Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением

Побудовано асимптотичний розв’язок першої крайової задачi для лiнiйної сингулярно збуреної системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними параболiчного типу з виродженням....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автор: Самусенко, П.Ф.
Формат: Стаття
Мова:Russian
Опубліковано: Інститут математики НАН України 2012
Назва видання:Нелінійні коливання
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175590
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:Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением / П.Ф. Самусенко // Нелінійні коливання. — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 244-257. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-175590
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1755902025-02-10T00:15:28Z Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением Асимптотичне iнтегрування сингулярно збурених систем диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними параболiчного типу з виродженням Asymptotic integration of singularly perturbed systems of parabolic type partial differential equations with degenerations Самусенко, П.Ф. Побудовано асимптотичний розв’язок першої крайової задачi для лiнiйної сингулярно збуреної системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними параболiчного типу з виродженням. We construct an asymptotic solution of the first boundary-value problem for a linear singularly perturbed system of parabolic partial differential equations with degenerations. 2012 Article Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением / П.Ф. Самусенко // Нелінійні коливання. — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 244-257. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1562-3076 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175590 517.955.8 ru Нелінійні коливання application/pdf Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Побудовано асимптотичний розв’язок першої крайової задачi для лiнiйної сингулярно збуреної системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними параболiчного типу з виродженням.
format Article
author Самусенко, П.Ф.
spellingShingle Самусенко, П.Ф.
Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
Нелінійні коливання
author_facet Самусенко, П.Ф.
author_sort Самусенко, П.Ф.
title Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
title_short Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
title_full Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
title_fullStr Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
title_full_unstemmed Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
title_sort асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2012
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175590
