О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки

Установлена разрешимость задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки, а также скорость убывания решений в зависимости от гладкости потенциала. Встановлено розв’язнiсть задачi Кошi для рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими
 даними типу сходинки, а тако...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Veröffentlicht in:Доповіді НАН України
Datum:2015
1. Verfasser: Гладкая, З.Н.
Format: Artikel
Sprache:Russisch
Veröffentlicht: Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2015
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/95824
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:О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки / З.Н. Гладкая // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 2. — С. 7-13. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1860233495678287872
author Гладкая, З.Н.
author_facet Гладкая, З.Н.
citation_txt О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки / З.Н. Гладкая // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 2. — С. 7-13. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
collection DSpace DC
container_title Доповіді НАН України
description Установлена разрешимость задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки, а также скорость убывания решений в зависимости от гладкости потенциала. Встановлено розв’язнiсть задачi Кошi для рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими
 даними типу сходинки, а також швидкiсть спадання розв’язкiв залежно вiд гладкостi потенцiалу. The solvability of a Cauchy problem for the Korteweg–de Vries equation is established, and the rate
 of decrease of solutions as a function of the smoothness of the potential is found.
first_indexed 2025-12-07T18:22:12Z
format Article
fulltext оповiдi НАЦIОНАЛЬНОЇ АКАДЕМIЇ НАУК УКРАЇНИ 2 • 2015 МАТЕМАТИКА УДК 517.94 З.Н. Гладкая О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки (Представлено академиком НАН Украины Е.Я. Хрусловым) Установлена разрешимость задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза с началь- ными данными типа ступеньки, а также скорость убывания решений в зависимости от гладкости потенциала. Как известно, метод обратной задачи рассеяния (МОЗР), который был впервые применен для решения задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза (КдФ) qt = −qxxx + 6qqx, (1) с убывающими начальными данными q(x, 0) = q(x), не позволяет решить данную задачу в том же классе, каковыми являются начальные данные. Происходят “потери” в гладкости и скорости убывания решения [1]. В частности, если мы хотим иметь классическое решение q(x, t) уравнения (1), убывающее в смысле L1(R), то максимально широкий класс началь- ных данных, обеспечивающих такое решение методом МОЗР — это функции, имеющие шесть производных, суммируемых со вторым моментом. Методы, используемые в теории уравнений в частных производных (PDE), позволяют существенно расширить классы на- чальных данных, например до L2(R), но при этом решение понимается в слабом смысле [2]. Оба указанных подхода позволяют также доказать разрешимость уравнения КдФ в классе Шварца. Задача Коши для уравнения (1) с начальными данными типа ступеньки q(x) → c±, x→ ±∞, c− ̸= c+, c± ∈ R, (2) исследована меньше, и методы PDE оказываются здесь не эффективными. Для уравнения КдФ методом МОЗР в работе [3] доказано, что у задачи (1), (2) с начальными данными +∞∫ 0 ((1 + |x|N )|q(x)| + (1 + |x|)|q(−x) + c2|) dx <∞ (3) © З.