Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications

We introduce a generalized hybrid integral transformation of the Mehler-Fock type on a segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transformation to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the secon...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2007
Автори: Konet, I. M., Конет, І. М.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Англійська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2007
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3396
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_ 1860509477994758144
author Konet, I. M.
Конет, І. М.
author_facet Konet, I. M.
Конет, І. М.
author_sort Konet, I. M.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-03-18T19:53:10Z
description We introduce a generalized hybrid integral transformation of the Mehler-Fock type on a segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transformation to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the second order in piecewise-homogeneous media.
first_indexed 2026-03-24T02:41:44Z
format Article
fulltext УДК 517.91:532.2 I. М. Конет (Кам’янець-Подiл. ун-т) УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА 1-ГО РОДУ ТА ЙОГО ЗАСТОСУВАННЯ A generalized hybrid integral transform of the Meler – Fok type is introduced on the segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transform to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the second order in piece-wise environments. Введено обобщенное гибридное интегральное преобразование типа Мелера – Фока на отрезке [0; R] с n точками сопряжения. Рассмотрены примеры применения этого преобразования к решению типичных сингулярных краевых задач для линейных дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка в кусочно-однородных средах. Вступ. При розв’язуваннi лiнiйних крайових та мiшаних задач математичної фiзи- ки однорiдних середовищ у сферичнiй системi координат методом вiдокремлення змiнних виникають рiвняння з диференцiальним оператором Лежандра Λm = d2 dr2 + cth r d dr + 1 4 − m2 sh2 r , m ≥ 0. (1) Пряме F0[f(r)] = ∞∫ 0 f(r)P− 1 2+iλ(ch r) sh rdr ≡ f̃(λ) та обернене F−1 0 [ f̃(λ) ] = ∞∫ 0 f̃(λ)P− 1 2+iλ(ch r)λ th(πλ)dλ ≡ f(r) iнтегральнi перетворення, породженi на полярнiй осi r ≥ 0 диференцiальним опе- ратором Лежандра Λ0 = d2 dr2 + cth r d dr + 1 4 , вперше у 1861 р. одержав Ф. Г. Мелер i строго обґрунтували В. А. Фок [1] та М. М. Лєбєдєв [2]. Цi перетворення ефективно використовуються при розв’язуваннi осесиметричних задач теорiї потенцiалу в областях, утворених двома сферами, що перетинаються, та в областях, обмежених поверхнями гiперболоїдiв обертання i тороїдальними поверхнями. У випадку вiдсутностi осьової симетрiї використовуються узагальненi iнте- гральнi перетворення Мелера – Фока [3] Fm [ f(r) ] = ∞∫ 0 f(r)Pm − 1 2+iλ(ch r) sh rdr ≡ f̃(λ), c© I. М. КОНЕТ, 2007 1376 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1377 F−1 m [ f̃(λ) ] = (−1)m ∞∫ 0 f̃(λ)P−m − 1 2+iλ (ch r)λ th(πλ)dλ ≡ f(r), породженi на полярнiй осi r ≥ 0 диференцiальним оператором Λm, m = 1, 2, 3, . . . . Iнтегральнi перетворення Мелера – Фока на полярнiй осi r ≥ R0 > 0 було одержано у працях [4 – 6]. Природним узагальненням диференцiального оператора (1) є оператор [7, 8] Λ(µ) = d2 dr2 + cth r d dr + 1 4 + 1 2 ( µ2 1 1− ch r + µ2 2 1 + ch r ) , (2) де (µ) = (µ1;µ2); µ1 ≥ µ2 > 0. Оператор (2) будемо називати узагальненим диференцiальним оператором Ле- жандра. Очевидно, що при µ1 = µ2 = m оператор (2) збiгається з оператором (1). Iнтегральнi перетворення типу Мелера – Фока, породженi на полярних осях r ≥ 0, r ≥ R0 > 0 та полярних вiдрiзках [0;R], [R0;R] узагальненим дифе- ренцiальним оператором Лежандра (2), одержано в [9 – 11]. Вiдповiднi гiбриднi iнтегральнi перетворення, породженi на цих осях з однiєю, двома та n