Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша

Розглянуто однорідне дробово-диференціальне рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша та не обмеженим операторним коефіцієнтом в банаховому просторі. Встановлено умови для зображення розв’язку у вигляді інтеграла Данфорда—Коші та розроблено експоненціально збіжний наближений метод. A homogene...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2021
Main Authors: Макаров, В.Л., Гаврилюк, І.П., Василик, В.Б.
Format: Article
Language:Ukrainian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2021
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180384
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:Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша / В.Л. Макаров, І.П. Гаврилюк, В.Б. Василик // Доповіді Національної академії наук України. — 2021. — № 1. — С. 3-8. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-180384
record_format dspace
spelling Макаров, В.Л.
Гаврилюк, І.П.
Василик, В.Б.
2021-09-20T15:59:09Z
2021-09-20T15:59:09Z
2021
Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша / В.Л. Макаров, І.П. Гаврилюк, В.Б. Василик // Доповіді Національної академії наук України. — 2021. — № 1. — С. 3-8. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
1025-6415
DOI: doi.org/10.15407/dopovidi2021.01.003
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180384
519.6
Розглянуто однорідне дробово-диференціальне рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша та не обмеженим операторним коефіцієнтом в банаховому просторі. Встановлено умови для зображення розв’язку у вигляді інтеграла Данфорда—Коші та розроблено експоненціально збіжний наближений метод.
A homogeneous fractional-differential equation with a fractional Hardy—Titchmarsh integral and an unbounded operator coefficient in a Banach space is considered. The conditions for the representation of the solution in the form of a Danford—Cauchy integral are established, and an exponentially convergent approximation method is developed.
Робота частково підтримана Національним фондом досліджень України, проєкт № 2020.02-0089.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Математика
Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
Exponentially convergent method for an abstract integro - differential equation with fractional Hardy - Titchmarsh integral
Article
published earlier
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
title Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
spellingShingle Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
Макаров, В.Л.
Гаврилюк, І.П.
Василик, В.Б.
Математика
title_short Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
title_full Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
title_fullStr Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
title_full_unstemmed Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша
title_sort експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом харді—тітчмарша
author Макаров, В.Л.
Гаврилюк, І.П.
Василик, В.Б.
author_facet Макаров, В.Л.
Гаврилюк, І.П.
Василик, В.Б.
topic Математика
topic_facet Математика
publishDate 2021
language Ukrainian
container_title Доповіді НАН України
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format Article
title_alt Exponentially convergent method for an abstract integro - differential equation with fractional Hardy - Titchmarsh integral
description Розглянуто однорідне дробово-диференціальне рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша та не обмеженим операторним коефіцієнтом в банаховому просторі. Встановлено умови для зображення розв’язку у вигляді інтеграла Данфорда—Коші та розроблено експоненціально збіжний наближений метод. A homogeneous fractional-differential equation with a fractional Hardy—Titchmarsh integral and an unbounded operator coefficient in a Banach space is considered. The conditions for the representation of the solution in the form of a Danford—Cauchy integral are established, and an exponentially convergent approximation method is developed.
issn 1025-6415
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/180384
citation_txt Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша / В.Л. Макаров, І.П. Гаврилюк, В.Б. Василик // Доповіді Національної академії наук України. — 2021. — № 1. — С. 3-8. — Бібліогр.: 4 назв. — укр.