Н. Гладкая, 2015 ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №2 7 при достаточно большом N есть слабое решение из L2(R) при каждом t. Кроме того, для начальных данных q(x), асимптотически близких к двум разным конечнозонным потен- циалам p+(x) и p−(x) на разных полуосях, получен следующий результат: Теорема [4]. Пусть p±(x, t) — это два конечнозонных решения уравнения (1), соот- ветствующих конечнозонным начальным данным p±(x). Пусть m > 8 и n > m + 5 — заданные натуральные числа и пусть∫ R± ∣∣∣∣ ∂s∂xs (q(x) − p±(x)) ∣∣∣∣ (1 + |x|m) dx <∞, 0 6 s 6 n. (4) Тогда при всех t ∈ [−T, T ] существует единственное решение q(x, t) задачи (1), (4) такое, что при 0 6 s 6 n − m − 2∫ R± (∣∣∣∣ ∂s∂xs (q(x, t) − p±(x, t)) ∣∣∣∣+ ∣∣∣∣ ∂∂t(q(x, t) − p±(x, t)) ∣∣∣∣)(1 + |x|[ m 2 ]−2 ) dx <∞. (5) Нашей целью является уточнение этих результатов на случай начальных данных класса Lnm(c+, c−). Определение 1. Пусть c+, c− ∈ R, m > 1, n > 1, m,n ∈ N — это заданные числа. Функция q(x) принадлежит классу Lnm(c+, c−), если q(n) ∈ Lloc 2 (R) и +∞∫ 0 (|q(x) − c+| + |q(−x) − c−| + |q(i)(x)| + |q(i)(−x)|)(1 + |x|m)dx <∞, i = 1, . . . , n. Основным результатом настоящей работы является следующая теорема. Теорема 1. Пусть m > 3 и n > m + 3 — заданные целые числа. Тогда задача Ко- ши (1), (2) с начальными данными q(x) ∈ Lnm(c+, c−) при всех t ∈ [−T, T ] имеет един- ственное решение q(x, t) такое, что q(·, t) ∈ Ln−m [m+1 2 ]−2 (c+, c−), ∂ ∂t q(·, t) ∈ Ln−m [m+1 2 ]−2 (0, 0). Объясним вкратце структуру доказательства, полагая для простоты c+ = 0, c− = −c2. Известно [5, 6], что спектр оператора Шредингера L = −d2/dx2+q(x) с потенциалом q(x) ∈ ∈ Lnm(c+, c−) из абсолютно непрерывного спектра на множестве [−c2,+∞), однократного на [−c2, 0] и двукратного на R+, и конечного числа собственных значений λ1 < · · · < λp < < −c2. Введем два новых спектральных параметра k± по формуле λ = k2+ = k2− − c2, являющихся взаимно однозначными отображениями на множествах λ ∈ clos(C \ [−c2,∞)), k+ ∈ clos(C+ \ (0, ic)), k− ∈ closC+, где closA означает замыкание множества A. Решения Йоста уравнения Ly = λy можно представить в виде [7] ϕ±(λ, x) = e±ik±x ± ±∞∫ x K±(x, y)e±ik±ydy, (6) гдеK±(x, y) — ядра операторов преобразования, причемK+(x, x) = 1 2 +∞∫ x q(y) dy,K−(x, x) = = 1 2 x∫ −∞ (q(y) + c2) dy. Для каждого собственного значения λs определим нормировочные 8 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №2 константы γ±s = (∫ R ϕ± 2(λs, x) dx )−1 и введем матрицу рассеяния S(λ) = ( T−(λ) R+(λ) R−(λ) T+(λ) ) , где R± и T± — правые и левые коэффициенты отражения и прохождения. Известно, что при q ∈ Lnm(0,−c2) данные рассеяния S = {R+(λ), T+(λ), k+ ∈ R; R−(λ), T−(λ), k− ∈ R;λ1, . . . , λp ∈ R \ [−c2,∞), γ±1 , . . . , γ ± p ∈ R+} (7) имеют следующие свойства: I. S(λ + i0) = S(λ− i0) при λ ∈ [−c2,∞); S(λ) = I + O((λ)−1/2), при λ → ∞; (T−(λ))−1T−(λ) = R−(λ) при k− ∈ [−c, c]; 1 − |R+(λ)|2 = 1 − |R−(λ)|2 = T+(λ)T−(λ), R+(λ)T+(λ) + R−(λ)T+(λ) = 0, k+ ∈ R. II. Функции T+(λ) и T−(λ) аналитически продолжаются в область C \ [−c2,∞) и удов- летворяют там тождеству k+T −1 + (λ) = k−T −1 − (λ) =: W (λ), где функция W (λ) голомор- фна в области C \ [−c2,∞) и непрерывна вплоть до границы. При этом W (λ) ̸= 0 при λ ∈ clos(C\ [−c2,∞))\ ( {−c2} p∪ s=1 {λs} ) , а в точках λk W (λk) = (γ+k γ − k )−2. Если W (−c2) = 0, то W (λ) = iα √ λ+ c2(1 + o(1)), где α ∈ R \ {0}. Функция R(λ) непрерывна при k+ ∈ R и R(0) = −1. Функция R−(λ) непрерывна при k− ∈ R. Если W (−c2) ̸= 0, то R−(−c2) = −1. Операторы преобразования и данные рассеяния связаны между собой уравнениями Гельфанда–Левитана–Марченко (ГЛМ) K±(x, y) + F±(x+ y)± ±∞∫ x K±(x, s)F±(s+ y) ds = 0, ±x 6 ±y (8) с ядрами F±(x) = Fc,±(x) + Fd,±(x), где Fc,+(x) = 1 2πi ∫ R R+(λ)eik+xdk+ + 1 4π 0∫ −c2 |T−(λ)|2 k− eik+xdλ, (9) F−(x) = 1 2πi ∫ R R−(λ)e−ik−xdk−, Fd,± = p∑ s=1 γ±s e±iκ±s x, κ+ = √ λs, κ− = √ λs + c2. Эти ядра обладают следующим свойством: III. F (n+1) ± ∈ Lloc 2 (R) и xmF (s) ± (x) ∈ L1(R±), s = 1, . . . , n + 1. Как показано в [8], условия