точками спряження гiбридним диференцiальним оператором Лежандра, розглянуто в [12 – 15]. У цiй статтi побудовано скiнченнi гiбриднi iнтегральнi перетворення типу Мелера – Фока на вiдрiзку [0;R] з n точками спряження. Одержанi перетворен- ня застосовано до розв’язання деяких сингулярних крайових задач для лiнiйних диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними другого порядку в кусково- однорiдних середовищах. Основнi результати. Побудуємо iнтегральне перетворення, породжене на мно- жинi In = { r : r ∈ n+1⋃ k=1 (Rk−1, Rk); R0 = 0, Rn+1 = R < ∞ } узагальненим гiбридним диференцiальним оператором Лежандра L(µ) = n+1∑ k=1 θ(r −Rk−1)a2 kΛ(µ)k , R0 = 0, (3) де (µ) = ( (µ)1, (µ)2, . . . , (µ)n+1 ) ; (µ)k = (µ1k, µ2k), θ(x) — одинична функцiя Хевiсайда. Означення. Областю визначення оператора L(µ) назвемо множину G вектор- функцiй g(r) = { g1(r); g2(r); . . . ; gn+1(r) } , якi мають такi властивостi: 1) вектор-функцiя f(r) = { Λ(µ)1 [ g1(r) ] ; Λ(µ)2 [ g2(r) ] ; . . . ; Λ(µ)n+1 [ gn+1(r) ]} є неперервною на множинi In; 2) компоненти gj(r) вектор-функцiї g(r) задовольняють умови спряження[( αk j1 d dr + βk j1 ) gk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) gk+1(r) ] ∣∣∣∣ r=Rk = 0, (4) j = 1, 2, k = 1, n; 3) справджуються крайовi умови lim r→0 rγg1(r) = 0, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) gn+1(r) ∣∣∣∣ r=Rn+1 = 0. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1378 I. М. КОНЕТ Вважаємо, що c1kc2k > 0 для k = 1, n, αn+1 22 ≥ 0, βn+1 22 ≥ 0, αn+1 22 + βn+1 22 6= 0, cjk = αk 2jβ k 1j − αk 1jβ k 2j , j = 1, 2, k = 1, n. Лема. Компоненти вектор-функцiй u(r) та v(r) з множини G задовольняють тотожнiсть( duj dr vj − uj dvj dr )∣∣∣∣ r=Rj = c2j c1j ( duj+1 dr vj+1 − uj+1 dvj+1 dr )∣∣∣∣ r=Rj , j = 1, n. (5) Доведення. За коефiцiєнтами умов спряження (4) визначимо величини ck11 = αk 11α k 22 − αk 21α k 12, ck12 = αk 11β k 22 − αk 21β k 12, ck21 = βk 11α k 22 − βk 21α k 12, ck22 = βk 11β k 22 − βk 21β k 12; k = 1, n. Для u(r) ∈ G з умов спряження αk 11u ′ k(Rk) + βk 11uk(Rk) = αk 12u ′ k+1(Rk) + βk 12uk+1(Rk), αk 21u ′ k(Rk) + βk 21uk(Rk) = αk 22u ′ k+1(Rk) + βk 22uk+1(Rk) за правилами Крамера [16] знаходимо спiввiдношення u′k(Rk) = c−1 1k [ ck21u ′ k+1(Rk) + ck22uk+1(Rk) ] , uk(Rk) = −c−1 1k [ ck11u ′ k+1(Rk) + ck12uk+1(Rk) ] . (6) Аналогiчно, для v(r) ∈ G маємо спiввiдношення v′k(Rk) = c−1 1k [ck21v ′ k+1(Rk) + ck22vk+1(Rk)], vk(Rk) = −c−1 1k [ck11v ′ k+1(Rk) + ck12vk+1(Rk)]. (7) На основi рiвностей (6) та (7) одержуємо u′k(Rk)vk(Rk)− uk(Rk)v′k(Rk) = = c−2 1k (ck11c k 22 − ck12c k 21)(u ′ k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk)). Враховуючи нерiвнiсть ck11c k 22 − ck12c k 21 = c1kc2k > 0, отримуємо тотожнiсть (5). Лему доведено. Визначимо числа σk =  n∏ j=k c1j c2j  1 a2 k ≡ c1kc1,k+1 . . . c1n c2kc2,k+1 . . . c2n 1 a2 k , k = 1, n, σn+1 = 1 a2 n+1 , вагову функцiю ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1379 σ(r) = [ n+1∑ k=1 θ(r −Rk−1)θ(Rk − r)σk ] sh r та скалярний добуток ( u(r), v(r) ) = R∫ 0 u(r)v(r)σ(r)dr ≡ n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 uk(r)vk(r)σk sh rdr, u(r) ∈ G, v(r) ∈ G. Теорема 1. Узагальнений гiбридний диференцiальний оператор L(µ), визна- чений рiвнiстю (3), є самоспряженим, тобто ∀u, v ∈ G : ( L(µ)[u], v ) = ( u,L(µ)[v] ) . (8) Доведення. Iнтегруючи двiчi частинами, безпосередньо маємо ( L(µ)[u], v ) = n+1∑ k=1 a2 k Rk∫ Rk−1 L(µ) [ u(r) ] vk(r)σkshrdr = = n∑ k=1 { a2 k [ u′k(Rk)vk(Rk)− uk(Rk)v′k(Rk) ] σkshRk− −a2 k+1 [ u′k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk) ] σk+1shRk } + +a2 n+1 [ u′n+1(R)vn+1(R)− un+1(R)v′n+1(R) ] σn+1shR− −a2 1 [ u′1(R0)v1(R0)− u1(R0)v′1(R0) ] σ1shR0 + ( u,L(µ)[v] ) . З урахуванням тотожностi (5) i структури чисел σk одержуємо a2 k[u′k(Rk)vk(Rk)− uk(Rk)v′k(Rk)]σkshRk = = a2 k c2k c1k [ u′k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk) ] σkshRk = = a2 k+1 [ u′k+1(Rk)vk+1(Rk)− uk+1(Rk)v′k+1(Rk) ] σk+1shRk. Отже, вираз у фiгурних дужках пiд знаком суми дорiвнює нулю. Третiй доданок дорiвнює нулю внаслiдок крайових умов у точцi r = 0. Якщо αn+1 22 = 0, то другий доданок дорiвнює нулю за рахунок крайових умов un+1(R) = vn+1(R) = 0. Якщо αn+1 22 6= 0, то внаслiдок крайових умов у точцi r = R маємо u′n+1(R)vn+1(R)− un+1(R)v′n+1(R) = = 1 αn+1 22 [( αn+1 22 u′n+1(R) + βn+1 22 un+1(R) ) vn+1(R)− −un+1(R) ( αn+1 22 v′n+1(R) + βn+1 22 vn+1(R) )] = ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1380 I. М. КОНЕТ = 1 αn+1 22 (0 · vn+1(R)− un+1(R) · 0) = 0, тобто у цьому випадку другий доданок також дорiвнює нулю. Отже, одержуємо рiвнiсть (8). Теорему доведено. Оскiльки оператор L(µ) не має на множинi In особливих точок, то його спектр є дискретним i дiйсним [17]. Знайдемо множину власних чисел (спектр) та множину власних вектор-функцiй V(µ) = { V(µ)1 ;V(µ)2 ; . . . ;V(µ)n+1 } оператора L(µ). Для цього розглянемо спектраль- ну задачу Штурма – Лiувiлля: побудувати нетривiальний обмежений на множинi In розв’язок сепаратної системи узагальнених диференцiальних рiвнянь Лежандра (Λ(µ)j + b2j )V(µ);j(r, β) = 0, r ∈ (Rj−1, Rj), j = 1, n+ 1, (9) за крайовими умовами lim r→0 rγV(µ);1(r, β) = 0, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) V(µ);n+1(r, β)|r=Rn+1 = 0 (10) та умовами спряження[( αk j1 d dr + βk j1 ) V(µ);k(r, β)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) V(µ);k+1(r, β) ]∣∣∣∣ r=Rk = 0, (11) k = 1, n, j = 1, 2, де b2j = a−2 j (β2 + γ2 j ), aj > 0, γ2 j ≥ 0, j = 1, n+ 1, β — спектральний параметр. Для j ≥ 2 за фундаментальну систему розв’язкiв вiзьмемо двi дiйснi функцiї A (µ)j −1/2+ibj (ch r) та B(µ)j −1/2+ibj (ch r) [8]. Якщо загальний розв’язок однорiдної крайової задачi (9) – (11) шукати за фор- мулами V(µ)1(r, β) = A1P (µ)1 −1/2+ib1 (ch r), V(µ)j (r, β) = AjA (µ)j −1/2+ibj (ch r) +BjB (µ)j −1/2+ibj (ch r), j = 2, n+ 1, то умови спряження (11) i крайова умова в точцi r = Rn+1 ≡ R дають алгебраїчну систему (2n+ 1)-го рiвняння вiдносно (2n+ 1)-го невiдомого: Z (µ)1,11 −1/2+ib1;m1(chR1)A1− −Y (µ)2,11 −1/2+ib2;m2(chR1)A2 − Y (µ)2,12 −1/2+ib2;m2(chR1)B2 = 0, m = 1, 2, Y (µ)j ,j1 −1/2+ibj ;m1 (chRj)Aj + Y (µ)j ,j2 −1/2+ibj ;m1(chRj)Bj− −Y (µ)j+1,j1 −1/2+ibj+1;m2 (chRj)Aj+1− −Y (µ)j+1,j2 −1/2+ibj+1;m2 (chRj)Bj+1 = 0, j = 2, n, m = 1, 2, Y (µ)n+1,n+1,1 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)An+1 + Y (µ)n+1,n+1,2 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)Bn+1 = 0. (12) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1381 Для того щоб система (12) мала ненульовий розв’язок, необхiдно i досить, щоб визначник системи дорiвнював нулю [16]. Таким чином, одержуємо трансцендент- не рiвняння для власних чисел δ(µ̃)(β) ≡ Y (µ)n+1,n+1,1 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)ω (n) (µ̃)n+1;2 (β)− −Y (µ)n+1,n+1,2 −1/2+ibn+1;22 (chRn+1)ω (n) (µ̃)n+1;1 (β) = 0, (13) де (µ̃)k = ( (µ)1, (µ)2, . . . , (µ)k), (µ ) j = (µ1j , µ2j), µ1j ≥ µ2j , k = 1, 2, . . . , k, ψ1 (µ̃)2;1j(β, chR1, chR2) = Z (µ)1,11 −1/2+ib1;11 (chR1)Y (µ)2,1j −1/2+ib2;22 (chR2)− −Z(µ)1,11 −1/2+ib1;21 (chR1)Y (µ)2,1j −1/2+ib2;12 (chR2), j = 1, 2, ψk ((µ)k;(µ)k+1);mj(β, chRk, chRk+1) = = Y (µ)k,km −1/2+ibk;11(chRk+1)Y (µ)k+1,kj −1/2+ibk+1;22 (chRk)− −Y (µ)k,km −1/2+ibk;21(chRk)Y (µ)k+1,kj −1/2+ibk+1;12 (chRk+1), k = 2, n, ω (1) (µ̃)2;j (β) = ψk ((µ)1;(µ)2);1j(β, chR1, chR2), j = 1, 2, ω (k) (µ̃)k+1;j (β) = ω (k−1) (µ̃)k;2(β)ψk ((µ)k;(µ)k+1);1j(β, chRk, chRk+1) − −ω(k−1) (µ̃)k;1(β)ψk ((µ)k;(µ)k+1);2j(β, chRk, chRk+1)j = 1, 2, k = 2, n. Згiдно з роботами [18 – 20] доводяться такi теореми. Теорема 2 (про дискретний спектр). Коренi βs трансцендентного рiвнян- ня (13) утворюють дискретний спектр: дiйснi, рiзнi, симетрично розташованi вiдносно точки β = 0; їх модулi складають монотонно зростаючу послiдовнiсть