citation_txt Асимптотическое интегрирование сингулярно возмущенных систем дифференциальных уравнений в частных производных параболического типа с вырождением / П.Ф. Самусенко // Нелінійні коливання. — 2012. — Т. 15, № 2. — С. 244-257. — Бібліогр.: 11 назв. — рос.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT samusenkopf asimptotičeskoeintegrirovaniesingulârnovozmuŝennyhsistemdifferencialʹnyhuravneniivčastnyhproizvodnyhparaboličeskogotipasvyroždeniem
AT samusenkopf asimptotičneintegruvannâsingulârnozburenihsistemdiferencialʹnihrivnânʹzčastinnimipohidnimiparaboličnogotipuzvirodžennâm
AT samusenkopf asymptoticintegrationofsingularlyperturbedsystemsofparabolictypepartialdifferentialequationswithdegenerations
first_indexed 2025-12-02T02:27:50Z
last_indexed 2025-12-02T02:27:50Z
_version_ 1850361745751670784
fulltext УДК 517.955.8 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ В ЧАСТНЫХ ПРОИЗВОДНЫХ ПАРАБОЛИЧЕСКОГО ТИПА С ВЫРОЖДЕНИЕМ П. Ф. Самусенко Нац. пед. ун-т им. М. П. Драгоманова Украина, 01030, Киев, ул. Пирогова, 9 e-mail: psamusenko@ukr.net We construct an asymptotic solution of the first boundary-value problem for a linear singularly perturbed system of parabolic partial differential equations with degenerations. Побудовано асимптотичний розв’язок першої крайової задачi для лiнiйної сингулярно збуреної системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними параболiчного типу з виродженням. Различные задачи теории линейных параболических систем рассматривались в работах И. Г. Петровского, О. А. Олейник, О. А. Ладыженской, В. А. Солонникова, Н. Н. Ураль- цевой, М. С. Аграновича, М. И. Вишика, С. Д. Эйдельмана, В. Ф. Бутузова, С. Д. Иваси- шена. В частности, О. А. Ладыженской и Н. Н. Уральцевой установлены достаточные условия существования и единственности классического и обобщенного решения основ- ных краевых задач в линейном случае. При этом обосновано применение метода Фурье для их решения [1, с. 295 – 299]. Аналогичные результаты о существовании и единственности решений соответствую- щих задач для сингулярно возмущенных уравнений получены О. А. Олейник [2]. Оригинальный метод решения краевых задач для сингулярно возмущенных уравне- ний в частных производных предложил В. Ф. Бутузов [3]. Согласно разработанному им методу угловых погранфункций, асимптотические решения краевых задач строятся в ви- де регулярной и погранслойной частей. При этом функции погранслойной части — ре- шения определенных дифференциальных уравнений с постоянными коэффициентами, удовлетворяющие некоторым краевым условиям. В данной работе рассматривается первая краевая задача для вырожденной линейной сингулярно возмущенной параболической системы. По постановке задача близка к ис- следованиям Ю. А. Митропольского и Г. П. Хомы регулярно возмущенных квазилиней- ных и нелинейных уравнений гиперболического типа [4, с. 137 – 225]. С. Ф. Фещенко и Н. И. Шкиль при решении первой краевой задачи для гиперболиче- ских уравнений с медленно меняющимися коэффициентами использовали метод Фурье [5, с. 226 – 245]. При этом вопрос о сходимости соответствующих рядов и возмож- ности их