Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень

У роботi отримано теорему єдиностi для розв’язку рiвняння середнiх значень, а також теорему, що вказує на точнiсть зазначеної теореми єдиностi.

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2012
1. Verfasser: Трофименко, О.Д.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2012
Schriftenreihe:Труды Института прикладной математики и механики
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124092
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень / О.Д. Трофименко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2012. — Т. 24. — С. 234-242. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-124092
record_format dspace
spelling irk-123456789-1240922017-09-20T03:03:42Z Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень Трофименко, О.Д. У роботi отримано теорему єдиностi для розв’язку рiвняння середнiх значень, а також теорему, що вказує на точнiсть зазначеної теореми єдиностi. В работе получена теорема единственности для решения уравнения средних значений, а также теорема, которая указывает на точность указанной теоремы единственности. A uniqueness theorem for solutions of the mean value equations has been obtained. A theorem, which indicates an exactness of this uniqueness theorem, is obtained as well. 2012 Article Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень / О.Д. Трофименко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2012. — Т. 24. — С. 234-242. — Бібліогр.: 5 назв. — укр. 1683-4720 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124092 517.5 uk Труды Института прикладной математики и механики Інститут прикладної математики і механіки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
description У роботi отримано теорему єдиностi для розв’язку рiвняння середнiх значень, а також теорему, що вказує на точнiсть зазначеної теореми єдиностi.
format Article
author Трофименко, О.Д.
spellingShingle Трофименко, О.Д.
Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
Труды Института прикладной математики и механики
author_facet Трофименко, О.Д.
author_sort Трофименко, О.Д.
title Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
title_short Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
title_full Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
title_fullStr Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
title_full_unstemmed Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
title_sort теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
publishDate 2012
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124092
citation_txt Теорема єдиності для розв'язків деяких рівнянь середніх значень / О.Д. Трофименко // Труды Института прикладной математики и механики НАН Украины. — Донецьк: ІПММ НАН України, 2012. — Т. 24. — С. 234-242. — Бібліогр.: 5 назв. — укр.
series Труды Института прикладной математики и механики
work_keys_str_mv AT trofimenkood teoremaêdinostídlârozvâzkívdeâkihrívnânʹseredníhznačenʹ
