Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration

We establish conditions for the existence and uniqueness of a classical solution of the inverse problem of determination of the time-dependent coefficient of the higher-order derivative in a parabolic equation with degeneration in the coefficient of the time derivative. We impose boundary conditions...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
Hauptverfasser: Huzyk, N. M., Гузик, Н. М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainisch
Englisch
Veröffentlicht: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2013
Online Zugang:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2461
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Institution

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860508354518974464
author Huzyk, N. M.
Гузик, Н. М.
author_facet Huzyk, N. M.
Гузик, Н. М.
author_sort Huzyk, N. M.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:16:10Z
description We establish conditions for the existence and uniqueness of a classical solution of the inverse problem of determination of the time-dependent coefficient of the higher-order derivative in a parabolic equation with degeneration in the coefficient of the time derivative. We impose boundary conditions of the second kind and a nonlocal overdetermination condition. The case of weak degeneration is investigated.
first_indexed 2026-03-24T02:23:53Z
format Article
fulltext УДК 517.95 Н. М. Гузик (Львiв. нац. ун-т iм. I. Франка) НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ We establish conditions for the existence and uniqueness of a classical solution of the inverse problem of determination of the time-dependent coefficient of the higher-order derivative in a parabolic equation with degeneration in the coefficient of the time derivative. Boundary conditions of the second kind and a nonlocal overdetermination condition are given. The case of weak degeneration is investigated. Установлены условия существования и единственности классического решения обратной задачи определения за- висящего от времени старшего коэффициента в параболическом уравнении с вырождением при производной по времени. Заданы краевые условия Неймана и нелокальное условие переопределения. Исследован случай слабого вырождения. Вступ. Коефiцiєнтнi оберненi задачi визначення залежного вiд часу коефiцiєнта у параболiчно- му рiвняннi почали розвиватись вiдносно недавно — на початку 70-х рокiв минулого столiття. Одним з основних питань при формулюваннi таких задач є вибiр так званих умов перевизна- чення, якi забезпечують можливiсть однозначного визначення невiдомих параметрiв у процесi теплопровiдностi. Цi умови можна задавати у виглядi додаткових крайових умов, проте бiльш вдалим виявився пошук умов перевизначення серед нелокальних умов. Вважається, що однiєю з перших робiт, присвячених оберненiй задачi з невiдомим кое- фiцiєнтом, що залежить вiд часу, є праця B. F. Jones [1]. У нiй дослiджується обернена задача визначення коефiцiєнта температуропровiдностi у напiвобмеженому стержнi iз заданими одно- рiдною початковою умовою, крайовою умовою Дiрiхле та значенням теплового потоку в якостi умови перевизначення. На сьогоднi оберненi задачi визначення залежного вiд часу старшого коефiцiєнта у параболiчних рiвняннях з рiзними наборами крайових умов та умов переви- значення вивченi достатньо повно (див., наприклад, [2 – 6] та наведену в них бiблiографiю). Дослiдження коефiцiєнтних обернених задач для параболiчних задач з нелокальними умовами перевизначення проведено у [7]. Оберненi задачi для параболiчних рiвнянь з виродженням дослiдженi мало. Серед вiдомих роботи [8, 9], у яких розглядались оберненi задачi визначення залежного вiд часу старшого коефiцiєнта у параболiчному рiвняннi з довiльним виродженням. У цих працях залежна вiд часу функцiя, яка