Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian

We propose an algorithm for the solution of the boundary-value problem $U(0,x) = u_0,\;\; U(t, 0) = u_1$ and the external boundary-value problem $U(0, x) = v_0, \;\;U(t, x) |_{\Gamma} = v_1, \;\; \lim_{||x||_H \rightarrow \infty} U(t, x) = v_2$ for the nonlinear hyperbolic equation $$\frac{\partial}...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2012
Автори: Feller, M. N., Феллер, М. Н.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Англійська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2012
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2570
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860508485628723200
author Feller, M. N.
Феллер, М. Н.
Феллер, М. Н.
author_facet Feller, M. N.
Феллер, М. Н.
Феллер, М. Н.
author_sort Feller, M. N.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:29:46Z
description We propose an algorithm for the solution of the boundary-value problem $U(0,x) = u_0,\;\; U(t, 0) = u_1$ and the external boundary-value problem $U(0, x) = v_0, \;\;U(t, x) |_{\Gamma} = v_1, \;\; \lim_{||x||_H \rightarrow \infty} U(t, x) = v_2$ for the nonlinear hyperbolic equation $$\frac{\partial}{\partial t}\left[k(U(t,x))\frac{\partial U(t,x)}{\partial t}\right] = \Delta_L U(t,x)$$ with divergent part and infinite-dimensional Levy Laplacian $\Delta_L$.
first_indexed 2026-03-24T02:25:58Z
format Article
fulltext УДК 517.9 М. Н. Феллер (УкрНИИ «Ресурс», Киев) КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ С ДИВЕРГЕНТНОЙ ЧАСТЬЮ И С ЛАПЛАСИАНОМ ЛЕВИ We propose an algorithm for the solution of the boundary-value problem U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1 and the external boundary-value problem U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim‖x‖H→∞ U(t, x) = v2 for the nonlinear hyperbolic equation ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x) with divergent part and infinite-dimensional Lévy Laplacian ∆L. Для нелiнiйного гiперболiчного рiвняння з дивергентною частиною та з нескiнченновимiрним лапласiаном Левi ∆L ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x) запропоновано алгоритм розв’язку крайової задачi U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1 та крайової зовнiшньої задачi U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim‖x‖H→∞ U(t, x) = v2. 1. Введение. Теории линейных гиперболических уравнений с лапласианом Леви посвящены работы [1 – 3]. В то же время публикации по теории нелинейных гиперболических уравнений с лапласианом Леви отсутствуют. В настоящей статье приведены алгоритм решения краевой задачи для нелинейного гипер- болического уравнения с дивергентной частью и с лапласианом Леви ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ H, U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1, и алгоритм решения краевой внешней задачи для нелинейного гиперболического уравнения с дивергентной частью и с лапласианом Леви ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ Ω′, U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim ‖x‖H→∞ U(t, x) = v2. Здесь Γ ⋃ Ω′ = {x ∈ H : Q(x) ≥ R2}, а функция Q(x) такова, что ∆LQ(x) = γ (γ — по- ложительная постоянная). 