first_indexed 2025-07-09T00:50:19Z
last_indexed 2025-07-09T00:50:19Z
_version_ 1837128452830920704
fulltext ISSN 1683-4720 Труды ИПММ НАН Украины. 2012. Том 24 УДК 517.5 c©2012. О.Д. Трофименко ТЕОРЕМА ЄДИНОСТI ДЛЯ РОЗВ’ЯЗКIВ ДЕЯКИХ РIВНЯНЬ СЕРЕДНIХ ЗНАЧЕНЬ У роботi отримано теорему єдиностi для розв’язку рiвняння середнiх значень, а також теорему, що вказує на точнiсть зазначеної теореми єдиностi. Ключовi слова: теорема єдиностi, теорема про середнє, сферичнi середнi. 1. Вступ. Одним iз напрямкiв у дослiдженнi класичної теореми про середнє є опис класiв функцiй, якi задовольняють iнтегральним рiвнянням, що мають, у свою чергу, певний геометричний сенс. Результати з цього напрямку можна побачити у роботах М.О. Рiда (див.[1]), В.В. Волчкова (див.[2], [3]), а також у працях [4] та [5]. На шляху з’ясування вигляду функцiї, що є розв’язком наперед заданого рiв- няння, постає питання єдиностi цього розв’язку. У данiй роботi отримано теорему єдиностi (див. Теорема 1) для розв’язку рiв- няння iз середнiм значенням по кругу, до якого входить значення функцiї та деяких її похiдних у центрi заданого круга. Показано, що Теорема 1 є точною (див. Теорема 2). Для формулювання основних результатiв роботи нам знадобляться наступнi по- значення. Нехай BR – вiдкрите коло радiуса R на C з центром у точцi нуль. Для ζ ∈ C позначимо ζ = ξ + iη, де ξ = Reζ та η = Imζ. Також s ∈ Z, m ∈ N та 0 ≤ s ≤ m− 1. Далi введемо для функцiї f ∈ L1,loc(BR) вiдповiдний ряд Фур’є f(z) ∼ ∞∑ k=−∞ fk(ρ)eiϕk, (1) де ρ = |z|, ϕ = arg z та fk(ρ) = 1 2π π∫ −π f(ρeit)e−itkdt. (2) Позначимо E ′rad(R2) множину всiх розподiлiв f в R2 iз компактним носiєм таких, що f(zeiα) = f(z) для кожного α ∈ R1. 2. Формулювання основних результатiв. Теорема єдиностi для функцiй iз вiдповiдною гладкiстю, що задовольняє iнтегральному рiвнянню, має наступний вигляд. Теорема 1. Нехай k ∈ Z, f ∈ C |k|+2(m−1)−s(BR), R > r i f(z) = fk(ρ)eikϕ. Нехай 234 Теорема єдиностi для розв’язкiв деяких рiвнянь середнiх значень також для |z| < R− r функцiя f задовольняє рiвнянню m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n f(z) = 1 2π ∫ ∫ |ζ−z|≤r f(ζ)(ζ − z)sdξdη, (3) та f = 0 в Br. Тодi f ≡ 0 в BR. Наступною теоремою покажемо, що суттєво посилити умови Теореми 1 немож- ливо. Теорема 2. Для будь-якої ε ∈ (0, r) iснує f ∈ C∞(C) iз наступними властиво- стями: 1. функцiя f задовольняє (3) для z ∈ C; 2. f = 0 в Br−ε; 3. f 6≡ 0. 3. Допомiжнi конструкцiї. Для доведення Теореми 1 нам знадобляться на- ступнi леми. Лема 1. Нехай H ∈ Cs[r −R, R− r], H(−x)(−1)s = H(x) та hs(x) = π∫ −π H(x cos t) cos stdt ≡ 0. (4) Тодi H – полiном степеню не вище s− 1 при s ≥ 1 та H ≡ 0 при s = 0. Доведення. При s = 0 замiною iнтегральне рiвняння (4) приводиться до рiвняння Абеля, звiдки H ≡ 0. Далi при s = 1 за допомогою наступної тотожностi h′s(x) + s x hs(x) = π∫ −π H ′(x cos t) cos(s− 1)tdt. отримаємо h′1(x) + 1 x h1(x) = π∫ −π H ′(x cos t)dt = 0, звiдки H – деяка константа. Тепер нехай H = s−1∑ k=0 ckx s i при iндексi s + 1 маємо π∫ −π H ′(x cos t) cos stdt ≡ 0. 