спричинює виродження рiвняння, мiститься при другiй похiднiй за просторовою змiнною невiдомої функцiї параболiчного рiвняння. Дослiджено випадки слабкого та сильного виродження. У данiй роботi вивчається обернена задача визначення залежного вiд часу старшого кое- фiцiєнта у параболiчному рiвняннi з виродженням. На вiдмiну вiд [8, 9] виродження рiвняння спричинює монотонно зростаюча, залежна вiд часу функцiя, що мiститься при похiднiй за часом. У роботi задано крайовi умови Неймана та нелокальну умову перевизначення. Дослi- дження проведено у випадку слабкого виродження, означення якого взято з [10]. Встановлено умови iснування та єдиностi класичного розв’язку вказаної задачi. 1. Формулювання задачi. В областi QT = {(x, t) : 0 < x < h, 0 < t < T} будемо розглядати обернену задачу визначення коефiцiєнта a = a(t), a(t) > 0, t ∈ [0, T ] у рiвняннi c© Н. М. ГУЗИК, 2013 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 765 766 Н. М. ГУЗИК ψ(t)ut = a(t)uxx + b(x, t)ux + c(x, t)u+ f(x, t) (1) з початковою умовою u(x, 0) = ϕ(x), x ∈ [0, h], (2) крайовими умовами Неймана ux(0, t) = µ1(t), ux(h, t) = µ2(t), t ∈ [0, T ], (3) та нелокальною умовою перевизначення γ1(t)u(0, t) + γ2(t)u(h, t) = µ3(t), t ∈ [0, T ]. (4) Вiдомо, що ψ = ψ(t) — монотонно зростаюча функцiя така, що ψ(t) > 0, t ∈ (0, T ], та ψ(0) = 0. Означення . Пiд розв’язком задачi (1) – (4) будемо розумiти пару функцiй (a, u) з класу C[0, T ] × C2,1(QT ) ∩ C2,0(QT ), a(t) > 0, t ∈ [0, T ], що задовольняють рiвняння (1) та умо- ви (2) – (4). Дослiджується випадок слабкого виродження, коли limt→+0 ∫ t 0 dτ ψ(τ) = 0. Зауважимо, що умова limt→+0 ∫ t 0 dτ ψ(τ) = 0 виконується тодi i лише тодi, коли функцiя 1 ψ(t) є iнтегровною на (0, T ). 2. Iснування розв’язку. Умови iснування розв’язку задачi (1) – (4) мiстяться у такiй теоремi. Теорема 1. Нехай виконуються умови: 1) ϕ ∈ C3[0, h], µi, γi ∈ C1[0, T ], i = 1, 2, µ3 ∈ C1(0, T ] ∩ C[0, T ], b, c, f ∈ C1,0(QT ); 2) ϕ′(x) > 0, ϕ′′(x) > 0, x ∈ [0, h], γi(t) ≥ 0, i = 1, 2, γ1(t)+γ2(t) > 0, t ∈ [0, T ], iснує скiнченна додатна границя limt→0 µ ′ 3(t)ψ(t) ≡M0 > 0, µ′3(t)ψ(t)− µ3(t) γ1(t) + γ2(t) ( ψ(t)(γ′1(t) + γ′2(t)) + γ1(t)c(0, t) + γ2(t)c(h, t) ) − −γ1(t) (b(0, t)µ1(t) + f(0, t))− γ2(t) (b(h, t)µ2(t) + f(h, t)) > 0, ψ(t) ( γ′1(t)γ2(t) + γ′2(t)γ1(t) ) + γ1(t)γ2(t) (c(0, t) + c(h, t)) ≥ 0, t ∈ [0, T ]; 3) ψ ∈ C[0, T ] — монотонно зростаюча функцiя, ψ(t) > 0, t ∈ (0, T ], ψ(0) = 0, lim t→+0 t∫ 0 dτ ψ(τ) = 0; 4) µ1(0) = ϕ′(0), µ2(0) = ϕ′(h), γ1(0)ϕ(0) + γ2(0)ϕ(h) = µ3(0). Тодi можна вказати число T0, 0 < T0 ≤ T, яке визначається вихiдними даними, таке, що iснує розв’язок задачi (1) – (4) при x ∈ [0, h], t ∈ [0, T0]. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 767 Доведення. Зведемо задачу (1) – (4) до системи рiвнянь. Припустимо тимчасово, що функцiя a = a(t) є вiдомою. У задачi (1) – (4) виконаємо замiну змiнних u(x, t) = ũ(x, t) + ϕ(x) + x(µ1(t)− µ1(0)) + x2 2h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) . (5) В результатi вiдносно функцiї ũ = ũ(x, t) отримаємо рiвняння ψ(t)ũt = a(t)ũxx + b(x, t)ũx + c(x, t)ũ+ f(x, t)− ψ(t) ( xµ′1(t) + x2 2h (µ′2(t)− µ′1(t)) ) + +a(t) ( ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) ) + b(x, t) ( ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0)+ + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) ) + c(x, t) ( ϕ(x) + x(µ1(t)− µ1(0))+ + x2 2h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) ) (6) та однорiднi початкову i крайовi умови ũ(x, 0) = 0, x ∈ [0, h], (7) ũx(0, t) = ũx(h, t) = 0, t ∈ [0, T ]. (8) Позначимо через Gk = Gk(x, t, ξ, τ), k = 1, 2, функцiї Грiна першої (k = 1) та другої (k = 2) крайових задач для рiвняння теплопровiдностi ut = a(t) ψ(t) uxx. Вони визначається формулою Gk(x, t, ξ, τ) = 1 2 √ π(θ(t)− θ(τ)) +∞∑ n=−∞ ( exp ( −(x− ξ + 2nh)2 4(θ(t)− θ(τ)) ) + +(−1)k exp ( −(x+ ξ + 2nh)2 