Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом

Дослiджено осциляцiйнi властивостi нетривiальних розв’язкiв рiвняння Штурма–Лiувiлля iз сингулярним дiйсним коефiцiєнтом з негативного простору Соболєва W2^−1 [a, b]. Знайдено аналоги класичних теорем Штурма про чергування, порiвняння та осциляцiю. Встановлено, що число вiд’ємних власних значень кр...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Published in:Доповіді НАН України
Date:2010
Main Authors: Михайлец, В.А., Молибога, В.Н.
Format: Article
Language:Russian
Published: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2010
Subjects:
Online Access:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30007
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:Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом / В.А. Михайлец, В.Н. Молибога // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 20-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859733325880492032
author Михайлец, В.А.
Молибога, В.Н.
author_facet Михайлец, В.А.
Молибога, В.Н.
citation_txt Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом / В.А. Михайлец, В.Н. Молибога // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 20-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Доповіді НАН України
description Дослiджено осциляцiйнi властивостi нетривiальних розв’язкiв рiвняння Штурма–Лiувiлля iз сингулярним дiйсним коефiцiєнтом з негативного простору Соболєва W2^−1 [a, b]. Знайдено аналоги класичних теорем Штурма про чергування, порiвняння та осциляцiю. Встановлено, що число вiд’ємних власних значень крайової задачi Дiрiхле дорiвнює числу нулiв у iнтервалi (a, b) нетривiального розв’язку y(x) однорiдного рiвняння з умовою y(a) = 0. We study oscillation properties of non-trivial solutions of the Sturm–Liouville equation with a singular real-valued coefficient from the negative Sobolev space W2^−1 [a, b]. Analogs of the classical Sturm theorems about interlacing, comparison, and oscillation are found. The number of negative eigenvalues of the Dirichlet boundary-value problem is found equal to the number of zeros in the interval (a, b) of a non-trivial solution y(x) of the homogeneous equation with the condition y(a) = 0.
first_indexed 2025-12-01T14:06:47Z
format Article
fulltext УДК 517.984 © 2010 В.А. Михайлец, В. Н. Молибога Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом (Представлено членом-корреспондентом НАН Украины М.Л. Горбачуком) Дослiджено осциляцiйнi властивостi нетривiальних розв’язкiв рiвняння Штурма–Лiу- вiлля iз сингулярним дiйсним коефiцiєнтом з негативного простору Соболєва W−1 2 [a, b]. Знайдено аналоги класичних теорем Штурма про чергування, порiвняння та осциляцiю. Встановлено, що число вiд’ємних власних значень крайової задачi Дiрiхле дорiвнює числу нулiв у iнтервалi (a, b) нетривiального розв’язку y(x) однорiдного рiвняння з умовою y(a) = 0. Предварительные сведения и лемма. Пусть (a, b) — конечный интервал, функция Q ∈ ∈ L 2([a, b];R). Исследуем осцилляционные свойства нетривиальных решений однородного уравнения Штурма–Лиувилля −y′′ + q(x)y = 0, x ∈ (a, b), q = Q′, (1) где производная понимается в смысле обобщенных функций. Следуя работе [1], определим решение резольвентного уравнения −y′′ + q(x)y = λy + f(x), λ ∈ C, f(x) ∈ L2[a, b], (2) как первую компоненту решения системы ( y1 y2 ) ′ = ( Q(x) 1 −λ−Q2(x) −Q(x) )( y1 y2 ) + ( 0 −f(x) ) , (3) где y1(x) := y(x), y2(x) ≡ y[1](x) := y′(x) − Q(x)y(x). В сделанных нами предположениях система (3) удовлетворяет условиям [2, § 16, теорема 1], и поэтому решение y(x) уравнения (2) определено корректно. При