work_keys_str_mv AT makarovvl eksponencíalʹnozbížniimetoddlârozvâzuvannâabstraktnogoíntegrodiferencíalʹnogorívnânnâzdrobovimíntegralomhardítítčmarša
AT gavrilûkíp eksponencíalʹnozbížniimetoddlârozvâzuvannâabstraktnogoíntegrodiferencíalʹnogorívnânnâzdrobovimíntegralomhardítítčmarša
AT vasilikvb eksponencíalʹnozbížniimetoddlârozvâzuvannâabstraktnogoíntegrodiferencíalʹnogorívnânnâzdrobovimíntegralomhardítítčmarša
AT makarovvl exponentiallyconvergentmethodforanabstractintegrodifferentialequationwithfractionalhardytitchmarshintegral
AT gavrilûkíp exponentiallyconvergentmethodforanabstractintegrodifferentialequationwithfractionalhardytitchmarshintegral
AT vasilikvb exponentiallyconvergentmethodforanabstractintegrodifferentialequationwithfractionalhardytitchmarshintegral
first_indexed 2025-11-25T16:24:56Z
last_indexed 2025-11-25T16:24:56Z
_version_ 1850517990955548672
fulltext 3 ОПОВІДІ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ МАТЕМАТИКА MATHEMATICS ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1: 3—8 Ц и т у в а н н я: Макаров В.Л., Гаврилюк І.П., Василик В.Б. Експоненціально збіжний метод для роз в’я зу- вання абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1. С. 3—8. https://doi.org/10.15407/dopovidi2021.01.003 За останні роки значно зріс інтерес до диференціальних рівнянь із дробовими похідними. Пов’язано це з тим, що дробовий аналіз знайшов широке застосування в моделюванні ба- гатьох природних і соціальних явищ, про що свідчить величезна кількість публікацій та наукових конференцій. Найчастіше такі задачі виникають під час моделювання явищ лі- нійної в’язкопружності. Ефективним є також використання дробових похідних у моделях аномальної дифузії, теорії керування, електродинаміки, нелінійної гідроакустики тощо. Для аналітичного розв’язування диференціальних рівнянь із дробовими похідними ви- користовують методи інтегральних перетворень (Фур’є, Лапласа, Мелліна), метод функції Гріна та ін., однак лише в небагатьох (деяких лінійних) випадках їх розв’язки можна знайти в замкнутій формі. Тому актуальним питанням є розробка ефективних і надійних набли- жених методів розв’язування таких рівнянь. У даній роботі розглядається диференціальне рівняння з дробовою похідною і необ- меженим операторним коефіцієнтом https://doi.org/10.15407/dopovidi2021.01.003 УДК 519.6 В.Л. Макаров 1, І.П. Гаврилюк 2, В.Б. Василик 1 1 Інститут математики НАН України, Київ 2 Дуальна вища школа Гера–Айзенах, Німеччина E-mail: makarov@imath.kiev.ua, iwan.gawriljuk@dhge.de, vasylyk@imath.kiev.ua Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша Представлено академіком НАН України В.Л. Макаровим Розглянуто однорідне дробово-диференціальне рівняння з дробовим інтегралом Харді—Тітчмарша та не обмеженим операторним коефіцієнтом в банаховому просторі. Встановлено умови для зображення розв’язку у вигляді інтеграла Данфорда—Коші та розроблено експоненціально збіжний наближений метод. Ключові слова: диференціальне рівняння з дробовими похідними, необмежений оператор, експоненціально збіжний метод. 4 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 В.Л. Макаров, І.П. Гаврилюк, В.