з єдиною граничною точкою β = ∞. Пiдставимо в систему (13) β = βs (bjs = a−1 j (β2 s + γ2 j )1/2) i знехтуємо остан- нiм рiвнянням внаслiдок лiнiйної залежностi. Рiвняння, що залишилися в систе- мi (13) при bk = bks, утворюють n рекурентних систем по два рiвняння в кожнiй. Розв’язуючи останнi, одержуємо V(µ);1(r, βs) = ∆(µ);n(βs)P (µ)1 −1/2+ib1s (ch r), ∆(µ);n(βs) = n∏ m=1 c2m shRm 1 S(µ)m (bms) , V(µ);k(r, βs) = ( n∏ k=m c2m shRm 1 S(µ)m (bms) ) × × [ ω (k−1) µ̃k;2 (βs)A (µ)k −1/2+ibks (ch r)− ω (k−1) µ̃k;1 (βs)B (µ)k −1/2+ibks (ch r) ] , k = 2, n, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1382 I. М. КОНЕТ V(µ);n+1(r, βs) = ω (n) µ̃m+1;2 (βs)A (µ)n+1 −1/2+ibn+1,s (ch r)− −ω(n) µ̃n+1;1 (βs)B (µ)n+1 −1/2+ibn+1,s (ch r). Власному числу βj вiдповiдає одна власна (спектральна) вектор-функцiя V(µ)(r, βj) = n+1∑ k=1 θ(r −Rk−1)θ(Rk − r)V(µ);k(r, βj), R0 = 0, Rn+1 = R. Квадрат норми спектральної вектор-функцiї визначається формулою ||V(µ)(r, βj)||2 = R∫ 0 [V(µ)(r, βj)]2σ(r)dr ≡ ≡ n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 [V(µ);k(r, βj)]2σk sh rdr, R0 = 0, Rn+1 = R. Теорема 3 (про дискретну функцiю). Система власних вектор-функцiй {V(µ)(r, βj)}∞j=1 є ортогональною на множинi In з ваговою функцiєю σ(r), повною i замкнутою. Теорема 4 (типу теореми Стєклова). Будь-яка вектор-функцiя g(r) ∈ G роз- гортається за системою власних вектор-функцiй {V(µ)(r, βj)}∞j=1 оператора L(µ) в абсолютно i рiвномiрно збiжний на кожнiй компактнiй множинi I∗n ⊂ In ряд Фур’є: g(r) = ∞∑ j=1 R∫ 0 g(ρ)V(µ)(ρ, βj)σ(ρ)dρ V(µ)(r, βj) ‖V(µ)(r, βj)‖2 . (14) Ряд Фур’є (14) визначає пряме M(µ);n та обернене M−1 (µ);n скiнченнi гiбриднi iнтегральнi перетворення типу Мелера – Фока 1-го роду на множинi In: M(µ);n[g(r)] = R∫ 0 g(r)V(µ)(r, βj)σ(r)dr ≡ g̃j = n+1∑ k=1 g̃kj = = n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 gk(r)V(µ);k(r, βj)σk sh rdr, R0 = 0, (15) M−1 (µ);n[g̃j ] = ∞∑ j=1 g̃j V(µ)(r,βj) ||V(µ)(r, βj)||2 ≡ g(r). (16) Теорема 5 (про основну тотожнiсть). Якщо вектор-функцiя f(r) = L(µ)[g(r)] є неперервною на In, а компоненти gm(r) вектор-функцiї g(r) задовольняють крайовi умови lim r→0 sh r ( V(µ);1 dg1 dr − g1 dV(µ);1 dr ) = 0, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1383( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) gn+1(r) ∣∣∣∣ r=Rn+1 = gR = const та умови спряження[( αk j1 d dr + βk j1 ) gk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) gk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = ωjk, j = 1, 2, k = 1, n, то справджується основна тотожнiсть iнтегрального перетворення узагальне- ного гiбридного диференцiального оператора Лежандра L(µ), визначеного рiвнiс- тю (3): M(µ);n[L(µ)[g(r)]] = −β2 j g̃j + (αn+1 22 )−1(shR)V(µ);n+1(R, βj)gR − − n+1∑ k=1 γ2 k Rk∫ Rk−1 gk(r)V(µ);k(r, βj)σk sh rdr + + n∑ k=1 a2 kσk c1k shRk { Zk (µ);12(βj)ω2k − Zk (µ);22(βj)ω1k } , (17) де Zk (µ);m2(βj) = ( αk m2d/dr + βk m2 ) V(µ);k+1(r, βj)|r=Rk . Застосування. Наявнiсть основної тотожностi (17) дозволяє використати вве- денi формулами (15), (16) iнтегральнi перетворення для одержання iнтегрального зображення точного аналiтичного розв’язку вiдповiдних сингулярних крайових за- дач для лiнiйних диференцiальних рiвнянь з частинними похiдними другого по- рядку в кусково-однорiдних середовищах. Приклад 1. Побудувати обмежений в областi Dn = { (r, z) : r ∈ In; z ∈ (−∞, +∞) } розв’язок сепаратної системи диференцiальних рiвнянь елiптичного типу з оператором Лежандра( ∂2 ∂z2 + a2 jΛ(µ)j − χ2 j ) uj(r, z) = −fj(r, z), j = 1, n+ 1, (18) за крайовими умовами ∂u1 ∂r ∣∣∣∣ r=0 = 0, ( αn+1 22 ∂ ∂r + βn+1 22 ) un+1 ∣∣∣∣ r=Rn+1 = gR(z) (19) та умовами спряження[( αk j1 ∂ ∂r + βk j1 ) uk − ( αk j2 ∂ ∂r + βk j2 ) uk+1 ]∣∣∣∣ r=Rk = = ωjk(z), j = 1, 2, k = 1, n. (20) Не зменшуючи загальностi розв’язку задачi, будемо вважати, що max { χ2 1;χ 2 2; . . . . . . ;χ2 n+1 } = χ2 1 ≥ 0. Запишемо систему (18) у матричнiй формi ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1384 I. М. КОНЕТ ( ∂2 ∂z2 + a2 1Λ(µ)1 − χ2 1 ) u1 (r, z)( ∂2 ∂z2 + a2 2Λ(µ)2 − χ2 2 ) u2 (r, z) . . .