Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі

The solutions to an abstract m-harmonic equation on (0,∞) are described. The necessary and sufficient conditions on initial data, under which the Cauchy problem for such an equation is solvable in the class of finite-order and finite-type entire vector-valued functions for a dense set of initial dat...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2008
Автори: Горбачук, М.Л., Горбачук, В.І.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2008
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5455
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:Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі / М.Л. Горбачук, В.І. Горбачук // Доп. НАН України. — 2008. — № 8. — С. 7-13. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859779039270535168
author Горбачук, М.Л.
Горбачук, В.І.
author_facet Горбачук, М.Л.
Горбачук, В.І.
citation_txt Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі / М.Л. Горбачук, В.І. Горбачук // Доп. НАН України. — 2008. — № 8. — С. 7-13. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.
collection DSpace DC
description The solutions to an abstract m-harmonic equation on (0,∞) are described. The necessary and sufficient conditions on initial data, under which the Cauchy problem for such an equation is solvable in the class of finite-order and finite-type entire vector-valued functions for a dense set of initial data, are presented.
first_indexed 2025-12-02T09:17:20Z
format Article
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 8 • 2008 МАТЕМАТИКА УДК 517.43+517.5 © 2008 Член-кореспондент НАН України М. Л. Горбачук, В. I. Горбачук Задача Кошi для диференцiальних рiвнянь вищих порядкiв у банаховому просторi The solutions to an abstract m-harmonic equation on (0,∞) are described. The necessary and sufficient conditions on initial data, under which the Cauchy problem for such an equation is solvable in the class of finite-order and finite-type entire vector-valued functions for a dense set of initial data, are presented. Розглянемо абстрактну задачу Кошi ( d2 dt2 − B )m y(t) = 0, t ∈ (0,∞), y(i)(0) = yi, i = 0, 1, . . . , 2m − 1, де B — позитивний оператор у комплексному банаховому просторi B, тобто B — щiльно заданий в B оператор такий, що ∃M > 0, ∀λ > 0: ‖(B + λI)−1‖ 6 M 1 + λ . Оскiльки при m = 1 розглядуване рiвняння є елiптичного типу, то ця задача не завжди має розв’язок. У роботi даються умови на початковi данi (y0, y1, . . . , y2m−1), якi гарантують її одно- значну розв’язнiсть; наводяться критерiї iснування розв’язку в класi цiлих вектор-функцiй заданого порядку росту ρ < ∞ i скiнченного типу, а також умови на ρ, за яких така розв’яз- нiсть має мiсце на щiльнiй в B m множинi початкових даних (y0, y1, . . . , y2m−1). Крiм того, описуються усi розв’язки зазначеного рiвняння на вiдкритому iнтервалi (0,∞). 1. Нехай B — банахiв простiр з нормою ‖ · ‖, E(B) — множина всiх щiльно визначених в B замкнених лiнiйних операторiв, I — одиничний оператор, D(·), ρ(·), RA(·) — область визначення, резольвентна множина i резольвента оператора. Через {etA}t>0 позначатимемо C0-пiвгрупу лiнiйних операторiв з генератором A (стосовно теорiї пiвгруп у банаховому та локально опуклому просторах див. [1, 2]). ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №8 7 Для оператора A ∈ E(B) i числа β > 0 покладемо G{β}(A) = ind lim α→∞ G α β(A) = ⋃ α>0 G α β(A), G(β)(A) = proj lim α→0 G α β(A) = ⋂ α>0 G α β(A), де G α β(A) = {x ∈ C∞(A) | ∃ c = c(x) > 0,∀ k ∈ N0 = {0} ⋃ N : ‖Akx‖ 6 cαkkkβ} — банахiв простiр вiдносно норми ‖x‖Gα β (A) = sup k∈N0 ‖Akx‖ αkkkβ , а C∞(A) = ⋂ n∈N0 D(An) — простiр нескiнченно диференцiйовних векторiв оператора A. Нагадаємо (див. [3]), що збiж- нiсть в G{β}(A)(G(β)(A)) означає збiжнiсть в G α β(A) при деякому (при всiх) α > 0. Очевидно, що для довiльних λ 6= 0, µ ∈ C G{β}(A) = G{β}(λA + µI), G(β)(A) = G(β)(λA + µI), i за умови, що β1 < β2, G(β1)(A) ⊆ G{β1}(A) ⊆ G(β2)(A) ⊆ G{β2}(A). Бiльше того, P (A)G{β}(A) ⊆ G{β}(A), P (A)G(β)(A) ⊆ G(β)(A), де P (λ) — многочлен, i якщо 0 ∈ ρ(P (A)), то P (A)G{β}(A) = G{β}(A), P (A)G(β)(A) = G(β)(A). Простори G{1}(A) i G(1)(A) називаються просторами аналiтичних i цiлих векторiв опера- тора A вiдповiдно. Зауважимо, що простiр G{β}(A) (а поготiв i G(β)(A)) може складатися лише з нульового вектора. Але має мiсце таке твердження (порiвн. з [4]). Твердження 1. Якщо A генерує обмежену аналiтичну C0-пiвгрупу {etA}t>0 у просто- рi B з кутом аналiтичностi θ, то при β > 1 − 2θ/π G(β)(A) = B, а оператор-функцiя exp(zA) = ∞∑ k=0 zkAk k! є цiлою у просторi G{β}(A) з β < 1 i в G(β)(A) з β 6 1. Сiм’я {exp(zA)}z∈C утворює однопараметричну C0-групу операторiв у цих просторах, i якщо x належить до такого простору, то exp(tA)x = { etAx при t > 0, (e−tA)−1x при t < 0. 8 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №8 2. Нехай A — генератор C0-пiвгрупи лiнiйних операторiв в B. Далi припускатимемо, що ker etA = {0} для будь-якого t > 0. Без обмеження загальностi вважатимемо також {etA}t>0 пiвгрупою стискiв. Позначимо через B−t(A) (t > 0) поповнення B за нормою ‖x‖−t = ‖etAx‖. Норми ‖x‖−t (t > 0) є узгодженими i порiвнянними на B. Отже, при t < t′ маємо щiльне й неперервне вкладення B−t(A) ⊆ B−t′(A). Покладемо B−(A) = proj lim t→0 B−t(A). Зазначимо, що для одержання B−(A) досить обмежитися просторами B− 1 n (A), n ∈ N. Таким чином, B−(A) — повний злiченно-нормований простiр (щодо злiченно-нормованих просторiв i операторiв у них див. [5]). Оператор etA допускає неперервне розширення Ũ(t) з B на B−t(A), причому на пiдставi неперервностi вкладення B−t(A) в B−t′(A) при t < t′ Ũ(t′)|B−t(A) = Ũ(t). На просторi B−(A) задамо оператори U(t) (t > 0) таким чином: ∀x ∈ B−(A) : U(t)x = Ũ(t)x при t > 0, U(0)x = x. Теорема 1. Сiм’я {U(t)}t>0 утворює одностайно неперервну C0-пiвгрупу лiнiйних опе- раторiв у просторi B−(A) iз властивостями: 1) ∀ t > 0: U(t)B−(A) ⊆ B; 2) ∀ t > 0,∀x ∈ B : U(t)x = etAx; 3) ∀ t, s > 0,∀x ∈ B−(A) : U(t + s)x = etAU(s)x = esAU(t)x. Якщо пiвгрупа {etA}t>0 є диференцiйовною при t > 0, то генератор Â пiвгрупи {U(t)}t>0 визначений на всьому просторi B−(A) i є замиканням A у цьому просторi. Iз теореми 1 i теореми про замкнений графiк випливає Наслiдок 1. Якщо пiвгрупа {etA}t>0 є диференцiйовною при t > 0, то вкладення B ⊂ B−(A) є строгим, оператор Â неперервним у просторi B−(A), а пiвгрупа {U(t) = = etÂ}t>0 — нескiнченно диференцiйовною на [0,∞) в B−(A). 3. Розглянемо тепер рiвняння вигляду ( d2 dt2 − B )m y(t) = 0, t ∈ (0,∞), m ∈ N, (1) де B — позитивний оператор в B. Останнє означає, що B ∈ E(B), (−∞, 0] ∈ ρ(B) i iснує стала M > 0 така, що ∀λ > 0: ‖RB(−λ)‖ 6 M 1 + λ . Як показано в [6, 7], у цьому випадку є визначеними дробовi степенi Bα, 0 < α < 1, оператора B, а оператор A = −B1/2 генерує обмежену аналiтичну C0-пiвгрупу {etA}t>0 у просторi B з вiд’ємним типом ω(A) = lim t→∞ ln ‖etA‖ t . ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №8 9 Пiд розв’язком рiвняння (1) на (0,∞) розумiтимемо 2m разiв неперервно диференцiйов- ну в B на (0,∞) вектор-функцiю y(t) таку, що y(2k) ∈ D(Bm−k) (k = 0, 1, . . . ,m), Bm−ky(2k) неперервна в B на (0,∞), i яка задовольняє (1). Пiдкреслимо, що жодних умов на поведiн- ку розв’язку в околi нуля не вимагається. Теорема 2. Вектор-функцiя y(t) є розв’язком рiвняння (1) на (0,∞) тодi i тiльки тодi, коли її можна зобразити у виглядi y(t) = m−1∑ k=0 tketÂfk + m−1∑ k=0 tk exp(−tA)gk, (2) де A = −B1/2, fk ∈ B−(A), gk ∈ G(1)(A). Вектори fk i gk (k = 0, 1, . . . ,m − 1) однозначно визначаються за y(t). Наслiдок 2. Будь-який розв’язок рiвняння (1) на (0,∞) є аналiтичною на (0,∞) век- тор-функцiєю в B. Наслiдок 3. Кожний розв’язок y(t) рiвняння (1) на (0,∞) i його похiднi довiльного порядку мають граничнi значення в нулi у просторi B−(A). Теорема 3. Для того щоб розв’язок рiвняння (1) на (0,∞) був цiлою вектор-функцiєю в B, необхiдно i достатньо, щоб у його зображеннi (2) fk ∈ G(1)(A) (k = 0, 1, . . . ,m − 1). За цiєї умови y(t) є цiлою вектор-функцiєю в G(1)(A). 4. Перейдемо до задачi Кошi для рiвняння (1). Вона полягає у вiдшуканнi за заданими векторами y0, y1, . . . , y2m−1 ∈ B−(A) розв’язку y(t) рiвняння (1) на (0,∞), для якого lim t→0 y(i)(t) = yi, i = 0, 1, . . . , 2m − 1 (3) (границя береться у просторi B−(A)). Зауважимо, що ця задача може не мати розв’язку, якщо yi ∈ B−(A) довiльнi. Наприк- лад, у випадку m = 1 розв’язок рiвняння має вигляд y(t) = etÂf0 + exp(−tA)g0, f0 ∈ B−(A), g0 ∈ G(1)(A). Ця вектор-функцiя задовольняє умову (3) з m = 1 тодi i тiльки тодi, коли f0 = 1 2 A−1(y1 + Ay0), g0 = − 1 2 A−1(y1 − Ay0). Отже, вона є розв’язком задачi Кошi лише в тому випадку, коли −(1/2)A−1(y1 − Ay0) ∈ ∈ G(1)(A), що не завжди виконується (для B = −d2/dx2 це було вiдмiчено в [8]). Враховуючи, що для розв’язку y(t) рiвняння (1) ( d dt + Â )( d2 dt2 − Â2 )m−1 y(t) = m−1∑ k=0 (−1)m−1−iCi m−1Â 2(m−i−1)(y(2i+1)(t) + Ây(2i)(t)) = = (m − 1)!2mÂmetÂfm−1 i ( d dt − Â )( d2 dt2 − Â2 )m−1 y(t) = m−1∑ k=0 (−1)m−1−iCi m−1Â 2(m−i−1)(y(2i+1)(t) − Ây(2i)(t)) = = (−1)m(m − 1)!2mAm exp(−tA)gm−1, 10 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №8 одержимо для fm−1 та gm−1 вирази fm−1 = Â−m 2m−1∑ k=0 Pm−1,k(Â)yk, gm−1 = Â−m 2m−1∑ k=0 Qm−1,k(Â)yk, де Pm−1,k(Â) i Qm−1,k(Â) — деякi многочлени вiд оператора Â. Знаючи тепер fm−1 i gm−1, можемо зробити висновок, що якщо y(t) — розв’язок задачi Кошi (3) для рiвняння (1), то вектор-функцiя y1(t) = y(t) − (tm−1etÂfm−1 + tm−1 exp(−tA)gm−1) — розв’язок задачi Кошi y1,i = yi при i = 0, 1, . . . ,m − 2; y1,i = yi − (m − 1)!Cm−1 i Âi−(m−1)(fm−1 + (−1)i−m+1gm−1) при i = m − 1, . . . , 2(m − 1) − 1 для рiвняння ( d2 dt2 − B )m−1 y1(t) = 0. Так само, як це зроблено вище, знайдемо fm−2 i gm−2. Вони будуть мати вигляд fm−2 = Â−(2m−1) 2m−1∑ k=0 Pm−2,k(Â)yk, gm−2 = Â−(2m−1) 2m−1∑ k=0 Qm−2,k(Â)yk. Продовжуючи цю процедуру, для fm−i, gm−i (i = 1, . . . ,m) отримаємо формули типу fm−i = Â− 1 2 (2m−i+1)i 2m−1∑ k=0 Pm−i,k(Â)yk, gm−i = Â− 1 2 (2m−i+1)i 2m−1∑ k=0 Qm−i,k(Â)yk, де Pm−i,k(Â) i Qm−i,k(Â) — многочлени вiд оператора Â. Звiдси, на основi теореми 2, прийде- мо до такого твердження: задача Кошi (1), (3) розв’язна тодi i тiльки тодi, коли вектори Â− 1 2 (2m−i+1)i 2m−1∑ k=0 Qm−i,k(Â)yk (i = 0, 1, . . . ,m − 1) є цiлими векторами для оператора A; якщо