этом действие дифференциального выражения l[y] = −y′′ + q(x)y, q = Q′ по определению совпадает с действием квазидифференциального выражения l[y] := −(y′ −Q(x)y)′ −Q(x)(y′ −Q(x)y)−Q2(x)y. Чтобы формулировать условия теорем о перемежаемости и сравнении для нетривиаль- ных решений пары однородных уравнений −y′′ + q1(x)y = 0, (4) −z′′ + q2(x)z = 0, (5) 20 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8 нам потребуется сравнивать между собой распределения q1 = Q′ 1 и q2 = Q′ 2. Как известно [3, с. 29], обобщенная функция f ∈ D ′(a, b) называется неотрицательной в интервале (a, b), если 〈f, ϕ〉 > 0, 0 6 ϕ(x) ∈ C∞ 0 (a, b). Известно описание множества всех неотрицательных распределений. Его дает Теорема (Л. Шварц [3, гл. 1, § 1.7, теорема 2]). Для того чтобы обобщенная функция f ∈ D ′(a, b) была неотрицательной, необходимо и достаточно, чтобы она была неотри- цательной мерой. Из теоремы Рисса о линейных непрерывных функционалах на пространстве C([a, b];R) вытекает, что каждой неотрицательной мере соответствует некоторая (определяемая нео- днозначно) монотонно неубывающая на [a, b] функция σ такая, что 〈f, ϕ〉 = (R− S) b ∫ a ϕ(x) dσ(x), ϕ(x) ∈ C[a, b]. Сформулируем лемму, которая лежит в основе доказательств теорем о перемежаемости и сравнении. Лемма А. Пусть y(x) и z(x) — решения уравнений (4) и (5) соответственно, а y[1]1(x) = y′(x) − Q1(x)y(x), z[1]2(x) = z′(x) − Q2(x)z(x) — соответствующие им квази- производные. Пусть q1 > q2, x ∈ [a, b], т. е. σ(x) := (Q1(x)−Q2(x)) ↑ . (∗) Тогда для произвольных значений x1, x2 ∈ [a, b] d dt (y[1]1(t)z(t)− y(t)z[1]2(t)) = −σ(t)(y(t)z(t))′ п.в., (6) (y[1]1(t)z(t) − y(t)z[1]2(t)) ∣ ∣ x2 x1 = −(σ(t)y(t)z(t)) ∣ ∣ x2 x1 + (R− S) x2 ∫ x1 y(t)z(t) dσ(t). (7) Доказательство. Справедливость соотношения (6) доказывается прямым дифферен- цированием функции W [y, z] = y[1]1(t)z(t)− y(t)z[1]2(t) ∈ W 1 1 [a, b] с учетом следующих соотношений: −(y[1]1)′ −Q1y [1]1 −Q2 1y = 0, −(z[1]2)′ −Q2z [1]2 −Q2 2z = 0, y, z, y[1]1 , z[1]2 ∈ W 1 1 [a, b]. Докажем равенство (7). Интеграл Римана–Стильтьеса в ее правой части существует, так как функция y(t)z(t) ∈ W 1 1 [a, b]. Тогда (см. [4, гл. VIII, § 6, п. 5]) существует также второй интеграл в формуле интегрирования по частям и (R− S) x2 ∫ x1 y(t)z(t) dσ(t) + (R− S) x2 ∫ x1 σ(t) d(y(t)z(t)) = [σ(t)y(t)z(t)]x2 x1 . ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 21 Принимая во внимание, что (L) x2 ∫ x1 σ(t)(y(t)z(t))′ dt = (R− S) x2 ∫ x1 σ(t) d(y(t)z(t)), интегрируя уже доказанное равенство (6), получаем нужное соотношение. Основные результаты. Сформулируем теоремы о распределении нулей нетривиаль- ных (вещественных) решений однородных дифференциальных уравнений (4), (5). Теорема 1 (о перемежаемости нулей). Пусть выполнено неравенство (∗). Тогда между каждыми двумя нулями нетривиального решения y(x) уравнения (4) найдется хотя бы один нуль каждого из решений z(x) уравнения (5). Замечание 1. Пусть в условиях теоремы 1 функция σ(x) = const, x ∈ [x1, x2] ⊂ (a, b). Тогда: 1) либо z(x) имеет только один нуль в интервале (x1, x2), причем z(x1) 6= 0, z(x2) 6= 0; 2) либо z(x) отличается от y(x) в интервале [x1, x2] только постоянным множителем и z(x1) = 0, z(x2) = 0. Следствие 1. Нули нетривиального решения y(λ, x) уравнения −y′′ + q(x)y = λy, x ∈ [a, b], λ ∈ R, (8) с возрастанием λ двигаются влево, за исключением возможного нуля в точке x = a. Следствие 2. Нули нетривиальных решений уравнения (8) перемежаются. Справедливо также следующее утверждение. Теорема 2 (о сравнении нулей). Пусть y(x) есть решение уравнения (4), удовлетво- ряющее начальным условиям