Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка

Отримано достатнi умови iснування та єдиностi розв’язку системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними дробового порядку в просторах сумовних функцiй. We find sufficient conditions for existence and uniqueness of a solution to a differential system with fractional order partial derivative c...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Нелінійні коливання
Datum:2004
Hauptverfasser: Витюк, А.Н., Голушков, А.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2004
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177020
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка / А.Н. Витюк, А.В. Голушков // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 3. — С. 328-335. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-177020
record_format dspace
spelling Витюк, А.Н.
Голушков, А.В.
2021-02-09T20:42:18Z
2021-02-09T20:42:18Z
2004
Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка / А.Н. Витюк, А.В. Голушков // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 3. — С. 328-335. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
1562-3076
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177020
517.954
Отримано достатнi умови iснування та єдиностi розв’язку системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними дробового порядку в просторах сумовних функцiй.
We find sufficient conditions for existence and uniqueness of a solution to a differential system with fractional order partial derivative considered on spaces of integrable functions.
ru
Інститут математики НАН України
Нелінійні коливання
Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
Існування розв'язків систем диференціальних рівнянь з частинними похідними дробного порядку
Existence of solutions of differential systems with fractional order partial derivative
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
spellingShingle Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
Витюк, А.Н.
Голушков, А.В.
title_short Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
title_full Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
title_fullStr Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
title_full_unstemmed Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
title_sort существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка
author Витюк, А.Н.
Голушков, А.В.
author_facet Витюк, А.Н.
Голушков, А.В.
publishDate 2004
language Russian
container_title Нелінійні коливання
publisher Інститут математики НАН України
format Article
title_alt Існування розв'язків систем диференціальних рівнянь з частинними похідними дробного порядку
Existence of solutions of differential systems with fractional order partial derivative
description Отримано достатнi умови iснування та єдиностi розв’язку системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними дробового порядку в просторах сумовних функцiй. We find sufficient conditions for existence and uniqueness of a solution to a differential system with fractional order partial derivative considered on spaces of integrable functions.
issn 1562-3076
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/177020
