Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces

UDC 517.927 We consider the most general class of multipoint boundary-value problems for systems of linear ordinary differential equations of an arbitrary order whose solutions belong to the given Sobolev space $W_p^{n+r},$ with $n\geq 0,$ $r\geq 1,$ and $1\leq p\leq \infty.$ &n...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2020
Автори: Atlasiuk , O. M., Атласюк, О. М.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2020
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6158
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_ 1860512280316215296
author Atlasiuk , O. M.
Атласюк, О. М.
author_facet Atlasiuk , O. M.
Атласюк, О. М.
author_sort Atlasiuk , O. M.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2020-08-23T08:33:20Z
description UDC 517.927 We consider the most general class of multipoint boundary-value problems for systems of linear ordinary differential equations of an arbitrary order whose solutions belong to the given Sobolev space $W_p^{n+r},$ with $n\geq 0,$ $r\geq 1,$ and $1\leq p\leq \infty.$  We establish constructive sufficient conditions under which the solutions of these problems are continuous with respect to the parameter $\varepsilon$ at $\varepsilon=0$ in the space $W_p^{n+r}.$
doi_str_mv 10.37863/umzh.v72i8.6158
first_indexed 2026-03-24T03:26:16Z
format Article
fulltext DOI: 10.37863/umzh.v72i8.6158 УДК 517.927 О. М. Атласюк (Iн-т математики НАН України, Київ) ГРАНИЧНI ТЕОРЕМИ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗКIВ БАГАТОТОЧКОВИХ КРАЙОВИХ ЗАДАЧ IЗ ПАРАМЕТРОМ У ПРОСТОРАХ СОБОЛЄВА We consider the most general class of multipoint boundary-value problems for systems of linear ordinary differential equations of an arbitrary order whose solutions belong to the given Sobolev space Wn+r p , with n \geq 0, r \geq 1, and 1 \leq p \leq \infty . We establish constructive sufficient conditions under which the solutions of these problems are continuous with respect to the parameter \varepsilon at \varepsilon = 0 in the space Wn+r p . Розглянуто найбiльш загальний клас багатоточкових крайових задач для систем лiнiйних звичайних диференцiаль- них рiвнянь довiльного порядку, розв’язки яких належать заданому простору Соболєва Wn+r p , де n \geq 0, r \geq 1 i 1 \leq p \leq \infty . Встановлено конструктивнi достатнi умови, за яких розв’язки цих задач неперервнi за параметром \varepsilon при \varepsilon = 0 у просторi Wn+r p . 1. Вступ. Класичним об’єктом вивчення в теорiї звичайних диференцiальних рiвнянь є бага- тоточковi крайовi задачi. Однiєю з їхнiх особливостей є те, що промiжнi точки, якi входять у крайовi умови, породжують рiзноманiтнi проблеми. Питанням iснування, єдиностi i побудови наближених методiв знаходження розв’язкiв багатоточкових крайових задач присвячено роботи А. М. Самойленка [1, 2], I. Т. Кiгурадзе [3] i В. Д. Пономарьова [4]. Теореми про iснування, єди- нiсть i неперервнiсть за параметром розв’язкiв загальних i найбiльш загальних крайових задач у рiзних функцiональних банахових просторах та методика їхнiх доведень були застосованi до дослiдження багатоточкових крайових задач В. А. Михайлецем та його учнями [5 – 9]. Метою даної роботи є дослiдження найбiльш загального класу багатоточкових лiнiйних крайових задач для систем звичайних диференцiальних рiвнянь довiльного порядку, розв’язки яких належать простору Соболєва Wn+r p , де n \geq 0, r \geq 1 i 1 \leq p \leq \infty . Ми розглянемо випадок, коли точки замкненого iнтервалу [a, b], якi фiгурують у крайових умовах, не є фiксованими i залежать вiд числового параметра, а також кiлькiсть точок може змiнюватися. Випадок p = \infty є особливим i ранiше не вивчався. 