосуємо до задачi (30) за правилом множення матриць операторну матрицю-рядок (22). Внаслiдок тотожнос- тi (17) одержуємо задачу Кошi( d dt + q2j ) ũj = F̃j (t) , ũj |t=0 = g̃j , q2j = β2 j + χ2 1, (31) де F̃j (t) = f̃j (t) + ( αn+1 22 )−1 sh Rn+1 V(µ);n+1 (Rn+1, βj) gR (t) + + n∑ k=1 a2 kσk sh Rk c1k [ Zk (µ);12 (βj)ω2k (t)− Zk (µ);22 (βj)ω1k (t) ] . Безпосередньо перевiряється, що єдиним розв’язком задачi Кошi (31) є функцiя ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1387 ũj (t) = e−q2 j tg̃j + t∫ 0 e−q2 j (t−τ)F̃j (τ) dτ . (32) До матрицi-елемента [ũj (t)] , де функцiя ũj (t) визначена формулою (32), застосу- ємо за правилом множення матриць операторну матрицю-стовпець (25). В резуль- татi елементарних перетворень одержуємо єдиний розв’язок параболiчної задачi (26) – (29): um(t, r) = = n+1∑ k=1 t∫ 0 Rk∫ Rk−1 H(µ);mk (t− τ, r, ρ) [ fk (τ, ρ) + δ+ (τ) gk (ρ) ] σk sh ρ dρ dτ+ + t∫ 0 W(µ);n+1,m(t− τ, r)gR(τ)dτ+ + n∑ k=1 t∫ 0 [ Rmk (µ);12 (t− τ, r)ω2k(τ)− −Rmk (µ);22(t− τ, r)ω1k(τ) ] dτ, m = 1, n+ 1, (33) де δ+(τ) — мiра Дiрака, зосереджена в точцi 0+. До формули (33) входять головнi розв’язки даної параболiчної задачi: 1) функцiї впливу H(µ);mk (t, r, ρ) = ∞∑ j=1 e−q2 j tV(µ);m (r, βj) V(µ);k (ρ, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m, k = 1, n+ 1; 2) функцiї Грiна W(µ);n+1,m (t, r) = = ∞∑ j=1 e−q2 j t sh R αn+1 22 V(µ);m (r, βj) V(µ);n+1 (Rn+1, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m = 1, n+ 1; 3) функцiї Грiна Rmk (µ);i2 (t, r) = = a2 kσk shRk c1k ∞∑ j=1 e−q2 j tZk (µ);i2 (βj) V(µ);m (r, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , i = 1, 2, k = 1, n. Вектор-функцiя u (t, r) = { u1 (t, r) ;u2 (t, r) ; . . . ;un+1 (t, r) } , компоненти якої um (t, r) визначаються формулою (33), повнiстю описує єдиний розв’язок парабо- лiчної крайової задачi (26) – (29). Приклад 3. Побудувати обмежений в областi D+ n розв’язок сепаратної систе- ми рiвнянь гiперболiчного типу з оператором Лежандра ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1388 I. М. КОНЕТ[ ∂2 ∂t2 + χ2 j − a2 jΛ(µ)j ] uj (t, r) = fj (t, r) , j = 1, n+ 1, (34) за початковими умовами uj (t, r)|t=0 = ϕj (r) , ∂uj ∂t ∣∣∣∣ t=0 = ψj (r) , j = 1, n+ 1, (35) умовами спряження (28) та крайовими умовами (29). Вважаємо, що виконуються умови узгодженостi[( αk j1 d dr + βk j1 ) ϕk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) ϕk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = ωjk (0) , j = 1, 2, k = 1, n, ϕ1|r=0 <∞, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) ϕn+1 ∣∣∣∣ r=Rn+1 = gR(0), [( αk j1 d dr + βk j1 ) ψk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) ψk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = ω′jk (0) , ψ1|r=0 <∞, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) ψn+1|r=Rn+1 = g′R(0). Запишемо систему (34) i початковi умови (35) у матричнiй формi ( ∂2 ∂t2 + χ2 1 − a2 1Λ(µ)1 ) u1(t, r)( ∂2 ∂t2 + χ2 2 − a2 2Λ(µ)2 ) u2(t, r) . . .