О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары

Рассматривается начально-краевая задача в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары. В случае нерегулярной начальной функции устанавливаются результаты о повышении внутренней гладкости слабых решений в зависимости от скорости убывания начальной функции на бесконечности. Эти результаты используют...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2014
Hauptverfasser: Опритова, М.А., Фаминский, А.В.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут прикладної математики і механіки НАН України 2014
Schriftenreihe:Український математичний вісник
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124464
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:О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары / М.А. Опритова, А.В. Фаминский // Український математичний вісник. — 2014. — Т. 11, № 3. — С. 312-339. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-124464
record_format dspace
spelling irk-123456789-1244642017-09-27T03:02:50Z О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары Опритова, М.А. Фаминский, А.В. Рассматривается начально-краевая задача в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары. В случае нерегулярной начальной функции устанавливаются результаты о повышении внутренней гладкости слабых решений в зависимости от скорости убывания начальной функции на бесконечности. Эти результаты используются для доказательства убывания решений при больших временах. 2014 Article О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары / М.А. Опритова, А.В. Фаминский // Український математичний вісник. — 2014. — Т. 11, № 3. — С. 312-339. — Бібліогр.: 34 назв. — рос. 1810-3200 2010 MSC. 35Q53, 35B40. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124464 ru Український математичний вісник Інститут прикладної математики і механіки НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Рассматривается начально-краевая задача в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары. В случае нерегулярной начальной функции устанавливаются результаты о повышении внутренней гладкости слабых решений в зависимости от скорости убывания начальной функции на бесконечности. Эти результаты используются для доказательства убывания решений при больших временах.
format Article
author Опритова, М.А.
Фаминский, А.В.
spellingShingle Опритова, М.А.
Фаминский, А.В.
О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары
Український математичний вісник
author_facet Опритова, М.А.
Фаминский, А.В.
author_sort Опритова, М.А.
title О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары
title_short О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары
title_full О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары
title_fullStr О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары
title_full_unstemmed О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары
title_sort о начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения кавахары
publisher Інститут прикладної математики і механіки НАН України
publishDate 2014
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/124464
citation_txt О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары / М.А. Опритова, А.В. Фаминский // Український математичний вісник. — 2014. — Т. 11, № 3. — С. 312-339. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.
series Український математичний вісник
work_keys_str_mv AT opritovama onačalʹnokraevojzadačevpolupolosedlâobobŝennogouravneniâkavahary
AT faminskijav onačalʹnokraevojzadačevpolupolosedlâobobŝennogouravneniâkavahary
first_indexed 2025-07-09T01:28:32Z
last_indexed 2025-07-09T01:28:32Z
_version_ 1837130857967517696
fulltext Український математичний вiсник Том 11 (2014), № 3, 312 – 339 О начально-краевой задаче в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары Мария А. Опритова, Андрей В. Фаминский (Представлена А. Е. Шишковым) Аннотация. Рассматривается начально-краевая задача в полу- полосе для обобщенного уравнения Кавахары. В случае нерегуляр- ной начальной функции устанавливаются результаты о повышении внутренней гладкости слабых решений в зависимости от скорости убывания начальной функции на бесконечности. Эти результаты ис- пользуются для доказательства убывания решений при больших вре- менах. 2010 MSC. 35Q53, 35B40. Ключевые слова и фразы. Уравнение Кавахары, начально-крае- вая задача, внутренняя регулярность решений, убывание при боль- ших временах. 1. Введение В настоящей работе рассматривается начально-краевая задача для обобщенного уравнения Кавахары ut − ∂5xu+ b∂3xu+ uux + g1(t, x)ux + g0(t, x)u = f(t, x) (1.1) при t ≥ 0, x ≥ 0 с граничными условиями u ∣∣ t=0 = u0(x), u ∣∣ x=0 = µ(t), ux ∣∣ x=0 = ν(t) (1.2) (b — вещественная константа). Уравнение Кавахары ut − ∂5xu+ b∂3xu+ aux + uux = 0 (1.3) Статья поступила в редакцию 26.02.2014 Работа выполнена в рамках Проекта 333 государственного задания Минобрнауки РФ в сфере научной деятельности ISSN 1810 – 3200. c⃝ Iнститут математики НАН України М. А. Опритова, А. В. Фаминский 313 описывает распространение длинных нелинейных волн в средах со слабой дисперсией (см., например, [1–3]) и является модификацией уравнения Кортевега–де Фриза ut + uxxx + aux + uux = 0 (1.4) на случай дисперсионного соотношения более высокого порядка. Переход от уравнения (1.3) к уравнению (1.1) позволяет учесть до- полнительные эффекты, в частности, связанные