I–III являются необходимыми и достаточными, чтобы мно- жество S было множеством данных рассеяния для оператора Шредингера с потенциалом из класса Lnm(0,−c2), где n > 0 и m > 1 — фиксированные числа. Доказательство достаточности состоит в решении обратной задачи рассеяния. Выберем множество S, которое удовлетворяет свойствам I–III. Тогда уравнения ГЛМ имеют един- ственные решения K±(x, y) такие, что функции q±(x) = ∓2 d dx K±(x, x) убывают в следую- щем смысле: q(n)± ∈ Lloc 2 (R) и xmq±(i)(x) ∈ L1(R±). Имеет место следующее утверждение [8]: ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №2 9 при условиях I–III на множество S функции q−(x) − c2 и q+(x) совпадают. Более того, эта теорема единственности обратной задачи допускает следующее обобщение: Лемма 1. Пусть множество S удовлетворяет свойствам I и II, а функции F±, F ′ ± ∈ ∈ L1(R±) ∪ Lloc 2 (R), тогда уравнения ГЛМ имеют единственные решения такие, что q± ∈ ∈ L1(R±) ∪ Lloc 2 (R), и q+ ≡ q− − c2. Эти результаты являются основой МОЗР для задачи Коши для уравнения (1), форма- лизм которого состоит в следующем. Рассмотрим начальные данные задачи Коши q(x, 0) ∈ ∈ Lnm(c+, c−) как потенциал ассоциированного оператора Шредингера и решим прямую задачу рассеяния. Мы получим множество данных рассеяния S(0). Предположим, что ре- шение задачи Коши существует и является функцией класса Ln1 m1 (с+, с−) при каждом t и при возможно меньших, чем m и n, величинах m1 и n1. Тогда можно посчитать эволю- цию данных рассеяния [9] (например, R+(λ, t) = R+(λ)e8ik 3 +t при k+ ∈ R) и естественным образом возникает множество S(t) = {R+(λ, t), T+(λ, t), R−(λ, t), T−(λ, t), λ1, . . . , λp, γ ± 1 , . . . , γ ± p (t) ∈ R+}, которое трактуется как множество данных рассеяния для некоторого потенциала q(x, t). Как правило, в приложениях, связанных с методом обратной задачи рассеяния, автомати- чески считается, что решение задачи (1), (2) найдено, как только написана эволюция дан- ных рассеяния. На самом деле множество S(t) появилось в предположении существования решения класса Ln1 m1 (c+, c−), поэтому, чтобы обосновать применение МОЗР, нужно прове- рить, что полученное множество S(t) действительно удовлетворяет условиям I–III хотя бы при каких-то m1 и n1. Условия I и II проверяются элементарно. Основную сложность составляет проверка того факта, что ядра F±(x, t) = Fc,±(x, t) + Fd,±(x, t) зависящего от времени уравнения ГЛМ с Fc,+(x, t) = 1 π Re +∞∫ 0 R+(λ)ψ(−ik+, t)e ik+xdk+ + 1 4π 0∫ −c2 |T−(λ)|2ψ(−ik+, t)e ik+x dλ k− , (10) Fc,−(x, t) = 1 π Re +∞∫ 0 R−(λ)e−ik−xψ(ik−, t) dk−, (11) F±,d(x, t) = p∑ s=1 γ±s e±iκ±xψ(±iκ±, t), где ψ(h, t) := e8h 3t, удовлетворяют условию III. Прежде всего заметим, что слагаемые Fd,±(x, t), соответствующие дискретному спектру, являются гладкими функциями по x и t и при t ∈ [−T, T ] и x→ ±∞ допускают оценки∣∣∣∣ ∂s+1 ∂xs∂t F±,d(x, t) ∣∣∣∣ 6 C(T ) √ (|λ0| + 1)3+se8 √ |λ0|3T e− √ λp+c2|x|, (12) т. е. условие III для этих слагаемых выполнено. При оценке остальных слагаемых мы используем интегрирование по частям, где инте- грируется множитель e±ik±x, при этом возникают множители x−s перед интегралами. Для 10 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №2 того чтобы удовлетворить условию III, нужно, чтобы внеинтегральные члены взаимно со- кращали друг друга. Кроме того, при интегрировании по частям функция ψ(h, t) диффе- ренцируется некоторое число раз и для того, чтобы последующие интегралы существовали, нужно, чтобы функции R± и их производные убывали на бесконечности быстрее, чем это обеспечивается условием I. Здесь используется следующий результат, полученный в рабо- те [10]: пусть q ∈ Lnm(0,−c2) m > 2, n > 1. Тогда при любом ε > 0, s 6 m − 1 ∂sR±(λ) ∂k±s = Q±,s(k±) k±n+1 , Q+(·) ∈ L2(R), Q−(·) ∈ L2(R \ (Ωε,− ∪ Ωε,+), где