( ∂2 ∂t2 + χ2 n+1 − a2 n+1Λ(µ)n+1 ) un+1(t, r)  =  f1 (t, r) f2 (t, r) . . . fn+1 (t, r) ,  u1 (t, r) u2 (t, r) . . . un+1 (t, r)  ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ t=0 =  ϕ1 (r) ϕ2 (r) . . . ϕn+1 (r) , (36) ∂ ∂t  u1 (t, r) u2 (t, r) . . . un+1 (t, r)  ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ t=0 =  ψ1 (r) ψ2 (r) . . . ψn+1 (r) . До задачi (36) застосуємо за правилом множення матриць операторну матрицю- рядок (22) в припущеннi, що χ2 1 = max 1≤j≤n+1 { χ2 j } . Внаслiдок тотожностi (17) маємо задачу Кошi ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1389( d2 dt2 + q2j ) ũj = F̃j (t) , uj |t=0 = ϕ̃j , dũj dt ∣∣∣∣ t=0 = ψ̃j . (37) Єдиним розв’язком задачi Кошi (37) є функцiя ũj = sin qjt qj ψ̃j + d dt sin qjt qj ϕ̃j + t∫ 0 sin qj (t− τ) qj F̃j (τ) dτ . (38) До матрицi-елемента [ũj ], де функцiя ũj має структуру (38), за правилом множення матриць застосуємо операторну матрицю-стовпець (25). В результатi елементарних перетворень одержимо компоненти um (t, r) = = n+1∑ k=1 t∫ 0 Rk∫ Rk−1 H(µ);mk (t− τ, r, ρ) [ fk (τ, ρ) + δ+ (τ)ψk (ρ) ] σk sh ρ dρ dτ+ + ∂ ∂t n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 H(µ);mk (t, r, ρ)ϕk (ρ)σk sh ρ dρ+ + t∫ 0 W(µ);n+1,m (t− τ, r) gR (τ) dτ+ + n∑ k=1 t∫ 0 [ Rmk (µ);12 (t− τ, r)ω2k (τ)−Rmk (µ);22 (t− τ, r)ω1k (τ) ] dτ, m = 1, n+ 1, (39) вектор-функцiї u (t, r) = { u1 (t, r) ;u2 (t, r) ; . . . ;un (t, r) ;un+1 (t, r) } , яка визначає єдиний аналiтичний розв’язок даної гiперболiчної задачi. Формули (39) мiстять головнi розв’язки гiперболiчної задачi (34), (35), (28), (29): 1) функцiї впливу H(µ);mk (t, r, ρ) = ∞∑ j=1 sin qjt qj V(µ);m (r, βj) V(µ);k (ρ, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m, k = 1, n+ 1; 2) функцiї Грiна W(µ);n+1,m (t, r) = = ∞∑ j=1 sin qjt qj sh R αn+1 22 V(µ);m (r, βj) V(µ);n+1 (Rn+1, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m = 1, n+ 1; 3) функцiї Грiна Rmk (µ);i2 (t, r) = a2 kσk shRk c1k ∞∑ j=1 sin qjt qj Zk (µ);i2 (βj) V(µ);m (r, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1390 I. М. КОНЕТ i = 1, 2, k = 1, n, m = 1, n+ 1. Зауважимо, що побудованi розв’язки мають алгоритмiчний характер i неперерв- но залежать вiд параметрiв та даних задачi. 1. Фок В. А. О разложении произвольной функции в интеграл по функциям Лежандра с комплекс- ным значком // Докл. АН СССР. – 1943. – 39, № 7. – С. 253 – 256. 2. Лебедев Н. Н. Некоторые интегральные преобразования математической физики: Автореф. дис. . . . д-ра физ.-мат. наук. – Л., 1951. – 18 с. 3. Уфлянд Я. С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. – Л.: Наука, 1967. – 402 с. 4. Белова Н. А. Об одном разложении в интегралы по сферическим функциям первого и второго рода // Дифференц. уравнения. – 1969. – 5, вып. 11. – С. 2096 – 2100. 5. Улитко А. Ф. Об одном обобщении интегрального преобразования Мелера – Фока // Прикл. механика. – 1967. – 3, вып. 5. – С. 45 – 49. 