с неоднородностью среды. Другой причиной рассмотрения именно уравнения (1.1) явля- ется его инвариантность относительно замены ũ(t, x) ≡ u(t, x)− ψ(t, x) (1.5) для некоторой заданной функции ψ. Действительно для функции ũ уравнение (1.1) переходит в уравнение ũt − ∂5xũ+ b∂3xũ+ ũũx + g̃1(t, x)ũx + g̃0(t, x)ũ = f̃(t, x), (1.6) где g̃1 ≡ g1 + ψ, g̃0 ≡ g0 + ψx, f̃ ≡ f − ψt + ∂5xψ − b∂3xψ − ψψx − g1ψx − g0ψ. (1.7) В свою очередь, преобразование (1.5) является вполне естественным и широко используется, например, для обнуления краевых условий. С точки зрения вопросов разрешимости и корректности для урав- нения Кавахары наиболее изученной является задача Коши (см., на- пример, [4–9]). Для начально-краевой задачи при x ≥ 0 с граничными условиями (1.2) подобные результаты были получены в [10,11,13,16, 17,22]. Начально-краевая задача на ограниченном интервале рассма- тривалась в [11,12,14,15,18–23]. Целью настоящей работы является, во-первых, изучение вопросов повышения внутренней регулярности слабых решений задачи (1.1), (1.2) в зависимости от скорости убывания нерегулярной начальной функции u0 при x → +∞. Получены результаты о существовании как обобщенных, так и непрерывных производных, причем в после- днем случае установлены оценки этих производных в нормах Гель- дера. При этом, рассматриваются решения, построенные ранее в ста- тье [16]. Другой круг вопросов состоит в изучении поведения данных решений при больших временах. Установлены результаты об их эк- споненциальном убывании в нормах L2 при t → +∞. При этом, в доказательстве используются полученные результаты о повышении внутренней гладкости. 314 О начально-краевой задаче в полуполосе... Подчеркнем, что говоря здесь об обобщении уравнении Кавахары, мы не затрагиваем вопрос о повышении степени нелинейности (см., например, [23]). Символы j, k, l,m, n везде в дальнейшем обозначают неотрица- тельные целые числа. Для любых T > 0, δ ∈ (0, T ) и x0 ∈ R или x0 = −∞ положим Πδ,x0T = (δ, T )× (x0,+∞), пусть ΠT = Π0,−∞ T , Π+ T = Π0,0 T . Для p ∈ [1,+∞] положим Lp,x0 = Lp(x0,+∞), Hk x0 = Hk(x0,+∞), W k p,x0 = W k p (x0,+∞); пусть Lp = Lp,−∞, Lp,+ = Lp,0, Hk + = Hk 0 , W k p,+ =W k p,0. Определим специальное весовое пространство. Для α ∈ R и x0 ∈ R положим Lαp,x0 = {f(x) : (1 + x− x0) αf ∈ Lp,x0} и введем на нем естественную норму; пусть Lαp,+ = Lαp,0, пусть Lαp = Lp ∩ Lαp,+. Положим λ(f ;T, δ, x0) = sup m≥0 T∫ δ x0+m+1∫ x0+m f2(t, x) dx dt, пусть λ+(f ;T ) = λ(f ;T, 0, 0). Для α ≥ 0 введем пространство Xα(Πδ,x0T ), состоящее из функций f(t, x) таких, что f ∈ Cw([δ, T ];L α 2,x0), λ(fxx;T, δ, x0) < +∞ и, если α > 0, то дополнительно fxx ∈ L2(δ, T ;L α−1/2 2,x0 ) (символ Cw обозначает пространство слабых отображений) с