Ωε,± = ( ± √ c2 − ε2,± √ c2 + ε2 ) . Заметим, что области Ωε,± возникли из-за отсутствия производных по параметру k− у функции R− в точках k− = ±c. Поэтому при интегрирова- нии по частям формулы (11) мы используем следующие обрезающие функции: B± ε (k−) = = B ( ± √ k2− − c2, ε ) , где B(ξ, ε) =  e−( ξε) 2 ( 1 − ( ξ ε )2m )m+3 при |ξ| 6 ε, 0 при |ξ| > ε, (13) и представляем Fc,−(x, t) в виде Fc,−(x, t) = ∫ R\{Ωε,+∪Ωε,−} Φ(k−)e−ik−xdk− + I+(x, t, ε) + I−(x, t, ε), (14) где I±(x, t, ε) = ∫ Ωε,± Φ(k−)e−ik−x(1 −B± ε (k−)) dk− + ∫ Ωε,± Φ(k−)e−ik−xB± ε (k−) dk− (15) и Φ(k−) := R−(λ(k−))ψ(ik−, t). Первые слагаемые в формулах (14) и (15) интегрируются обычным образом, причем их внеинтегральные члены взаимно сокращают друг друга. Что касается последнего слагаемого в формуле (15), то для его оценки используется следующая лемма. Лемма 2. Пусть q ∈ Lnm(0,−c2), m > 3, n > 1. Тогда в области Ωε,± функция Φ(k−) допускает следующее разложение по параметру ξ = ± √ k2− + c2: Φ(k−) = a±0 + a±1 ξ + · · · + ξ[ m+1 2 ]g±(ξ), где g±(ξ) ∈ C[m+1 2 −1](Ωε,±). Тем самым функция ξ[ m+1 2 ]g±(ξ) может быть [m+ 1/2] − 1 раз продифференцирована по переменной k−, при этом внеинтегральные члены исчезают за счет функции B± ε (k−). Оставшаяся степенная функция может быть выражена через функции параболического цилиндра, причем оценки имеют экспоненциальный характер убывания при x → −∞. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №2 11 Нам остается оценить функцию Fc,+(x, t). Представим второе слагаемое в формуле (10) в виде 1 4π 0∫ −c2 |T−(λ)|2ψ ( i √ λ ) ei √ λx dλ√ λ+ c2 = 1 π 0∫ c P (h)ψ(h)e−hxdh, (16) где √ λ = k+ = ih и P (h) = ihW(ϕ−, ϕ−) / (W(ϕ−, ϕ+)W(ϕ−, ϕ+)), (17) где W(f, g) — вронскиан двух функций. Очевидно, что при интегрировании по частям пра- вой части (16) внеинтегральные члены, соответствующие точке c, будут экспоненциально малы при x→ +∞. Поэтому при интегрировании по частям обоих слагаемых в (10) должны взаимно сокращаться внеинтегральные члены, соответствующие точкам 0. Элементарный подсчет показывает, что это достигается, если выполнена следующая лемма. Лемма 3. Пусть q ∈ Lnm(0,−c2), m > 3, n > 0. Тогда имеет место тождество lim k+→+0 Re { is+1 ∂s ∂ks+ R+(λ) } = lim h→+0 ∂s ∂hs P (h), s = 0, 1, . . . ,m− 1. (18) Эта лемма доказывается с помощью тождества Плюккера. Работа выполнена при частичной поддержке гранта “Мережа математичних дослiджень 2013–2015”. 1. Marchenko V.A. The inverse scattering problem and its applications to NLPDE // Scattering and Inverse Scattering in Pure and Applied Science / Ed. by R. Pike, P. Sabatier. – San Diego: Academic Press, 2002. – P. 1695–1706. 2. Кружков С.Н., Фаминский А.В. Обобщенные решения задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза // Матем. сб. – 1983. – 120(162), № 3. – С. 396–425. 3. Kappeler T. Solutions of the Korteweg–de Vries equation with steplike initial data // J. Different. Equat. – 1986. – 63, No 3. – P. 306–331. 4. Egorova I., Teschl G. On the Cauchy problem for the Korteweg–de Vries equation with steplike finite-gap initial data II. Perturbations with finite moments // J. Anal. Math. – 2011. – 115. – P. 71–101. 5. Буслаев В.С., Фомин В.Н. К обратной задаче рассеяния для одномерного уравнения Шредингера на всей оси // Вестн. Ленингр. ун-та. – 1962. – 17, № 1. – С. 56–64. 6. Cohen A., Kappeler T. Scattering and inverse scattering for steplike potentials in the Schrödinger equa- tion // Indiana Univ. Math. J. – 1985. – 34, No 1. – P. 127–180. 7. Marchenko V.A. Sturm–Liouville operators and applications. – Basel: Birkhäuser, 1986. – 395 p. 8. Egorova I., Gladka Z., Lange T.-L., Teschl G. On the inverse scattering transform method for the Korteweg– de Vries equation with steplike initial data / University of Vienna. – Prepr. – Wien, 2014. 