2. Постановка задачi. Нехай задано скiнченний iнтервал (a, b) \subset \BbbR i параметри \{ m, r,N\} \subset \BbbN , n \in \BbbN \cup \{ 0\} , 1 \leq p \leq \infty . Виберемо довiльним чином N рiзних точок \{ t1, . . . , tN\} \subset [a, b]. Позначимо через Wn p := Wn p \bigl( [a, b];\BbbC \bigr) комплексний простiр Соболєва i покладемо W 0 p := := Lp . Також позначимо через (Wn p ) m := Wn p ([a, b];\BbbC m) i (Wn p ) m\times m := Wn p ([a, b];\BbbC m\times m) простори Соболєва вiдповiдно вектор-функцiй i матриць-функцiй, елементи яких належать функцiональному простору Wn p . Норми у цих просторах позначимо через \| \cdot \| n,p, вони є сумами вiдповiдних норм у Wn p всiх елементiв векторно- або матричнозначної функцiї. З контексту завжди зрозумiло, про норму в якому саме просторi (скалярних, вектор- чи матриць- функцiй) йде мова. Якщо m = 1, то всi цi простори збiгаються. Як вiдомо, простори Wn p є банаховими; вони сепарабельнi тодi i лише тодi, коли p < \infty . c\bigcirc О. М. АТЛАСЮК, 2020 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 1015 1016 О. М. АТЛАСЮК Розглянемо багатоточкову крайову задачу Ly(t) \equiv y(r)(t) + r\sum j=1 Ar - j(t)y (r - j)(t) = f(t), t \in (a, b), (1) By \equiv n+r - 1\sum l=0 N\sum j=1 \beta (l) j y(l)(tj) = q. (2) Тут невiдомою є вектор-функцiя y \in (Wn+r p )m i довiльно задано матрицi-функцiї Ar - j \in \in (Wn p ) m\times m, вектор-функцiю f \in (Wn p ) m, матрицi \beta (l) j \in \BbbC rm\times m i вектор q \in \BbbC rm. З огляду на неперервне вкладення (Wn+r p )m \lhook \rightarrow (Cn+r - 1)m (3) лiва частина крайової умови (2) має сенс, i вiдображення y \lhook \rightarrow By, де y \in (Wn+r p )m, є неперервним оператором iз простору B : (Wn+r p )m у простiр \BbbC rm. Зазначимо, що крайова умова (2) не є класичною, тому що мiстить похiднi y(l) цiлого порядку l, де 0 < l \leq n+ r - 1. Розглянемо (1), (2) як граничну крайову задачу при \varepsilon \rightarrow 0+ для такої багатоточкової крайової задачi, залежної вiд параметра \varepsilon \in (0, \varepsilon 0): L(\varepsilon )y(t, \varepsilon ) := y(r)(t, \varepsilon ) + r\sum j=1 Ar - j(t, \varepsilon )y (r - j)(t, \varepsilon ) = f(t, \varepsilon ), t \in (a, b), (4) B(\varepsilon )y(\cdot , \varepsilon ) = N\sum j=0 \omega j(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l) \bigl( tj,k(\varepsilon ), \varepsilon \bigr) = q(\varepsilon ). (5) Тут при кожному фiксованому значеннi параметра \varepsilon невiдомою є вектор-функцiя y(\cdot , \varepsilon ) \in \in (Wn+r p )m i задано матрицi-функцiї Ar - j(\cdot , \varepsilon ) \in (Wn p ) m\times m, вектор-функцiю f(\cdot , \varepsilon ) \in (Wn p ) m, вектори q(\varepsilon ) \in \BbbC rm та матрицi \beta (l) j,k(\varepsilon ) \in \BbbC m\times m. У граничному випадку при \varepsilon = 0 на вiдрiзку [a, b] вибрано N точок tj . У випадку, коли \varepsilon > 0, на вiдрiзку вибрано не менше нiж N точок tj,k(\varepsilon ), якi поєднанi у N + 1 серiю таким чином: для кожного фiксованого j \in \{ 1, . . . , N\} усi точки tj,k(\varepsilon ) повиннi мати спiльну межу tj при \varepsilon \rightarrow 0+, а для точок t0,k(\varepsilon ) така вимога не висуватиметься. Зауважимо, що нульової серiї може i не бути. Вектори i вектор-функцiї вважаємо записаними у виглядi стовпцiв. Пiд розв’язком крайової задачi (4), (5) розумiємо вектор-функцiю y(\cdot , \varepsilon ) \in (Wn+r p )m, яка задовольняє рiвняння (4) (при n \geq 1 скрiзь, а при n = 0 майже скрiзь) на (a, b) та рiвнiсть (5), яка задає rm скалярних крайових умов. Використання у крайовiй умовi (5) повторної суми за iндексами j i k зумовлено подальшими припущеннями щодо поведiнки точок tj,k(\varepsilon ) при \varepsilon \rightarrow 0+ залежно вiд значень параметра j. У граничному випадку при \varepsilon = 0 розглядаємо крайову задачу L(0)y(t, 0) = f(t, 0), t \in (a, b), (6) B(0)y(\cdot , 0) = N\sum j=1 n+r - 1\sum l=0 \beta (l) j y(l)(tj , 0) = q(0), (7) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 ГРАНИЧНI ТЕОРЕМИ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗКIВ БАГАТОТОЧКОВИХ КРАЙОВИХ ЗАДАЧ IЗ ПАРАМЕТРОМ . . . 