Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions

We study the Cauchy problem for the Korteweg–de-Vries equation in the class of functions approaching a finite- zone periodic solution of the KdV equation as $x → −∞$ and 0 as $x → +∞$. We prove the existence of infinitely many “regularized” integrals of motion for the solutions $u(x, t)$ of the Cauc...

Full description

Saved in:
Bibliographic Details
Date:2015
Main Authors: Andreev, K. N., Khruslov, E. Ya., Андреев, К. Н., Хруслов, Е. Я.
Format: Article
Language:Russian
Published: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2015
Online Access:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2093
Tags: Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Download file: Pdf

Institution

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860508019375210496
author Andreev, K. N.
Khruslov, E. Ya.
Андреев, К. Н.
Хруслов, Е. Я.
Андреев, К. Н.
Хруслов, Е. Я.
author_facet Andreev, K. N.
Khruslov, E. Ya.
Андреев, К. Н.
Хруслов, Е. Я.
Андреев, К. Н.
Хруслов, Е. Я.
author_sort Andreev, K. N.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T09:50:29Z
description We study the Cauchy problem for the Korteweg–de-Vries equation in the class of functions approaching a finite- zone periodic solution of the KdV equation as $x → −∞$ and 0 as $x → +∞$. We prove the existence of infinitely many “regularized” integrals of motion for the solutions $u(x, t)$ of the Cauchy problem, with explicit dependence on time.
first_indexed 2026-03-24T02:18:33Z
format Article
fulltext УДК 517.94 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов (Физ.-техн. ин-т низ. температур НАН Украины, Харьков) РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА В КЛАССЕ НЕУБЫВАЮЩИХ ФУНКЦИЙ We study the Cauchy problem for the Korteweg–de-Vries equation in the class of functions approaching a finite- zone periodic solution of the KdV equation as x → −∞ and 0 as x → +∞. We prove the existence of infinitely many “regularized” integrals of motion for the solutions u(x, t) of the Cauchy problem, with explicit dependence on time. В роботi вивчається розв’язок задачi Кошi для рiвняння Кортевега – де Фрiза у класi функцiй, що прямують до скiченнозонного перiодичного розв’язку цього рiвняння при x → −∞ i до 0 при x → +∞. Доведено iснування нескiнченного числа „регуляризованих” iнтегралiв руху для розв’язку u(x, t) задачi Кошi, до яких явно входить час. 1. Введение. Хорошо известно, что решение задачи Коши для уравнения Кортевега – де Фриза (КдФ): ∂u ∂t − 6u ∂u ∂x + ∂3u ∂x3 = 0, u|t=0 = u0(x), −∞ < x < +∞ u(x)→ 0, |x| → ∞, (1.1) имеет такое свойство: для него существует счетная серия интегралов движения, которая пред- ставима в виде In[u] = +∞∫ −∞ Pn(u, ux, . . .)dx, (1.2) т. е. эти интегралы не зависят от времени. Здесь Pn(u, ux, . . .) — полином по u и пространствен- ным производным от u. Первые три полинома имеют вид P1(u) = u, P2(u) = u2, P3(u, ux) = = u3 + 1 2 u2x. Впервые этот факт был отмечен в работах [1, 3], где указана общая процедура их построения. Другой подход к определению Pn(u, ux, ...) был развит Лаксом [4]. Захаров В. Е., Фадеев Л. Д. в работе [5] построили теорию уравнения КдФ, как вполне интегрируемой га- мильтоновой системы. Они получили вид интегралов движения, выраженных через данные рассеяния. Была введена симплектическая структура на соответствующем многообразии и по- казано, что эти интегралы находятся в инволюции. Третий из них играет роль гамильтониана H[u] для уравнения КдФ, представимого в виде ut = d dx δH[u] δu , (1.3) где символ δ δu обозначает производную Фреше. Отметим, что в работе [5] рассматривались убывающие при x → ±∞ решения. В данной работе рассматриваются решения уравнения КдФ в классе неубывающих функций, а именно, c© К. Н. АНДРЕЕВ, Е. Я. ХРУСЛОВ, 2015 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1587 1588 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов решения u, стремящиеся к 0 при x → +∞ и к периодическому фону при x → −∞. В таком случае интегралы движения вида (1.2) расходятся. В работе построены „регуляризованные” интегралы движения, в которые явно входит время. Тем не менее уравнение КдФ представля- ется в гамильтоновом виде (1.3). Таким образом, в указанном классе неубывающих решений уравнение КдФ можно рассматривать как неавтономную гамильтонову динамическую систему. Опишем кратко структуру статьи. Метод обратной задачи решения задачи Коши для урав- нения КдФ использует представление Лакса Lt = [A,L], где L — оператор Шредингера, а A — дифференциальный оператор третьего порядка. Поэтому во втором пункте приведены необхо- димые сведения из теории рассеяния для уравнения Шредингера и выведены асимптотические формулы для его решений. В третьем пункте установлена эволюция по времени данных рассе- яния для оператора Шредингера, потенциал для которого является решением задачи Коши. Все это используется в четвертом пункте, где приведены „регуляризованные” интегралы движения для задачи Коши в классе решений, стремящихся к периодическому фону при x → −∞ и к 0 при x→ +∞. Эти интегралы явно зависят от времени. В пятом пункте рассмотрены решения, стремящиеся к постоянному фону при x→ −∞, и найдены интегралы движения, не зависящие явно от времени. 2. Необходимые сведения из теории рассеяния. Введем определения и обозначения, используемые в дальнейшем. Рассмотрим дифференциальное уравнение Хилла −y′′ + q0(x)y = λy, −∞ < x < +∞, (2.1) с вещественным периодическим потенциалом q0(x): q0(x+ a) = q0(x). Без ограничения общности будем считать, что a = 1. Пусть θ(x, λ), φ(x, λ) — фундаментальная система решений уравнения (2.1), определенная начальными условиями θ(0, λ) = φ′(0, λ) = 1, θ′(0, λ) = φ(0, λ) = 0. Следуя [6], обозначим φ = φ(1, λ), φ′ = φ′(1, λ), θ = θ(1, λ), θ′ = θ′(1, λ). Решения ψ̃1,2(x, λ) = θ(x, λ) +m1,2(λ)φ(x, λ) (2.2) называются решениями Вейля. Здесь m1,2(λ) = φ′ − θ 2φ ± √ F 2(λ)− 1 φ — функции Вейля, а F (λ) = φ′ + θ 2 — дискриминант Хилла. Множество σ = {λ : Imλ = 0, |F (λ)| ≤ 1} называется спектром оператора L0 = − d2 dx2 +q0(x) в пространстве L2(−∞,+∞). Для решений Вейля имеют место следующие представления [6, с. 348] : ψ̃1,2(x, λ) = exp (∓iρ(λ)x)χ12(x), где ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1589 ρ(λ) = i ln ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 ) = arcsin ( i √ F 2(λ)− 1 ) , χ12(x) — периодические функции с периодом 1. Предположим, что потенциал q0(x) имеет производные до порядка n − 2 включительно, где n > 2 — любое фиксированное число. Уравнение Хилла (2.1) имеет линейно независимые решения ỹ(x,± √ λ) представимые в виде [7, c. 60] (Л.1.4.2) ỹ(x,± √ λ) = exp ±i√λx+ x∫ 0 σ̃(ξ,± √ λ)dξ  , (2.3) где σ̃(x,± √ λ) = n−1∑ j=1 σ̃j(x) (±2i √ λ)j + σ̃n(x,± √ λ) (±2i √ λ)n , (2.4) n — любое фиксированное натуральное число. При этом функции σ̃j(x), 1 ≤ j ≤ n − 1, определяются рекуррентными соотношениями σ̃1(x) = q0(x), σ̃j+1(x) = −σ̃′j(x)− j−1∑ l=1 σ̃j−l(x)σ̃l(x), (2.5) и при |λ| → +∞ имеет место асимптотическое равенство σ̃n(x,± √ λ) = o(1) (2.6) равномерно по x : |x| < N, где N = const, при Imλ ≥ 0. Рассмотрим теперь уравнение Шредингера на всей оси : −y′′ + q(x)y = λy, −∞ < x < +∞, (2.7) с вещественным потенциалом q(x), удовлетворяющим условиям 0∫ −∞ (1 + x2)|q(j)(x)− q(j)0 (x)|dx < +∞, +∞∫ 0 (1 + x2)|q(j)(x)|dx < +∞, j = 0, n, (2.8) где q0(x) — вещественный периодический конечнозонный потенциал для уравнения Хилла (2.1) (см., например, [11, 12]). Известно, что уравнение (2.7) имеет линейно независимые решения вида [7, с. 162] φ1,2(x, λ) = e±i √ λx + +∞∫ x K+(x, y)e±i √ λydy, λ > 0, (2.9) где ядро K+(x, y) не зависит от спектрального параметра, и для него справедлива оценка ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1590 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов |K+(x, y)| ≤ 1 2 l ( x+ y 2 ) exp ( l1(x)− l1 ( x+ y 2 )) , l(x) = +∞∫ x |q(y)|dy, l1(x) = +∞∫ x |l(y)|dy. Кроме того, K+(x, x) = 1 2 ∫ +∞ x |q(y)|dy. В работе [9] доказано, что при λ ∈ Intσ существует