235 О.Д. Трофименко Беручи iнтеграл по x вiд обох частин останньої рiвностi, отримаємо, що H = s∑ k=0 ckx s. Отже, за iндукцiєю отримаємо шукане твердження Леми 1. ¤ Лема 2. Нехай r > 0, f ∈ C2m−2−s(BR), R > r. I нехай для даної функцiї на множинi |z| < R − r виконується рiвнiсть (3). Тодi ∀β ∈ [0, 2π] i ∀z ∈ BR−r виконується рiвнiсть m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n f(zeiβ) = = 1 2π ∫ ∫ |ζeiβ−zeiβ |≤r f(ζ) ( (ζ − z)eiβ )s dξdη. Доведення. Зробимо замiну ζ ′ = ζeiβ . Тодi (3) має вигляд m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n f(z) = = 1 2π ∫ ∫ |ζ′e−iβ−z|≤r f(ζ ′e−iβ) ( ζ ′e−iβ − z )s dξdη. Далi, змiнюючи центр на zeiβ , отримаємо m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n f(zeiβ) = = 1 2π ∫ ∫ |ζ′−zeiβ |≤r f(ζ ′e−iβ) ( ζ ′ − zeiβ )s dξdη. Це i є шукана рiвнiсть. ¤ Лема 3. Нехай функцiя f ∈ Cm(BR), i для неї виконується рiвнiсть (3) при |z| < R− r. Тодi ця рiвнiсть виконується для кожного доданку ряду Фур’є (1) цiєї функцiї, i навпаки. Доведення. Необхiднiсть. Помножимо лiву i праву частини рiвностi (3) на e−iβk i проiнтегруємо за β вiд −π до π. Враховуючи Лему 2, маємо m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n π∫ −π ∞∑ k=−∞ fk(ρ)eikϕeiβke−iβkdβ = 236 Теорема єдиностi для розв’язкiв деяких рiвнянь середнiх значень = 1 2π ∫ ∫ |ζ−z|≤r (ζ − z)s π∫ −π ∞∑ k=−∞ fk(ρ̃)eikγeiβke−iβkdβdξdη, де ζ = ρ̃eiγ . Тодi m−1∑ n=s r2n+2 2(n− s)!(n + 1)! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n fk(ρ)eikϕ = 1 2π ∫ ∫ |ζ−z|≤r (ζ − z)sfk(ρ̃)eikγdξdη. Достатнiсть. Нехай λ(β) = 1 2π ∫ ∫ |ζ−z|≤r (ζ − z)sf(ρ̃ cos(γ + β), ρ̃ sin(γ + β))dξdη− − m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n f(ρ cos(ϕ + β), sin(ϕ + β)). Тодi маємо наступне π∫ −π λ(β)e−iβkdβ = 1 2π ∫ ∫ |ζ−z|≤r (ζ − z)s π∫ −π f(ρ̃ cosβ, ρ̃ sinβ)e−iβkdβeikγdξdη− − m−1∑ n=s r2n+2 (2n + 2)(n− s)!n! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n π∫ −π f(ρ cosβ, sinβ)e−iβkdβeikϕ. Отже, рiвнiсть λ(β) = 0 завершує доведення Леми 3. ¤ Лема 4. Нехай f ∈ Cs+1(BR), R > r. Нехай також f – радiальна, задовольняє рiвнянню (3) для |z| < R− r та f = 0 в Br. Тодi f = 0 в BR. Доведення. За наслiдком з [2, ч. 1, гл. 8] iснує така функцiя g ∈ Cs(−R,R), що g = 0 в [−r, r] та f(ρ) = π∫ −π g(ρ cosϕ)dϕ. Тепер достатньо показати, що g ≡ 0 в (−R, R). Нехай Ψ(z, α) = ∫ |ζ|≤r G(ζ + z)Φα(ζ)dξdη, (5) де z ∈ C, α ∈ R1, а також g([ζ]) = G(ζ), ζ ∈ C, де [ζ] = Reζ = ξ та Φα(ζ) = (ζe−iα)s. Далi з (5) маємо Ψ(z, α + η) = ∫ |ζ−z|≤r G(ζ)Φα+η(ζ − z)dξdη = ∫ |ζ−z|≤r G(ζ)Φα(ζ − z)e−iηdξdη. 237 О.Д. Трофименко Нарештi Ψ(z, α + η) = ∫ |ζ−ze−iη|≤r G(ζeiη)Φα(ζ − ze−iη)dξdη, а також Ψ(zeiη, α + η) = ∫ |ζ−z|≤r G(ζeiη)Φα(ζ − z)dξdη. Проiнтегруємо здобутий вираз π∫ −π Ψ(zeiη, α + η)dη = ∫ |ζ−z|≤r π∫ −π G(ζeiη)dηΦα(ζ − z)dξdη. Тодi маємо π∫ −π g([ζeiη])dη = π∫ −π g(ρ cos(ϕ + η))dη = 0 i π∫ −π Ψ(zeiη, α + η)dη = 0, де |z| < R− r, z = ρeiϕ. Тепер позначимо Ψ(z, α) = H([z])e−iαs, тодi π∫ −π H([zeiη])e−i(α+η)sdη = 0. Враховуючи замiну t = ϕ + η, отримаємо π∫ −π H(ρ cos t)e−itsdt = 0, де 0 ≤ ρ < R− r. Тодi маємо, що π∫ −π H(ρ cos t) cos(ts)dt = 0. Отже, H ∈ Cs[r −R, R− r] i за Лемою 1 отримаємо, що H(u) = s−1∑ ν=0 cνu ν . Тодi ( d du )s H(u) ≡ 0, а при умовi, що z = x, маємо ( d dx )s H(x) ≡ 0 i ( d dx )s H(x)e−iαs = ( d dx )s Ψ(x, α) = ∫ |ζ|≤r g(s)([ζ] + x)Φα(ζ)dξdη = 0. 