почленного дифференцирования оставался открытым. Заметим, что уравнения с медленно меняющимися коэффициентами заменой независимой переменной сводятся к сингулярно возмущенным. c© П. Ф. Самусенко, 2012 244 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 245 Итак, рассмотрим задачу εB(t) ∂u ∂t = A(t) ∂2u ∂x2 + εC(x, t)u+ f(x, t), t > 0, 0 < x < L, (1) u(x, 0, ε) = ϕ(x), 0 ≤ x ≤ L, (2) u(0, t, ε) = u(L, t, ε) = 0, t ≥ 0, (3) где u = u(x, t, ε) — искомая двумерная вектор-функция, A(t), B(t), C(x, t) — квадратные матрицы 2-го порядка, f(x, t), ϕ(x) — двумерные вектор-функции с действительными или комплекснозначными компонентами, ε ∈ (0; ε0], ε0 � 1, — малый параметр. При этом наличие вырожденной матрицы B(t) значительно усложняет процесс решения за- дачи (1) – (3), так как можно считать, что система (1) при расщеплении приводит к двум дифференциальным уравнениям в частных производных различного типа. 1. Допустим, что выполняются условия: 1) A(t), B(t) ∈ C∞[0;∞), C(x, t), f(x, t) ∈ C∞([0;L]× [0;∞)); 2) ϕ(x) ∈ C4[0;L]; 3) ϕ(2k)(0) = ϕ(2k)(L) = 0, k = 0, 1; 4) пучок матриц A(t)− λB(t) регулярный для всех t ∈ [0;∞), имеет один конечный и один бесконечный элементарные делители; 5) λ0(t) > 0, где λ0(t) — собственное значение матрицы A(t) относительно B(t). Пусть T > 0 — произвольная фиксированная постоянная. Решение задачи (1) – (3) в прямоугольнике DT , DT = {(x, t) : 0 ≤ x ≤ L, 0 ≤ t ≤ T}, будем искать в виде ряда u(x, t, ε) = ∞∑ s=1 zs(t, ε)vs(x), (4) где zs(t, ε) — искомая двумерная вектор-функция, а vs(x) — скалярная функция, удовле- творяющая уравнению v′′s (x) + ω2 svs(x) = 0, ωs = sπ L , (5) с краевыми условиями vs(0) = vs(L) = 0. Положим vs(x) = √ 2 L sinωsx, ωs = sπ L , s ∈ N. Тогда L∫ 0 vk(x)vs(x)dx = δks, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 246 П. Ф. САМУСЕНКО где δks — символ Кронекера. Подставляя (4) в (1), учитывая при этом (5), умножая полученное равенство на vs(x) и интегрируя обе его части по x в пределах от 0 до L, приходим к системе εB(t)z′s + ω2 sA(t)zs = ε ∞∑ k=1 Csk(t)zk + fs(t), s ∈ N, (6) где Csk(t) = L∫ 0 C(x, t)vk(x)vs(x) dx, fs(t) = L∫ 0 f(x, t)vs(x) dx. Из условий 1, 4 следует существование неособенных матриц P (t), Q(t), t ∈ [0;T ], таких, что [6, с. 24] P (t)B(t)Q(t) = H ≡ ( 0 0 0 1 ) , P (t)A(t)Q(t) = Ω(t) ≡ ( 1 0 0 λ0(t) ) . При этом P (t), Q(t) ∈ C∞[0;T ]. Полагая zs(t, ε) = Q(t)rs(t, ε) и умножая обе части системы (6) слева на P (t), полу- чаем εHr′s + ω2 sΩ(t)rs = ε ∞∑ k=1 D0sk(t)rk + εD1(t)rs + P (t)fs(t), (7) где D0sk(t) = P (t)Csk(t)Q(t), s, k ∈ N, D1(t) = −P (t)B(t)Q′(t). Предположим, что выполняется условие 6) f(0, t) = f(L, t) = 0, t ∈ [0;T ]. Тогда, интегрируя по частям, находим ‖D0sk(t)‖ ≤ M (ωk − ωs)2 , k 6= s, k, s ∈ N, ‖fs(t)‖ ≤ M ω3 s , s ∈ N, причем постоянная M не зависит от k, s. В дальнейшем в случае, когда важен только факт ограниченности, а не величина соответствующей постоянной, будем использовать одну и ту же постоянную M. Запишем систему (7) следующим образом: εH̃r′ + Ω̃(t)r = εD̃(t)r + f̃(t), (8) где r(t, ε) и f̃(t) — бесконечномерные векторы с компонентами rs(t, ε) и P (t)fs(t) со- ответственно, H̃ = diag {H,H, . . .