4(θ(t)− θ(τ)) )) , k = 1, 2, (9) де θ(t) = ∫ t 0 a(τ) ψ(τ) dτ. За допомогою функцiї Грiна G2 = G2(x, t, ξ, τ) задачу (6) – (8) замiнимо еквiвалентним iнтегро-диференцiальним рiвнянням ũ(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G2(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)ũξ + c(ξ, τ)ũ+ f(ξ, τ)− ψ(τ) ( ξµ′1(τ)+ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 768 Н. М. ГУЗИК + ξ2 2h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ) ( ϕ′′(ξ) + 1 h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) ) + +b(ξ, τ) ( ϕ′(ξ) + µ1(τ)− µ1(0) + ξ h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) ) + +c(ξ, τ)) ( ϕ(ξ) + ξ(µ1(τ)− µ1(0)) + ξ2 2h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) )) dξ dτ. (10) Позначимо v(x, t) ≡ ux(x, t), w(x, t) ≡ uxx(x, t). Використовуючи (5), (10), для функцiї u = u(x, t) отримуємо рiвняння u(x, t) = ϕ(x) + x(µ1(t)− µ1(0)) + x2 2h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0))+ + t∫ 0 h∫ 0 G2(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)v(ξ, τ) + c(ξ, τ)u(ξ, τ) + f(ξ, τ)− ψ(τ) ( ξµ′1(τ)+ + ξ2 2h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ) ( ϕ′′(ξ) + 1 h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) )) dξ dτ. (11) Враховуючи вiдомi властивостi функцiй ГрiнаG2x = −G1ξ, G1 ∣∣∣∣ x=0 = G1 ∣∣∣∣ x=h = 0, шляхом дифе- ренцiювання (11) за просторовою змiнною приходимо до рiвнянь вiдносно функцiй v = v(x, t), w = w(x, t) : v(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (12) w(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT . (13) Здиференцiюємо рiвнiсть (4) для t ∈ (0, T ]. Домножаючи отриману рiвнiсть на ψ(t), знахо- димо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 769 γ1(t)ψ(t)ut(0, t) + γ2(t)ψ(t)ut(h, t) = = µ′3(t)ψ(t)− ψ(t)(γ′1(t)u(0, t) + γ′2(t)u(h, t)), t ∈ (0, T ]. (14) Згiдно з умовами теореми 1 iснує границя правої частини рiвностi (14) при t→ 0 : lim t→0 ( µ′3(t)ψ(t)− ψ(t)(γ′1(t)u(0, t) + γ′2(t)u(h, t)) ) =M0 > 0. Це означає, що iснує границя lim t→0 (γ1(t)ψ(t)ut(0, t) + γ2(t)ψ(t)ut(h, t)) =M0 > 0. (15) Пiдставимо в (14) замiсть ut(0, t), ut(h, t) вiдповiднi значення, отриманi з рiвняння (1). Врахо- вуючи (15), (3), (4) та введенi позначення, приходимо до рiвняння вiдносно функцiї a = a(t) : a(t) = 1 γ1(t)w(0, t) + γ2(t)w(h, t) ( ψ(t)(µ′3(t)− γ′1(t)u(0, t)− γ′2(t)u(h, t))− −γ1(t)(b(0, t)µ1(t) + c(0, t)u(0, t) + f(0, t))− −γ2(t)(b(h, t)µ2(t) + c(h, t)u(h, t) + f(h, t)) ) , t ∈ [0, T ]. (16) Таким чином, обернену задачу (1) – (4) зведено до еквiвалентної системи рiвнянь (11) – (13), (16). Еквiвалентнiсть розумiємо в такому сенсi: якщо пара функцiй (a, u) є розв’язком задачi (1) – (4), то (a, u, v, w), v(x, t) ≡ ux(x, t), w(x, t) ≡ uxx(x, t) є неперервним розв’язком системи (11) – (13), (16) i, навпаки, якщо (a, u, v, w) ∈ C[0, T ]× (C(QT )) 3 є розв’язком системи рiвнянь (11) – (13), (16), то (a, u) є розв’язком задачi (1) – (4) у сенсi наведеного вище означення. Перша частина твердження випливає зi способу отримання системи рiвнянь (11) – (13), (16). Для того щоб довести зворотне твердження, потрiбно показати, що функцiї (a, u) належать до класу C[0, T ]× C2,1(QT ) ∩ C2,0(QT ) i задовольняють умови (1) – (4). Нехай (a, u, v, w) — неперервний розв’язок системи (11) – (13), (16). Припущення теореми 1 дозволяють здиференцiювати (12) по x. В результатi отримаємо vx(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT . Правi частини цiєї рiвностi та (13) збiгаються, тому w(x, t) ≡ vx(x, t). Далi здиференцiюємо (11) за просторовою змiнною: ux(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)vξ(ξ, τ) + bξ(ξ, τ)v(ξ, τ) + c(ξ, τ)uξ(ξ, τ)+ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 770 Н. М. ГУЗИК +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT . (17) Вiднiмемо вiдповiдно правi та лiвi частини рiвностей (12) та (17). Враховуючи, що