citation_txt Существование решений систем дифференциальных уравнений с частными производными дробного порядка / А.Н. Витюк, А.В. Голушков // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 3. — С. 328-335. — Бібліогр.: 5 назв. — рос.
work_keys_str_mv AT vitûkan suŝestvovanierešeniisistemdifferencialʹnyhuravneniisčastnymiproizvodnymidrobnogoporâdka
AT goluškovav suŝestvovanierešeniisistemdifferencialʹnyhuravneniisčastnymiproizvodnymidrobnogoporâdka
AT vitûkan ísnuvannârozvâzkívsistemdiferencíalʹnihrívnânʹzčastinnimipohídnimidrobnogoporâdku
AT goluškovav ísnuvannârozvâzkívsistemdiferencíalʹnihrívnânʹzčastinnimipohídnimidrobnogoporâdku
AT vitûkan existenceofsolutionsofdifferentialsystemswithfractionalorderpartialderivative
AT goluškovav existenceofsolutionsofdifferentialsystemswithfractionalorderpartialderivative
first_indexed 2025-11-27T00:49:21Z
last_indexed 2025-11-27T00:49:21Z
_version_ 1850789446225494016
fulltext УДК 517.954 СУЩЕСТВОВАНИЕ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ ДРОБНОГО ПОРЯДКА А. Н. Витюк, А. В. Голушков Одеск. нац. ун-т Ин-т математики, экономики и механики Украина, 65026, Одесса, ул. Дворянская, 2 e-mail: Alexander VG@ukr.net We find sufficient conditions for existence and uniqueness of a solution to a differential system with fracti- onal order partial derivative considered on spaces of integrable functions. Отримано достатнi умови iснування та єдиностi розв’язку системи диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними дробового порядку в просторах сумовних функцiй. Пусть P = (0, a] × (0, b], 0 < a, b < ∞. Обозначим через Rn пространство n-мерных векторов, R+ = [0,+∞). L(P ) — пространство интегрируемых по Лебегу функций f : P → R1 с нормой ‖f(x, y)‖1 = ∫ P ∫ |f(x, y)|dxdy. Пусть 0 < α, β ≤ 1, r = (α, β). Для f ∈ L(P ) выражение (Ir 0f)(x, y) = 1 Γ(α)Γ(β) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1f(s, t)dsdt, где Γ(·) — гамма-функция Эйлера, назовем [1, с. 341] левосторонним смешанным инте- гралом Римана – Лиувилля порядка r. В частности, (I1 0f)(x, y) = x∫ 0 y∫ 0 f(s, t)dsdt, (I0 0f)(x, y) = f(x, y) для почти всех (x, y) ∈ P . Если f1−r(x, y) = (I1−r 0 f)(x, y), то смешанной дробной производной Римана – Лиувилля порядка r называем [1, с. 342] выражение (Dr 0f)(x, y) = Dxyf1−r(x, y), где Dxy = ∂2 ∂x∂y . 1. Пусть q = (γ, δ), q > 0. Имеет место соотношение [1, с. 342] (Iq 0I r 0f)(x, y) = (Iq+r 0 f)(x, y). (1) Рассмотрим систему (Dri 0 ui)(x, y) = fi[x, y, u(x, y)] ≡ fi[x, y, u1(x, y), . . . , un(x, y))], (2) c© А. Н. Витюк, А. В. Голушков, 2004 328 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 СУЩЕСТВОВАНИЕ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ . . . 329 решения которой удовлетворяют условиям ui,1−ri(x, 0) = ϕi(x), 0 ≤ x ≤ a, (3) ui,1−ri(0, y) = ψi(y), 0 ≤ y ≤ b, ϕ(0) = ψ(0), причем ri = (αi, βi), 0 < αi, βi ≤ 1, ϕi(x) ∈ AC([0, a]), ψi(y) ∈ AC([0, b]), i = 1, n. Вопросы существования решений задачи типа Коши для обыкновенных дифферен- циальных уравнений дробного порядка в пространствах суммируемых функций рассмат- ривались во многих работах (см., например, [2, 3]). Настоящая работа посвящена исследованию условий существования и единственнос- ти решений задачи (2), (3) в пространствах суммируемых функций. Заметим, что