1017 де матрицi \beta (l) j \in \BbbC m\times m, точки tj \in [a, b] та вектор q(0) \in \BbbC rm задано довiльно. Для кожного \varepsilon \in [0, \varepsilon 0) B(\varepsilon ) є лiнiйним неперервним оператором: B(\varepsilon ) : (Wn+r p )m \rightarrow \BbbC rm. (8) Крайовiй задачi (4), (5) для кожного \varepsilon \in [0, \varepsilon 0) вiдповiдає лiнiйний оператор\bigl( L(\varepsilon ), B(\varepsilon ) \bigr) : (Wn+r p )m \rightarrow (Wn p ) m \times \BbbC rm. (9) Згiдно з [10], (9) є обмеженим фредгольмовим оператором з iндексом нуль. Основний результат даної статтi полягає у встановленнi явних достатнiх умов, за яких розв’язок y = y(\cdot , \varepsilon ) багатоточкової крайової задачi (4), (5) є неперервним за параметром \varepsilon у просторi Соболєва Wn+r p , 1 \leq p \leq \infty , тобто розв’язок y(\cdot , \varepsilon ) iснує, єдиний i задовольняє граничне спiввiдношення\bigm\| \bigm\| y(\cdot , \varepsilon ) - y(\cdot , 0) \bigm\| \bigm\| n+r,p \rightarrow 0 при \varepsilon \rightarrow 0 + . (10) Для того щоб дослiджувана задача мала сенс, далi будемо вважати, що виконується умо- ва (0): однорiдна гранична крайова задача вигляду (6), (7) має лише тривiальний розв’язок, тобто є невиродженою. Звiдси випливає, що при \varepsilon = 0 фредгольмовий оператор (9) є iзоморфiзмом, тобто\bigl( L(0), B(0) \bigr) : (Wn+r p )m \updownarrow (Wn p ) m \times \BbbC rm. Тому крайова задача (6), (7) має єдиний розв’язок y(t, 0) \in (Wn+r p )m i визначена однозначно для довiльно вибраних правих частин f(t, 0) \in (Wn p ) m i q(0) \in \BbbC rm. 3. Основнi результати. Сформулюємо основнi результати статтi у виглядi теорем 1 i 2. Доведення цих теорем наведено в пп. 4, 5. Розглянемо: граничнi умови при \varepsilon \rightarrow 0+: (I) Ar - j(\cdot , \varepsilon ) \rightarrow Ar - j(\cdot , 0) у (Wn p ) m\times m для кожного j \in \{ 1, . . . , r\} ; (II) B(\varepsilon )y \rightarrow B(0)y у \BbbC rm для кожного y \in (Wn+r p )m, припущення при \varepsilon \rightarrow 0+: (\alpha ) tj,k(\varepsilon ) \rightarrow tj для всiх j \in \{ 1, . . . , N\} i k \in \bigl\{ 1, . . . , \omega j(\varepsilon ) \bigr\} ; (\beta ) \sum \omega j(\varepsilon ) k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) \rightarrow \beta (l) j для всiх j \in \{ 1, . . . , N\} i l \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} ; (\gamma ) \sum \omega j(\varepsilon ) k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm| \bigm| tj,k(\varepsilon ) - tj \bigm| \bigm| \rightarrow 0 для всiх j \in \{ 1, . . . , N\} , k \in \{ 1, . . . , \omega j(\varepsilon )\} i l \in \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} ; (\delta ) \sum \omega 0(\varepsilon ) k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \rightarrow 0 для всiх k \in \{ 1, . . . , \omega 0(\varepsilon )\} i l \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} . Зауважимо, що для крайової задачi (4), (5) не припускається, що коефiцiєнти Ar - j(\cdot , \varepsilon ), \beta (l) j,k(\varepsilon ) чи точки tj,k(\varepsilon ) мають певну регулярнiсть за параметром \varepsilon при \varepsilon > 0. Будемо вимагати, щоб для кожного фiксованого j \in \{ 1, . . . , N\} всi точки tj,k(\varepsilon ) мали спiльну границю при \varepsilon \rightarrow 0+, проте для точок нульової серiї t0,k(\varepsilon ) така вимога не висуватиметься. В умовах (\gamma ) та (\delta ) вираз \| \cdot \| є нормою комплексної числової матрицi; ця норма дорiвнює сумi модулiв усiх елементiв матрицi. Припущення (\beta ) i (\gamma ) допускають, що норми коефiцiєнтiв\bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| можуть необмежено зростати при \varepsilon \rightarrow 0+, але не надто швидко. З умови (\delta ) випли- ває, що не потрiбно вимагати збiжностi точок t0,j(\varepsilon ) при \varepsilon \rightarrow 0+ на вiдмiну вiд умови (\alpha ). Сформулюємо граничну теорему для розв’язкiв багатоточкової крайової задачi (4), (5) у випадку p = \infty . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 1018 О. М. АТЛАСЮК Теорема 1. Нехай крайова задача (4), (5) при p = \infty задовольняє припущення (\alpha ), (\beta ), (\gamma ), (\delta ). Тодi вона задовольняє граничну умову (II). Якщо, крiм того, виконано умови (0) i (I), то для достатньо малих \varepsilon її розв’язок iснує, є єдиним i задовольняє граничне спiввiдношення (10). Перейдемо тепер до випадку 1 \leq p < \infty . Для цього розглянемо ще такi припущення при \varepsilon \rightarrow 0+: (\gamma p) \sum \omega j(\varepsilon ) k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (n+r - 1) j,k (\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| | tj,k(\varepsilon ) - tj | 1/p \prime = O(1) для всiх j \in \{ 1, . . . , N\} i k \in \bigl\{ 1, . . . . . . , \omega j(\varepsilon ) \bigr\} , де 1/p+ 1/p\prime = 1; (\gamma \prime ) \sum \omega j(\varepsilon ) k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| | tj,k(\varepsilon ) - tj | \rightarrow 0 для всiх j \in \{ 1, . . . , N\} , k \in \bigl\{ 1, . . . , \omega j(\varepsilon ) \bigr\} i l \in \{ 0, . . . , n+ r - 2\} . Зазначимо, що системи умов (\alpha ), (\beta ), (\gamma ), (\delta ) та (\alpha ), (\beta ), (\gamma p), (\gamma \prime ), (\delta ) не гарантують рiвномiрної збiжностi неперервних операторiв B(\varepsilon ) iз (Wn+r p )m до B(0) в \BbbC rm при \varepsilon \rightarrow 0 + . Тому теорема 1 не випливає iз загальних фактiв теорiї лiнiйних операторiв. Сформулюємо граничну теорему для розв’язкiв багатоточкової крайової задачi (4), (5) у випадку 1 \leq p < \infty . Теорема 2. Нехай крайова задача (4), (5) при 1 \leq p < \infty задовольняє припущення (\alpha ), (\beta ), (\gamma p), (\gamma \prime ), (\delta ). Тодi вона задовольняє граничну умову (II). Якщо, крiм того, виконано умови (0) i (I), то для достатньо малих \varepsilon її розв’язок iснує, є єдиним i задовольняє граничне спiввiдношення (10). Зазначимо, що для диференцiальних рiвнянь першого порядку (випадок r = 1) теореми 1 i 2 доведено у роботi [11]. У загальному ж випадку для диференцiальних рiвнянь довiльного порядку доведення теорем 1 i 2 ґрунтуються на критерiю неперервностi найбiльш загальних крайових задач, сформульованому у роботi [12]. Зауважимо, що в роботах Т. I. Кодлюк i В. А. Михайлеця [5, 6] дослiджено багатоточковi крайовi задачi для систем звичайних диференцiальних рiвнянь першого порядку в просторах Соболєва Wn p , де 1 \leq p < \infty , але в цих роботах точки вiдрiзка [a, b], якi фiгурують у крайовiй умовi, є фiксованими i не залежать вiд параметра. У роботi Є. В. Гнип i Т. I. Кодлюк [7] дослiджено некласичнi багатоточковi крайовi задачi для систем звичайних диференцiальних рiвнянь довiльного порядку в просторах Соболєва Wn+r p , де 1 \leq p < \infty , проте в цiй роботi кiлькiсть точок у кожнiй серiї не залежить вiд параметра \varepsilon . 4. Доведення теореми 1. Запишемо оператор (8) у виглядi скiнченної суми N+1 доданкiв, роздiлених за серiями: B(\varepsilon )y(\cdot , \varepsilon ) = B0(\varepsilon )y(\cdot , \varepsilon ) +B1(\varepsilon )y(\cdot , \varepsilon ) + . . .+BN (\varepsilon )y(\cdot , \varepsilon ), (11) де B0(\varepsilon )y(t0,k(\varepsilon ), \varepsilon ) = \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \beta (l) 0,k(\varepsilon )y (l) \bigl( t0,k(\varepsilon ) \bigr) , B1(\varepsilon )y(t1,k(\varepsilon ), \varepsilon ) = \omega 1(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \beta (l) 1,k(\varepsilon )y (l) \bigl( t1,k(\varepsilon ) \bigr) , (12) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 ГРАНИЧНI ТЕОРЕМИ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗКIВ БАГАТОТОЧКОВИХ КРАЙОВИХ ЗАДАЧ IЗ ПАРАМЕТРОМ . . . 