есте- ственной нормой. Через Ckb (I) для любого интервала I ⊂ R обозначим пространство непрерывных ограниченных на I функций, обладающих на I непре- рывными ограниченными производными до порядка k включительно. Положим Ckb,+ = Ckb (R+). Через Cb(Π δ,x0 T ) обозначим пространство непрерывных ограничен- ных на Π δ,x0 T функций. Дадим определение слабого решения рассматриваемой задачи. Определение 1.1. Функция u(t, x) из пространства L∞(0, T ;L2,+) называется слабым решением задачи (1.1), (1.2), если для любой М. А. Опритова, А. В. Фаминский 315 функции ϕ(t, x) такой, что ϕ ∈ L2(0, T ;H 5 +), ϕt ∈ L2(0, T ;L2,+), ϕ|t=T = 0, ϕ|x=0 = ϕx|x=0 = ϕxx|x=0 = 0, выполняется интеграль- ное тождество∫∫ Π+ T [ u ( ϕt − ∂5xϕ+ b∂3xϕ+ (g1ϕ)x − g0ϕ ) + 1 2 u2ϕx + fϕ ] dx dt + +∞∫ 0 u0(x)ϕ(0, x) dx+ T∫ 0 ( ν(t)∂3xϕ(t, 0)− µ(t)∂4xϕ(t, 0) ) dt = 0. (1.8) В работе [16] был установлен следующий результат. Теорема 1.1. Пусть для некоторых T > 0 и α ≥ 0 g0 ∈ L1(0, T ;L∞,+), g1 ∈ L2(0, T ;W 1 ∞,+), u0 ∈ Lα2,+, f ∈ L1(0, T ;L α 2,+), µ ∈ H2/5(0, T ), ν ∈ H1/5(0, T ). Тогда существует слабое решение задачи (1.1), (1.2) из пространс- тва Xα(Π+ T ). Если α ≥ 3/8, то решение из этого пространства единственно. Следует отметить, что условия гладкости краевых функций µ и ν в данной теореме являются оптимальными в следующем смысле: если v(t, x) — решение задачи Коши для линейного уравнения vt − ∂5xv = 0, v ∣∣ t=0 = v0 ∈ L2, то (см., например, [24]) для любого x ∈ R ∥D2/5 t v(·, x)∥L2(Rt) = ∥D1/5 t vx(·, x)∥L2(Rt) = ∥v0∥L2 . Приведем результат настоящей статьи о повышении гладкости ре- шения вплоть до границы x = 0 при t > 0. Теорема 1.2. Пусть для некоторых T > 0 и α ≥ 1/2 g0 ∈ L2(0, T ;L∞,+), g1 ∈ L2(0, T ;W 1 ∞,+), u0 ∈ Lα2,+, f ∈ L2(0, T ;L α 2,+), µ ∈ H4/5(0, T ), ν ∈ H3/5(0, T ) и пусть для некоторого a0 > 0 и любого δ ∈ (0, T ) g0, g1 ∈ L1(δ, T ;W 2 ∞,a0), fxx ∈ L1(δ, T ;L α−1/2 2,a0 ). Тогда слабое решение задачи (1.1), (1.2) u ∈ Xα(Π+ T ) обладает следу- ющим свойством: uxx ∈ Xα−1/2(Πδ,0T ) для любого δ ∈ (0, T ). 316 О начально-краевой задаче в полуполосе... Следующая теорема относится к повышению гладкости решения при t > 0, x > 0. Теорема 1.3. Пусть выполнены условия теоремы 1.2 для некото- рого α ≥ 3/4 и, дополнительно, существует m ∈ [3, 4α] такое, что для любых δ ∈ (0, T ) и x0 > 0 g0, g1 ∈ L∞(δ, T ;Wm ∞,x0), ∂lxf ∈ L1(δ, T ;L α−l/4 2,x0 ) при 3 ≤ l ≤ m. Тогда слабое решение задачи (1.1), (1.2) u ∈ Xα(Π+ T ) обладает сле- дующим свойством: ∂lxu ∈ Xα−l/4(Πδ,x0T ) при 3 ≤ l ≤ m для любых δ ∈ (0, T ), x0 > 0. В случае задачи Коши результаты аналогичные теоремам 1.2 и 1.3 для самого уравнения Кавахары (1.3) получены в [25]. Ранее при бо- лее сильных предположениях