анало- гичная задача в пространствах непрерывных функций рассматривалась в [4]. Решением задачи (2), (3) назовем вектор-функцию u(x, y) = (u1(x, y), . . . , un(x, y)) та- кую, что ui(x, y) принадлежат L(P ), удовлетворяют условиям (3) и системе (2) для почти всех (x, y) ∈ P . Рассмотрим следующую задачу: (Dr 0u)(x, y) = f(x, y), f(x, y) ∈ L(P ), (4) u1−r(x, 0) = ϕ(x), 0 ≤ x ≤ a, u1−r(0, y) = ψ(y), 0 ≤ y ≤ b, ϕ(0) = ψ(0), (5) где функции ϕ(x) и ψ(y) абсолютно непрерывны. Под решением задачи (4), (5) понимаем функцию u(x, y) ∈ L(P ), которая удовлетво- ряет условиям (5) и уравнению (4) для почти всех (x, y) ∈ P . Лемма 1. Для того чтобы функция u(x, y) ∈ L(P ) была решением задачи (4), (5), необходимо и достаточно, чтобы u(x, y) для почти всех (x, y) ∈ P удовлетворяла уравнению u(x, y) = µ(x, y) + (Ir 0f)(x, y), (6) где µ(x, y) = xα−1 Γ(α) (Iβ 0 ψ̇)(y) + yβ−1 Γ(β) (Iα 0 ϕ̇)(x) + xα−1yβ−1ϕ(0) Γ(α)Γ(β) (точкой обозначаем дифференцирование). Доказательство. Пусть u(x, y) ∈ L(P ) — решение задачи (4), (5). Тогда с учетом опре- деления производной (Dr 0u)(x, y) имеем u1−r(x, y) = γ(x, y) + (I1 0f)(x, y), γ(x, y) = ϕ(x) + ψ(y)− ϕ(0). ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 330 А. Н. ВИТЮК, А. В. ГОЛУШКОВ Отсюда в силу (1) получаем (I1−r 0 (u(x, y)− (I1 0f)(x, y))(x, y) = γ(x, y), (Ir 0(I1−r 0 (u(x, y)− (Ir 0f)(x, y)))(x, y))(x, y) = (Ir 0γ)(x, y), (I1 0 (u(x, y)− (Ir 0f)(x, y)))(x, y) = (Ir 0γ)(x, y). (7) Преобразуем правую часть (7): (Ir 0γ)(x, y) = 1 Γ(α)Γ(β) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1(ϕ(s) + ψ(t)− ϕ(0))dsdt = = A1 +A2 +A3. Поскольку ϕ(x) = ϕ(0) + ∫ x 0 ϕ̇(s)ds, то A1 = 1 Γ(α)Γ(β) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1 ϕ(0) + s∫ 0 ϕ̇(τ)dτ  dsdt = = yβ Γ(α)Γ(β + 1) x∫ 0 (x− s)α−1 s∫ 0 ϕ̇(τ)dτds+ xαyβϕ(0) Γ(α+ 1)Γ(β + 1) = = yβ Γ(β + 1) x∫ 0  1 Γ(α) s∫ 0 (s− τ)α−1ϕ̇(τ)dτ  ds+ xαyβϕ(0) Γ(α+ 1)Γ(β + 1) . Аналогично получаем A2 +A3 = xα Γ(α+ 1) y∫ 0  1 Γ(β) t∫ 0 (t− τ)β−1ψ̇(τ)dτ  dt. Следовательно, (Ir 0γ)(x, y) = xαyβϕ(0) Γ(α+ 1)Γ(β + 1) + yβ Γ(β + 1) x∫ 0  1 Γ(α) s∫ 0 (s− τ)α−1ϕ̇(τ)dτ  ds+ + xα Γ(α+ 1) y∫ 0  1 Γ(β) t∫ 0 (t− τ)β−1ψ̇(τ)dτ  dt. (8) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 СУЩЕСТВОВАНИЕ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ . . . 331 Поскольку (Iα 0 ϕ̇)(x) ∈ L(0, a), (Iβ 0 ψ̇)(y) ∈ L(0, b), то ∫ x 0 (Iα 0 ϕ̇)(s)ds и ∫ y 0 (Iβ 0 ψ̇)(t)dt — абсолютно непрерывные функции. Следовательно, для почти всех (x, y) ∈ P существует D2 xy(I r 0γ)(x, y). Применив операцию D2 xy к обеим частям (7) с учетом (8), получаем, что u(x, y) для почти всех (x, y) ∈ P удовлетворяет (6). Пусть теперь u(x, y) ∈ L(P ) удовлетворяет (6). Тогда из (6) с учетом (1) следует u1−r(x, y) = (I1−r 0 µ)(x, y) + (I1 0f)(x, y). (9) Рассмотрим слагаемое (I1−r 0 µ)(x, y) = B1 +B2 +B3. Имеем B1 = I1−r 0 ( xα−1 Γ(α) (Iβ 0 ψ̇)(y) ) (x, y) = 1 Γ(1− α)Γ(1− β) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)−α(y − t)−β× × ( sα−1 Γ(α) (Iβ 0 ψ̇)(t) ) dsdt = 1 Γ(α)Γ(1− α)Γ(1− β) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)−αsα−1× × (y − t)−β(Iβ 0 ψ̇)(t)dsdt = 1 Γ(α)Γ(1− α) x∫ 0 (x− s)−αsα−1ds 1 Γ(1− β) × × y∫ 0 (y − t)−β(Iβ 0 ψ̇)(t)dt = B(α, 1− α) Γ(α)Γ(1− α) ( I1−β 0 (Iβ 0 ψ̇)(t) ) (y) = (I1 0 ψ̇)(y) = = ψ(y)− ψ(0), гдеB(z, w) = ∫ 