1019 BN (\varepsilon )y(tN,k(\varepsilon ), \varepsilon ) = \omega N (\varepsilon )\sum k=N n+r - 1\sum l=0 \beta (l) N,k(\varepsilon )y (l) \bigl( tN,k(\varepsilon ) \bigr) . Тодi спiввiдношення B0(\varepsilon ) s - \rightarrow 0, (13) Bj(\varepsilon ) s - \rightarrow Bj(0), j \in \{ 1, . . . , N\} , (14) гарантують виконання граничної умови (II). Покажемо спочатку сильну збiжнiсть операторiв B0(\varepsilon ) до нуля, тобто виконання спiввiд- ношення (13). Враховуючи умову (\delta ), отримуємо нерiвнiсть \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)\bigl( t0,k(\varepsilon )\bigr) \bigm\| \bigm\| \leq \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y\bigm\| \bigm\| n+r,\infty \rightarrow 0 для всiх допустимих значень iндексiв k i l. Цi та всi iншi границi у доведеннi розглядаємо за умови, що \varepsilon \rightarrow 0 + . Для довiльної вектор-функцiї y \in (Wn+r \infty )m i достатньо малого значення параметра \varepsilon > 0 маємо \bigm\| \bigm\| \bigm\| Bj(\varepsilon )y - Bj(0)y \bigm\| \bigm\| \bigm\| = \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - n+r - 1\sum l=0 \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)\bigl( t0,k(\varepsilon )\bigr) \bigm\| \bigm\| \bigm\| + + n+r - 1\sum l=0 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| . (15) Дослiдимо другий доданок у правiй частинi формули (15). Для довiльних j \in \{ 1, . . . , N\} та l \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} маємо\bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| = = \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj) + \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) \Bigl( y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \Bigr) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| + \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \left( \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) - \beta (l) j \right) y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| + \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) - \beta (l) j \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \| y\| n+r,\infty . (16) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 1020 О. М. АТЛАСЮК Тодi на пiдставi умови (\beta ) справджується збiжнiсть\bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) - \beta (l) j \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \| y\| n+r,\infty \rightarrow 0. (17) Зауважимо, що у просторi Wn+r \infty для довiльних точок \{ \tau 1, \tau 2\} \subset [a, b] та y \in (Wn+r \infty )m виконується нерiвнiсть \bigm| \bigm| y(n+r - 2)(\tau 1) - y(n+r - 2)(\tau 2) \bigm| \bigm| = \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \tau 2\int \tau 1 y(n+r - 1)(s)ds \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \bigm| \leq \leq \tau 2\int \tau 1 \bigm| \bigm| y(n+r - 1)(s) \bigm| \bigm| ds = | \tau 2 - \tau 1| \mathrm{e}\mathrm{s}\mathrm{s} \mathrm{s}\mathrm{u}\mathrm{p} a\leq \tau 1<\tau 2\leq b \bigm| \bigm| y(n+r - 1) \bigm| \bigm| . (18) Крiм того, похiднi функцiй до порядку n + r - 3 iснують та є лiпшицевими, а похiдна по- рядку n + r - 1 iснує майже скрiзь та є iстотно обмеженою. З наведених мiркувань та з умови (18) випливає, що похiдна (n+ r - 2)-го порядку також є лiпшицевою. Тому має мiсце спiввiдношення \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \rightarrow 0. (19) Справдi, якщо 0 \leq l \leq n+ r - 1, то це є безпосереднiм наслiдком умови (\gamma ) i того факту, що вектор-функцiя y належить простору (Wn+r \infty )m з вiдповiдно визначеною нормою \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| = \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(n+r - 1) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \infty \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm| \bigm| tj,k(\varepsilon ) - tj \bigm| \bigm| \leq \leq \| y\| n+r,\infty \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm| \bigm| tj,k(\varepsilon ) - tj \bigm| \bigm| \rightarrow 0. Iз формул (16), (17), (19) безпосередньо випливає збiжнiсть\bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \rightarrow 0. (20) Збiжнiсть (20) обумовлює виконання умов (14). Тому, враховуючи формули (13) i (14), робимо висновок, що \| B(\varepsilon )y - B(0)y\| \rightarrow 0. Нагадаємо, що вектор-функцiя y \in (Wn+r \infty )m є довiльною. Отже, гранична умова (II) справджується. Перше твердження теореми 1 доведено. Друге твердження випливає з доведеного вище i теореми 1 [12]. 