238 Теорема єдиностi для розв’язкiв деяких рiвнянь середнiх значень Звiдси g(s) = 0 при r − R < x < R − r. Тодi, враховуючи умови на функцiю g, отримаємо, що g ≡ 0. ¤ Для доведення Теореми 2 знадобляться наступнi конструкцiї. Нехай T (z) = Js+1(z)− m−1∑ n=s z2n−s+1(−1)n−s−1 (2n + 2)(n− s)!n!22n−s , де Js+1(z) – функцiя Бесселя. Позначимо через ZT – множину всiх нулiв функцiї T (z). З асимптотики функцiй Бесселя маємо, що |Imλ| ≤ b1 ln(|λ|+ 2), (6) де b1 – деяка додатня константа. Нехай також Φλ(z) = Φ0,1 λ,η(z) = ( d dλ )η (Jk(λρ)), де λ ∈ ZT , η = 0, ..., nλ − 1 (nλ – кратнiсть λ). Можна зазначити, що ∃Λ : nλ = 1 при |λ| > Λ. 4. Доведення основних результатiв. Доведемо Теорему 1. Доведення. Достатньо довести, враховуючи Лему 3, що fk(ρ) = 0 для будь-якого k ∈ Z. При k = 0 це випливає з Леми 4. Нехай k > 0. Не обмежуючи загальностi, можна вважати, що теорема є вiрною при iндексах 0, ..., k − 1. З [5] маємо, що ( f ′k(ρ) + k fk(ρ) ρ ) ei(k−1)ϕ задовольняє (3) i дорiвнює нулевi в Br. За нашим припущенням f ′k(ρ) + k fk(ρ) ρ = 0 i fk(ρ) = 0 при ρ ∈ (0, r) (див.(2)). Тодi fk(ρ) = 0 на (0, R). Аналогiчно розглядається випадок k < 0. Таким чином, Теорема 1 доведена. ¤ Тепер доведемо Теорему 2. Доведення. Вiзьмемо радiальну функцiю g1 ∈ C∞(Br). Нехай g1 = 0 в Br−ε+δ, де δ < ε 2 , а також g1 6≡ 0. Маємо наступне (див.[2, наслiдок 3.5.3]) ∣∣∣∂βΦλ(z) ∣∣∣ ≤ b2e |Imλ||z| ≤ b2e |Imλ|(r+α), де α > δ, а b2 – деяка додатня константа. Далi з нерiвностi (6) ∣∣∣∂βΦλ(z) ∣∣∣ ≤ b2e (r+α)c1 ln(|λ|+2) = b2(|λ|+ 2)(r+α)b1 . (7) Згiдно з [3, Лема 3.2.2] iснує hλ,η ∈ E ′rad(Rn): supphλ,η ⊂ Br i 〈h,∆νg1〉 = 0, (8) де ν = 0, ..., N , а N ∈ N. 239 О.Д. Трофименко Позначимо g = ( N+1∑ i=0 γi|z|2i ) g1(|z|), де γi ∈ C i N+1∑ i=0 |γi| 6= 0. Не обмежуючи загальностi, можна вважати, враховуючи (8), що 〈h,∆νg〉 = N+1∑ i=0 γi〈h,∆νgi〉 = 0, для виконання цього маємо γi у кiлькостi N + 2, а рiвнянь – у кiлькостi N + 1. У крузi |z| ≤ r iз [2, доведення Леми 3.2.11] маємо g(z) = ∑ λ∈ZT cλΦλ(z) + p0(|z|), (9) де p0(|z|) – деякий полiном. До того ж, виходячи з нерiвностi (7), маємо cλ = O ( 1 λq0 ) , де q0 > (r + α)c1 + 1 (див. [2], роздiл 3). Тодi ряд у рiвностi (9) збiгається рiвномiрно в |z| ≤ r + α. Також nλ = 1 при |λ| > Λ маємо g(z) = ∑ |λ|>Λ cλΦ0,1 λ,0(z) + G(z), (10) де G(z) = ∑ 0<|λ|<Λ cλΦλ(z) + p0(|z|). Звiдси g ∈ C(Kr+α), де Kr+α = {z ∈ C : r ≤ |z| ≤ r + α}. Нехай також ϕ = ϕ0(|z|), ϕ ∈ C∞(C), i ϕ = 0 поза кругом B δ 2 та ϕ 6≡ 0. Тодi позначаємо g = g ∗ ϕ = ∫ ∫ |z−ω|≤ δ 2 g(ω)ϕ(z − ω)dudv = ∫ ∫ |ω|≤ δ 2 ϕ(ω)g(z − ω)dudv, (11) де ω = u + iv. Тодi з (10), [2, наслiдок 3.5.2], та [2, рiвностi (3.7.8)-(3.7.10)] маємо