Б. Василик 1 0 ( ) ( ) 0, (0, ), ( 1,1), (0) , t D u t Au t t u u α+ ∞− + = ∈ ∞ α∈ − = (1) де 1 t D +α ∞ — права похідна Рімана—Ліувілля 1 [ ] 1 { } 1 ( ) ( ) , 0, ( ) ( ) 1 ( ) , 0, (1 { }) ( ) t t t s t f s ds D f t d f s ds dt s t ∞ −ν− ν ∞ ν + ∞ ν ⎧ − ν <⎪ Γ −ν⎪ =⎨ ⎪ ⎛ ⎞− ν⎜ ⎟⎪Γ − ν −⎝ ⎠⎩ ∫ ∫  A — сильно позитивний оператор із всюди щільною областю визначення ( )D A у бана- хо вому просторі X . Його спектр лежить у секторі Σ( )A 0( ) e : [0, ), | | , 2 iA z a r rφ π⎧ ⎫Σ = = + ∈ ∞ φ ϕ<⎨ ⎬ ⎩ ⎭  а на його границі ΣΓ та зовні неї виконується оцінка 1( ) 1 | | M zI A z −− +  з деякою додатною сталою M . Зазначимо, що випадок задачі (1) з лівою похідною Ріма- на—Ліувілля на скінченному інтервалі розглянуто в [1]. Має місце Теорема 1. Розв’язок задачі (1) за виконання умов lim[( ) ( )] 0, lim[( ) ( )] 0 s s s s s t D u s s t D u s α+1 α ∞→∞ α α−1 ∞→∞ − = − = (2) зображується через операторну експоненту і має вигляд 1/(1 )( ) exp( ) (0).u t A t u+α= − (3) Доведення. Дійсно, застосовуючи оператор ( 1) t D − α+ ∞ до рівняння (1) та враховуючи умо ву (2), отримаємо рівняння ( 1)( ) ( ) 0, (0, ), ( 1,1),tu t A D u t t− α+ ∞− + = ∈ ∞ α∈ − яке збігається з інтегральним рівнянням Харді—Тітчмарша, якщо в ньому замінити α на α +1 (див. [2]). Звідси випливає, що розв’язок задачі (1) можна записати у вигляді (3). За допомогою інтеграла Данфорда—Коші, з деякою його модифікацією резольвенти (див. [3]), формулу (3) можна зобразити у такий спосіб: 1 (1 ) 11 1 ( ) e ( ) (0) , 2 t zu t zI A I u dz i z +α− − Γ ⎡ ⎤= − −⎢ ⎥π ⎣ ⎦∫ (4) 5ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння... де Γ — гладка крива, що охоплює спектральний контур, і якщо обходити її проти го дин- никової стрілки, цей контур залишиться зліва. За контур інтегрування у (4) візьмемо криву ΓI { ( ) cosh i sinh , ( , )},I I Iz a bΓ = ξ = ξ− ξ ξ∈ −∞ ∞ яка охоплює спектральну параболу з параметрами ,I Ia b , що будуть визначені нижче та залежать від параметра α, і коли α→ 0, то виконуються граничні співвідношення 0 0 0 0 cos sin 4 2 4 2 , . cos cosI Ia a b a α→ α→ π ϕ π ϕ⎛ ⎞ ⎛ ⎞+ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠→ → ϕ ϕ Тоді (4) набуває вигляду 1 ( ) ( , ) (0) , 2 i Au t F t u d ∞ −∞ = ξ ξ π ∫ (5) 1/(1 )( ) 1 1 ( , ) e ( sinh i cosh ) ( ( ) ) , ( ) z t A I IF t a b z I A I z +α− ξ −⎡ ⎤ ξ = ξ− ξ ξ − −⎢ ⎥ξ⎣ ⎦ i ( )( ) cosh i sinh ( )e .I Iz a b ψ ξξ = ξ ξ = ρ ξ− Для існування інтеграла (5) необхідно, щоб дійсна частина показника експоненти була від’єм ною, тобто ( )1/(1 )Re ( ) 0z +αξ > . У результаті одержуємо ψ ξ⎛ ⎞ >⎜ ⎟+α⎝ ⎠ ( ) cos 0, 1 тобто 2 2 2 2 cosh( ) 1 cos( ( )) cos 2cosh sinh I I I a a b ξ +α⎛ ⎞ψ ξ = > π ⇒⎜ ⎟ ⎝ ⎠ξ+ ξ 2 1 1 cos , ( 1,1). 2 1 tanhI I b a +α⎛ ⎞⇒ π α∈ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠⎛ ⎞ + ξ⎜ ⎟ ⎝ ⎠  Звідси видно, що для випадку додатного α дійсна частина контуру інтегрування бу де додатною, тому ΓI можна вибрати таким, як у [3], тобто коли α = 0. У випадку від’єм ного α з останньої нерівності отримуємо умови 1 tan , ( 1,0). 2 I I b a +α⎛ ⎞π α∈ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠  6 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 В.Л. Макаров, І.П. Гаврилюк, В.