w(x, t) ≡ ≡ vx(x, t), знаходимо v(x, t)− ux(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) c(ξ, τ)(v(ξ, τ)− uξ(ξ, τ)dξdτ. (18) Оскiльки G1(x, t, ξ, τ) ≤ G2(x, t, ξ, τ), h∫ 0 G2(x, t, ξ, τ)dξ ≤ 1, (19) то, беручи до уваги означення слабкого виродження, робимо висновок про те, що ядро однорiд- ного iнтегрального рiвняння (18) має iнтегровну особливiсть. Це означає, що це рiвняння має лише тривiальний розв’язок, i, отже, v(x, t) ≡ ux(x, t). Враховуючи це в (11), одержуємо, що u = u(x, t) має потрiбну гладкiсть та задовольняє рiвняння (1) i умови (2), (3) для довiльної неперервної на [0, T ] функцiї a = a(t). Пiдставимо в (16) замiсть w(x, t) функцiю uxx(x, t) та, використавши (3), запишемо її у виглядi γ1(t) ( a(t)uxx(0, t) + b(0, t)ux(0, t) + c(0, t)u(0, t) + f(0, t) ) + γ2(t) ( a(t)uxx(h, t)+ +b(h, t)ux(h, t) + c(h, t)u(h, t) + f(h, t) ) = ψ(t)(µ′3(t)− γ′1(t)u(0, t)− γ′2(t)u(h, t)). З огляду на рiвняння (1) отримуємо рiвнiсть( γ1(t)u(0, t) + γ2(t)u(h, t) )′ = ( µ3(t) )′ . Iнтегруючи цю рiвнiсть та використовуючи умови теореми 1, приходимо до (4), що й завершує доведення еквiвалентностi задачi (1) – (4) та системи рiвнянь (11) – (13), (16). Оскiльки u(x, t) = u(0, t) + x∫ 0 v(η, t)dη, u(x, t) = u(h, t)− h∫ x v(η, t)dη, то, враховуючи умову (4), знаходимо u(x, t) = 1 γ1(t) + γ2(t) ( µ3(t) + γ1(t) x∫ 0 v(η, t)dη − γ2(t) h∫ x v(η, t)dη ) . (20) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 771 Рiвнiсть (20) використаємо у (12), (13), (16). В результатi отримаємо систему рiвнянь вiдносно невiдомих v = v(x, t), w = w(x, t), a = a(t) : v(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη − γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) + fξ(ξ, τ)− −ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ + ϕ′(x)+ +µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (21) w(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη − γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) + fξ(ξ, τ)− −ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ + ϕ′′(x)+ + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (22) a(t) = 1 γ1(t)w(0, t) + γ2(t)w(h, t) ( µ′3(t)ψ(t)− µ3(t) γ1(t) + γ2(t) ( ψ(t)(γ′1(t) + γ′2(t))+ +γ1(t)c(0, t) + γ2(t)c(h, t) ) + 1 γ1(t) + γ2(t) ( ψ(t)(γ′1(t)γ2(t) + γ′2(t)γ1(t))+ +γ1(t)γ2(t)(c(0, t) + c(h, t)) ) h∫ 0 v(η, t)dη − γ1(t)(b(0, t)µ1(t) + f(0, t))− −γ2(t)(b(h, t)µ2(t) + f(h, t)) ) , t ∈ [0, T ]. (23) Встановимо апрiорнi оцiнки розв’язкiв системи рiвнянь (21) – (23). Для того щоб оцiнити функцiю w = w(x, t) знизу, дослiдимо поведiнку при t → 0 iнтегралiв, що входять до правої частини рiвностi (22). Використовуючи оцiнку ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 772 Н. М. ГУЗИК h∫ 0 |G1x(x, t, ξ, τ)| dξ ≤ C1√ θ(t)− θ(τ) , (24) робимо висновок, що iнтеграл у правiй частинi формули (22) має таку ж поведiнку при t→ 0, як i вираз t∫ 0 dτ√ θ(t)− θ(τ) + t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) ≡ J1 + J2. Оскiльки J1 = t∫ 0 ψ(τ)dθ(τ) a(τ) √ θ(t)− θ(τ) ≤ C2ψ(t) ( t∫ 0 dσ ψ(σ) ) 1 2 , (25) J2 ≤ C3 t∫ 0 dθ(τ)√ θ(t)− θ(τ) ≤ C4 ( t∫ 0 dσ ψ(σ) ) 1 2 , (26) то, враховуючи означення слабкого виродження, стверджуємо, що iнтеграли J1, J2 прямують до нуля при t → 0. Тодi, згiдно з умовами теореми, у правiй частинi формули (22) при t = 0 вiдмiнним вiд нуля є лише другий доданок. Сума двох iнших прямує до нуля при t→ 0. Таким чином, можна вказати таке число t1, 0 < t1 ≤ T, що буде виконуватися нерiвнiсть 1 2 ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) + t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ)+ +(bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ) + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη− −γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + +a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ ≥ 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1]. (27) Тодi з (22) отримаємо