5. Доведення теореми 2. Як i ранiше, будемо вважати, що оператор (8) записано у вигля- дi (11), де скiнченна сума N + 1 доданкiв роздiлена за серiями (12). Згiдно з теоремою Банаха – Штейнгауза достатньо показати, що норма оператора B(\varepsilon ) : (Wn+r p )m \rightarrow \BbbC rm є обмеженою при 0 < \varepsilon \ll 1 i B(\varepsilon )y \rightarrow B(0)y при \varepsilon \rightarrow 0+ для кож- ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 ГРАНИЧНI ТЕОРЕМИ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗКIВ БАГАТОТОЧКОВИХ КРАЙОВИХ ЗАДАЧ IЗ ПАРАМЕТРОМ . . . 1021 ної вектор-функцiї y, яка належить щiльнiй множинi (C\infty )m := C\infty \bigl( [a, b],\BbbC rm \bigr) у просторi (Wn+r p )m. Доведемо спочатку рiвномiрну по \varepsilon обмеженiсть норми оператора B(\varepsilon ) = N\sum j=0 Bj(\varepsilon ). Виберемо довiльну вектор-функцiю y \in (Wn+r p )m i достатньо малий параметр \varepsilon > 0. Згiдно з крайовою умовою (5) виконується нерiвнiсть \bigm\| \bigm\| \bigm\| Bj(\varepsilon )y - Bj(0)y \bigm\| \bigm\| \bigm\| = \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - n+r - 1\sum l=0 \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 n+r - 1\sum l=0 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(t0,k(\varepsilon ))\bigm\| \bigm\| + n+r - 1\sum l=0 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| . (21) Покажемо обмеженiсть норми оператора, що вiдповiдає нульовiй серiї. Використовуючи неперервнiсть вкладення (3), одержуємо нерiвнiсть \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(t0,k(\varepsilon ))\bigm\| \bigm\| \leq c0 \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \| y\| n+r,p (22) для всiх допустимих значень iндексiв l \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} i k \in \bigl\{ 1, . . . , \omega 0(\varepsilon ) \bigr\} , де c0 — норма оператора вкладення (3). Цi та всi iншi границi у доведеннi розглядаємо за умови, що \varepsilon \rightarrow 0+ . Крiм того, для будь-яких l \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} i j \in \{ 1, . . . , N\} маємо\bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| = = \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj,k(\varepsilon )) - \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj) + \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon )y (l)(tj) - \beta (l) j y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) \Bigl( y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \Bigr) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| + \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \left( \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) - \beta (l) j \right) y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| + \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) - \beta (l) j \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \| y\| n+r,p. (23) Тут для l = n+ r - 1 i кожного k \in \bigl\{ 1, . . . , \omega j(\varepsilon ) \bigr\} виконується нерiвнiсть \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (n+r - 1) j,k (\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(n+r - 1)(tj,k(\varepsilon )) - y(n+r - 1)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 1022 О. М. АТЛАСЮК \leq \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (n+r - 1) j,k (\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| c1 \| y\| n+r,p | tj,k(\varepsilon ) - tj | 1/p \prime , (24) де c1 — норма неперервного оператора вкладення простору Соболєва Wn+r p у комплексний простiр Гельдера Cn+r - 1,1/p\prime \bigl( [a, b] \bigr) (див., наприклад, [13], теорема 4.6.1(e)). Якщо 1/p\prime = 0, то останнiй простiр є Cn+r - 1 i нерiвнiсть (24) виконується при c1 := 2c0. Крiм того, для кожного l \in \BbbZ , де 0 \leq l \leq n+ r - 2, за теоремою Лагранжа маємо \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} a\leq t\leq b \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l+1)(t) \bigm\| \bigm\| \bigm\| | tj,k(\varepsilon ) - tj | \leq \leq \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| c0\| y\| n+r,p | tj,k(\varepsilon ) - tj | . (25) Iз нерiвностей (21) – (25) та умов (\beta ), (\gamma p), (\gamma \prime ), (\delta ) випливає, що\bigm\| \bigm\| B(\varepsilon )y - B(0)y \bigm\| \bigm\| \leq c \| y\| n+r,p, де число c > 0 не залежить вiд y \in (Wn+r p )m i достатньо малого \varepsilon > 0. Отже, норма оператора B(\varepsilon ) обмежена при 0 < \varepsilon \ll 1. Обґрунтуємо сильну збiжнiсть оператора B(\varepsilon ) до B(0). Враховуючи умову (\delta ) i нерiв- нiсть (22), отримуємо \omega 0(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) 0,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(t0,k(\varepsilon ))\bigm\| \bigm\| \bigm\| \rightarrow 0. (26) Крiм того, за умовою (\beta ) c0 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \beta (l) j,k(\varepsilon ) - \beta (l) j \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \| y\| n+r,p \rightarrow 0. (27) Якщо y належить (C\infty )m, то \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l)(tj,k(\varepsilon )) - y(l)(tj) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \leq \leq \omega j(\varepsilon )\sum k=1 \bigm\| \bigm\| \bigm\| \beta (l) j,k(\varepsilon ) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \mathrm{m}\mathrm{a}\mathrm{x} a\leq t\leq b \bigm\| \bigm\| \bigm\| y(l+1)(t) \bigm\| \bigm\| \bigm\| \bigm| \bigm| tj,k(\varepsilon ) - tj \bigm| \bigm| \rightarrow 0 (28) для всiх l \in \{ 0, . . . , n+ r - 1\} з урахуванням умов (\alpha ) i (\beta ). Отже, з формул (21), (26) – (28) маємо збiжнiсть B(\varepsilon )y \rightarrow B(0)y в \BbbC rm при \varepsilon \rightarrow 0+ для кожного y \in (C\infty )m. Перше твердження теореми 2 доведено. Друге твердження випливає з доведеного вище i теореми 4.2 [14]. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8 ГРАНИЧНI ТЕОРЕМИ ДЛЯ РОЗВ’ЯЗКIВ БАГАТОТОЧКОВИХ КРАЙОВИХ ЗАДАЧ IЗ ПАРАМЕТРОМ . . . 1023 Лiтература 1. А. М. Самойленко, Об одном случае непрерывной зависимости решений дифференциальных уравнений от параметра, Укр. мат. журн., 14, № 3, 289 – 298 (1962). 2. А. М. Самойленко, Н. И. Ронто, Численно-аналитические методы исследования периодических решений, Вища шк., Киев (1976). 3. И. Т. Кигурадзе, О краевых задачах для линейных дифференциальных систем с сингулярностями, Дифференц. уравнения, 39, № 2, 198 – 209 (2003). 4. В. Д. Пономарев, Необходимые и достаточные условия разрешимости многоточечной краевой задачи для обыкновенных дифференциальных уравнений первого порядка, Дифференц. уравнения, 14, № 5, 929 – 932 (1978). 5. Т. И. Кодлюк, Предельный переход в классе многоточечных краевых задач, Аналiз i застосування: Зб. праць Iн-ту математики НАН України, 9, № 2, 203 – 216 (2012). 6. Т. И. Кодлюк, В. A. Михайлец, Многоточечные краевые задачи с параметром в пространствах Соболева, Доп. НАН України, № 11, 15 – 19 (2012). 7. Є. В. Гнип, Т. I. Кодлюк, Неперервнiсть за параметром розв’язкiв некласичних багатоточкових крайових задач на просторах Соболєва, Диференцiальнi рiвняння i сумiжнi питання аналiзу: Зб. праць Iн-ту математики НАН України, 12, № 2, 101 – 112 (2015). 8. Г. О. Маслюк, Багатоточковi крайовi задачi з параметром для диференцiальних рiвнянь високого порядку на просторах Гельдера, Диференц. рiвняння i сумiжнi питання аналiзу: Зб. праць Iн-ту математики НАН України, 13, № 2, 193 – 203 (2016). 9. Г. О. Маслюк, В. О. Солдатов, Апроксимативнi властивостi багатоточкових крайових задач, тотальних щодо просторiв C(n) , Диференц. рiвняння i сумiжнi питання аналiзу: Зб. праць Iн-ту математики НАН України, 14, № 2, 185 – 197 (2017). 10. О. М. Atlasiuk, V. A. Mikhailets, On the solvability of inhomogeneous boundary-value problems in Sobolev spaces (in Ukrainian), Dopov. Nats. Akad. Nauk Ukr. Mat. Prirodozn. Tekh. Nauki, № 11, 3 – 7 (2019). 11. O. M. Atlasiuk, Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems in Sobolev spaces, J. Math. Sci., 247, № 2, 238 – 247 (2020). 