y(a) = sinα, y[1]1(a) = cosα, (9) а z(x) — решение уравнения (5) с такими же начальными условиями z(a) = sinα, z[1]2(a) = cosα (10) при 0 6 α < π. Пусть выполнено неравенство (∗). Тогда если y(x) в интервале a < x 6 b имеет m нулей, то z(x) в том же интервале имеет не меньше чем m нулей и k-нуль z(x) не больше k-го нуля y(x), k = 1, . . . ,m. Теорема 3 (численного сравнения). Пусть x0 ∈ [a, b] и y(x) есть решение уравне- ния (4), удовлетворяющее начальным условиям (9), а z(x) — решение уравнения (5) с на- чальными условиями (10), и справедливо строгое неравенство (∗), т. е., σ(x) ↑↑, x ∈ [a, b]. Тогда в произвольной правосторонней окрестности точки x0, в которой z(x) нигде не обращается в нуль (за исключением, быть может, самой точки x = x0), справедливо неравенство |y(x)| > |z(x)|. Более того, отношение y(x)/z(x) является функцией x, возрастающей от значения 1, которое оно принимает при x = x0. Замечание 2. В формулировке теоремы 3 условие q1 > q2 можно заменить более общим требованием (∗), если функция σ(x) ↑↑ на [x0, b]. 22 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8 С учетом леммы А доказательства приведенных теорем проводятся по той же схеме, что и в классическом случае [5, 6]. Теорема 4 (об осцилляции). Собственные значения краевой задачи Штурма–Лиувилля с разделенными краевыми условиями: −y′′ + q(x)y = λy, x ∈ (a, b), cosαy(a)− sinαy[1](a) = 0, 0 6 α < π, cos βy(b)− sinβy[1](b) = 0, 0 < β 6 π, простые и образуют вещественную, возрастающую последовательность λ0 < λ1 < λ2 < · · · < λn < · · · . При этом собственная функция yn(x), отвечающая собственному значению λn, имеет ровно n нулей в интервале (a, b). Теоремы о перемежаемости и осцилляции позволяют установить следующий важный для приложений результат. Теорема 5. Количество отрицательных (не положительных) собственных значений краевой задачи Штурма–Лиувилля с краевыми условиями Дирихле: −y′′ + q(x)y = λy, x ∈ (a, b), y(a) = y(b) = 0, равняется количеству нулей нетривиального решения y(x) в интервале (a, b) (соответст- венно (a, b]) краевой задачи с граничным условием Дирихле на левом конце: −y′′ + q(x)y = 0, y(a) = 0. Отметим, что приведенные выше теоремы дополняют и частично обобщают результа- ты [7] на случай более общих, чем меры коэффициентов q. Утверждения теорем 2, 3, 5 являются новыми и для мер. Они также дополняют и расширяют результаты работы [8] об осцилляционных свойствах решений задачи Дирихле при вариации спектрального па- раметра. Исследование поддержано Государственным фондом фундаментальных исследований Украины, грант 28.1/017. 1. Савчук А.М., Шкаликов А.А. Операторы Штурма–Лиувилля с потенциалами-распределениями // Тр. Моск. мат. об-ва. – 2003. – 64. – С. 159–212. 2. Наймарк М.А. Линейные дифференциальные операторы. – Москва: Наука, 1969. – 528 с. 3. Владимиров В. С. Обобщенные функции в математической физике. – Москва: Наука, 1971. – 280 с. 4. Натансон И.П. Теория функций вещественной переменной. – Москва: Наука, 1957. – 552 с. 5. Трикоми Ф. Дифференциальные уравнения. – Москва: Иностр. лит., 1962. – 352 с. 6. Левитан Б.М., Саргсян И.С. Введение в спектральную теорию. – Москва: Наука, 1970. – 672 с. 7. Покорный Ю.В., Зверева М.Б., Шабров С.А. Осцилляционная теория Штурма–Лиувилля для им- пульсных задач // Успехи мат. наук. – 2008. – 63, № 1. – С. 111–154. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2010, №8 23 8. Шкаликов А.