g = ∑ |λ|>Λ cλϕ̃(λ)Φλ(z) + G ∗ ϕ, де ϕ̃(λ) – сферичне перетворення ϕ та доданок (G ∗ ϕ) ∈ C∞(C). Далi з [2, доведення Леми 3.2.2] отримаємо ϕ̃(z) = 1 (iz)2k ∆̃kϕ(z) для всiх k ∈ N. Тодi, мiркуючи далi, отримаємо ϕ̃(z) = 1 (iz)2k ∫ B δ 2 ( ∆kϕ ) (ω)J0(z|ω|)dudv, 240 Теорема єдиностi для розв’язкiв деяких рiвнянь середнiх значень де |J0(z|ω|)| ≤ e|Imz|ω|| ≤ e|Imz| δ 2 . Це означає, що |ϕ̃(z)| ≤ b2 |z|2k e δ 2 |Imz| де b2 – деяка константа. Нарештi, ϕ̃(λ) ≤ b2 |λ|2k e δ 2 b1(ln |λ|+2), i ряд ∑ λ ∂β (cλϕ̃(λ)Φλ(z)) для будь-якого β ∈ Z2 + збiгається локально рiвномiрно в C. Отже, маємо, що g ∈ C∞(C). Тепер покажемо, що функцiя g задовольняє рiвностi (3). З рiвностi (9) та (11) маємо ∫ ∫ |ω|≤ δ 2 m−1∑ n=s ϕ(ω)r2n+2 2(n− s)!(n + 1)! ( ∂ ∂z )n−s( ∂ ∂z̄ )n   ∑ λ∈ZT cλΦλ(z − ω) + p0(|z − ω|)   dudv = = ∫ ∫ |ω|≤ δ 2 ϕ(ω) 1 2π ∫ ∫ |ζ−z|≤r   ∑ λ∈ZT cλΦλ(ζ − ω) + p0(|ς − ω|)   (ζ − ω − z)sdξdηdudv. Функцiя виду Φλ(z) задовольняє рiвнянню (3) (див. [2], глава 3.2). I полiном p0(|z|) також задовольняє (3) (див.[4, теорема 2]). Таким чином, рiвнiсть (3) виконується для функцiї g. Далi, легко побачити, що при z ∈ Br g = ∫ ∫ |z−ω|≤ δ 2 g(ω)ϕ(z − ω)dudv = 0 в силу умов для g1 та ϕ. Таким чином, g = 0 в Br−ξ. Нарештi, доведемо, що g 6≡ 0 в C. Припустимо, що g ∗ ϕ = g1 ∗ ϕ ≡ 0, де нехай g1 = { g, |z| ≤ r, 0, |z| > r. Переходячи до перетворення Фур’є, отримаємо ĝ1 ∗ ϕ = ĝ1ϕ̂ ≡ 0, де функцiя ĝ1 – неперервна, а ϕ̂ – цiла. Отже, маємо, що ĝ1 ≡ 0 та g1 ≡ 0. Таким чином, отримано протирiччя iз означенням g1. Тодi маємо, що g 6≡ 0. Отже, теорема доведена. ¤ 241 О.Д. Трофименко 1. Maxwell O.Reade A theorem of Fedoroff // Duke Math.J, 18. – 1951. – P. 105-109. 2. Volchkov V.V. Integral Geometry and Convolution Equation. Dordrecht-Boston-London: Kluwer Academic Publishers, 2003. – 454 p. 3. Волчков В.В. Теоремы о среднем для одного класса полиномов // Сибирский математический журнал, 35, № 4. – 1994. – C. 737-745. 4. Трофименко О.Д. Узагальнення теореми про середнє для полiаналiтичних функцiй у випадках кола та круга // Вiсник Донецького Нацiонального Унiверситету, № 1, серiя А. – Донецьк. – 2009. – C. 20-28. 5. Трофименко О.Д. Аналог теореми про середнє для полiномiв спецiального виду // Український математичний журнал, 63. – 2011. – C. 669-707. O.D. Trofymenko Uniqueness theorem for solutions of some mean value equations. A uniqueness theorem for solutions of the mean value equations has been obtained. A theorem, which indicates an exactness of this uniqueness theorem, is obtained as well. Keywords: uniqueness theorem, mean value theorem, spherical averages. О.Д. Трофименко Теорема единственности для решения некоторых уравнений средних значений. В работе получена теорема единственности для решения уравнения средних значений, а также теорема, которая указывает на точность указанной теоремы единственности. Ключевые слова: теорема единственности, теорема о среднем, сферические средние. Донецький нацiональний ун-т odtrofimenko@gmail.com Получено 24.05.12 242