фундаментальная система ψ1,2(x, λ) решений уравнения (2.7) вида ψ1,2(x, λ) = ψ̃1,2(x, λ) + x∫ −∞ K−(x, y)ψ̃1,2(y, λ)dy, (2.10) где ψ̃1,2(x, λ) имеет вид (2.2), и для ядра K−(x, y) справедлива оценка |K−(x, y)| ≤ C(x) x+y 2∫ −∞ |q(ξ)− q0(ξ)|dξ. (2.11) Здесь C(x) — непрерывная положительная монотонно убывающая функция при x → −∞. Функции φ1,2(x, λ) составляют фундаментальную систему решений уравнения (2.7) при λ > 0, а функции ψ1,2(x, λ) — при λ ∈ Intσ, поэтому они связаны равенствами ψ1(x, λ) = c11(λ)φ1(x, λ) + c12(λ)φ2(x, λ), λ > 0, φ1(x, λ) = c22(λ)ψ1(x, λ) + c21(λ)ψ2(x, λ), λ ∈ Intσ. (2.12) Введем еще одну пару линейно независимых решений y(x,±λ) для уравнения Шредингера с потенциалом удовлетворяющим условиям (2.8). Это будет выполнено в лемме 2, доказатель- ство которой существенно использует методы развитые в [8]. Сначала, получим необходимую уточненную асимптотическую формулу для функции Вейля m1(λ) при |λ| → +∞. Лемма 2.1. При |λ| → ∞, Imλ ≥ 0 имеет место асимптотическая формула m1(λ) = −i √ λ+ σ̃(0,− √ λ) +O(|λ−n/2|), (2.13) где n — любое фиксированное натуральное число, а функция σ̃(0,− √ λ) определяется по фор- муле (2.4). Доказательство. Как показано в [6], функция m1(λ) удовлетворяет уравнению m2(λ) + θ(λ)− φ′(λ) φ(λ) m(λ)− θ′(λ) φ(λ) = 0. (2.14) В силу (2.4) и (2.5) в рассматриваемом случае периодического конечнозонного потенциала q0(x) при любом натуральном n и |λ| → +∞ справедливо равенство σ̃(1,− √ λ) = σ̃(0,− √ λ) + o(|λ|−n/2). (2.15) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1591 Подставляя функцию ν(λ) = −i √ λ + σ̃(0,− √ λ) в левую часть уравнения (2.14) и учитывая соотношения (2.14), (2.15), убеждаемся, что ν(λ) является решением уравнения ν2(λ) + θ(λ)− φ′(λ) φ(λ) ν(λ)− θ′(λ) φ(λ) = O(|λ|−n/2+1). (2.16) Вычтем из уравнения (2.14) с подстановкой m(λ) = m1(λ) уравнение (2.16) : (m1(λ)− ν(λ))(m1(λ) + ν(λ) + θ(λ)− φ′(λ) φ(λ) ) = O(|λ|−n/2+1). Устремим |λ| к ∞ и воспользуемся асимптотиками из [6] : m1(λ) = −i √ λ+O(1), ν(λ) = −i √ λ+O ( 1√ λ ) , ∣∣∣∣θ(λ)− φ′(λ)φ(λ) ∣∣∣∣ = O(1). Тогда получим m1(λ)− ν(λ) = O(|λ|−n/2). Следовательно, справедлива следующая уточненная асимптотическая формула для функции Вейля: m1(λ) = −i √ λ+ σ̃(0,− √ λ) +O(|λ−n/2|). Лемма 2.1 доказана. Лемма 2.2. Уравнение Шредингера (2.7) с вещественным потенциалом q(x), удовлетво- ряющим условиям (2.8), при достаточно больших λ ∈ Intσ имеет два линейно независимых решения y(x,± √ λ), представимые в виде y(x,± √ λ) = exp ±i√λx+ x∫ 0 σ̃(ξ,± √ λ)dξ 1 + n∑ j=1 wj(x) (±2i √ λ)j + wn+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1  , (2.17) где функции σ̃(x,± √ λ) определяются формулами (2.4), (2.5), а функции wj(x) связаны рекур- рентными соотношениями w′1(x) = q(x)− q0(x), w′j(x) = σj(x)− σ̃j(x) + j−1∑ l=1 wl(x)(σj−l(x)− σ̃j−l(x)), j = 2, n, (2.18) wn+1(x,± √ λ) exp ±i√λx+ x∫ 0 σ̃(ξ,± √ λ)dξ  = ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1592 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов = ±2i √ λ ∫ x −∞ gn+1(y, λ) ψ1(x, λ)ψ2(y, λ)− ψ1(y, λ)ψ2(x, λ) m2(λ)−m1(λ) dy, в которых функции σj(x) определяются из рекуррентных соотношений (2.5) при σ1(x) = q(x) и функции wj(x)→ 0 при x→ −∞, причем gn+1(y, λ) ∈ L1(−∞, 0]. Доказательство. 1. Решения уравнения Хилла (2.1) ỹ(x,± √ λ) при достаточно больших λ ∈ Intσ и ψ̃1,2(x, λ) вида (2.2) и (2.3) соответственно образуют фундаментальные системы. Следовательно, одно из решений можно выразить в виде линейной комбинации других: ỹ(x,− √ λ) = A(λ)ψ̃1(x, λ) +B(λ)ψ̃2(x, λ). (2.19) Подставkzz в это равенство, а также в соответствующее равенство для производной ỹ(x,− √ λ) значение x = 0 и учитывая лемму 2.1, получаем асимптотические равенства для коэффициентов A(λ) и B(λ) при λ→ +∞: A(λ) = 1 +O(|λ|−n/2), B(λ) = O(|λ|−n/2), (2.20) где n — любое фиксированное натуральное число. 