( ∂2 ∂z2 + a2 n+1Λ(µ)n+1 − χ2 n+1 ) un+1(r, z)  = −  f1 (r, z) f2 (r, z) . . . fn+1 (r, z) . (21) Iнтегральний операторM(µ);n згiдно з (15) зобразимо у виглядi операторної матрицi- рядка M(µ);n [. . .] =  R1∫ 0 . . . V(µ);1 (r, βj) σ1 sh r dr R2∫ R1 . . . V(µ);2 (r, βj) σ2 sh r dr . . . . . . Rn∫ Rn−1 . . . V(µ);n (r, βj) σn sh r dr R∞∫ Rn . . . V(µ);n+1 (r, βj) σn+1 sh r dr  . (22) Покладемо γ2 m = χ2 1−χ2 m дляm = 1, n+ 1 i застосуємо за правилом множення мат- риць операторну матрицю-рядок (22) до системи (21). Внаслiдок тотожностi (17) одержимо крайову задачу: побудувати обмежений на (−∞,+∞) розв’язок дифе- ренцiального рiвняння другого порядку зi сталими коефiцiєнтами[ d2 dz2 − ( β2 j + χ2 1 )] ũj (z) = −F̃j (z) , (23) де F̃j (z) = f̃j (z) + ( αn+1 22 )−1 sh R V(µ);n+1 (R, βj) gR (z)+ + n∑ k=1 a2 kσk sh Rk c1k [ Zk (µ);12 (βj)ω2k (z)− Zk (µ);22 (βj)ω1k (z) ] . Безпосередньо перевiряється, що єдиним обмеженим на множинi |z| <∞ розв’язком рiвняння (23) є функцiя ũj (z) = ∞∫ −∞ e−qj |z−ζ| 2qj F̃j (ζ) dζ, qj = ( β2 j + χ2 1 )1/2 . (24) Оператор M−1 (µ);n згiдно з (16), як обернений до (15), зобразимо у виглядi оператор- ної матрицi-стовпця M−1 (µ);n [. . .] =  ∞∑ j=1 . . . V(µ);1 (r, βj) (∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 )−1 ∞∑ j=1 . . . V(µ);2 (r, βj) (∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 )−1 . . . ∞∑ j=1 . . . V(µ);n+1 (r, βj) (∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 )−1  . (25) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1385 Визначимо головнi розв’язки елiптичної задачi (18) – (20): 1) функцiї впливу ε(µ);ik (r, ρ, z, ζ) = ∞∑ j=1 e−qj |z−ζ| 2qj V(µ);i (r, βj)V(µ);k (ρ, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , i, k = 1, n+ 1; 2) функцiї Грiна W(µ);n+1,i (r, z, ζ) = = ∞∑ j=1 e−qj |z−ζ| 2qj shR αn+1 22 V(µ);i (r, βj)V(µ);n+1 (R, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , i = 1, n+ 1; 3) функцiї Грiна Rik (µ);m2 (r, z, ζ) = ∞∑ j=1 e−qj |z−ζ| 2qj a2 kσk shRk c1k Zk (µ);m2 (βj) V(µ);i (r, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 . В результатi застосування за правилом множення матриць операторної матрицi- стовпця (25) до матрицi-елемента [ ũj(z) ] , де функцiя ũj(z) визначена форму- лою (24), одержуємо єдиний розв’язок елiптичної крайової задачi (18) – (20): um (r, z) = n+1∑ k=1 ∞∫ −∞ Rk∫ Rk−1 ε(µ);mk (r, ρ, z, ζ) fk (ρ, ζ)σk sh ρ dρ dζ + + ∞∫ −∞ W(µ);n+1,m (r, z, ζ) gR (ζ) dζ + + n∑ k=1 ∞∫ −∞ [ Rmk (µ);12 (r, z, ζ)ω2k (ζ)−Rmk (µ);22 (r, z, ζ)ω1k (ζ) ] dζ, m = 1, n+ 1. Вектор-функцiя u (r, z) = { u1(r, z);u2(r, z); . . . ;un(r, z);un+1(r, z) } визначає iн- тегральне зображення єдиного аналiтичного розв’язку даної елiптичної крайової задачi. Приклад 2. Побудувати обмежений в областi D+ n = { (t, r) : t ∈ (0,∞); r ∈ ∈ In } розв’язок сепаратної системи рiвнянь параболiчного типу з оператором Ле- жандра ∂uj ∂t + χ2 juj − a2 jΛ(µ)j [uj ] = fj (t, r) , j = 1, n+ 1, (26) за початковими умовами uj (t, r)|t=0 = gj (r) , r ∈ (Rj−1, Rj) , j = 1, n+ 1, R0 = 0, (27) умовами спряження ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1386 I. М. КОНЕТ [( αk j1 ∂ ∂r + βk j1 ) uk (t, r)− ( αk j2 ∂ ∂r + βk j2 ) uk+1 (t, r) ]∣∣∣∣ r=Rk = = ωjk (t) , j = 1, 2, k = 1, n, (28) та крайовими умовами |u1|r=0 <∞, ( αn+1 22 ∂ ∂r + βn+1 22 ) un+1|r=Rn+1 = gR (t) . (29) Вважаємо, що виконуються умови узгодженостi[( αk j1 d dr + βk j1 ) gk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) gk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = = ωjk (0) , j = 1, 2, k = 1, n, g1|r=0 <∞, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) gn+1|r=Rn+1 = gR(0). Запишемо систему (26) i початковi умови (27) у матричнiй формi ( ∂ ∂t + χ2 1 − a2 1Λ(µ)1 ) u1(t, r)( ∂ ∂t + χ2 2 − a2 2Λ(µ)2 ) u2(t, r) . . .