12. О. М. Atlasiuk, V. A. Mikhailets, On Fredholm parameter-dependent boundary-value problems in Sobolev spaces, Dopov. Nats. Akad. Nauk Ukr. Mat. Prirodozn. Tekh. Nauki, № 6, 3 – 6 (2020). 13. Х. Трибель, Теория интерполяции, функциональные пространства, дифференциальные операторы, Мир, Москва (1980). 14. Y. V. Hnyp, V. A. Mikhailets, A. A. Murach, Parameter-dependent one-dimensional boundary-value problems in Sobolev spaces, Electron. J. Different. Equat., № 81, 1 – 13 (2017). Одержано 07.06.20 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2020, т. 72, № 8
id umjimathkievua-article-6158
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
last_indexed 2026-03-24T03:26:16Z
publishDate 2020
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/e7/9b3ba9e2b99dcfdd09717f9353547de7.pdf
spelling umjimathkievua-article-61582020-08-23T08:33:20Z Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces Граничні теореми для розв’язків багатоточкових крайових задач із параметром у просторах Соболєва Atlasiuk , O. M. Атласюк, О. М. багатоточкова крайова задача неперервність за параметром фредгольмовий оператор простір Соболєва multipoint boundary-value problem continuity in parameter Fredholm operator Sobolev space UDC 517.927 We consider the most general class of multipoint boundary-value problems for systems of linear ordinary differential equations of an arbitrary order whose solutions belong to the given Sobolev space $W_p^{n+r},$ with $n\geq 0,$ $r\geq 1,$ and $1\leq p\leq \infty.$&amp;nbsp;&amp;nbsp;We establish constructive sufficient conditions under which the solutions of these problems are continuous with respect to the parameter $\varepsilon$ at $\varepsilon=0$ in the space $W_p^{n+r}.$ УДК 517.927 Розглянуто найбільш загальний клас багатоточкових крайових задач для систем лінійних звичайних диференціальних рівнянь довільного порядку, розв&#039;язки яких належать заданому простору Соболєва $W_p^{n+r}$, де $n\geq 0$, $r\geq 1$ і $1\leq p\leq \infty$. Встановлено конструктивні достатні умови, за яких розв&#039;язки цих задач неперервні за параметром $\varepsilon$ при $\varepsilon=0$ у просторі $W_p^{n+r}$. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2020-08-18 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6158 10.37863/umzh.v72i8.6158 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 72 No. 8 (2020); 1015-1023 Український математичний журнал; Том 72 № 8 (2020); 1015-1023 1027-3190 uk https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6158/8735 Copyright (c) 2020 Олена Миколаївна Атласюк
spellingShingle Atlasiuk , O. M.
Атласюк, О. М.
Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces
title Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces
title_alt Граничні теореми для розв’язків багатоточкових крайових задач із параметром у просторах Соболєва
title_full Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces
title_fullStr Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces
title_full_unstemmed Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces
title_short Limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in Sobolev spaces
title_sort limit theorems for solutions of multipoint boundary-value problems with a parameter in sobolev spaces
topic_facet багатоточкова крайова задача
неперервність за параметром
фредгольмовий оператор
простір Соболєва
multipoint boundary-value problem
continuity in parameter
Fredholm operator
Sobolev space
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/6158
work_keys_str_mv AT atlasiukom limittheoremsforsolutionsofmultipointboundaryvalueproblemswithaparameterinsobolevspaces
AT atlasûkom limittheoremsforsolutionsofmultipointboundaryvalueproblemswithaparameterinsobolevspaces
AT atlasiukom graničníteoremidlârozvâzkívbagatotočkovihkrajovihzadačízparametromuprostorahsobolêva
AT atlasûkom graničníteoremidlârozvâzkívbagatotočkovihkrajovihzadačízparametromuprostorahsobolêva