9. Хруслов Е.Я. Асимптотика решения задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки // Матем. сб. – 1976. – 99, № 2. – С. 261–281. 10. Гладкая З.Н. О коэффициенте отражения оператора Шредингера с гладким потенциалом // Доп. НАН України. – 2014. – № 9. – P. 7–9. Поступило в редакцию 22.09.2014Физико-технический институт низких температур им. Б.И. Веркина НАН Украины, Харьков 12 ISSN 1025-6415 Reports of the National Academy of Sciences of Ukraine, 2015, №2 З.М. Гладка Про розв’язок рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими даними типу сходинки Встановлено розв’язнiсть задачi Кошi для рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими даними типу сходинки, а також швидкiсть спадання розв’язкiв залежно вiд гладкостi по- тенцiалу. Z.M. Gladka About solving the Korteweg–de Vries equation with step-like initial data The solvability of a Cauchy problem for the Korteweg–de Vries equation is established, and the rate of decrease of solutions as a function of the smoothness of the potential is found. ISSN 1025-6415 Доповiдi Нацiональної академiї наук України, 2015, №2 13
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-95824
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn 1025-6415
language Russian
last_indexed 2025-12-07T18:22:12Z
publishDate 2015
publisher Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
record_format dspace
spelling Гладкая, З.Н.
2016-03-06T10:42:02Z
2016-03-06T10:42:02Z
2015
О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки / З.Н. Гладкая // Доповiдi Нацiональної академiї наук України. — 2015. — № 2. — С. 7-13. — Бібліогр.: 10 назв. — рос.
1025-6415
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/95824
517.94
Установлена разрешимость задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки, а также скорость убывания решений в зависимости от гладкости потенциала.
Встановлено розв’язнiсть задачi Кошi для рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими&#xd; даними типу сходинки, а також швидкiсть спадання розв’язкiв залежно вiд гладкостi потенцiалу.
The solvability of a Cauchy problem for the Korteweg–de Vries equation is established, and the rate&#xd; of decrease of solutions as a function of the smoothness of the potential is found.
Работа выполнена при частичной поддержке гранта “Мережа математичних дослiджень 2013–2015”.
ru
Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
Доповіді НАН України
Математика
О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
Про розв’язок рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими даними типу сходинки
About solving the Korteweg–de Vries equation with step-like initial data
Article
published earlier
spellingShingle О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
Гладкая, З.Н.
Математика
title О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
title_alt Про розв’язок рiвняння Кортевега–де Фрiза з початковими даними типу сходинки
About solving the Korteweg–de Vries equation with step-like initial data
title_full О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
title_fullStr О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
title_full_unstemmed О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
title_short О решениях уравнения Кортевега–де Фриза с начальными данными типа ступеньки
title_sort о решениях уравнения кортевега–де фриза с начальными данными типа ступеньки
topic Математика
topic_facet Математика
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/95824
work_keys_str_mv AT gladkaâzn orešeniâhuravneniâkortevegadefrizasnačalʹnymidannymitipastupenʹki
AT gladkaâzn prorozvâzokrivnânnâkortevegadefrizazpočatkovimidanimitipushodinki
AT gladkaâzn aboutsolvingthekortewegdevriesequationwithsteplikeinitialdata