}, Ω̃(t) = diag {ω2 1Ω(t), ω2 2Ω(t), . . .}, D̃(t) = D̃0(t) + +D̃1(t), D̃0(t) — бесконечная матрица, состоящая из блоков D0sk(t), s, k ∈ N, D̃1(t) = = diag {D1(t), D1(t), . . .}. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 247 Решение системы (8) будем искать в виде r(t, ε) = Π(t, ε)ξ(t, ε) + g(t, ε), (9) где ξ(t, ε) — бесконечномерная вектор-функция, являющаяся решением задачи ε dξ dt = Λ(t, ε)ξ, ξ(0, ε) = a, (10) a — бесконечномерный вектор, все компоненты которого равны 1; Π(t, ε) — бесконеч- ная матрица, Λ(t, ε) — бесконечная диагональная матрица и g(t, ε) — бесконечномерная вектор-функция вида Π(t, ε) = m∑ i=0 εiΠ(i)(t), Λ(t, ε) = m∑ i=0 εiΛ(i)(t), g(t, ε) = m∑ i=0 εig(i)(t). (11) Подставим (9) с учетом (10) в систему (8). Тогда, сравнивая матрицу при ξ(t, ε) и сво- бодный член соответственно с нулевой матрицей и нулевым вектором, получаем H̃Π(t, ε)Λ(t, ε) + Ω̃(t)Π(t, ε) = εD̃(t)Π(t, ε)− εH̃Π′(t, ε), (12) Ω̃(t)g(t, ε) = εD̃(t)g(t, ε) + f̃(t)− εH̃g′(t, ε). (13) Сравним коэффициенты при одинаковых степенях εi, i = 0,m, в тождестве (12): H̃Π(0)(t)Λ(0)(t) + Ω̃(t)Π(0)(t) = 0, (14) H̃Π(i)(t)Λ(0)(t) + Ω̃(t)Π(i)(t) = D̃(t)Π(i−1)(t)− H̃(Π(i−1)(t))′− − H̃ i−1∑ j=0 Π(j)(t)Λ(i−j)(t), i = 1,m. (15) Докажем разрешимость матричных уравнений (14), (15). Пусть p(0)l (t), l ∈ N,— столб- цы матрицы Π(0)(t), Λ(0)(t) = diag {0, λ(0)1 (t), 0, λ (0) 2 (t), . . .}. Тогда систему (14) можно за- писать следующим образом: (Ω̃(t) + λ (0) l (t)H̃)p (0) 2l (t) = 0, Ω̃(t)p (0) 2l−1(t) = 0, l ∈ N. Положим λ (0) l (t) = −ω2 l λ0(t), l ∈ N, p (0) 2l−1(t) ≡ 0, {p(0)2l (t)}2j−1 ≡ 0, t ∈ [0;T ], j, l ∈ N, ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 248 П. Ф. САМУСЕНКО {p(0)2l (t)}2j ≡ 0, t ∈ [0;T ], j 6= l, j, l ∈ N, {p(0)2l (t)}2l, l ∈ N, определим ниже. Из системы (15) получаем (Ω̃(t) + λ (0) l (t)H̃)p (i) 2l (t) = b (i) 2l (t), Ω̃(t)p (i) 2l−1(t) = b (i) 2l−1(t), l ∈ N, где b (i) 2l (t) = D̃(t)p (i−1) 2l (t)− H̃(p (i−1) 2l (t))′ − H̃ i−1∑ j=0 λ (i−j) l (t)p (j) 2l (t), l ∈ N, p(i)l (t), i = 1,m, — столбцы матрицы Π(i)(t), Λ(i)(t) = diag {0, λ(i)1 (t), 0, λ (i) 2 (t), . . .}. Тогда p (i) 2l−1(t) ≡ 0, t ∈ [0;T ], {p(i)2l (t)}2j−1 = {b(i)2l (t)}2j−1 ω2 j , i = 1,m, j, l ∈ N, {p(i)2l (t)}2j = {b(i)2l (t)}2j λ0(t)(ω2 j − ω2 l ) , i = 1,m, j 6= l, j, l ∈ N, {p(i)2l (t)}2l ≡ 0, t ∈ [0;T ], i = 1,m, l ∈ N, λ (i) l (t) = 1 {p(0)2l (t)}2l  ∞∑ h=1 {D̃(t)}2l,h{p (i−1) 2l (t)}h − {p (i−1) 2l (t)}′2l − i−1∑ j=1 λ (i−j) l (t){p(j)2l (t)}2l  , i = 1,m, l ∈ N. Рассмотрим теперь тождество (13). Сравнивая в нем коэффициенты при одинаковых степенях εi, i = 0,m, находим Ω̃(t)g(0)(t) = f̃(t), Ω̃(t)g(i)(t) = D̃(t)g(i−1)(t)− H̃(g(i−1)(t))′, i = 1,m. Таким образом, g(0)(t) = (Ω̃(t))−1f̃(t), g(i)(t) = (Ω̃(t))−1 ( D̃(t)g(i−1)(t)− H̃(g(i−1)(t))′ ) , i = 1,m. Оценим p (i) l (t), λ (i) l (t), i = 0,m, l ∈ N. Допустим, что p(0)l (t) ≡ const, t ∈ [0;T ], l ∈ N. Будем считать, что пара натуральных чисел (j, l) принадлежит множеству A ((j, l) ∈ A), если j = 2q − 1, 2q, l = 2r − 1, 2r, q 6= r, q, r ∈ N. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 249 По построению |{D̃(t)p (0) 2l }k| ≤  M |{p(0)2l }2l| (ωj − ωl)2 , (k, 2l) ∈ A, M |{p(0)2l }2l|, (k, 2l) 6∈ A, k = 2j − 1, 2j, j, l ∈ N, (16) причем постоянная M не зависит от j, l. Тогда p(1)l (t), λ (1) l (t), l ∈ N , для всех t ∈ [0;T ] существуют и |{p(1)2l (t)}2j−1| ≤  M |{p(0)2l }2l| ω2 j (ωj − ωl)2 , (2j − 1, 2l) ∈ A, M |{p(0)2l }2l| ω2 j , (2j − 1, 2l) 6∈ A, j, l ∈ N, |{p(1)2l (t)}2j | ≤ M |{p(0)2l }2l| |ω2 j − ω2 l |(ωj − ωl)2 , (2j, 2l) ∈ A, j, l ∈ N, |λ(1)l (t)| ≤ M, l ∈ N, постоянная M не зависит от j, l. Используя метод математической индукции, доказываем существование p(i)l (t), λ (i) l (t), l ∈ N, i = 2,m. При этом |{p(i)2l (t)}2j−1| ≤  M |{p(0)2l }2l| ω2 j (ωj − ωl)2 , (2j − 1, 2l) ∈ A, M |{p(0)2l+}2l| ω2 jωl , (2j − 1, 2l) 6∈ A, j, l ∈ N, (17) |{p(i)2l (t)}2j | ≤ M |{p(0)2l }2l| |ω2 j − ω2 l |(ωj − ωl)2 , (2j, 2l) ∈ A, j, l ∈ N, (18) |λ(i)l (t)| ≤ M, l ∈ N, (19) i = 2,m, постоянная M не зависит от j, l. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 250 П. Ф. САМУСЕНКО Действительно, допустим, что оценки (17) – (19) справедливы при i = k, k ≥ 2. Тогда {D̃(t)p (k) 2l (t)}2j−1 = ∞∑ h=1 {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h = = ∞∑ h=1 (2j−1,h)∈A {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h + ∞∑ h=1 (2j−1,h)6∈A {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h = = ∞∑ h=1 (2j−1,h)∈A h=2p−1, p∈N {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h + ∞∑ h=1 (2j−1,h)∈A h=2p, p∈N {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h+ + {D̃(t)}2j−1,2j−1{p(k)2l (t)}2j−1 + {D̃(t)}2j−1,2j{p(k)2l (t)}2j = = ∞∑ h=1 (2j−1,h)∈A h=2p−1, p∈N (2p−1,2l)∈A {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h + ∞∑ h=1 (2j−1,h)∈A h=2p−1, p∈N (2p−1,2l)6∈A {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h+ + ∞∑ h=1 (2j−1,h)∈A h=2p, p∈N {D̃(t)}2j−1,h{p (k) 2l (t)}h + {D̃(t)}2j−1,2j−1{p(k)2l (t)}2j−1+ + {D̃(t)}2j−1,2j{p(k)2l (t)}2j . Таким образом, ∣∣∣{D̃(t)p (k) 2l (t)}2j−1 ∣∣∣ ≤ K1 ∣∣∣{p(0)2l }2l ∣∣∣  ∞∑ p=1 p 6=j, p6=l 1 (ωj − ωp)2ω2 p(ωp − ωl)2 + 1 ω2 l (ωj − ωl)2 + + ∞∑ p=1 p6=j, p6=l 1 (ωj − ωp)2|ω2 p − ω2 l |(ωp − ωl)2 + 1 ω2 j (ωj − ωl)2 + 1 |ω2 j − ω2 l |(ωj − ωl)2  ≤ ≤ K2|{p(0)2l }2l| (ωj − ωl)2 для всех (2j − 1, 2l) ∈ A, j, l ∈ N (постоянные K1, K2 не зависят от j, l ∈ N). Если же (2j − 1, 2l) 6∈ A, j, l ∈ N, то |{D̃(t)p (k) 2l (t)}2j−1| ≤ M2|{p(0)2l }2l| ωl . ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 251 Тогда по построению для i = k + 1 имеет место оценка (17). Аналогично показываем справедливость оценок (18), (19). Заметим, что |{g(i)(t)}k| ≤ M ω4 j , i = 0,m, k = 2j − 1, 2j, j ∈ N. Пусть w(t, ε) = Π(t, ε)ξ(t, ε) + g(t, ε). Построим вектор-функцию um(x, t, ε) = Q(t) ∞∑ s=1 ws(t, ε)vs(x), (20) где ws(t, ε) = ( {w(t, ε)}2s−1 {w(t, ε)}2s ) , s ∈ N, {w(t, ε)}j = ∞∑ l=1 {Π(t, ε)}jl{ξ(t, ε)}l + {g(t, ε)}j , j = 2s− 1, 2s, s ∈ N. Величины {p(0)2l }2l, l ∈ N, определим из системы {w(0, ε)}2l = 2∑ j=1 {Q−1(0)}2j{al}j , l ∈ N. (21) Здесь {al}j — компоненты вектора al = ∫ L 0 ϕ(x)vl(x) dx, l ∈ N. Согласно формулам Крамера запишем систему (21) следующим образом: {p(0)2l }2l = f ( {p(0)2l }2l ) , l ∈ N, (22) где ∥∥f({p(0)2l }2l )∥∥ ≤ M1 ω4 l + εM2 ∞∑ h=1 h6=l |{p(0)2h }2h| |ω2 l − ω2 h|(ωl − ωh)2 , постоянные M1, M2 не зависят от l. Таким образом, на множествах Sl4 = { {p(0)2l }2l ∈ R 1 : |{p(0)2l }2l| ≤ M0 ω4 l } , M0 < M1, l ∈ N, функции f({p(0)2l }2l) удовлетворяют условиям теоремы о существовании и единственнос- ти неподвижной точки [7, с. 609], т. е. система (22) на множестве Sl4 имеет единственное решение. Предположим, что выполняются такие условия: ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 252 П. Ф. САМУСЕНКО 7) {p(0)2l }2l 6= 0, l ∈ N ; 8) {w(0, ε)}2l−1 = ∑2 j=1{Q−1(0)}1j{al}j , l ∈ N. Для найденных {p(0)2l }2l ряд (20) в прямоугольнике DT сходится абсолютно и равно- мерно. При этом возможно почленное дифференцирование ряда (20) до двух раз вклю- чительно; полученные таким образом ряды сходятся абсолютно и равномерно для всех (x, t) ∈ DT . Заметим, что um(x, 0, ε) = ϕ(x). По построению вектор-функция ws(t, ε) удовлетворяет системе (6) с точностью O ( εm+1 ω2 s ) , s ∈ N, т. е. ‖cs(t, ε)‖ ≤ k0ε m+1 ω2 s , t ∈ [0;T ], где cs(t, ε) — соответствующий остаток, постоянная k0 не зависит от ε, s. Пусть rs(t, ε) = ws(t, ε) + ys(t, ε). (23) Тогда εHy′s + ω2 sΩ(t)ys = ε ∞∑ k=1 D0sk(t)yk + εD1(t)ys +O ( εm+1 ω2 s ) , (24) или ys1(t, ε) = ε ω2 s  ∞∑ k=1 2∑ j=1 {D0sk(t)}1jykj +O ( εm ω2 s ) , (25) εy′s2 + ω2 sλ0(t)ys2 = ε ∞∑ k=1 2∑ j=1 {D0sk(t)}2jykj + ε 2∑ j=1 {D1(t)}2jysj +O ( εm+1 ω2 s ) , s ∈ N, (26) где ysi — i-я компонента вектор-функции ys. Положим ys(0, ε) = 0, s ∈ N. (27) Таким образом, ys2(t, ε) = t∫ 0 exp −ω2 s ε t∫ τ λ0(v)dv × ×  ∞∑ k=1 2∑ j=1 {D0sk(τ)}2jykj + 2∑ j=1 {D1(τ)}2jysj +O ( εm ω2 s ) dτ, s ∈ N. (28) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 253 Пусть выполняется следующее условие: 9) {D̃0(0)}2l−1,j = 0, {f̃(0)}2l−1,j = 0, j, l ∈ N. Тогда для достаточно больших k1, k1 > k0 max { 1, 1 β } , 0 < β < λ0(t), t ∈ [0;T ], оператор, определяемый с помощью (25), (28), отображает выпуклое замкнутое множе- ство Ds4, Ds4 = { ys(t, ε) ∈ C[0;T ] : ‖ys(t, ε)‖ ≤ k1ε m+1 ω4 s } , s ∈ N, ε ∈ [0; ε1], полного нормированного пространства C[0;T ] в его компактное подмножество и явля- ется неперервным на D (2) s4 . Поэтому он имеет неподвижные точки на множестве Ds4 [7, с. 628]. Таким образом, система (25), (28) совместна. При этом справедливы равенст- ва (27). Используя метод доказательства от противного, показываем единственность найден- ного решения системы (25), (28) [8, с. 147 – 149]. Из полученных оценок для функций ysi(t, ε) следует абсолютная и равномерная схо- димость ряда ∞∑ s=1 ys(t, ε)vs(x) (29) в прямоугольникеDT .