2. Дифференцируя равенство (2.19) по x и учитывая (2.4), (2.5), имеем ỹ(x,− √ λ)(−i √ λ+ σ̃(x,− √ λ)) = A(λ)(−iρ(λ))ψ̃1(x, λ) +B(λ)(iρ(λ))ψ̃2(x, λ)+ +A(λ)e−iρ(λ)xχ′1(x, λ) +B(λ)eiρ(λ)xχ′2(x, λ). Поскольку равенства χ′1(x, λ) = χ′2(x, λ) = O ( 1 | √ λ| ) и ρ(λ) = √ λ + O(1) выполняются равномерно по x, то справедлива следующая оценка: |ỹ(x,− √ λ)σ̃(0,− √ λ)| ≤ const√ λ + o ( 1√ λ ) . (2.21) 3. Подставляя правую часть решения (2.3) в уравнение Хилла, убеждаемся, что функции σ̃(x,± √ λ) удовлетворяют уравнениям σ̃′(x,± √ λ)± 2i √ λσ̃(x,± √ λ) + σ̃2(x,± √ λ) = q0(x). (2.22) Теперь подставим правую часть формулы (2.17) в уравнение (2.7). Тогда, учитывая (2.22), имеем − n∑ j=1 w′′j (x) (±2i √ λ)j − w′′n+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1 − 2(±i √ λ+ σ̃(x,± √ λ))× ×  n∑ j=1 w′j(x) (±2i √ λ)j + w′n+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1 + +(q(x)− q0(x)) 1 + n∑ j=1 wj(x) (±2i √ λ)j + wn+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1  = 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1593 Раскрывая скобки, сдвигая индексацию суммирования, а затем приравнивая к нулю коэффици- енты при степенях (±2i √ λ)−j , j = 0, n− 1, получаем рекуррентные соотношения 1 (±2i √ λ)0 : w′1(x) = q(x)− q0(x), 1 (±2i √ λ)1 : − w′′1(x)− w′2(x) + (q(x)− q0(x))wj(x) = 0, (2.23) j = 2, n− 1 : − w′′j (x)w′j+1(x)− 2 j−1∑ l=1 w′l(x)σ̃j−l(x) + (q(x)− q0(x))wj(x) = 0, − w′′n(x) (±2i √ λ)n − w′′n+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1 − 2(±i √ λ+ σ̃(x,± √ λ)) w′n+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1 − 2w′n(x)σ̃(x,± √ λ) (±2i √ λ)n + +(q(x)− q0(x)) wn(x) (±2i √ λ)n + (q(x)− q0(x)) wn+1(x,± √ λ) (±2i √ λ)n+1 + + P (w′1(x), . . . , w ′ n(x), σ̃1(x), . . . , σ̃n(x), λ) (±2i √ λ)n = 0. (2.24) Умножив равенство (2.24) на ỹ(x,± √ λ), получим дифференциальное уравнение для функции vn+1(x,± √ λ) ≡ wn+1(x,± √ λ)ỹ(x,± √ λ) : −v′′n+1(x,± √ λ) + q(x)vn+1(x,± √ λ)− λvn+1(x,± √ λ) = ±2i √ λgn+1(x,± √ λ), (2.25) в котором функции gn+1(x,± √ λ) содержат оставшиеся слагаемые равенства (2.24). Учитывая, что (1 + |x|)P ∈ L1(−∞, 0], и (2.21), имеем gn+1(x,± √ λ) ∈ L1(−∞, 0]. Следовательно, вводя функцию Грина G(x, y, λ) = ψ2(x, λ)ψ1(y, λ)− ψ2(y, λ)ψ1(x, λ) m2(λ)−m1(λ) и учитывая, что gn+1(x,± √ λ) ∈ L1(−∞, 0], получаем решение дифференциального уравне- ния (2.25) в виде vn+1(x,± √ λ) = ±2i √ λ x∫ −∞ ψ2(x, λ)ψ1(y, λ)− ψ2(y, λ)ψ1(x, λ) m2(λ)−m1(λ) gn+1(y,± √ λ)dy, стремящееся к 0 при x→ −∞. 4. Равенство (2.18) докажем индукцией по j. При j = 1 равенство очевидным образом справедливо. Пусть равенство (2.18) справедливо при n = 1, j. Вычисляя w′j+1(x), с помощью рекуррентных соотношений (2.23), получаем w′j+1(x) = −w′′j (x)− 2 j−1∑ l=1 w′l(x)σ̃j−l(x) + (q(x)− q0(x))wj(x). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1594 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов Подставляя w′j(x), а также используя рекуррентные соотношения (2.5), имеем w′j+1(x) = σj+1(x)− σ̃j+1(x) + j∑ l=1 wl(x)(σj+1−l(x)− σ̃j+1−l(x)). (2.26) Таким образом, лемма 2.2 доказана. Лемма 2.3. Для коэффициента c11(λ) в соотношении (2.12) справедливо следующее асимп- тотическое равенство при |λ| → +∞ : 2i √ λc11(λ) = (σ̃(0,− √ λ)− σ(0,− √ λ))× × 1 + n∑ j=1 wj(0) (−2i √ λ)j + wn+1(0,− √ λ) (−2i √ λ)n+1 − n∑ j=1 w′j(0) (−2i √ λ)j − w′n+1(0,− √ λ) (−2i √ λ)n+1 × × exp − +∞∫ 0 σ(ξ,− √ λ)dξ  (1 +O(| √ λ|−n/2)), (2.27) где n — любое фиксированное натуральное число. Доказательство. Рассмотрим вронскиан W (ψ1, φ2), где W (f, g) = fg′ − f ′g. Учитывая первое из равенств (2.12) и то, что вронскиан не зависит от x, при x = 0 получаем c11(λ) = W (ψ1(x, λ), φ2(x, λ))|x=0 2i √ λ . (2.28) Поскольку согласно лемме 2.2 ψ1(x, λ) = Ã(λ)y(x,− √ λ)+B̃(λ)y(x, √ λ) и limx→−∞ |y(x, √ λ)− −ỹ(x, √ λ)| = limx→−∞ |y(x,− √ λ)−ỹ(x,− √ λ)| = 0, то коэффициенты Ã(λ) и B̃(λ) совпадают с коэффициентами ˜̃A(λ) и ˜̃B(λ) в разложении ψ̃1(x, λ) = ˜̃A(λ)ỹ(x,− √ λ) + ˜̃B(λ)ỹ(x, √ λ), т. е. для этих коэффициентов при любом фиксированном натуральном n справедливы такие же, как и в (2.20) асимптотические равенства при |λ| → ∞, ˜̃A(λ) = 1 +O(|λ|−n/2), ˜̃B(λ) = O(|λ|−n/2). (2.29) Опираясь на задачу, приведенную в [7, с. 184], несложно показать, что решения φ1,2(x, λ) уравнения (2.7) представимы в виде φ1,2(x, λ) = exp ±i√λx− +∞∫ x σ(ξ,± √ λ)dξ , (2.30) где σ(x,± √ λ) определяются по формулам (2.4), (2.5), в которых σ1(x) = q(x), а σn(x,± √ λ) = +∞∫ 0 σn+1(x+ ξ)e±2i √ λξdξ + 1 ±2i √ λ +∞∫ 0 K̃n(x, ξ)e ±2i √ λξdξ +O ( 1 λ ) . Здесь ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1595 +∞∫ 0 (|σn+1(x+ ξ)|+ |K̃n+1(x, ξ)|)dξ <∞. Подставляя (2.29) и (2.30) в (2.28), приходим к асимптотическому равенству (2.27) для коэф- фициента c11(λ). Лемма 2.3 доказана. 