повышение гладкости решения задачи Коши для уравнения Кавахары с ростом убывания начальной фун- кции u0 при x→ +∞ было установлено в [26]. Перейдем к вопросу существования непрерывных производных. Теорема 1.4. Пусть для некоторых T > 0, m, ε ∈ (0, 1) и α = m/4+ 1/8+ ε/4 выполнены условия теоремы 1.1, а если m ≥ 2, то и теоремы 1.2. Пусть известно, что для любых δ ∈ (0, T ), x0 > 0 g0 ∈ L∞(δ, T ;Wmax(0,m−1) ∞,x0 ), g1 ∈ L∞(δ, T ;Wmax(1,m−1) ∞,x0 ), ∂lxf ∈ L∞(δ, T ;L α−l/4 2,x0 ) при l ≤ m. Предположим также, что для некоторой константы a функция g1 представляется в виде g1(t, x) ≡ a+ g̃1(t, x), g̃1 ∈ L∞(δ, T ;Lβ2,x0) ∀δ ∈ (0, T ) ∀x0 > 0, где β = −1/8− ε/4 при α < 1/4, β = −1/4 при α ≥ 1/4. Тогда слабое решение задачи (1.1), (1.2) u ∈ Xα(Π+ T ) непрерывно в Π+ T (возможно, после изменения на множестве нулевой меры) и ∂lxu ∈ Cb(Π δ,x0 T ) при l ≤ m для любых δ ∈ (0, T ), x0 > 0. Более того, для любых t, τ ∈ [δ, T ], x, y ∈ [x0,+∞) ∣∣∂mx u(t, x)− ∂my u(t, y) ∣∣ ≤ c(δ, x0)|x− y|ε (1.9) и при j ≤ 4 если m ≥ j, то∣∣∂m−j x u(t, x)− ∂m−j x u(τ, x) ∣∣ ≤ c(δ, x0)|t− τ |(ε+j)/5. (1.10) М. А. Опритова, А. В. Фаминский 317 В случае задачи Коши аналогичный результат для уравнения Ка- вахары был ранее установлен в [25]. Следует заметить, что для обобщенного уравнения Кортевега– де Фриза в случае начально-краевой задачи в полуполосе Π+ T резуль- таты о повышении внутренней гладкости решений аналогичные тео- ремам 1.2–1.4 были получены в работе [27], а в случае задачи Коши — в работах [28,29]. При рассмотрении вопроса о поведении решений уравнения Ка- вахары при больших временах прежде всего необходимо отметить, что для решений задачи Коши для уравнения (1.3) справедлив закон сохранения в L2: ∥u(t, ·)∥L2 = ∥u0∥L2 , (1.11) что исключает возможность убывания по этой норме. Аналогичный закон сохранения справедлив и для уравнения Кортевега–де Фриза. Чтобы построить убывающие при t→ +∞ решения в уравнение вво- дится дополнительное “демпфирование”. В работе [30] в левую часть уравнения (1.4) было добавлено слагаемое вида g0(x)u, где неотри- цательная функция g0 предполагалась строго положительной только при больших значениях x, то есть демпфирование было эффективно только на бесконечности. В этом случае для решений задачи Коши было получено экспоненциальное убывание в норме L2 при t→ +∞. В случае начально-краевой задачи при x ≥ 0 с однородным крае- вым условием Дирихле для такого же уравнения, как в [30] аналоги- чный результат был ранее установлен в статье [31]. В настоящей работе результат аналогичный [31] получен для рас- сматриваемой задачи. Теорема 1.5. Пусть u0 ∈ L2,+, g0, g1 ∈ L∞(Rt+;W 2 ∞,+), µ = ν ≡ 0, f ≡ 0. Предположим также, что 2g0(t, x)− g1x(t, x) ≥ 0 ∀ t > 0 ∀x > 0, (1.12) существуют R > 0, α0 > 0 такие, что 2g0(t, x)− g1x(t, x) ≥ α0 ∀ t > 0 ∀x > R. (1.13) Тогда существуют положительные константы c и c0, зависящие от ∥u0∥L2,+ , ∥g0∥L∞(Rt +;W 2 ∞,+), ∥g1∥L∞(Rt +;W 2 ∞,+) такие, что для сла- бого решения задачи (1.1), (1.2) u ∈ Xα(Π+ T ) ∀T > 0, построенного в теореме 1.1, справедливо неравенство ∥u(t, ·)∥L2,+ ≤ ce−c0t ∀ t ≥ 0. (1.14) 318 О начально-краевой задаче в полуполосе... Для α ≥ 0 введем вспомогательную функцию ρα: ρα(x) ≡ (1 + x)2αe x 1+x . (1.15) Заметим, что 0 < ρ′α(x) ≤ cρα(x), |ρ(l)α (x)| ≤ c(l)ρ′α(x) ∀ l ≥ 2 для любого x ≥ 0. Через η(x) обозначим некоторую неубывающую бесконечно глад- кую функцию такую, что η(x) = 0 при x ≤ 0, η(x) = 1 при x ≥ 1, η(x) + η(1− x) ≡ 1. Будем использовать следующее интерполяционное неравенство. Пусть ψ1(x), ψ2(x) — две положительные бесконечно гладкие при x ≥ 0 функции такие, что ψ1(x) ≤ cψ2(x), |ψ(l) j (x)| ≤ c(l)ψj(x) ∀ l, j = 1 и 2, для любого x ≥ 0. Пусть k – натуральное, p ∈ [2,+∞], 0 ≤ m < k. Тогда существует такая константа c = c(k, p), что для любой функции v(x), для которой v(k)ψ1/2 1 , vψ 1/2 2 ∈ L2,+, справедливо неравенство∥∥v(m)ψs1ψ 1/2−s 2 ∥∥ Lp,+ ≤ c ∥∥v(k)ψ1/2 1 ∥∥2s L2,+ ∥∥vψ1/2 2 ∥∥1−2s L2,+ + ∥∥vψ1/2 2 ∥∥ L2,+ , (1.16) где s = 2m+1 4k − 1 2kp . Для функций, заданных на всей прямой неравенство (1.16) было доказано в [5] (на самом деле там был рассмотрен многомерный слу- чай). На полуоси для значений k = 1 и k = 2 оно было выведено в [10]. В общем случае доказательство полностью аналогично. Заметим, что условия на функции ψj выполнены для ψ1 ≡ ρ′α, ψ2 ≡ ρα. В частности, тогда из неравенства (1.16) следует, что при α ≥ 0, a > 0, m ≤ 1 sup x∈[0,a] ∣∣v(m)(x) ∣∣ ≤ c ∥∥v′′(ρ′α)1/2∥∥(2m+1)/4 L2,+ ∥∥vρ1/2α ∥∥(3−2m)/4 L2,+ + ∥∥vρ1/2α ∥∥ L2,+ . (1.17) В случае интегрирования по полуоси R+ пределы интегрирования будем опускать. Символом χI будем обозначать характеристическую функцию интервала I ⊂ R. Положим x+ = max(x, 0), x− = max(−x, 0). Статья организована следующим образом. Вопросы существова- ния обобщенных производных рассмотрены в части 2, а непрерывных производных — в части 3. Убывание решений при больших временах изучается в части 4. 2. Обобщенные производные Для доказательства теорем 1.2 и 1.3 в следующих двух леммах установим оценки решения задачи (1.1), (1.2) при однородных крае- М. А. Опритова, А. В. Фаминский 319 вых условиях и гладких функциях f , u0, g0, g1, но зависящие только от норм этих функций, входящих в условия теорем. Пусть Sexp,+ — пространство бесконечно гладких при x ≥ 0 фун- кций f(x) таких, что enxf (j)(x) ∈ L2,+ для любых n и j. Тогда если u0 ∈ C∞ 0 (R+), f ∈ C∞ 0 (ΠT ), µ = ν ≡ 0, g0, g1 ∈ C∞ b (Π + T ) (пространс- тво