1 0 xz−1(1−x)w−1dx = Γ(z)Γ(w) Γ(z + w) . Аналогично доказываем, чтоB2 = ϕ(x)− −ϕ(0), B3 = ϕ(0). Следовательно, (I1−r 0 µ)(x, y) = γ(x, y), γ(x, y) ∈ AC(P ), P = [0, a]× [0, b], (10) u1−r(x, y) = γ(x, y) + (I1 0f)(x, y). Из (10) следует, что u(x, y) удовлетворяет условиям (5) и (Dr 0u)(x, y) = Dxyu1−r(x, y) = = f(x, y) для почти всех (x, y) ∈ P . Лемма доказана. Введем обозначения (ниже i = 1, n): µi(x, y) = xαi−1 Γ(αi) (Iβi 0 ψ̇i)(y) + yβi−1 Γ(βi) (Iαi 0 ϕ̇i)(x) + xαi−1yβi−1ϕi(0) Γ(αi)Γ(βi) , G = {(x, y, u1(x, y), . . . , un(x, y)) : (x, y) ∈ P, ‖ui(x, y)− µi(x, y)‖1 ≤ di}. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 332 А. Н. ВИТЮК, А. В. ГОЛУШКОВ Используя лемму, легко доказать следующую теорему. Теорема 1. Пусть для u(x, y) ∈ G fi[x, y, u(x, y)] ∈ L(P ). Для того чтобы вектор- функция u(x, y) ∈ G была решением задачи (2),(3), необходимо и достаточно, чтобы u(x, y) для почти всех (x, y) ∈ P удовлетворяла системе интегральных уравнений ui(x, y) = µi(x, y) + 1 Γ(αi)Γ(βi) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)αi−1(y − t)βi−1fi[s, t, u(s, t)]dsdt. (11) Далее приведем условия существования и единственности локального решения зада- чи (2), (3). Пусть функции fi[x, y, u] удовлетворяют условиям: a) существуют mi : P → R+, mi(x, y) ∈ L(P ) такие, что для u(x, y) ∈ G и почти всех (x, y) ∈ P |fi[x, y, u(x, y)]| ≤ mi(x, y); б) для любых u(x, y), v(x, y) ∈ G ‖fi[x, y, u(x, y)]− fi[x, y, v(x, y)]‖1 ≤ K n∑ j=1 ‖uj(x, y)− vj(x, y)‖1. Теорема 2. Пусть функции fi удовлетворяют условиям а), б) и aαibβi‖mi(x, y)‖1 Γ(αi + 1)Γ(βi + 1) ≤ di, (12) δ = nρK < 1, (13) где ρ = max i aαibβi Γ(αi + 1)Γ(βi + 1) . Тогда существует единственное решение u(x, y) ∈ G, ui(x, y) ∈ L(P ) задачи (2), (3). Доказательство. Построим последовательность функций { u (m) i (x, y) } , m = 0, 1, 2, . . ., положив u(0) i (x, y) = µi(x, y): u (m+1) i (x, y) =µi(x, y) + 1 Γ(αi)Γ(βi) x∫ 0 y∫ 0 (x− s)αi−1(y − t)βi−1× × fi[s, t, u(m)(s, t)]dsdt. (14) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 СУЩЕСТВОВАНИЕ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ . . . 333 Используя (12) – (14), условия а), б), доказываем справедливость следующих оценок: ‖u(m) i (x, y)− µi(x, y)‖1 ≤ di, (15) ‖u(m+1) i (x, y)− u (m) i (x, y)‖1 ≤ max i ‖mi(x, y)‖1 nK δm, m = 1, 2, . . . . На основании оценок (15) можно утверждать, что последовательности { u (m) i (x, y) } являются фундаментальными в L(P ). Пусть vi(x, y) ∈ L(P ) — сильный предел после- довательностей { u (m) i (x, y) } . Тогда существует подпоследовательность вектор-функций{ u (mk) i (x, y) } , k = 1, 2, . . ., которая почти всюду на P сходится к вектор-функции v(x, y). Согласно мажорантной теореме Лебега о предельном переходе под знаком интеграла Лебега получаем, что vi(x, y) удовлетворяют системе (11). Очевидно, что v(x, y) ∈ G. Докажем единственность. Пусть w(x, y) = (w1(x, y), . . . , wn(x, y)) ∈ G — также реше- ние задачи (2),(3). В силу условия б) ‖vi(x, y)− wi(x, y)‖1 ≤ aαibβiK Γ(αi + 1)Γ(βi + 1) n∑ j=1 ‖vj(x, y)− wj(x, y)‖1 . Тогда n∑ i=1 ‖vi(x, y)− wi(x, y)‖1 ≤ nρK n∑ i=1 ‖vi(x, y)− wi(x, y)‖1 . Отсюда следует, что nρK ≥ 1, что противоречит условию (13). Теорема 2 доказана. Замечание 1. Условие а) будет иметь место