6. Уфлянд Я. С. О некоторых новых интегральных преобразованиях и их приложениях к задачам математической физики // Вопросы математической физики. – Л., 1976. – С. 93 – 106. 7. Федотова И. А. Об одном интегральном преобразовании с обобщенными присоединенными функциями Лежандра // Вычислит. и прикл. математика: Межвед. науч. сб. – 1990. – Вып. 71. – С. 33 – 43. 8. Вирченко Н. А., Федотова И. А. Обобщенные функции Лежандра и их применение. – Киев, 1998. – 158 с. 9. Конет I. М., Нiкiтiна О. М. Iнтегральне перетворення, породжене на полярнiй осi r ≥ 0 узагальненим диференцiальним оператором Лежандра // Сучаснi проблеми математики: Мат. мiжнар. наук. конф. – Чернiвцi: Рута, 1998. – Ч. 4. – С. 47 – 50. 10. Конет I. М., Нiкiтiна О. М. Iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока, породжене на полярнiй осi r ≥ R0 > 0 узагальненим диференцiальним оператором Лежандра // Зб. наук. пр. Кам’янець-Подiл. пед. ун-ту. Сер. фiз.-мат. – 1998. – Вип. 4. – С. 57 – 63. 11. Конет I. М., Ленюк М. П., Нiкiтiна О. М. Деякi узагальнення iнтегральних перетворень типу Мелера – Фока. – Київ, 1998. – 56 с. – (Препринт / НАН України. Iн-т математики; 98.6). 12. Конет I. М. Про узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на полярнiй осi з N точками спряження // Интегральные уравнения и их применения: Тез. докл. междунар. конф. – Одесса, 2005. – С. 70. 13. Конет I. М. Про узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на кусково- однорiднiй полярнiй осi r ≥ R0 > 0 // Диференц. рiвняння та їх застосування (Мiжнар. конф., присв. 60-рiччю кафедри iнтегральних i диференц. рiвнянь Київ. нац. ун-ту iм. Т. Шевченка): Тези доп. – Київ, 2005. – С. 46. 14. Конет I. М., Ленюк М. П. Узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на полярнiй осi з n точками спряження // Доп. НАН України. Математика, природознавство, технiчнi науки. – 2006. – № 9. – С. 22 – 27. 15. Конет I. М., Ленюк М. П. Узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на полярнiй осi r ≥ R0 > 0 з n точками спряження // Мат. студiї. – 2006. – 25, № 2. – С. 169 – 180. 16. Курош А. Г. Курс высшей алгебры. – М.: Наука, 1971. – 432 с. 17. Данфорд Н., Шварц Дж. Линейные операторы. Общая теория. – М.: Изд-во иностр. лит., 1962. – 895 с. 18. Комаров Г. М., Ленюк М. П., Мороз В. В. Скiнченнi гiбриднi iнтегральнi перетворення, породженi диференцiальними рiвняннями другого порядку. – Чернiвцi: Прут, 2001. – 228 с. 19. Ленюк М. П. Гибридные интегральные преобразования (Бесселя, Лежандра, Бесселя) // Укр. мат. журн. – 1991. – 43, № 6. – С. 770 – 779. 20. Ленюк М. П., Олейник Н. П. Об одном классе интегральных преобразований (Бесселя – Фурье – Бесселя – . . . – Фурье – Бесселя) на полярной оси с 2n точками сопряжения // Там же. – 1993. – 45, № 8. – С. 1096 – 1103. Одержано 12.09.2006 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10