2. Предварительные сведения. Пусть H — счетномерное вещественное гильбертово пространство. Рассмотрим скалярные функции F (x) на H, x ∈ H. Бесконечномерный лапласиан ввел П. Леви [4]. Для функции F (x), дважды сильно диф- ференцируемой в точке x0, лапласиан Леви в этой точке определяется, если он существует, c© М. Н. ФЕЛЛЕР, 2012 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 237 238 М. Н. ФЕЛЛЕР формулой ∆LF (x0) = lim n→∞ 1 n n∑ k=1 (F ′′(x0)fk, fk)H , (1) где F ′′(x) — гессиан функции F (x), {fk}∞1 — выбранный ортонормированный базис в H. Приведем свойство лапласиана Леви (1), полученное в [4], которое понадобится в дальней- шем (см. также [5]). Пусть функция F (x) = f ( S1(x), . . . , Sm(x) ) , где f(s1, . . . , sm) — непрерывно дифференцируемая функция в области значений {S1(x), . . . . . . , Sm(x)} ⊂ Rm. Пусть Sk(x) — равномерно непрерывные, сильно дифференцируемые функ- ции и ∆LSk(x), k = 1, . . . ,m, существует. Тогда ∆LF (x) существует и ∆LF (x) = m∑ k=1 ∂f ∂sk ∣∣∣ sk=Sk(x) ∆LSk(x). (2) Обозначим через C шиловский класс функций — совокупность функций вида F (x) = f ( (a1, x)H , . . . , (am, x)H , ‖x‖2H 2 ) , где a1, . . . , am — некоторые элементы пространства H, f(ξ1, . . . , ξm, ζ) — функция m+ 1 пере- менных, определенная и непрерывная в области Rm+1. Обозначим через C∗ подмножество функций из C, непрерывно дифференцируемых по ар- гументу ‖x‖2H 2 . Тогда для F (x) ∈ C∗ имеет место формула [6] ∆LF (x) = ∂f((a1, x)H , ..., (am, x)H , ζ) ∂ζ ∣∣∣ ζ= ‖x‖2 H 2 . Обозначим через C? подмножество функций из C∗, зависящих лишь от ‖x|‖2H 2 . Тогда ∆LF (x) = ∂f(ζ) ∂ζ ∣∣∣ ζ= ‖x‖2 H 2 (3) для F (x) ∈ C?. Лапласиан Леви в шиловском классе функций не зависит от выбора базиса. Обозначим через Ω ограниченную область в гильбертовом пространстве H (т. е. ограничен- ное открытое множество в H), через Ω = Ω ∪ Γ область в пространстве H с поверхностью Γ. Определим область Ω с поверхностью Γ следующим образом: Ω = {x ∈ H : 0 ≤ Q(x) < R2}, Γ = {x ∈ H : Q(x) = R2}, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 239 где Q(x) — дважды сильно дифференцируемая функция такая, что ∆LQ(x) = γ, γ — по- стоянное положительное не равное нулю число. Такие области и такие поверхности называют фундаментальными. Пусть также lim‖x‖H→∞Q(x) =∞. Обозначим через Ω′ множество точек x ∈ H, внешних по отношению к Ω : Ω′ = {x ∈ H : Q(x) > R2}. Примеры: 1. Шар Ω = {x ∈ H : ‖x‖2H ≤ R2}, Ω′ = {x ∈ H : ‖x‖2H > R2}, Γ = {x ∈ H : ‖x‖2H = R2}. 2. Эллипсоид Ω = {x ∈ H : (Bx, x)H ≤ R2}, где B = γE +A, E — единичный оператор, а A — вполне непрерывный оператор в H, Ω′ = {x ∈ H : (Bx, x)H > R2}, Γ = {x ∈ H : (Bx, x)H = R2}. Введем функцию S(x) = Q(x)−R2 γ . Функция S(x) обладает такими свойствами: S(x) > 0 при x ∈ Ω′, S(x) = 0 при x ∈ Γ, ∆LS(x) = 1. 