Б. Василик Для можливості засто сування експоненціально збіжної квадратурної формули, тре ба піді- брати параметри aI, bI таким чином, щоб підінтегральна функція ξ( , )AF t мала ана літичне продовження відносно ξ у смугу 1 1 1 1( i ) : ( , ), , , 0 . 2 2d d d D z d ⎧ ⎫⎡ ⎤= = ξ+ ν ξ∈ −∞ ∞ ν∈ − >⎨ ⎬⎢ ⎥⎣ ⎦⎩ ⎭ Зробимо заміну ξ на ( i )ξ+ ν у функції ( , )AF t ξ . Тоді для того щоб існувало аналітич не продовження в смугу 1dD та інтеграл залишався збіжним, необхідно, щоб ( )1/(1 ) 2 2 2 2 Re ( i ) 0, ( i ) ( ) cosh( ) i ( )sinh( ), ( ) sin( ), ( ) cos( ).I I I I z z a b a a b b a b +αξ+ ν > ξ+ ν = ν ξ − ν ξ ν = + ν +ψ ν = + ν +ψ Дана умова буде виконуватись, якщо , 2 α ν +ψ < π (6) де 2 2 2 2 cos( ) , sin( ) .I I I I I I b a a b a b ψ = ψ = + + Крім того, аналогічно до [3] необхідно застосувати вимогу, щоб гіпербола { ( i ) [ ( )cosh( ) i ( )sinh( )] : ( , )}z a bξ+ ν = ν ξ − ν ξ ξ∈ −∞ ∞ для 1 1, 2 2 d d⎛ ⎞ν∈ −⎜ ⎟ ⎝ ⎠ залишалась у правій півплощині. Ця вимога буде виконуватись, якщо бу- дуть вірними співвідношення 1 0 1 0 1 0 1 0 0 0 ( / 2) , ( / 2) tan( ( , )), ( / 2) , ( / 2) tan( ), 0 , . 2 a d c b d c a d a b d a c a − = − = θ ν +ψ ξ = = ϕ π < < ϕ < θ < (7) Тут ( , )θ = θ ν +ψ ξ визначається у такий спосіб: 1/(1 ) 1/(1 )( i ) [ ( )cosh( ) i ( )sinh( )]z a b+α +αξ+ ν = ν ξ − ν ξ = 1/(1 ) 2 2 ( , ) ( , ) exp i , 1I Ia b r +α θ ν +ψ ξ⎛ ⎞⎡ ⎤= + ν ξ ⎜ ⎟⎢ ⎥⎣ ⎦ +α⎝ ⎠ 2 2 2 2( , ) sin ( )cosh ( ) cos ( )sinh ( ),r ν ξ = ν +ψ ξ + ν +ψ ξ sin( )cosh( ) cos( ( , )) , ( , ) cos( )sinh( ) sin( ( , )) . ( , ) r r ν +ψ ξ θ ν +ψ ξ = ν ξ ν +ψ ξ θ ν +ψ ξ = ν ξ 7ISSN 1025-6415. Допов. Нац. акад. наук Укр. 2021. № 1 Експоненціально збіжний метод для розв’язування абстрактного інтегро-диференціального рівняння... Розв’язуючи систему (7) , отримуємо 0 0 0 0 cos(( ) / 2) sin(( ) / 2) cos( ) , , , cos( ) cos( ) cos( )I Ia a b a c a θ+ϕ θ+ϕ θ = = = ϕ ϕ ϕ (8) 1 .d = θ−ϕ (9) Отже, ми довели таку теорему. Теорема 2. За виконання умов (6), (8) функція ( , )AF t ξ має аналітичне продовження в смугу 1dD , ширина якої визначається з (9) . Справедливою є теорема: Теорема 3. Нехай виконуються умови теореми 2 і (0) ( ), 0.u D Aβ∈ β > Тоді для функ ції ( , )AF t ξ у просторі 1 1( )dH D вірною є оцінка 1 1 ( )3 ( ) , ( , ) (0) (0) , d A D C F t w u A uβ Η α θ β  де 3C залежить від α θ( , ) таким чином (згідно з лемою 3.1 із [3]), що справджується нерів- ність 0 ( (1 )) / 2.< ϕ < θ < π +α Для знаходження наближеного розв’язку задачі (1) за допомогою операторної експо- ненти (3) використаємо Sinc-квадратурну формулу (див. [3, 4]) до інтегрального зобра- ження (5). Виберемо 1, 2 / ( 1),k kh h d Nξ = = π + та покладемо ( ) ( , ) (0). 2 i N N A k k N h u t F t u =− = ξ π ∑ (10) Справедливою є така теорема: Теорема 4. Нехай A — сильно позитивний оператор із всюди щільною областю ви- значення ( )D A у банаховому просторі X і спектром у секторі ( ).AΣ Тоді за виконання умов теореми 3 для наближеного розв’язку ( )Nu t задачі (1), який знайдено за формулою (10), вірною є оцінка похибки 1 0( ) ( ) exp ( 1) , 2N d u t u t c N A uβ ⎧ ⎫π⎪ ⎪− − +⎨ ⎬ ⎪ ⎪⎩ ⎭  (11) де c — невід’ємна стала. Для ілюстрації розробленого наближеного методу розглянемо задачу (1) з α = 1/2 і опе- ра тором A вигляду 2 1 22 , ( ) { ( ) W (0,1) : (0) (1) 0},A D A v x v v x ∂ = − = ∈ = = ∂ де 1 2W (0,1) — стандартний простір Соболєва. За початкову ум ову візьмемо 0 sin( ).u x= π 8 ISSN 1025-6415. Dopov. Nac. akad. nauk Ukr. 2021. № 1 В.