розв’язок iснує, то вiн єдиний. Iз наведених мiркувань також випливає така теорема. Теорема 4. Для того щоб задача Кошi (1), (3) була коректно розв’язною у класi цiлих вектор-функцiй iз значеннями в B, необхiдно i достатньо, щоб yk ∈ G(1)(A). За цих умов значення y(t) також будуть належати до G(1)(A). Тут пiд коректнiстю задачi (1), (3) у класi цiлих B-значних вектор-функцiй розумiється, що вона не лише однозначно розв’язна в цьому класi, але й її розв’язок неперервно залежить вiд початкових даних, а саме: якщо yn,i → yi (n → ∞) у просторi G(1)(A), то для вiдповiдних розв’язкiв yn(t), ‖yn(z) − y(z)‖ → 0 (n → ∞) рiвномiрно на кожному компактi K ⊂ C. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №8 11 5. Розглянемо докладнiше випадок розв’язностi задачi Кошi в класi цiлих вектор-функ- цiй. Позначимо через A(B) множину всiх цiлих B-значних вектор-функцiй. Говорять, що вектор-функцiя y(z) ∈ A(B) є скiнченного порядку росту, якщо iснує число γ > 0 таке, що для достатньо великих |z| ‖y(z)‖ 6 e|z| γ . Точна нижня межа ρ(y) таких γ — це порядок y(z). Нехай тепер число δ > 0 — довiльне фiксоване. Пiд степенем вектор-функцiї y(z) ∈ A(B) вiдносно δ розумiтимемо величину σ(y, δ) = lim r→∞ ln max |z|=r ‖y(z)‖ rδ . Ясно, що якщо y(z) має скiнченний порядок ρ = ρ(y) i δ < ρ, то σ(y, δ) = ∞, але якщо δ > ρ, то σ(y, δ) = 0. Величина σ(y) = σ(y, ρ) (степiнь y(z) вiдносно її порядку) називається типом вектор-функцiї y(z). Вектор-функцiю y(z) ∈ A(B) скiнченного порядку, для якої ρ(y) 6 1 i σ(y, 1) < ∞, прийнято називати вектор-функцiєю експоненцiального типу. Для довiльного числа ρ > 0 позначимо через A ρ(B) множину вектор-функцiй y(z) ∈ ∈ A(B), порядок яких не перевищує ρ i скiнченного степеня вiдносно цього ρ. Покладемо також A ρ α(B) = {y ∈ A ρ(B) | ∃ c > 0,∀ z ∈ C : ‖y(z)‖ 6 ceα|z|ρ}, де c = c(y) > 0 — стала. Множина A ρ α(B) — банахiв простiр з нормою ‖y‖ρ,α = sup r>0 e−αrρ max |z|=r ‖y(z)‖. Очевидно, що A ρ(B) = ⋃ α>0 A ρ α(B). У просторi A ρ(B) введемо топологiю iндуктивної границi просторiв A ρ α(B): A ρ(B) = ind lim α→∞ A ρ α(B). Тодi збiжнiсть послiдовностi yn(z) до y(z) у просторi A ρ(B) означає, що послiдовнiсть σ(yn, ρ) обмежена i ‖yn(z) − y(z)‖ → 0 (n → ∞) рiвномiрно на кожному компактi K ⊂ C. Неважко бачити, що A 1(B) — простiр цiлих B-значних вектор-функцiй експоненцiального типу. Теорема 5. Розв’язок y(t) задачi Кошi (1), (3) допускає продовження до цiлої век- тор-функцiї y(z) ∈ A ρ(B) тодi i тiльки тодi, коли yi ∈ G{β}(A), де β = (ρ − 1)/ρ. Бiльше того, якщо розв’язок y(z) належить до A ρ(B), то y(z) ∈ G{β}(A) для довiльного z ∈ C i задача Кошi (1), (3) є коректною у такому розумiннi: якщо G{β}(A) ∋ yi,n → yi (n → ∞) у просторi G{β}(A), то послiдовнiсть вiдповiдних розв’язкiв yn(z) збiгається до y(z) у просторi A ρ(B). 12 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2008, №8 Оскiльки пiвгрупа {etA}t>0 є обмеженою аналiтичною, то iз твердження 1 i теореми 5 випливає, що множина початкових даних (y0, y1, . . . , y2m−1), для яких задача (1), (3) є роз- в’язною в A ρ(B), є щiльною у просторi B 2m з ρ > π/(2θ) > 1, де θ — кут аналiтичностi пiвгрупи. Що стосується випадку ρ = 1, то, на основi [9], щiльнiсть буде мати мiсце тодi, коли θ = π/2 i виконується додаткова умова на рiст резольвенти оператора A, а саме: 1∫ 0 ln ln M(s) ds < ∞, де M(s) = sup | Im λ|>s ‖RA(λ)‖. Останнє завжди має мiсце, якщо B — додатно визначений самоспряжений оператор у гiль- бертовому просторi. Зауважимо, що для абстрактних диференцiальних рiвнянь вищих порядкiв параболiчно- го типу питання розв’язностi задачi Кошi в класi цiлих вектор-функцiй розглянуто в [10]. Робота виконана за пiдтримки ДФФД України (проект 14.1–003). 