При этом возможно почленное дифференцирование ряда (29) по t и x до двух раз включительно; полученные ряды сходятся абсолютно и равномерно вDT . По построению εB(t) ∞∑ k=1 z′k(t, ε) L∫ 0 vk(x)vs(x) dx+A(t) ∞∑ k=1 ω2 kzk(t, ε) L∫ 0 vk(x)vs(x) dx ≡ ≡ ε ∞∑ k=1  L∫ 0 C(x, t)vk(x)vs(x)dx  zk(t, ε) + L∫ 0 f(x, t)vs(x) dx, s ∈ N, или L∫ 0 ( εB(t) ∂u(x, t, ε) ∂t −A(t) ∂2u(x, t, ε) ∂x2 − εC(x, t)u(x, t, ε)− f(x, t) ) vs(x) dx ≡ 0, s ∈ N, где вектор-функция u(x, t, ε) определяется по формуле (4). Положим q(x, t, ε) = εB(t) ∂u(x, t, ε) ∂t −A(t) ∂2u(x, t, ε) ∂x2 − εC(x, t)u(x, t, ε)− f(x, t). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 254 П. Ф. САМУСЕНКО Рассмотрим ряд ∞∑ s=1 qs(t, ε)vs(x), где qs(t, ε) = L∫ 0 q(x, t, ε)vs(x) dx, s ∈ N. По построению qs(t, ε) ≡ 0, t ∈ [0;T ], s ∈ N. Поскольку вектор-функция q(x, t, ε) непрерывна по переменной x, x ∈ [0;L] (t, ε счи- таем параметрами), и q(0, t, ε) = q(L, t, ε) = 0, t ∈ [0;T ], продолжая нечетным способом компоненты q(x, t, ε) на отрезок [−L; 0], приходим к выво- ду, что q(x, t, ε) ≡ 0, (x, t) ∈ DT [9, с. 578]. Таким образом, вектор-функция (4) в прямоугольнике DT — решение задачи (1) – (3), причем ‖u(x, t, ε)− um(x, t, ε)‖ = O(εm+1). (30) В силу произвольности T решение задачи (1) – (3) определяется на множествеD∞, D∞ = = {(x, t) : 0 ≤ x ≤ L, t ≥ 0}. Теорема 1. Пусть A(t), B(t) ∈ Cm+1[0;∞), C(x, t), f(x, t) ∈ Cm+1([0;L] × [0;∞)) и выполняются условия 2 – 9. Тогда существует такое число ε1, 0 < ε1 ≤ ε0, что для всех ε ∈ (0; ε1] задача (1) – (3) на множестве D∞ имеет единственное решение (4), для которого в DT ⊂ D∞ справедлива оценка (30). 2. В части 1 мы построили классическое решение задачи (1) – (3). При этом условия 1 – 3, 6 позволяли дважды почленно дифференцировать соответствующие ряды. Допустим теперь, что выполняются следующие условия: 10) ϕ(x) ∈ C2[0;L]; 11) ϕ(0) = ϕ(L) = 0. Тогда аналогично показываем, что на множествах Sl2 = { {p(0)2l }2l ∈ R 1 : |{p(0)2l }2l| ≤ M0 ω2 l } , l ∈ N, система (22) имеет единственное решение {p(0)2l }2l. В данном случае вектор-функция ws(t, ε) удовлетворяет системе (6) с точностью O ( εm+1 ωs ) , s ∈ N, а для решения ysi = ysi(t, ε), i = 1, 2, системы (25), (28) имеет ме- сто оценка ysi(t, ε) = O ( εm+1 ω3 s ) , s ∈ N . ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 255 По построению εB(t) m∑ k=1 z′k(t, ε) L∫ 0 vk(x)vs(x) dx+A(t) m∑ k=1 ω2 kzk(t, ε) L∫ 0 vk(x)vs(x)dx ≡ ≡ ε ∞∑ k=1  L∫ 0 C(x, t)vk(x)vs(x)dx  zk(t, ε) + L∫ 0 f(x, t)vs(x) dx, s = 1,m, т. е. L∫ 0 ( εB(t) ∂um(x, t, ε) ∂t −A(t) ∂2um(x, t, ε) ∂x2 − εC(x, t)u(x, t, ε)− f(x, t) ) vs(x) dx ≡ 0, s = 1,m, um(x, t, ε) = m∑ k=1 zk(t, ε)vk(x). Рассмотрим ряд ∞∑ s=1 qms(t, ε)vs(x), (31) где qms(t, ε) = L∫ 0 qm(x, t, ε) vs(x) dx, s ∈ N, qm(x, t, ε) = εB(t) ∂um(x, t, ε) ∂t −A(t) ∂2um(x, t, ε) ∂x2 − εC(x, t)u(x, t, ε)− f(x, t). По построению qms(t, ε) ≡ 0, t ∈ [0;T ], s = 1,m. Оценим остальные коэффициенты qms(t, ε), s ≥ m+ 1. Для этого заметим, что qm+1(x, t, ε) = qm(x, t, ε) + εB(t)z′m+1(t, ε)vm+1(x)−A(t)zm+1(t, ε)v ′′ m+1(x). Поскольку qm+1,s(t, ε) ≡ 0, t ∈ [0;T ], s = 1,m+ 1, то qm,m+1(t, ε) = −(εB(t)z′m+1(t, ε) + ω2 m+1A(t)zm+1(t, ε)). Таким образом, ‖qm,m+1(t, ε)‖ ≤ M ω2 m+1 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 256 П. Ф. САМУСЕНКО c постоянной M, не зависящей от m. И вообще, учитывая, что qm+i(x, t, ε) = qm(x, t, ε) + i∑ j=1 (εB(t)z′m+i(t, ε)vm+i(x)−A(t)zm+i(t, ε)v ′′ m+i(x)), откуда qm,m+i(x, t, ε) = −(εB(t)z′m+i(t, ε) + ω2 m+iA(t)zm+i(t, ε)), i ∈ N, получаем ‖qms(t, ε)‖ ≤ M ω2 s , s ≥ m+ 1, где постоянная M не зависит от m, s. Таким образом, ряд (31) в прямоугольнике DT сходится абсолютно и равномерно к функции qm(x, t, ε) [10, с. 68]. Поскольку um(x, t, ε) — решение задачи εB(t) ∂um(x, t, ε) ∂t = A(t) ∂2um(x, t, ε) ∂x2 + εC(x, t)u(x, t, ε) + f(x, t) + ∞∑ s=m+1 qms(t, ε)vs(x), um(0, t, ε) = um(L, t, ε) = 0, um(x, 0, ε) = ϕm(x), где ϕm(x) = m∑ s=1 asvs(x), то вектор-функция (4) в прямоугольнике DT будет обобщенным решением задачи (1) – (3) [11, с. 315]. Теорема 2. Пусть A(t), B(t) ∈ Cm+1[0;∞), C(x, t), f(x, t) ∈ Cm+1([0;L] × [0;∞)) и выполняются условия 4 – 6, 7 – 11. Тогда существует такое число ε1, 0 < ε1 ≤ ε0, что для всех ε ∈ (0; ε1] задача (1) – (3) на множестве D∞ имеет единственное обобщенное решение (4), для которого в DT ⊂ D∞ справедлива оценка (30). 1. Ладыженская О. А., Солонников В. А., Уральцева Н. Н. Линейные и квазилинейные уравнения пара- болического типа. — М.: Наука, 1967. 2. Олейник О. А. Краевые задачи для уравнений с частными производными с малым параметром при старших производных и задача Коши для нелинейных уравнений в целом // Успехи мат. наук. — 1955. — 10, вып. 3 (65). — С. 229 – 234. 3. Бутузов В. Ф. Угловой погранслой в сингулярно возмущенных задачах с частными производными // Дифференц. уравнения. — 1979. — 15, № 10. — С. 1848 – 1862. 4. Митропольский Ю. А., Хома Г. П., Громяк М. И. Асимптотические методы исследований квазиволно- вых уравнений гиперболического типа. — Киев: Наук. думка, 1991. 5. Фещенко С. Ф., Шкиль Н. И., Николенко Л. Д. Асимптотические методы в теории линейных диффе- ренциальных уравнений. — Киев: Наук. думка, 1966. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2 АСИМПТОТИЧЕСКОЕ ИНТЕГРИРОВАНИЕ СИНГУЛЯРНО ВОЗМУЩЕННЫХ СИСТЕМ . . . 257 6. Шкиль Н. И., Старун И. И., Яковец В. П. Асимптотическое интегрирование линейных систем диффе- ренциальных уравнений с вырождениями. — Киев: Вища шк., 1991. 7. Канторович Л. В., Акилов Г. П. Функциональный анализ. — М.: Наука, 1977. 8. Степанов В. В. Курс дифференциальных уравнений. — М.: Физматгиз, 1959. 9. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления: В 3 т. — М.: Наука, 1969. — Т. 3. 10. Бари Н. К. Тригонометрические ряды. — М.: Физматгиз, 1961. 11. Соболев С. Л. Уравнения математической физики. — М.: Наука, 1966. Получено 11.10.11 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2012, т . 15, N◦ 2