Л. Макаров, І.П. Гаврилюк, В.Б. Василик Безпосередньою перевіркою легко переконатися, що точним розв’язком є 4 ( , ) e sin( ).tu x t x−π= π Похибку обчислення наближеного розв’язку задачі (1) за допомогою формули (10) для t = 1/π2 , x = 1/2 наведено в таблиці. З результатів обчислень видно, що похибка зменшу- ється згідно з апріорною оцінкою (11). Робота частково підтримана Національним фондом досліджень України, проєкт № 2020.02-0089. ЦИТОВАНА ЛІТЕРАТУРА 1. McLean W., Thomée V. Numerical solution via Laplace transforms of a fractional order evolution equation. J. Integral Equations Applications. 2010. 22, № 1. P. 57—94. https://doi.org/10.1216/JIE-2010-22-1-57 2. Hardy G.H., Titchmarsh E.C. An integral equation. Math. Proc. Camb. Philos. Soc. 1932. 28, Iss. 2. P. 165—173. https://doi.org/10.1017.SO305004100010847 3. Gavrilyuk I., Makarov V., Vasylyk V. Exponentially convergent algorithms for abstract differential equations. Basel: Birkhäuser/Springer Basel AG, 2011. VIII+180 p. (Frontiers in Mathematics). 4. Stenger F. Numerical methods based on sinc and analytic functions. New York: Springer, 1993. XV+565 p. Надійшло до редакції 17.11.2020 REFERENCES 1. McLean, W. & Thomée, V. (2010). Numerical solution via Laplace transforms of a fractional order evolution equation. J. Integral Equations Applications, 22, No 1, pp. 57-94. https://doi.org/10.1216/JIE-2010-22-1-57 2. Hardy, G. H. & Titchmarsh, E. C. (1932). An integral equation. Math. Proc. Camb. Philos. Soc., 28, Iss. 2, pp. 165-173. https://doi.org/10.1017.SO305004100010847 3. Gavrilyuk, I., Makarov, V. & Vasylyk, V. (2011). Exponentially convergent algorithms for abstract differential equations. Frontiers in Mathematics. Basel: Birkhäuser/Springer Basel AG. 4. Stenger, F. (1993). Numerical methods based on sinc and analytic functions. New York: Springer. Received 17.11.2020 V.L. Makarov1, I.P. Gawriljuk2, V.B. Vasylyk1, 1 Institute of Mathematics of the NAS of Ukraine, Kyiv 2 Duale Hochschule Gera-Eisenach, Germany E-mail: makarov@imath.kiev.ua, iwan.gawriljuk@dhge.de, vasylyk@imath.kiev.ua EXPONENTIALLY CONVERGENT METHOD FOR AN ABSTRACT INTEGRO-DIFFERENTIAL EQUATION WITH FRACTIONAL HARDY—TITCHMARSH INTEGRAL A homogeneous fractional-differential equation with a fractional Hardy—Titchmarsh integral and an unboun- ded operator coefficient in a Banach space is considered. The conditions for the representation of the solution in the form of a Danford—Cauchy integral are established, and an exponentially convergent approximation method is developed. Keywords: differential equation with fractional derivatives, unbounded operator, exponentially convergent method. Похибка обчислень Кількість вузлів N Похибка Кількість вузлів N Похибка Кількість вузлів N Похибка 4 0,00225 32 3,72857 · 10–7 256 1,03171 · 10–17 8 0,00017 64 2,29011 · 10–9 512 2,94399 · 10–23 16 7,48280 · 10–6 128 1,28593 · 10–12 1024 1,25671 · 10–30