1. Иосида К. Функциональный анализ. – Москва: Мир, 1967. – 624 с. 2. Pazy A. Semigroups of linear operators and applications to partial differential equations. – New York: Springer, 1983. – 279 p. 3. Канторович Л.В., Акилов Г.П. Функциональный анализ в нормированных пространствах. – Москва: Физматгиз, 1959. – 684 с. 4. Gorbachuk V. I., Gorbachuk M. L. Boundary value problems for operator differential equations. – Dordrecht: Kluwer, 1991. – 347 p. 5. Гельфанд И.М., Шилов Г. Е. Пространства основных и обобщенных функций. Т 2. – Москва: Физ- матгиз, 1958. – 307 с. 6. Крейн С.Г. Линейные дифференциальные уравнения в банаховом пространстве. – Москва: Наука, 1967. – 464 с. 7. Komatsu H. Fractional powers of operators // Pacif. J. Math. – 1966. – 19, No 2. – P. 285–346. 8. Адамар Ж. Задача Коши для линейных уравнений гиперболического типа. – Москва: Наука, 1978. – 352 с. 9. Горбачук М.Л., Горбачук В. I. Про наближення гладких векторiв замкненого оператора цiлими ве- кторами експоненцiального типу // Укр. мат. журн. – 1995. – 47, № 5. – С. 616–628. 10. Xiao T., Liang J. Entire solutions of higher order abstract Cauchy problems // J. Math. Annal. and Appl. – 1997. – 208. – P. 298–310. Надiйшло до редакцiї 29.01.2008Iнститут математики НАН України, Київ ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2008, №8 13
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-5455
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Ukrainian
last_indexed 2025-12-02T09:17:20Z
publishDate 2008
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Горбачук, М.Л.
Горбачук, В.І.
2010-01-22T12:03:29Z
2010-01-22T12:03:29Z
2008
Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі / М.Л. Горбачук, В.І. Горбачук // Доп. НАН України. — 2008. — № 8. — С. 7-13. — Бібліогр.: 10 назв. — укр.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5455
517.43+517.5
The solutions to an abstract m-harmonic equation on (0,∞) are described. The necessary and sufficient conditions on initial data, under which the Cauchy problem for such an equation is solvable in the class of finite-order and finite-type entire vector-valued functions for a dense set of initial data, are presented.
uk
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Математика
Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
Article
published earlier
spellingShingle Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
Горбачук, М.Л.
Горбачук, В.І.
Математика
title Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
title_full Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
title_fullStr Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
title_full_unstemmed Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
title_short Задача Коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
title_sort задача коші для диференціальних рівнянь вищих порядків у банаховому просторі
topic Математика
topic_facet Математика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/5455
work_keys_str_mv AT gorbačukml zadačakošídlâdiferencíalʹnihrívnânʹviŝihporâdkívubanahovomuprostorí
AT gorbačukví zadačakošídlâdiferencíalʹnihrívnânʹviŝihporâdkívubanahovomuprostorí