3. Краевая задача. Рассмотрим задачу ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ H, (4) U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1, (5) где U(t, x) — функция на [0,∞)×H, k(ξ) — заданная функция на R1, числа u0, u1 заданы. Теорема 1. Пусть k(ξ) — непрерывная и непрерывно дифференцируемая функция на R1. Тогда решение задачи (4), (5) имеет вид U(t, x) = ϕ  t 2 √ ‖x‖2H 2 , (6) где ϕ(z) — решение краевой задачи для обыкновенного дифференциального нелинейного урав- нения с дивергентной главной частью d dz [ k(ϕ(z)) dϕ(z) dz ] = −2z dϕ(z) dz , (7) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 240 М. Н. ФЕЛЛЕР ϕ(0) = u0, ϕ(z) ∣∣∣∣∣ z=∞ = u1. (8) Решение задачи (4), (5) существует (существует и единственно), если существует (суще- ствует и единственно) решение задачи (7), (8). Решение U(t, x) ∈ C1([0,∞))× C?. Доказательство. Согласно формуле (3) в классе функций C1([0,∞)) × C? уравнение (4) и условия (5) принимают вид ∂ ∂t [ k ( u(t, ς) ) ∂u(t, ς) ∂t ] = ∂u(t, ς) ∂ς ∣∣∣∣∣ ς= ‖x‖2 H 2 , (9) u(0, ς) = u0, u(t, 0) = u1. (10) Уравнение (9) не изменяется при замене переменных t̄ = ct, ς̄ = c2ς при любых t, ς, c. Действительно, поскольку ∂u(t, ς) ∂t = c ∂u(t, ς) ∂t̄ , ∂u(t̄, ς̄) ∂ς = c2∂u(t̄, ς̄) ∂ς̄ , из (9) имеем c ∂ ∂t̄ [ k(u(t, ς))c ∂u(t, ς) ∂t̄ ] = c2∂u(t, ς) ∂ς , т. е. ∂ ∂t̄ [ k(u(t, ς)) ∂u(t, ς) ∂t̄ ] = ∂u(t, ς) ∂ς̄ . С другой стороны, ∂ ∂t̄ [ k(u(t̄, ς̄)) ∂u(t̄, ς̄) ∂t̄ ] = ∂u(t̄, ς̄) ∂ς̄ , ибо равенство (9) выполняется для любых t, ς. Не изменяются и условия (10). Сравнивая два последних равенства, получаем u(t, ς) = u(t̄, ς̄), т. е. u(t, ς) = u(ct, c2ς). Полагая c = 1 2 √ ς , находим u(t, ς) = u ( t 2 √ ς , 1 4 ) = ϕ ( t 2 √ ς ) = ϕ(z) ( z = t 2 √ ς , ζ = ‖x‖2H 2 ) , (11) т. е. u(t, ς) зависит только от аргумента z = t 2 √ ς . Из (11) имеем ∂u(t, ς) ∂t = 1 2 √ ς dϕ(z) dz , ∂u(t, ς) ∂ς = − z 2ς dϕ(z) dz . Подставляя эти выражения в уравнение (9) и условия (10), получаем для функции ϕ(z) обык- новенное дифференциальное уравнение (7) и условия (8). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 241 Таким образом, решение задачи (4), (5) имеет вид (6), поскольку согласно (11) U(t, x) = u(t, ς) ∣∣∣ ς= ‖x‖2 H 2 = ϕ  t 2 √ ‖x‖2H 2 , где ϕ(z) — решение задачи (7), (8). Из (6) следует, что U(t, x) ∈ C1([0,∞))× C?. Теорема 1 доказана. Следствие 1. Для волнового уравнения с лапласианом Леви (т. е. при k(ξ) = 1) из теоре- мы 1 следует, что решение задачи ∂2U(t, x) ∂t2 −∆LU(t, x) = 0, t > 0, x ∈ H, U(0, x) = u0, U(t, 0) = u1 имеет вид U(t, x) = (u1 − u0) 2√ π t/2 √ ‖x‖2 H 2∫ 0 e−ξ 2 dξ + u0. Действительно, в случае k(ξ) = 1 задача (7), (8) принимает вид d2ϕ(z) dz2 = −2z dϕ(z) dz , ϕ(z) = u0, ϕ(z) ∣∣∣∣∣ z=∞ = u1. Ее решение ϕ(z) = (u1 − u0) 2√ π z∫ 0 e−ς 2 dς + u0. Согласно теореме 1 U(t, x) = ϕ  t 2 √ ‖x‖2H  = (u1 − u0) 2√ π t/2 √ ‖x‖2 H 2∫ 0 e−ξ 2 dξ + u0. 4. Краевая задача (внешняя). Рассмотрим задачу ∂ ∂t [ k(U(t, x)) ∂U(t, x) ∂t ] = ∆LU(t, x), t > 0, x ∈ Ω′, (12) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 242 М. Н. ФЕЛЛЕР U(0, x) = v0, U(t, x) ∣∣∣ Γ = v1, lim ‖x‖H→∞ U(t, x) = v2, (13) где U(t, x) — функция на [0,∞) × Ω′, k(ξ) — заданная функция на R1, числа v0, v1 заданы, v2 = v0. Здесь Γ ⋃ Ω′ = {x ∈ H : Q(x) ≥ R2}, Q(x) — дважды сильно дифференцируемая функция, такая, что ∆LQ(x) = γ (γ — положительная постоянная). Теорема 2. Пусть k(ξ) — непрерывная и непрерывно дифференцируемая функция на R1. Тогда решение задачи (12), (13) имеет вид U(t, x) = ϕ ( t 2 √ S(x) ) , (14) где S(x) = Q(x)−R2 γ , a ϕ(w) — решение краевой задачи для обыкновенного дифференциаль- ного нелинейного уравнения