( ∂ ∂t + χ2 n+1 − a2 n+1Λ(µ)n+1 ) un+1(t, r)  =  f1 (t, r) f2 (t, r) . . . fn+1 (t, r) , (30) u1 (t, r) u2 (t, r) . . . un+1 (t, r)  ∣∣∣∣∣∣∣∣ t=0 =  g1(r) g2(r) . . . gn+1(r) . У припущеннi, що max { χ2 1;χ 2 2; . . . ;χ 2 n+1 } = χ2 1, застосуємо до задачi (30) за правилом множення матриць операторну матрицю-рядок (22). Внаслiдок тотожнос- тi (17) одержуємо задачу Кошi( d dt + q2j ) ũj = F̃j (t) , ũj |t=0 = g̃j , q2j = β2 j + χ2 1, (31) де F̃j (t) = f̃j (t) + ( αn+1 22 )−1 sh Rn+1 V(µ);n+1 (Rn+1, βj) gR (t) + + n∑ k=1 a2 kσk sh Rk c1k [ Zk (µ);12 (βj)ω2k (t)− Zk (µ);22 (βj)ω1k (t) ] . Безпосередньо перевiряється, що єдиним розв’язком задачi Кошi (31) є функцiя ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1387 ũj (t) = e−q2 j tg̃j + t∫ 0 e−q2 j (t−τ)F̃j (τ) dτ . (32) До матрицi-елемента [ũj (t)] , де функцiя ũj (t) визначена формулою (32), застосу- ємо за правилом множення матриць операторну матрицю-стовпець (25). В резуль- татi елементарних перетворень одержуємо єдиний розв’язок параболiчної задачi (26) – (29): um(t, r) = = n+1∑ k=1 t∫ 0 Rk∫ Rk−1 H(µ);mk (t− τ, r, ρ) [ fk (τ, ρ) + δ+ (τ) gk (ρ) ] σk sh ρ dρ dτ+ + t∫ 0 W(µ);n+1,m(t− τ, r)gR(τ)dτ+ + n∑ k=1 t∫ 0 [ Rmk (µ);12 (t− τ, r)ω2k(τ)− −Rmk (µ);22(t− τ, r)ω1k(τ) ] dτ, m = 1, n+ 1, (33) де δ+(τ) — мiра Дiрака, зосереджена в точцi 0+. До формули (33) входять головнi розв’язки даної параболiчної задачi: 1) функцiї впливу H(µ);mk (t, r, ρ) = ∞∑ j=1 e−q2 j tV(µ);m (r, βj) V(µ);k (ρ, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m, k = 1, n+ 1; 2) функцiї Грiна W(µ);n+1,m (t, r) = = ∞∑ j=1 e−q2 j t sh R αn+1 22 V(µ);m (r, βj) V(µ);n+1 (Rn+1, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m = 1, n+ 1; 3) функцiї Грiна Rmk (µ);i2 (t, r) = = a2 kσk shRk c1k ∞∑ j=1 e−q2 j tZk (µ);i2 (βj) V(µ);m (r, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , i = 1, 2, k = 1, n. Вектор-функцiя u (t, r) = { u1 (t, r) ;u2 (t, r) ; . . . ;un+1 (t, r) } , компоненти якої um (t, r) визначаються формулою (33), повнiстю описує єдиний розв’язок парабо- лiчної крайової задачi (26) – (29). Приклад 3. Побудувати обмежений в областi D+ n розв’язок сепаратної систе- ми рiвнянь гiперболiчного типу з оператором Лежандра ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1388 I. М. КОНЕТ[ ∂2 ∂t2 + χ2 j − a2 jΛ(µ)j ] uj (t, r) = fj (t, r) , j = 1, n+ 1, (34) за початковими умовами uj (t, r)|t=0 = ϕj (r) , ∂uj ∂t ∣∣∣∣ t=0 = ψj (r) , j = 1, n+ 1, (35) умовами спряження (28) та крайовими умовами (29). Вважаємо, що виконуються умови узгодженостi[( αk j1 d dr + βk j1 ) ϕk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) ϕk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = ωjk (0) , j = 1, 2, k = 1, n, ϕ1|r=0 <∞, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) ϕn+1 ∣∣∣∣ r=Rn+1 = gR(0), [( αk j1 d dr + βk j1 ) ψk(r)− ( αk j2 d dr + βk j2 ) ψk+1(r) ]∣∣∣∣ r=Rk = ω′jk (0) , ψ1|r=0 <∞, ( αn+1 22 d dr + βn+1 22 ) ψn+1|r=Rn+1 = g′R(0). Запишемо систему (34) i початковi умови (35) у матричнiй формi ( ∂2 ∂t2 + χ2 1 − a2 1Λ(µ)1 ) u1(t, r)( ∂2 ∂t2 + χ2 2 − a2 2Λ(µ)2 ) u2(t, r) . . .( ∂2 ∂t2 + χ2 n+1 − a2 n+1Λ(µ)n+1 ) un+1(t, r)  =  f1 (t, r) f2 (t, r) . . . fn+1 (t, r) ,  u1 (t, r) u2 (t, r) . . . un+1 (t, r)  ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ t=0 =  ϕ1 (r) ϕ2 (r) . . . ϕn+1 (r) , (36) ∂ ∂t  u1 (t, r) u2 (t, r) . . . un+1 (t, r)  ∣∣∣∣∣∣∣∣∣∣ t=0 =  ψ1 (r) ψ2 (r) . . . ψn+1 (r) . До задачi (36) застосуємо за правилом множення матриць операторну матрицю- рядок (22) в припущеннi, що χ2 1 = max 1≤j≤n+1 { χ2 j } . Внаслiдок тотожностi (17) маємо задачу Кошi ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 УЗАГАЛЬНЕНЕ ГIБРИДНЕ IНТЕГРАЛЬНЕ ПЕРЕТВОРЕННЯ ТИПУ МЕЛЕРА – ФОКА ... 