оцiнку для w = w(x, t) знизу w(x, t) ≥ 1 2 min [0,h] ϕ′′(x) ≡M1 > 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1]. (28) Аналогiчно, враховуючи (19) та означення слабкого виродження, стверджуємо, що v(x, t) ≥ 1 2 min [0,h] ϕ′(x) ≡M2 > 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t2]. (29) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 773 Число t2, 0 < t2 ≤ T, визначається з нерiвностi 1 2 ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) + µ1(t)− µ1(0)+ + t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ) + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) × × ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη − γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) − ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + +fξ(ξ, τ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ ≥ 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t2]. Оцiнки (28), (29) та умови теореми 1 забезпечують додатнiсть функцiї a = a(t) на вiдрiзку [0, t3], де t3 = min{t1, t2}. Позначимо V (t) = maxx∈[0,h] v(x, t), W (t) = maxx∈[0,h]w(x, t). З рiвняння (21) випливає, що v(0, t) = µ1(t). Тодi для функцiй v = v(x, t), w = w(x, t) правильним є спiввiдношення v(x, t) = µ1(t) + x∫ 0 w(η, t)dη, (30) а тому V (t) ≤ C5 + C6W (t), t ∈ [0, T ]. (31) З (23), враховуючи (28), (31), одержуємо a(t) ≤ C7 + C8W (t), t ∈ [0, t1]. (32) Далi оцiнимо функцiю w(x, t) зверху. Виходячи з рiвняння (22) та використовуючи оцiнки (24), (31), (32), для функцiї W =W (t) отримуємо нерiвнiсть W (t) ≤ C9 t∫ 0 W (τ)dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) + C10 t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) + +C11 t∫ 0 dτ√ θ(t)− θ(τ) + C12, t ∈ [0, t1]. (33) Позначивши W1(t) ≡W (t) + 1, останню нерiвнiсть зведемо до вигляду W1(t) ≤ C13 + C14 t∫ 0 W1(τ)dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) , t ∈ [0, t1]. (34) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 774 Н. М. ГУЗИК Введемо позначення amin(t) = min0≤τ≤t a(τ), θ0(t) = ∫ t 0 dτ ψ(τ) . З рiвняння (23), враховуючи оцiнку (29), знаходимо amin(t) ≥ C15 W1(t) , t ∈ [0, t2]. (35) Тодi нерiвнiсть (34) можна записати у виглядi W1(t) ≤ C13 + C14 t∫ 0 W1(τ)dτ√ amin(τ)ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) ≤ ≤ C13 + C16 t∫ 0 W 2 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) , t ∈ [0, t3]. (36) Пiднесемо обидвi частини нерiвностi (36) до квадрату i використаємо нерiвнiсть Кошi: W 2 1 (t) ≤ 2C2 13 + 2C2 16 ( t∫ 0 W 2 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) )2 . (37) До iнтеграла у правiй частинi нерiвностi (37) застосуємо нерiвнiсть Кошi – Буняковського: t∫ 0 W 2 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) 2 ≤ t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) . Розглянемо iнтеграл t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) = t∫ 0 dθ0(τ)√ θ0(t)− θ0(τ) = 2  t∫ 0 dσ ψ(σ)  1 2 ≤ C17. Враховуючи отриманий результат у нерiвностi (37), одержуємо W 2 1 (t) ≤ C18 + C19 t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) , t ∈ [0, t3]. (38) У нерiвностi (38) замiнимо t на σ, домножимо її на 1 ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) та зiнтегруємо по σ вiд 0 до t : t∫ 0 W 2 1 (σ)dτ ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) ≤ C20 + C19 t∫ 0 dσ ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) σ∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(σ)− θ0(τ) . Змiнюючи межi iнтегрування та використовуючи рiвнiсть t∫ τ dσ ψ(σ) √ (θ0(t)− θ0(σ))(θ0(σ)− θ0(τ)) = π, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 775 приходимо до нерiвностi t∫ 0 W 2 1 (σ)dτ ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) ≤ C20 + C21 t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) . (39) Використовуючи нерiвнiсть (39), нерiвнiсть (36) зводимо до вигляду W1(t) ≤ C22 + C23 