с дивергентной главной частью d dw [ k(ϕ(w)) dϕ(w) dw ] = −2w dϕ(w) dw , (15) ϕ(0) = v0, ϕ(w) ∣∣∣∣∣ w=∞ = v1. (16) Решение задачи (12), (13) существует (существует и единственно), если существует (су- ществует и единственно) решение задачи (15), (16). В частности, если Ω — шар, то Γ ⋃ Ω′ = {x ∈ H : ‖x‖2H ≥ R2}, S(x) = ‖x‖2H −R2 2 , а U(t, x) ∈ C1([0,∞))× C?. Доказательство. Согласно формуле (2) при m = 1 уравнение (12) принимает вид ∂ ∂t [ k ( u(t, η) ) ∂u(t, η) ∂t ] = ∂u(t, η) ∂η ∣∣∣∣∣ η=S(x) ∆LS(x). Но S(x) = Q(x)−R2 γ и, значит, ∆LS(x) = ∆LQ(x) γ = 1. Поэтому имеем ∂ ∂t [ k ( u(t, η) ) ∂u(t, η) ∂t ] = ∂u(t, η) ∂η ∣∣∣∣∣ η=S(x) , (17) u(0, η) = v0, u(t, η) ∣∣∣ η=S(x) = u1. (18) Уравнение (17) и условия (18) не изменяются при преобразовании переменных t̄ = ct, η̄ = c2η при любых t, η, c. Поэтому u(t, η) = u(ct, c2η). Полагая c = 1 2 √ η , находим u(t, η) = ϕ ( t 2 √ η ) = ϕ(w) ( w = t 2 √ η , η = S(x) ) (19) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 КРАЕВЫЕ ЗАДАЧИ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО ГИПЕРБОЛИЧЕСКОГО УРАВНЕНИЯ . . . 243( т. е. u(t, η) зависит только от аргумента w = t 2 √ η ) . Из (19) имеем ∂u(t, η) ∂t = 1 2 √ η dϕ(w) dw , ∂u(t, η) ∂η = − w 2η dϕ(w) dw . Подставляя эти выражения в уравнение (17) и условия (18), получаем для функции ϕ(w) обыкновенное дифференциальное уравнение (15) и условия (16). Таким образом, решение задачи (12), (13) имеет вид (14), поскольку согласно (19) U(t, x) = u(t, η) ∣∣∣ η=S(x) = ϕ ( t 2 √ S(x) ) , где ϕ(w) — решение задачи (15), (16), S(x) = Q(x)−R2 γ . В частности, если Γ ⋃ Ω′ = {x ∈ H : ‖x‖2H ≥ R2}, то S(x) = ‖x‖2H −R2 2 , а U(t, x) ∈ ∈ C1([0,∞))× C?. Следствие 2. Для волнового уравнения с лапласианом Леви (т. е. при k(ξ) = 1) из теоре- мы 2 следует, что решение задачи ∂2U(t, x) ∂t2 −∆LU(t, x) = 0, t > 0, x ∈ Ω′, U(0, x) = v0, U(t, 0) = v1, lim ‖x‖H→∞ U(t, x) = v2, v2 = v0, имеет вид U(t, x) = (v1 − v0) 2√ π t/2 √ S(x)∫ 0 e−ξ 2 dξ + v0, где S(x) = Q(x)−R2 γ . Действительно, при k(ξ) = 1 задача (15), (16) примет вид d2ϕ(w) dw2 = −2w dϕ(w) dw , ϕ(0) = v0, ϕ(w) ∣∣∣ w=∞ = v1. Ее решение ϕ(w) = (v1 − v0) 2√ π w∫ 0 e−ς 2 dς + v0. Согласно теореме 2 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2 244 М. Н. ФЕЛЛЕР U(t, x) = ϕ ( t 2 √ S(x) ) = (v1 − v0) 2√ π t/2 √ S(x)∫ 0 e−ξ 2 dξ + v0. 1. Феллер M. Н. Краевые задачи для волнового уравнения с лапласианом Леви в классе Гато // Укр. мат. журн. – 2009. – 61, № 11. – С. 1564 – 1574. 2. Albeverio S., Belopolskaya Ya. I., Feller M. N. Boundary problems for the wave equation with the Lévy Laplacian in Shilov’s class // Methods Funct. Anal. and Top. – 2010. – 16, № 3. – P. 197 – 202. 3. Альбеверио С. А., Белопольская Я. И., Феллер М. Н. Задача Коши для волнового уравнения с лапласианом Леви // Мат. заметки. – 2010. – 87, вып. 6. – С. 803 – 813. 4. Lévy P. Problémes concrets d’analyse fonctionnelle. – Paris: Gauthier-Villars, 1951. – 510 p. 5. Feller M. N. The Lévy Laplacian. – Cambridge etc.: Cambridge Univ. Press, 2005. – 153 p. 6. Шилов Г. E. О некоторых вопросах анализа в гильбертовом пространстве. I // Функцион. анализ и его прил. – 1967. – 1, № 2. – С. 81 – 90. Получено 09.06.11 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 2