1389( d2 dt2 + q2j ) ũj = F̃j (t) , uj |t=0 = ϕ̃j , dũj dt ∣∣∣∣ t=0 = ψ̃j . (37) Єдиним розв’язком задачi Кошi (37) є функцiя ũj = sin qjt qj ψ̃j + d dt sin qjt qj ϕ̃j + t∫ 0 sin qj (t− τ) qj F̃j (τ) dτ . (38) До матрицi-елемента [ũj ], де функцiя ũj має структуру (38), за правилом множення матриць застосуємо операторну матрицю-стовпець (25). В результатi елементарних перетворень одержимо компоненти um (t, r) = = n+1∑ k=1 t∫ 0 Rk∫ Rk−1 H(µ);mk (t− τ, r, ρ) [ fk (τ, ρ) + δ+ (τ)ψk (ρ) ] σk sh ρ dρ dτ+ + ∂ ∂t n+1∑ k=1 Rk∫ Rk−1 H(µ);mk (t, r, ρ)ϕk (ρ)σk sh ρ dρ+ + t∫ 0 W(µ);n+1,m (t− τ, r) gR (τ) dτ+ + n∑ k=1 t∫ 0 [ Rmk (µ);12 (t− τ, r)ω2k (τ)−Rmk (µ);22 (t− τ, r)ω1k (τ) ] dτ, m = 1, n+ 1, (39) вектор-функцiї u (t, r) = { u1 (t, r) ;u2 (t, r) ; . . . ;un (t, r) ;un+1 (t, r) } , яка визначає єдиний аналiтичний розв’язок даної гiперболiчної задачi. Формули (39) мiстять головнi розв’язки гiперболiчної задачi (34), (35), (28), (29): 1) функцiї впливу H(µ);mk (t, r, ρ) = ∞∑ j=1 sin qjt qj V(µ);m (r, βj) V(µ);k (ρ, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m, k = 1, n+ 1; 2) функцiї Грiна W(µ);n+1,m (t, r) = = ∞∑ j=1 sin qjt qj sh R αn+1 22 V(µ);m (r, βj) V(µ);n+1 (Rn+1, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , m = 1, n+ 1; 3) функцiї Грiна Rmk (µ);i2 (t, r) = a2 kσk shRk c1k ∞∑ j=1 sin qjt qj Zk (µ);i2 (βj) V(µ);m (r, βj)∥∥V(µ) (r, βj) ∥∥2 , ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10 1390 I. М. КОНЕТ i = 1, 2, k = 1, n, m = 1, n+ 1. Зауважимо, що побудованi розв’язки мають алгоритмiчний характер i неперерв- но залежать вiд параметрiв та даних задачi. 1. Фок В. А. О разложении произвольной функции в интеграл по функциям Лежандра с комплекс- ным значком // Докл. АН СССР. – 1943. – 39, № 7. – С. 253 – 256. 2. Лебедев Н. Н. Некоторые интегральные преобразования математической физики: Автореф. дис. . . . д-ра физ.-мат. наук. – Л., 1951. – 18 с. 3. Уфлянд Я. С. Интегральные преобразования в задачах теории упругости. – Л.: Наука, 1967. – 402 с. 4. Белова Н. А. Об одном разложении в интегралы по сферическим функциям первого и второго рода // Дифференц. уравнения. – 1969. – 5, вып. 11. – С. 2096 – 2100. 5. Улитко А. Ф. Об одном обобщении интегрального преобразования Мелера – Фока // Прикл. механика. – 1967. – 3, вып. 5. – С. 45 – 49. 6. Уфлянд Я. С. О некоторых новых интегральных преобразованиях и их приложениях к задачам математической физики // Вопросы математической физики. – Л., 1976. – С. 93 – 106. 7. Федотова И. А. Об одном интегральном преобразовании с обобщенными присоединенными функциями Лежандра // Вычислит. и прикл. математика: Межвед. науч. сб. – 1990. – Вып. 71. – С. 33 – 43. 8. Вирченко Н. А., Федотова И. А. Обобщенные функции Лежандра и их применение. – Киев, 1998. – 158 с. 9. Конет I. М., Нiкiтiна О. М. Iнтегральне перетворення, породжене на полярнiй осi r ≥ 0 узагальненим диференцiальним оператором Лежандра // Сучаснi проблеми математики: Мат. мiжнар. наук. конф. – Чернiвцi: Рута, 1998. – Ч. 4. – С. 47 – 50. 10. Конет I. М., Нiкiтiна О. М. Iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока, породжене на полярнiй осi r ≥ R0 > 0 узагальненим диференцiальним оператором Лежандра // Зб. наук. пр. Кам’янець-Подiл. пед. ун-ту. Сер. фiз.-мат. – 1998. – Вип. 4. – С. 57 – 63. 11. Конет I. М., Ленюк М. П., Нiкiтiна О. М. Деякi узагальнення iнтегральних перетворень типу Мелера – Фока. – Київ, 1998. – 56 с. – (Препринт / НАН України. Iн-т математики; 98.6). 12. Конет I. М. Про узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на полярнiй осi з N точками спряження // Интегральные уравнения и их применения: Тез. докл. междунар. конф. – Одесса, 2005. – С. 70. 13. Конет I. М. Про узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на кусково- однорiднiй полярнiй осi r ≥ R0 > 0 // Диференц. рiвняння та їх застосування (Мiжнар. конф., присв. 60-рiччю кафедри iнтегральних i диференц. рiвнянь Київ. нац. ун-ту iм. Т. Шевченка): Тези доп. – Київ, 2005. – С. 46. 