3. Задача Коши для уравнения КдФ. Рассмотрим задачу Коши для уравнения КдФ : ∂u ∂t − 6u ∂u ∂x + ∂3u ∂x3 = 0, u|t=0 = u0(x), (3.1) с вещественной начальной функцией u0(x), удовлетворяющей условиям lim x→−∞ |u0(x)− v0(x)| = lim x→+∞ u0(x) = 0, (3.2) где v0(x) — периодический вещественный конечнозонный потенциал с периодом a = 1 для уравнения Хилла. Пусть v(x, t) — периодическое решение уравнения КдФ с начальной функ- цией v(x, 0) = v0(x) (существование v(x, t) доказано в [7]). В [10] доказано, что при соответ- ствующем выборе начальной функции u0(x) задача (3.1), (3.2) имеет решения Шварцовского типа V, обладающие свойствами max |t|≤T 0∫ −∞ (1 + |x|m) ∣∣∣∣∂ju(x, t)∂xj − ∂jv(x, t) ∂xj ∣∣∣∣ dx < +∞, max |t|≤T +∞∫ 0 (1 + xm) ∣∣∣∣∂ju(x, t)∂xj ∣∣∣∣ dx < +∞, j,m = 0, 1, 2, . . . , при всех неотрицательных значениях T. Лемма 3.1. Если в уравнении Шредингера вида (2.7) потенциал u(x, t) является решением задачи Коши (3.1), (3.2), принадлежащим классу V, то закон изменения во времени c12(λ, t) задается формулой c12(λ, t) = c12(λ, 0) exp −4i(√λ)3t+ t∫ 0 ( −2 (v(0, τ) + 2λ)m1(λ, τ) + ∂v(0, τ) ∂x ) dτ  . (3.3) Доказательство. Пусть потенциалы u(x, t) — семейства уравнений (2.7) являются реше- ниями уравнения КдФ, принадлежащими классу V. Оператор M = ∂ ∂t − 2(u(x, t) + 2λ) ∂ ∂x + + ∂u(x, t) ∂x преобразует дифференцируемые по t решения уравнения Шредингера типа (2.7) в решения этого же уравнения [7, с. 287]. 1. Рассмотрим решения ψ1,2(x, λ, t) вида (2.2) и покажем, что M [ψ1,2(x, λ, t)] = [ −2(v(0, t) + 2λ)m1,2(λ, t) + ∂v(0, t) ∂x ] ψ1,2(x, λ, t). (3.4) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1596 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов Для определенности рассмотрим M1[ψ1(x, λ, t)]. В силу леммы [7, с. 287] при λ ∈ Intσ имеем M [ψ1] = A(λ, t)ψ1(x, λ, t) +B(λ, t)ψ2(x, λ, t). Полагая в последнем соотношении x = −n и устремив n → +∞, n к N, из равенства (2.10) вследствие периодичности функций v(x, t), ∂v(x, t) ∂x , получаем асимптотическое равенство ∂ψ̃1(−n, λ, t) ∂t − 2(v(0, t) + 2λ) ∂ψ̃1(−n, λ, t) ∂x + ∂v(0, t) ∂x ψ̃1(−n, λ, t) = = A(λ, t)ψ̃1(−n, λ, t) +B(λ, t)ψ̃2(−n, λ, t). (3.5) Согласно [6, с. 348] имеем ψ̃1,2(−n, λ, t) = ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )±n , ∂ ∂x ψ̃1,2(−n, λ, t) = ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )±n m1,2(λ, t). Поскольку функция ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )n не зависит от t, то соотношение (3.5) принимает вид −2(v(0, t) + 2λ)m1(λ, t) ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )n + ∂v(0, t) ∂x ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )n = = A(λ, t) ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )n +B(λ, t) ( F (λ) + √ F 2(λ)− 1 )−n . Отсюда, учитывая, что F (λ) + √ F 2(λ)− 1 6= ±1, при λ ∈ Intσ находим A(λ, t) = −2(v(0, t) + 2λ)m1(λ, t) + ∂v(0, t) ∂x , B(λ, t) = 0, и, следовательно, (3.4) доказано. 2. Учитывая, что c12(λ, t) 6= 0, записываем первое равенство (2.12) в виде ψ1(x, λ, t) c12(λ, t) = c11(λ, t) c12(λ, t) φ1(x, λ) + φ2(x, λ, t), λ > 0. (3.6) Применяя оператор M к левой и правой частям этого равенства, и учитывая соотношения (3.4) и M [φ1,2(x, λ, t)] = ∓4i( √ λ)3φ1,2(x, λ, t) [7, c. 297], находим M [ ψ1(x, λ, t) c12(λ, t) ] = ψ1(x, λ, t) c12(λ, t) ( c12(λ, t) ∂ ∂t 1 c12(λ, t) + + ( −2(v(0, t) + 2λ)m1(λ, t) + ∂v(0, x) ∂x )) , (3.7) M [ c11(λ, t) c12(λ, t) φ1(x, λ, t) + φ2(x, λ, t) ] = c11(λ, t) c12(λ, t) φ1(x, λ, t)× ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1597( c12(λ, t) c11(λ, t) ∂ ∂t ( c11(λ, t) c12(λ, t) ) − 4i( √ λ)3 ) + 4i( √ λ)3φ2(x, λ, t). Вследствие линейной независимости функций φ1(x, λ, t) и φ2(x, λ, t), сравнивая соотноше- ния (3.7) с (3.6), приходим к дифференциальному уравнению для коэффициента c12(λ, t) : c12(λ, t) ∂ ∂t 1 c12(λ, t) = 2(v(0, t) + 2λ)m1(λ, t)− ∂v(0, t) ∂x + 4i( √ λ)3. Интегрируя это уравнение, получаем формулу (3.3). Лемма 3.1 доказана. 