для функций fi : P × Rn → R1 типа Каратеодори, т. е.: 1) fi[ , , u] — измеримая функция для любого фиксированного u ∈ Rn; 2) fi[x, y, ·] — непрерывная функция для любых фиксированных (x, y) ∈ P ; 3) существуют mi : P → R+, mi ∈ L(P ), такие, что |fi[x, y, u]| ≤ mi(x, y) для u ∈ Rn и почти всех (x, y) ∈ P . Для выполнения условия б) достаточно потребовать еще, чтобы fi(x, y, u1, . . . , un) удовлетворяли условию Липшица по последним n переменным с постоянной K. Замечание 2. При αi = βi = 1 задача (2), (3) является хорошо изученной задачей Дарбу для системы ∂2ui(x, y) ∂x∂y = fi [x, y, u(x, y)] , ui(x, 0) = ϕi(x), x ∈ [0, a], ui(0, y) = ψi(y), y ∈ [0, b], ϕi(0) = ψi(0), которая эквивалентна решению системы интегральных уравнений ui(x, y) = ϕi(x) + ψi(y)− ϕi(0) + x∫ 0 y∫ 0 fi [s, t, u(s, t)] dsdt ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 334 А. Н. ВИТЮК, А. В. ГОЛУШКОВ (система (11) при αi = βi = 1). Пример 1. Рассмотрим следующую задачу: (Dr 0u) (x, y) = λu(x, y) + f(x, y), r = (α, β), 0 < α, β ≤ 1, f ∈ L(P ), u1−r(x, 0) = ϕ(x), x ∈ [0, a], u1−r(0, y) = ψ(y), y ∈ [0, b], ϕ(x) ∈ AC([0, a]), ψ(y) ∈ AC([0, b]), ϕ(0) = ψ(0), f(x, y) ∈ L(P ). Построим решение этой задачи. С этой целью, как и в теореме 2, построим последо- вательность {um(x, y)}, m = 0, 1, 2, . . ., положив u0(x, y) = µ(x, y), um+1(x, y) = µ(x, y) + 1 Γ(α)Γ(β) λ x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1um(s, t)dsdt+ + x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1f(s, t)dsdt  . Используя индукцию, доказываем, что um(x, y) = xα−1yβ−1ϕ(0)T (m) α,β ( λxαyβ ) + xα−1 y∫ 0 (y − t)β−1T (m) α,β ( λxα(y − t)β ) ψ̇(t)dt+ + yβ−1 x∫ 0 (x− s)α−1T (m) α,β ( λ(x− s)αyβ ) ϕ̇(s)ds+ + x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1T (m) α,β ( λ(x− s)α−1(y − t)β−1 ) f(s, t)dsdt, где T (m) α,β = m∑ k=0 zk Γ ((k + 1)α) Γ ((k + 1)β) . ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 СУЩЕСТВОВАНИЕ РЕШЕНИЙ СИСТЕМ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ . . . 335 При m → ∞ получаем u(x, y) = xα−1yβ−1ϕ(0)Eα,β ( λxαyβ ) + xα−1 y∫ 0 (y − t)β−1Eα,β ( λxα(y − t)β ) ψ̇(t)dt+ + yβ−1 x∫ 0 (x− s)α−1Eα,β ( λ(x− s)αyβ ) ϕ̇(s)ds+ + x∫ 0 y∫ 0 (x− s)α−1(y − t)β−1Eα,β ( λ(x− s)α−1(y − t)β−1 ) f(s, t)dsdt, где Eα,β(z) = ∞∑ k=0 zk Γ ((k + 1)α) Γ ((k + 1)β) . При α = β = 1 имеем задачу Гурса для так называемого телеграфного уравнения, а E1,1(z) = ∞∑ k=0 zk (k!)2 является для него функцией Римана [5, c. 130]. 1. Самко С. Г., Килбас А. А., Маричев О. Н. Интегралы и производные дробного порядка и некоторые их приложения. — Минск: Техника, 1987. — 688 с. 2. Семенчук Н. П. Об одном классе дифференциальных уравнений нецелого порядка //Дифференц. урав- нения. — 1982. — 18, №10. — С. 1831 – 1833. 3. Килбас А. А., Бонилла Б., Трухилло Х. Нелинейные дифференциальные уравнения дробного порядка в пространстве интегрируемых функций //Докл. РАН. — 2000. — 374, №4. — С. 445 – 449. 4. Витюк А. Н. Существование решений дифференциальных включений с частными производными дробных порядков // Изв. вузов. Математика. — 1997. — №8. — С. 13 – 19. 5. Гурса Э. Курс математического анализа. — М.: Гостехтеориздат, 1933. — Т. 3, ч. 1. — 269 с. Получено 01.03.2004 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3