t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) . (40) Розв’язуючи (40), як в [11], отримуємо W1(t) ≤ C22 3 √ 1− 3C3 22C23 ∫ t4 0 dτ ψ(τ) ≡M3, t ∈ [0, t4], де число t4, 0 < t4 ≤ t3, визначається з нерiвностi 1− 3C3 22C23 t4∫ 0 dτ ψ(τ) > 0. Повертаючись до введених позначень, одержуємо |w(x, t)| ≤M3, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t4]. (41) Оцiнка (41) дозволяє оцiнити функцiї v = v(x, t), a = a(t). Для цього використаємо (31), (32) та (35): |v(x, t)| ≤M4, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t4], (42) 0 < A1 ≤ a(t) ≤ A2 < +∞, t ∈ [0, t4]. (43) Таким чином, апрiорнi оцiнки розв’язкiв системи рiвнянь (21) – (23) встановлено. Розглянемо систему рiвнянь (21) – (23) як операторне рiвняння W = PW, де W = (v, w, a), а оператор P визначається правими частинами рiвностей (21) – (23) вiдпо- вiдно. Апрiорнi оцiнки (41) – (43) розв’язкiв системи рiвнянь (21) – (23) використаємо для побудови множини N такої, щоб виконувались умови теореми Шаудера про нерухому точку цiлком неперервного оператора. Для цього виберемо число T0, 0 < T0 ≤ t4, так, щоб виконувалась система нерiвностей C12 + C24√ A1 (1 +A2 +M3 +M4) ( t∫ 0 dτ ψ(τ) ) 1 2 ≤M3, t ∈ [0, T0], (44) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 776 Н. М. ГУЗИК µ1(t) + ϕ′(x)− µ1(0) + (µ2(t)− µ1(0)− µ2(0) + µ1(0))+ +C25(1 +A2 +M3 +M4) t∫ 0 dτ ψ(τ) ≤M4, (x, t) ∈ [0, h]× [0, T0]. (45) Зауважимо, що нерiвностi (44), (45) отримано шляхом оцiнювання правих частин рiвностей (22), (21) вiдповiдно з урахуванням (41) – (43). Те, що стала C12 < M3, випливає з (33). Покладаючи в рiвностi (30) t = 0, знаходимо ϕ′(x)− µ1(0) = x∫ 0 ϕ′′(η)dη, x ∈ [0, h]. Тодi нерiвнiсть max (x,t)∈[0,h]×[0,T0] (µ1(t) + ϕ′(x)− µ1(0)) < M4 випливає з означення сталих M3, M4. У банаховому просторi B = (C(QT0)) 2 × C[0, T0] виберемо множину N = {(v, w, a) ∈ B : M2 ≤ v(x, t) ≤ M4,M1 ≤ w(x, t) ≤ M3, (x, t) ∈ [0, h] × [0, T0], A1 ≤ ≤ a(t) ≤ A2, t ∈ [0, T0]}. З побудови множиниN робимо висновок, що вона замкнена й опукла, а оператор P переводить її в себе. Щоб показати, що оператор P є цiлком неперервним, достат- ньо довести компактнiсть таких iнтегральних операторiв: P1 : ω(x, t)→ t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ)ω(ξ, τ) dξ dτ, P2 : ω(x, t)→ t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ω(ξ, τ) dξ dτ. Доведення цього факту у випадку слабкого виродження проводиться за тiєю ж схемою, що й у невиродженому випадку [7, с. 24]. Таким чином, всi умови теореми Шаудера виконуються, а це означає, що iснує розв’язок (v, w, a) системи рiвнянь (21) – (23) при x ∈ [0, h], t ∈ [0, T0]. Пiсля цього функцiю u = u(x, t) знаходимо, виходячи з рiвняння (20). Враховуючи еквiвалентнiсть задачi (1) – (4) та системи (11) – (13), (16), отримуємо iснування розв’язку задачi (1) – (4) на звуженому часовому промiжку. Теорему 1 доведено. 4. Єдинiсть розв’язку. Встановимо умови, при виконаннi яких розв’язок задачi (1) – (4) буде єдиним. Теорема 2. Якщо виконуються умови ϕ′′(x) > 0, x ∈ [0, h], γi(t) ≥ 0, i = 1, 2, γ1(t) + γ2(t) > 0, t ∈ [0, T ], то розв’язок задачi (1) – (4) єдиний при (x, t) ∈ [0, h] × [0, t1], де число t1 визначається з нерiвностi (27). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 777 Доведення. Припустимо, що iснують два розв’язки (ai, ui), i = 1, 2, задачi (1) – (4). Рiз- ницi цих розв’язкiв позначимо через a(t) = a1(t) − a2(t), u(x, t) = u1(x, t) − u2(x, t). Вони задовольняють рiвняння ψ(t)ut = a1(t)uxx + b(x, t)ux + c(x, t)u+ a(t)u2xx, (x, t) ∈ QT , (46) та умови u(x, 0) = 0, x ∈ [0, h], (47) ux(0, t) = ux(h, t) = 0, t ∈ [0, T ], (48) γ1(t)u(0, t) + γ2(t)u(h, t) = 0, t ∈ [0, T ]. (49) За допомогою функцiї Грiна G∗2(x, t, ξ, τ) другої крайової задачi для рiвняння ψ(t)ut = a1(t)uxx + b(x, t)ux (50) задачу (46) – (48) замiнимо еквiвалентним iнтегральним рiвнянням u(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, τ) (c(ξ, τ)u(ξ, τ) + a(τ)u2ξξ(ξ, τ)) dξ dτ. (51) Як i при доведеннi iснування розв’язку, для другої похiдної за просторовою змiнною функцiї u2 = u2(x, t) вiдповiдної задачi (1) – (4) отримуємо рiвняння u2xx(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G (2) 1x (x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)u2ξξ(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))u2ξ(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u2(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ)− ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a2(τ)ϕ ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (52) де через G(2) 1 = G (2) 1 (x, t, ξ, τ) позначено функцiю Грiна першої крайової задачi для рiвняння ut = a2(t) ψ(t) uxx. Тодi iснує число t1, 0 < t1 ≤ T, яке визначається з нерiвностi, аналогiчної до (27), таке, що для функцiї u2xx = u2xx(x, t) правильною залишатиметься оцiнка (28). Здиференцiюємо умову (49). Враховуючи (46) – (48), приходимо до рiвняння a(t) = − 1 γ1(t)u2xx(0, t) + γ2(t)u2xx(h, t) ( (γ′1(t)ψ(t) + γ1(t)c(0, t))u(0, t)+ +(γ′2(t)ψ(t) + γ2(t)c(h, t))u(h, t) ) , t ∈ [0, t1]. (53) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 778 Н. М. ГУЗИК Використовуючи рiвняння (53) у (51), отримуємо u(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, τ) ( c(ξ, τ)u(ξ, τ)− u2ξξ(ξ, τ) γ1(τ)u2ξξ(0, τ) + γ2(τ)u2ξξ(h, τ) × × ( (γ′1(τ)ψ(τ) + γ1(τ)c(0, τ))u(0, τ) + (γ′2(τ)ψ(τ) + γ2(τ)c(h, τ))u(h, τ) )) dξ dτ, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1]. (54) До рiвняння (54) приєднаємо ще два рiвняння вiдносно u(0, t), u(h, t) : u(0, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(0, t, ξ, τ) ( c(ξ, τ)u(ξ, τ)− u2ξξ(ξ, τ) γ1(τ)u2ξξ(0, τ) + γ2(τ)u2ξξ(h, τ) × × ( (γ′1(τ)ψ(τ) + γ1(τ)c(0, τ))u(0, τ) + (γ′2(τ)ψ(τ) + γ2(τ)c(h, τ))u(h, τ) )) dξ dτ, t ∈ [0, t1], (55) u(h, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(h, t, ξ, τ) ( c(ξ, τ)u(ξ, τ)− u2ξξ(ξ, τ) γ1(τ)u2ξξ(0, τ) + γ2(τ)u2ξξ(h, τ) × × ( (γ′1(τ)ψ(τ) + γ1(τ)c(0, τ))u(0, τ) + (γ′2(τ)ψ(τ) + γ2(τ)c(h, τ))u(h, τ) )) dξ dτ, t ∈ [0, t1]. (56) В результатi одержуємо систему однорiдних iнтегральних рiвнянь Вольтерра другого роду вiдносно функцiй u(x, t), u(0, t), u(h, t). Щоб дослiдити iнтегровнiсть ядер цiєї системи, розглянемо пряму задачу для рiвняння (50) з початковою умовою u(x, 0) = 1, x ∈ [0, h], (57) та крайовими умовами (48). Використовуючи функцiю Грiна G∗2(x, t, ξ, τ), розв’язок цiєї задачi подамо у виглядi u(x, t) = h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, 0)dξ. З iншого боку, безпосередньою перевiркою легко переконатись, що розв’язком цiєї задачi є функцiя u(x, t) = 1. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 779 Звiдси робимо висновок, що h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, 0)dξ = 1. На пiдставi останньої рiвностi можемо стверджувати, що ядра системи рiвнянь (54) – (55) мають iнтегровнi особливостi. Це означає, що ця система має лише тривiальний розв’язок u(x, t) ≡ 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1], u(0, t) ≡ 0, u(h, t) ≡ 0, t ∈ [0, t1]. Пiдставляючи його в рiвняння (53), знаходимо a(t) ≡ 0, t ∈ [0, t1]. Теорему 2 доведено. 1. Jones B. F. The determination of a coefficient in a parabolic differential equation. I. Existence and uniqueness // J. Math. and Mech. – 1962. – 11, № 5. – Р. 907 – 918. 2. Cannon J. R., Rundell W. Recovering a time-dependent coefficient in a parabolic differential equation // J. Math. Anal. and Appl. – 1991. – 160. – P. 572 – 582. 3. Azari H., Li C., Nie Y., Shang S. Determination of an unknown coefficient in a parabolic inverse problem // Dynamics of Continuos, Discrete and Impulsive Systems. Ser. A: Math. Analysis. – 2004. – 11. – P. 665 – 674. 4. Березницька I. Б., Дребот А. Й., Iванчов М. I., Макар Ю. М. Обернена задача для рiвняння теплопровiдностi з iнтегральним перевизначенням // Вiсн. Львiв. ун-ту. Сер. мех.