4. Регуляризованные интегралы движения. Покажем, что существует бесконечная серия интегралов движения для решения u(x, t) задачи Коши (3.1), (3.2). Положим Q(x,− √ λ, t) ≡ d dx ln 1 + n∑ j=1 wj(x, t) (±2i √ λ)j + wn+1(x,± √ λ, t) (±2i √ λ)n+1 , где wj(x, t) определяются в виде (2.18). Тогда решения y(x,− √ λ, t) и φ2(x, √ λ, t), определен- ные в лемме 2.2 и соотношении (2.30), принимаем вид y(x,− √ λ, t) = exp −i√λx+ x∫ 0 σ̃(ξ,− √ λ, t)dξ + x∫ −∞ Q(ξ,− √ λ, t)dξ , (4.1) φ2(x, λ, t) = exp −i√λx− +∞∫ x σ(ξ,− √ λ, t)dξ . (4.2) Функции σ(x,− √ λ, t), σ̃(x,− √ λ, t) при |λ| → +∞ разлагаются в асимптотические ряды σ̃(x,− √ λ, t) = ∞∑ j=1 σ̃j(x, t) (−2i √ λ)j , σ(x,− √ λ, t) = ∞∑ j=1 σj(x, t) (−2i √ λ)j . где σ̃j(x, t) и σj(x, t) удовлетворяют соотношениям вида (2.4), (2.5) при σ̃1(x, t) = v(x, t) и σ1(x, t) = u(x, t). Подставляя (4.1) в уравнение Шредингера, получаем, что функция Q(x, − √ λ, t) удовлетворяет уравнению Q′(x,− √ λ, t)− 2i √ λQ(x,− √ λ, t) + 2σ̃(x,− √ λ, t)Q(x,− √ λ, t)+ +Q2(x,− √ λ, t) = u(x, t)− v(x, t). Отсюда следует, что функция Q(x,− √ λ, t) при |λ| → +∞ разлагается в асимптотический ряд Q(x,− √ λ, t) = ∞∑ j=1 Qj(x, t) (−2i √ λ)j , в котором коэффициенты представляются в виде ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1598 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов Q1(x, t) = u(x, t)− v(x, t), Qj+1(x, t) = −Q′j(x, t)− 2 j−1∑ l=1 σ̃l(x, t)Qj−l(x, t)− j−1∑ l=1 Qj−l(x, t)Ql(x, t). (4.3) Рассмотрим первое равенство вида (2.12) : ψ1(x, λ, t) = c11(λ, t)φ1(x, λ, t) + c12φ2(x, λ, t), λ > 0. (4.4) Из формул вида (2.19) и (2.20) получаем асимптотическую формулу ψ1(x, λ, t) = y(x,− √ λ, t)(1 +O(|λ|−n/2)), где n — любое фиксированное натуральное число. Из соотношений (2.18) и (2.27), в случае когда u(x, t) ∈ V, получаем, что при |λ| → ∞ функция c11(λ, t) стремится к нулю быстрее любой степени 1√ λ . Тогда из (4.4) получаем асимптотическое равенство y(x,− √ λ, t) = c12(λ, t)φ2(x, λ, t) +O(|λ|−n/2). Выразим в этом равенстве c12(λ, t) через c12(λ, 0) согласно лемме 3.1. Учитывая вид решений (4.1), (4.2) и асимптотическую формулу в лемме 2.1, имеем exp −i√λx+ +∞∑ j=1 x∫ 0 σ̃j(ξ, t)dξ (−2i √ λ)j + +∞∑ j=1 x∫ −∞ Qj(ξ, t) (−2i √ λ)j dξ  = = c12(λ, 0) exp +∞∑ j=1 t∫ 0 −2v(0, τ)σ̃j(0, τ) + σ̃j+2(0, τ) (−2i √ λ)j dτ − +∞∑ j=1 ∞∫ x σj(ξ, t) (−2i √ λ)j dξ − i √ λx  . Полагая в этом равенстве x = 0 и разлагая ln c12(λ, 0) в ряд по степеням −2i √ λ, получаем exp  +∞∑ j=1  0∫ −∞ Qj(ξ, t) (−2i √ λ)j dξ + +∞∫ 0 σj(ξ, t) (−2i √ λ)j dξ + + t∫ 0 2v(0, τ)σ̃j(0, τ)− σ̃j+2(0, τ) (−2i √ λ)j dτ  = exp  +∞∑ j=1 cj (−2i √ λ)j  . Сравнивая левую и правую части этого равенства при одинаковых степенях −2i √ λ имеем Ij [u, t] = 0∫ −∞ Qj(ξ, t)dξ + +∞∫ 0 σj(ξ, t)dξ+ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1599 + t∫ 0 (2v(0, τ)σ̃j(0, τ)− σ̃j+2(0, τ))dτ = cj , j = 1, 2, . . . . (4.5) Таким образом, dIj [u, t] dt = 0, т. е. Ij [u, t] — интегралы движения, хотя они явно зависят от времени. Исходя из рекуррентных соотношений вида (2.5) и (4.3), нетрудно убедиться, что подынтегральные выражения Ij [u, t] при четных j являются полными производными. Запишем интегралы движения Ij [u, t], j = 1, 2, 3, 4, 5, 6, в явном виде I1[u, t] = 0∫ −∞ (u(ξ, t)− v(ξ, t)) dξ + ∞∫ 0 u(ξ, t)dξ + t∫ 0 ( 3v2(0, τ)− vξξ(0, τ) ) dτ, I2[u, t] = v(0, 0), I3[u, t] = 0∫ −∞ ( −u2(ξ, t) + v2(ξ, t) + uξξ(ξ, t)− vξξ(ξ, t) ) dξ + ∞∫ 0 ( −u2(ξ, t) + uξξ(ξ, t) ) dξ+ + t∫ 0 ( −4v3(0, τ) + 8v(0, τ)vξξ(0, τ) + 5v2ξ (0, τ)− v(4)(0, τ) ) dτ, I4[u, t] = −2v2(0, 0) + vxx(0, 0), I5[u, t] = 0∫ −∞ ( 2u3(ξ, t)− 2v3(ξ, t) + u2ξ(ξ, t)− v2ξ (ξ, t) + u(4)(ξ, t)− v(4)(ξ, t) ) dξ+ + ∞∫ 0 ( 2u3(ξ, t) + u2ξ(ξ, t) + u(4)(ξ, t) ) dξ+ + t∫ 0 ( 9v4(0, τ)− 42v2(0, τ)vξξ(0, τ)− 60v(0, τ)v2ξ (0, τ) + 12v(0, τ)v(4)(0, τ)− + 28vξ(0, τ)v (3)(0, τ) + 19v2ξξ(0, τ)− v(6)(0, τ) ) dτ, I6[u, t] = 16 3 v3(0, 0)− 8vvxx(0, 0)− 5v2x(0, 0) + v(4)(0, 0). Нетрудно убедиться, что уравнение КдФ представимо в виде du dt = d dx δI5[u, t] δu , где символ δ δu обозначает производную Фреше. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1600 К. Н. Андреев, Е. Я. Хруслов 5. Регуляризованные интегралы движения для постоянного фона. Рассмотрим случай, когда решения задачи Коши стремятся к постоянному фону при x → −∞, т. е. v(x, t) = = c = const. Тогда, учитывая (4.5) и рекуррентные соотношения (2.5), нетрудно убедиться, что нечетные интегралы движения зависят от времени явно по линейному закону. Первые семь интегралов имеют вид I1[u, t] = 0∫ −∞ (u(ξ, t)− c) dξ + ∞∫ 0 u(ξ, t)dξ + 3c2t, I2[u, t] = c, I3[u, t] = 0∫ −∞ ( −u2(ξ, t) + c2 ) dξ + ∞∫ 0 ( −u2(ξ, t) ) dξ − 4c3t, I4[u, t] = −2c2, I5[u, t] = 0∫ −∞ ( 2u3(ξ, t) + u2ξ(ξ, t)− 2c3 ) dξ + ∞∫ 0 ( 2u3(ξ, t) + u2ξ(ξ, t) ) dξ + 9c4t, I6[u, t] = 16 3 c3, I7[u, t] = 0∫ −∞ ( −5u4(ξ, t)− 10u(ξ, t)(u′ξ(ξ, t)) 2 − (u′′ξξ(x, t)) 2 + 5c4 ) dξ+ + ∞∫ 0 ( −5u4(ξ, t)− 10u(ξ, t)(u′ξ(ξ, t)) 2 − (u′′ξξ(x, t)) 2 ) dξ − 24c5t. Учитывая это, легко построить последовательность интегралов, не зависящую явно от времени. Запишем три первых из них: J1[u] = I3[u, t] + 4 3 cI1[u, t] = 0∫ −∞ ( −u2(ξ, t) + 4 3 cu(ξ, t)− 1 3 c2 ) dξ+ + ∞∫ 0 ( −u2(ξ, t) + 4 3 cu(ξ, t) ) dξ, J2[u] = I5[u, t]− 3c2I1[u, t] = 0∫ −∞ ( 2u3(ξ, t)− 3c2u(ξ, t) + u2ξ(ξ, t) + c3 ) dξ+ + ∞∫ 0 ( 2u3(ξ, t)− 3c2u(ξ, t) + u2ξ(ξ, t) ) dξ, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 РЕГУЛЯРИЗОВАННЫЕ ИНТЕГРАЛЫ ДВИЖЕНИЯ УРАВНЕНИЯ КОРТЕВЕГА – ДЕ ФРИЗА. . . 1601 J3[u] = I7[u, t] + 8c3I1[u, t] = = 0∫ −∞ ( −5u4(ξ, t)− 10u(ξ, t)u2ξ(ξ, t) + 8c3u(ξ, t)− u2ξξ(ξ, t)− 3c4 ) dξ+ + ∞∫ 0 ( −5u4(ξ, t)− 10u(ξ, t)u2ξ(ξ, t) + 8c3u(ξ, t)− u2ξξ(ξ, t) ) dξ. Легко проверить, что решение задачи Коши может быть представлено в гамильтоновой форме du dt = d dx δJ2[u] δu . В дальнейшем интегралы движения Jj [u], j = 1, 2, 3, . . . , будут выражены через данные рас- сеяния и построена симплектическая структура. 1. Gardner C. S., Greene J. M., Kruskal M. D., Miura R. M. Method for solving the Korteweg – de Vries equation // Phys. Rev. Lett. – 1967. – 19. – P. 1095 – 1097. 2. Miura R. M., Gardner C. S., Kruskal M. D. Kortewed – de Vries equation and generelizations, II. Extistence of conversation laws and constants motion // J. Math. Phys. – 1968. – 9, № 8. – P. 1204 – 1209. 3. Kruskal M. D., Miura R. M., Gardner C. S., Zabusky N. J. Korteweg – de Vries equation and generalizations. V. Uniqueness and nonexistense of polynomial conservation laws // J. Math. Phys. – 1970. – 11, № 3. – P. 952 – 960. 4. Lax P. D. Integrals of nonlinear equations and solitary waves // Communs Pure and Appl. Math. – 1968. – 21, № 2. – P. 467 – 490. 5. Захаров В. Е. , Фаддеев Л. Д. Уравнение Кортевега – де Фриса — вполне интегрируемая гамильтонова система // Функцион. анализ и его прил. – 1971. – 5, № 4. – P. 18 – 27. 6. Титчмарш Э. Ч. Разложение по собственным функциям, связанным с дифференциальными уравнения второго порядка: В 2 т. – М.: Изд-во иностр. лит., 1961. – Т. 2. – 555 с. 7. Марченко В. А. Операторы Штурма – Лиувилля и их приложения. – Киев: Наук. думка, 1977. 8. Ермакова В. Д. Дис. Обратная задача рассеяния для уравнения Шредингера с неубывающим потенциалом и ее применение к интегрированию уравнения Кортевега – де Фриза: Дис... канд. физ.-мат. наук. – Харьков, 1983. 9. Фирсова Н. Е. Обратная задача рассеяния для возмущенного оператора Хилла // Мат. заметки — 1974. – 18, № 6. – С. 831 – 843. 10. Egorova I., Teshl G. On the Cauchy problem for the Korteweg – de Vries equation with steplike finite-gap initial data II. Perturbations with finite moments // J. d’Anal. Math. – 2011. – 115, № 1. – P. 71 – 101. 11. Новиков С. П. Периодическая задача для уравнения Кортевега – де Фриза // Функцион. анализ и его прил. – 1974. – 8, вып. 3. – P. 54 – 66. 12. Марченко В. А. Периодическая задача Кортевега – де Фриза // Мат. сб., 1974 — 8, вып. 3. – C. 331 – 356. Получено 25.11.14 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11