А., Бен Амара Ж. Осцилляционные теоремы для задач Штурма–Лиувилля с потенциа- лами-распределениями // Вестн. Моск. ун-та. Сер. матем. и мех. – 2009. – № 3. – С. 43–49. Поступило в редакцию 14.01.2010Институт математики НАН Украины, Киев V.A. Mikhailets, V.N. Molyboga Oscillation properties of solutions of the Sturm–Liouville problem with a singular coefficient We study oscillation properties of non-trivial solutions of the Sturm–Liouville equation with a sin- gular real-valued coefficient from the negative Sobolev space W−1 2 [a, b]. Analogs of the classical Sturm theorems about interlacing, comparison, and oscillation are found. The number of negative eigenvalues of the Dirichlet boundary-value problem is found equal to the number of zeros in the interval (a, b) of a non-trivial solution y(x) of the homogeneous equation with the condition y(a) = = 0. 24 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2010, №8
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-30007
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-01T14:06:47Z
publishDate 2010
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Михайлец, В.А.
Молибога, В.Н.
2012-01-17T10:56:28Z
2012-01-17T10:56:28Z
2010
Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом / В.А. Михайлец, В.Н. Молибога // Доп. НАН України. — 2010. — № 8. — С. 20-24. — Бібліогр.: 8 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30007
517.984
Дослiджено осциляцiйнi властивостi нетривiальних розв’язкiв рiвняння Штурма–Лiувiлля iз сингулярним дiйсним коефiцiєнтом з негативного простору Соболєва W2^−1 [a, b]. Знайдено аналоги класичних теорем Штурма про чергування, порiвняння та осциляцiю. Встановлено, що число вiд’ємних власних значень крайової задачi Дiрiхле дорiвнює числу нулiв у iнтервалi (a, b) нетривiального розв’язку y(x) однорiдного рiвняння з умовою y(a) = 0.
We study oscillation properties of non-trivial solutions of the Sturm–Liouville equation with a singular real-valued coefficient from the negative Sobolev space W2^−1 [a, b]. Analogs of the classical Sturm theorems about interlacing, comparison, and oscillation are found. The number of negative eigenvalues of the Dirichlet boundary-value problem is found equal to the number of zeros in the interval (a, b) of a non-trivial solution y(x) of the homogeneous equation with the condition y(a) = 0.
Исследование поддержано Государственным фондом фундаментальных исследований Украины, грант 28.1/017.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Математика
Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
Mappability of non-linear systems onto systems of a special form and their controllability
Article
published earlier
spellingShingle Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
Михайлец, В.А.
Молибога, В.Н.
Математика
title Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
title_alt Mappability of non-linear systems onto systems of a special form and their controllability
title_full Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
title_fullStr Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
title_full_unstemmed Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
title_short Осцилляционные свойства решений задачи Штурма–Лиувилля с сингулярным коэффициентом
title_sort осцилляционные свойства решений задачи штурма–лиувилля с сингулярным коэффициентом
topic Математика
topic_facet Математика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/30007
work_keys_str_mv AT mihailecva oscillâcionnyesvoistvarešeniizadačišturmaliuvillâssingulârnymkoéfficientom
AT molibogavn oscillâcionnyesvoistvarešeniizadačišturmaliuvillâssingulârnymkoéfficientom
AT mihailecva mappabilityofnonlinearsystemsontosystemsofaspecialformandtheircontrollability
AT molibogavn mappabilityofnonlinearsystemsontosystemsofaspecialformandtheircontrollability