-мат. – 1997. – Вип. 48. – С. 71 – 79. 5. Иванчов Н. И. Некоторые обратные задачи для уравнения теплопроводности с нелокальными краевыми усло- виями // Укр. мат. журн. – 1993. – 45, № 8. – С. 1066 – 1071. 6. Hong-Ming Yin. Recent and new results on detetmination of unknown coefficients in parabolic patial differential equations with over-spesified conditions // Inverse Problems in Diffusion Processes. – 1995. – P. 181 – 198. 7. Ivanchov M. Inverse problems for equations of parabolic type. – Lviv: VNTL Publ., 2003. 8. Салдiна Н. В. Сильно вироджена обернена параболiчна задача з загальною поведiнкою коефiцiєнтiв // Вiсн. Львiв. ун-ту. Сер. мех.-мат. – 2006. – Вип. 66. – С. 186 – 202. 9. Saldina N. An inverse problem for a generally degenerate heat equation // Вiсн. нац. ун-ту „Львiв. полiтехнiка”. Фiз.-мат. науки. – 2006. – Вип. 566. – С. 59 – 67. 10. Калашников А. С. О растущих решениях линейных уравнений второго порядка с неотрицательной характерис- тической формой // Мат. заметки. – 1968. – 3, № 2. – С. 171 – 178. 11. Ivanchov M., Hryntsiv N. Inverse problem for a weakly degenerate parabolic equation in a domain with free boundary // J. Math. Sci. – 2010. – 167, № 1. – P. 16 – 29. Одержано 22.05.12, пiсля доопрацювання — 04.03.13 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6
id umjimathkievua-article-2461
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
English
last_indexed 2026-03-24T02:23:53Z
publishDate 2013
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/a3/1e5322e1fd8dcf15413763449ccdfaa3.pdf
spelling umjimathkievua-article-24612020-03-18T19:16:10Z Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням Huzyk, N. M. Гузик, Н. М. We establish conditions for the existence and uniqueness of a classical solution of the inverse problem of determination of the time-dependent coefficient of the higher-order derivative in a parabolic equation with degeneration in the coefficient of the time derivative. We impose boundary conditions of the second kind and a nonlocal overdetermination condition. The case of weak degeneration is investigated. Установлены условия существования и единственности классического решения обратной задачи определения зависящего от времени старшего коэффициента в параболическом уравнении с вырождением при производной по времени. Заданы краевые условия Неймана и нелокальное условие переопределения. Исследован случай слабого вырождения. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2013-06-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2461 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 65 No. 6 (2013); 765–779 Український математичний журнал; Том 65 № 6 (2013); 765–779 1027-3190 uk en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2461/1688 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2461/1689 Copyright (c) 2013 Huzyk N. M.
spellingShingle Huzyk, N. M.
Гузик, Н. М.
Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration
title Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration
title_alt Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
title_full Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration
title_fullStr Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration
title_full_unstemmed Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration
title_short Nonlocal Inverse Problem for a Parabolic Equation with Degeneration
title_sort nonlocal inverse problem for a parabolic equation with degeneration
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2461
work_keys_str_mv AT huzyknm nonlocalinverseproblemforaparabolicequationwithdegeneration
AT guziknm nonlocalinverseproblemforaparabolicequationwithdegeneration
AT huzyknm nelokalʹnaobernenazadačadlâparabolíčnogorívnânnâzvirodžennâm
AT guziknm nelokalʹnaobernenazadačadlâparabolíčnogorívnânnâzvirodžennâm