id umjimathkievua-article-2093
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
last_indexed 2026-03-24T02:18:33Z
publishDate 2015
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/0d/edcbb69a3cb6cd3f4e9b398f8ad7460d.pdf
spelling umjimathkievua-article-20932019-12-05T09:50:29Z Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions Регуляризованные интегралы движения уравнения Кортевега – де Фриза в классе неубывающих функций Andreev, K. N. Khruslov, E. Ya. Андреев, К. Н. Хруслов, Е. Я. Андреев, К. Н. Хруслов, Е. Я. We study the Cauchy problem for the Korteweg–de-Vries equation in the class of functions approaching a finite- zone periodic solution of the KdV equation as $x → −∞$ and 0 as $x → +∞$. We prove the existence of infinitely many “regularized” integrals of motion for the solutions $u(x, t)$ of the Cauchy problem, with explicit dependence on time. В роботi вивчається розв’язок задачi Кошi для рiвняння Кортевега – де Фрiза у класi функцiй, що прямують до скiченнозонного перiодичного розв’язку цього рiвняння при $x → −∞$ i до 0 при $x → +∞$. Доведено iснування нескiнченного числа „регуляризованих” iнтегралiв руху для розв’язку $u(x, t)$ задачi Кошi, до яких явно входить час. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2015-12-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2093 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 67 No. 12 (2015); 1587-1601 Український математичний журнал; Том 67 № 12 (2015); 1587-1601 1027-3190 rus https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2093/1201 Copyright (c) 2015 Andreev K. N.; Khruslov E. Ya.
spellingShingle Andreev, K. N.
Khruslov, E. Ya.
Андреев, К. Н.
Хруслов, Е. Я.
Андреев, К. Н.
Хруслов, Е. Я.
Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions
title Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions
title_alt Регуляризованные интегралы движения уравнения Кортевега – де Фриза в классе неубывающих функций
title_full Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions
title_fullStr Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions
title_full_unstemmed Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions
title_short Regularized integrals of motion for the Korteweg – de-Vries equation in the class of nondecreasing functions
title_sort regularized integrals of motion for the korteweg – de-vries equation in the class of nondecreasing functions
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2093
work_keys_str_mv AT andreevkn regularizedintegralsofmotionforthekortewegdevriesequationintheclassofnondecreasingfunctions
AT khrusloveya regularizedintegralsofmotionforthekortewegdevriesequationintheclassofnondecreasingfunctions
AT andreevkn regularizedintegralsofmotionforthekortewegdevriesequationintheclassofnondecreasingfunctions
AT hrusloveâ regularizedintegralsofmotionforthekortewegdevriesequationintheclassofnondecreasingfunctions
AT andreevkn regularizedintegralsofmotionforthekortewegdevriesequationintheclassofnondecreasingfunctions
AT hrusloveâ regularizedintegralsofmotionforthekortewegdevriesequationintheclassofnondecreasingfunctions
AT andreevkn regulârizovannyeintegralydviženiâuravneniâkortevegadefrizavklasseneubyvaûŝihfunkcij
AT khrusloveya regulârizovannyeintegralydviženiâuravneniâkortevegadefrizavklasseneubyvaûŝihfunkcij
AT andreevkn regulârizovannyeintegralydviženiâuravneniâkortevegadefrizavklasseneubyvaûŝihfunkcij
AT hrusloveâ regulârizovannyeintegralydviženiâuravneniâkortevegadefrizavklasseneubyvaûŝihfunkcij
AT andreevkn regulârizovannyeintegralydviženiâuravneniâkortevegadefrizavklasseneubyvaûŝihfunkcij
AT hrusloveâ regulârizovannyeintegralydviženiâuravneniâkortevegadefrizavklasseneubyvaûŝihfunkcij