14. Конет I. М., Ленюк М. П. Узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на полярнiй осi з n точками спряження // Доп. НАН України. Математика, природознавство, технiчнi науки. – 2006. – № 9. – С. 22 – 27. 15. Конет I. М., Ленюк М. П. Узагальнене iнтегральне перетворення типу Мелера – Фока на полярнiй осi r ≥ R0 > 0 з n точками спряження // Мат. студiї. – 2006. – 25, № 2. – С. 169 – 180. 16. Курош А. Г. Курс высшей алгебры. – М.: Наука, 1971. – 432 с. 17. Данфорд Н., Шварц Дж. Линейные операторы. Общая теория. – М.: Изд-во иностр. лит., 1962. – 895 с. 18. Комаров Г. М., Ленюк М. П., Мороз В. В. Скiнченнi гiбриднi iнтегральнi перетворення, породженi диференцiальними рiвняннями другого порядку. – Чернiвцi: Прут, 2001. – 228 с. 19. Ленюк М. П. Гибридные интегральные преобразования (Бесселя, Лежандра, Бесселя) // Укр. мат. журн. – 1991. – 43, № 6. – С. 770 – 779. 20. Ленюк М. П., Олейник Н. П. Об одном классе интегральных преобразований (Бесселя – Фурье – Бесселя – . . . – Фурье – Бесселя) на полярной оси с 2n точками сопряжения // Там же. – 1993. – 45, № 8. – С. 1096 – 1103. Одержано 12.09.2006 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2007, т. 59, № 10
id umjimathkievua-article-3396
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
English
last_indexed 2026-03-24T02:41:44Z
publishDate 2007
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/d4/3ab4712d5980cd9b3783f497fdf259d4.pdf
spelling umjimathkievua-article-33962020-03-18T19:53:10Z Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування Konet, I. M. Конет, І. М. We introduce a generalized hybrid integral transformation of the Mehler-Fock type on a segment [0; R] with n conjugate points. We consider examples of application of this transformation to the solution of typical singular boundary-value problems for linear partial differential equations of the second order in piecewise-homogeneous media. Введено обобщенное гибридное интегральное преобразование типа Мелера-Фока на отрезке [0; R] с n точками сопряжения. Рассмотрены примеры применения этого преобразования к решению типичных сингулярных краевых задач для линейных дифференциальных уравнений с частными производными второго порядка в кусочно-однородных средах. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2007-10-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3396 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 59 No. 10 (2007); 1376–1390 Український математичний журнал; Том 59 № 10 (2007); 1376–1390 1027-3190 uk en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3396/3535 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3396/3536 Copyright (c) 2007 Konet I. M.
spellingShingle Konet, I. M.
Конет, І. М.
Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
title Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
title_alt Узагальнене гібридне інтегральне перетворення типу Мелера–Фока 1-го роду та його застосування
title_full Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
title_fullStr Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
title_full_unstemmed Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
title_short Generalized hybrid Mehler-Fock-type integral transformation of the first kind and its applications
title_sort generalized hybrid mehler-fock-type integral transformation of the first kind and its applications
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/3396
work_keys_str_mv AT konetim generalizedhybridmehlerfocktypeintegraltransformationofthefirstkindanditsapplications
AT konetím generalizedhybridmehlerfocktypeintegraltransformationofthefirstkindanditsapplications
AT konetim uzagalʹnenegíbridneíntegralʹneperetvorennâtipumelerafoka1gorodutajogozastosuvannâ
AT konetím uzagalʹnenegíbridneíntegralʹneperetvorennâtipumelerafoka1gorodutajogozastosuvannâ