id umjimathkievua-article-2570
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language rus
English
last_indexed 2026-03-24T02:25:58Z
publishDate 2012
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/cf/170884f3d0ad6210a7fe7eb0096ea8cf.pdf
spelling umjimathkievua-article-25702020-03-18T19:29:46Z Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с дивергентной частью и с лапласианом Леви Feller, M. N. Феллер, М. Н. Феллер, М. Н. We propose an algorithm for the solution of the boundary-value problem $U(0,x) = u_0,\;\; U(t, 0) = u_1$ and the external boundary-value problem $U(0, x) = v_0, \;\;U(t, x) |_{\Gamma} = v_1, \;\; \lim_{||x||_H \rightarrow \infty} U(t, x) = v_2$ for the nonlinear hyperbolic equation $$\frac{\partial}{\partial t}\left[k(U(t,x))\frac{\partial U(t,x)}{\partial t}\right] = \Delta_L U(t,x)$$ with divergent part and infinite-dimensional Levy Laplacian $\Delta_L$. Для нелiнiйного гiперболiчного рiвняння з дивергентною частиною та з нескiнченновимiрним лапласiаном Левi $\Delta_L$ $$\frac{\partial}{\partial t}\left[k(U(t,x))\frac{\partial U(t,x)}{\partial t}\right] = \Delta_L U(t,x)$$ запропоновано алгоритм розв’язку крайової задачi $U(0,x) = u_0,\;\; U(t, 0) = u_1$ та крайової зовнiшньої задачi $U(0, x) = v_0, \;\;U(t, x) |_{\Gamma} = v_1, \;\; \lim_{||x||_H \rightarrow \infty} U(t, x) = v_2$. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2012-02-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2570 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 64 No. 2 (2012); 237-244 Український математичний журнал; Том 64 № 2 (2012); 237-244 1027-3190 rus en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2570/1899 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2570/1900 Copyright (c) 2012 Feller M. N.
spellingShingle Feller, M. N.
Феллер, М. Н.
Феллер, М. Н.
Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian
title Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian
title_alt Краевые задачи для нелинейного гиперболического уравнения с дивергентной частью и с лапласианом Леви
title_full Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian
title_fullStr Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian
title_full_unstemmed Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian
title_short Boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and Levy Laplacian
title_sort boundary-value problems for a nonlinear hyperbolic equation with divergent part and levy laplacian
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2570
work_keys_str_mv AT fellermn boundaryvalueproblemsforanonlinearhyperbolicequationwithdivergentpartandlevylaplacian
AT fellermn boundaryvalueproblemsforanonlinearhyperbolicequationwithdivergentpartandlevylaplacian
AT fellermn boundaryvalueproblemsforanonlinearhyperbolicequationwithdivergentpartandlevylaplacian
AT fellermn kraevyezadačidlânelinejnogogiperboličeskogouravneniâsdivergentnojčastʹûislaplasianomlevi
AT fellermn kraevyezadačidlânelinejnogogiperboličeskogouravneniâsdivergentnojčastʹûislaplasianomlevi
AT fellermn kraevyezadačidlânelinejnogogiperboličeskogouravneniâsdivergentnojčastʹûislaplasianomlevi