бесконечно гладких и ограниченных вместе с производными фун- кций), то как показано в [10], существует решение задачи (1.1), (1.2) из пространства C∞([0, T ];Sexp,+). Лемма 2.1. Пусть α ≥ 1/2, µ = ν ≡ 0. Тогда для любых δ ∈ (0, T ), δ′ ∈ (0, δ) ∥uxx∥Xα−1/2(Πδ,0 T ) ≤ c, (2.1) где константа c зависит от T , δ, δ′, α, a0, b, нормы u0 в Lα2,+, норм f в L2(0, T ;L α 2,+) и fxx в L1(δ ′, T ;L α−1/2 2,a0 ), нормы g0 в L2(0, T ;L∞,+), нормы g1 в L2(0, T ;W 1 ∞,+) и норм g0, g1 в L1(δ ′, T ;W 2 ∞,a0). Доказательство. Прежде всего заметим, что, как показано в [16], ∥u∥Xα(Π+ T ) ≤ c, (2.2) где константа c зависит от тех же констант (кроме a0 и δ′) и норм функций u0, f , g0, g1 в пространствах из условия теоремы 1.1. Положим ρ(x) ≡ ρα−1/2(x), φ(t) ≡ η ( (t−δ′)/(δ−δ′) ) (тогда φ(t) = 0 при t ≤ δ′, φ(t) = 1 при t ≥ δ). Умножим равенство (1.1) на 2 ( uxx(t, x)ρ(x) ) xx φ(t) и проинтегри- руем по R+, тогда d dt ∫ u2xxρφ dx− ∫ u2xxρφ ′ dx+ 5 ∫ u2xxxxρ ′φdx + ∫ u2xxx · (3bρ′ − 5ρ′′′)φdx+ ∫ u2xx · (ρ(5) − bρ′′′)φdx + ( u2xxxxρ+ 4uxxxxuxxxρ ′ − 3u2xxxρ ′′ + 2uxxxxuxxρ ′′ − 2uxxxuxxρ ′′′ + u2xxρ (4) − bu2xxxρ− bu2xxρ ′′)∣∣ x=0 φ+ 2 ∫ (g1ux + g0u)(uxxρ)xxφdx + 2 ∫ uux(uxxρ)xxφdx = 2 ∫ f(uxxρ)xxφdx. (2.3) Второй интеграл в левой части (2.3) оценивается в силу (2.2), для оценки внеинтегральных слагаемых можно использовать неравенство (1.17) (для v ≡ uxx и, например, a = 1). Далее, с использованием 320 О начально-краевой задаче в полуполосе... неравенства (1.16) и свойств функции ρ (в частности, ρ′(x) ≥ const > 0 при x ∈ [0, a0]) находим, что 2 ∫ g1ux(uxxρ)xxφdx = 2 ∫ g1ux(uxxρ)xxη(a0 + 1− x)φdx + 2 ∫ ( g1η(x− a0) ) xx uxuxxρφ dx+ 3 ∫ ( g1η(x− a0) ) x u2xxρφ dx − ∫ g1η(x− a0)u 2 xxρ ′φdx ≥ −c ( a0+1∫ 0 (u2xxxx + u2xx)φdx )1/2 sup x≥0 |g1| ( a0+1∫ 0 (u2xx + u2)φdx )1/2 − c sup x≥a0 ( |g1|+ |g1x|+ |g1xx| ) +∞∫ a0 (u2xx + u2)ρφ dx ≥ −ε ∫ u2xxxxρ ′φdx− c(ε) ( ∥g1∥2L∞,+ + ∥g1∥W 2 ∞,a0 ) ∫ (u2xx + u2)ρφ dx, (2.4) где ε > 0 может быть выбрано сколь угодно малым. Интегралы от функций g0(uxxρ)xxφ и f(uxxρ)xxφ оцениваются аналогично. Далее, 2 ∫ uux(uxxρ)xxφdx = 5 ∫ uxu 2 xxρφ dx− ∫ uu2xxρ ′φdx. (2.5) Используя неравенство (1.16) при p = +∞, k = 2, m = 1 и уже известную оценку (2.2) находим, что∣∣∣∫ uxu 2 xxρφ dx ∣∣∣ ≤ sup x≥0 |ux| ∫ u2xxρφ dx ≤ c (∫ u2xx dx )3/8(∫ u2 dx )1/8 ∫ u2xxρφ dx = γ(t) ∫ u2xxρφ dx, (2.6) где ∥γ∥L1(0,T ) ≤ c. Аналогично оценивается интеграл от функции uu2xxρ ′φ. Таким образом, из неравенства (2.3) следует, что ∥uxxφ1/2∥ L∞(0,T ;L α−1/2 2,+ ) + ∥uxxxx(ρ′)1/2φ1/2∥L2(Π + T ) ≤ c. (2.7) В частности, ∥uxxxxφ1/2∥ L2 ( (0,T )×(0,a0+3) ) ≤ c (2.8) М. А. Опритова, А. В. Фаминский 321 и, если α > 1/2, то поскольку ρ′α−1/2 ∼ ρα−1 ∥uxxxxφ1/2∥L2(0,T ;L α−1 2,+ ) ≤ c. (2.9) Осталось оценить величину λ(uxxxx;T, δ, 0). Для любого m ≥ a0+ 2 положим ρ(x) ≡ ρ0(x − m) при x > m − 1 и ρ(x) ≡ 0 при x ≤ m − 1 (заметим, что ρ — бесконечно гладкая функция). Тогда из соответствующих аналогов равенств (2.3) и (2.5) находим, что d dt ∫ u2xxρφ dx− ∫ u2xxρφ ′ dx+ 5 ∫ u2xxxxρ ′φdx + ∫ uxxxxuxx · (5ρ′′′ − 3bρ′)φdx+ 1 2 ∫ u2xx · (bρ′′′ − 3ρ(5))φdx + ∫ (3g1xρ− g1ρ ′)u2xxφdx+ 2 ∫ g1xxuxuxxρφ dx + 2 ∫ (g0u)xxuxxρφ dx+ 5 ∫ uxu 2 xxρφ dx− ∫ uu2xxρ ′φdx = 2 ∫ fxxuxxρφ dx. (2.10) Поскольку |ρ′′′(x)| ≤ c(ρ′(x))1/2 (проверяется непосредственно), то для сколь угодно малого ε > 0∣∣∣∫ uxxxxuxxρ ′′′φdx ∣∣∣ ≤ ε ∫ u2xxxxρ ′φdx+ c(ε) ∫ u2xxφdx (2.11) и тогда с учетом оценок (2.2) и (2.7) при α = 1/2 аналогично (2.8) находим, что равномерно по m ∥uxxxxφ1/2∥ L2 ( (0,T )×(m,m+1) ) ≤ c. (2.12) Лемма доказана. Лемма 2.2. Пусть α ≥ 3/4, 3 ≤ m ≤ 4α. Тогда для любых δ ∈ (0, T ), δ′ ∈ (0, δ), x0 > 0, x′0 ∈ (0, x0) если 3 ≤ l ≤ m, то ∥∂lxu∥Xα−l/4(Π δ,x0 T ) ≤ c, (2.13) где константа c зависит от тех же величин, что в (2.1), а также m, x0, x′0, норм ∂lxf в L1(δ ′, T ;L α−l/4 2,x′0 ) при l ≤ m и норм g0, g1 в L∞(δ′, T ;Wm ∞,x′0 ). 322 О начально-краевой задаче в полуполосе... Доказательство. Вначале заметим, что оценки (2.1), (2.2) справе- дливы и в данном случае. Кроме того, поскольку α > 1/2, то из интерполяционного неравенства (1.16) следует, что ∥ux∥Xα−1/4(Πδ,0 T ) ≤ c. (2.14) Применим индукцию по l. Пусть δ1 ∈ (δ′, δ), x1 ∈ (x′0, x0). Поло- жим φ(t) ≡ η ( (t − δ1)/(δ − δ1) ) , ρ(x) ≡ ρα−l/4(x − x1 − 1) при x > x1 и ρ(x) ≡ 0 при x ≤ x1. Умножив равенство (1.1) на 2(−1)l∂lx ( ∂lxu(t, x)ρ(x) ) φ(t) и проин- тегрировав по R+ получим аналогично (2.10), что d dt ∫ (∂lxu) 2ρφ dx− ∫ (∂lxu) 2ρφ′ dx+ 5 ∫ (∂l+2 x u)2ρ′φdx + ∫ ∂l+2 x u∂lxu · (5ρ′′′ − 3bρ′)φdx+ 1 2 ∫ (∂lxu) 2 · (bρ′′′ − 3ρ(5))φdx + 2 ∫ ∂lx(g1ux + g0u+ uux)∂ l xuρφdx = 2 ∫ ∂lxf∂ l xuρφdx. (2.15) Вместо (2.11) используем неравенство∣∣∣∫ ∂l+2 x u∂lxuρ ′′′φdx ∣∣∣ ≤ ε ∫ (∂l+2 x u)2ρ′φdx + c(ε) ∫ (∂lxu) 2ρ(x+ x1 − x′0)χ(x1,+∞)φdx. Далее, 2 ∫ ∂lx(g1ux)∂ l xuρφdx = ∫ [(2l − 1)g1xρ− g1ρ ′](∂lxu) 2φdx + 2 l∑ k=2 Ckl ∫ ∂kxg1∂ l−k+1 x u∂lxuρφdx и тогда∣∣∣2∫ ∂lx(g1ux)∂ l xuρφdx ∣∣∣ ≤ c∥g1∥W l ∞,x1 l∑ k=0 ∫ (∂kxu) 2ρ(x+ x1 − x′0)χ(x1,+∞)φdx. Аналогично оценивается интеграл от ∂lx(g0u)∂lxuρφ. Наконец, ∂lx(uux) = u∂l+1 x u+ (l + 1)ux∂ l xu+ l−1∑ k=2 Ckl ∂ k xu∂ l+1−k x u, М. А. Опритова, А. В. Фаминский 323 где 2 ∫ u∂lxu∂ l+1 x uρφdx = − ∫ (uxρ+ uρ′)(∂lxu) 2φdx и тогда∣∣∣∫ (u∂l+1 x u+ (l + 1)ux∂ l xu ) ∂lxuρφdx ∣∣∣ ≤ c sup x≥0 ( |ux|+ |u| ) ∫ (∂lxu) 2ρ(x+ x1 − x′0)χ(x1,+∞)φdx ≡ γ(t), где ∥γ∥L1(0,T ) ≤ c. Кроме того, если 2 ≤ k ≤ l−1, то в силу индуктив- ного предположения и интерполяционного неравенства (1.16) ∣∣∣∫ ∂kxu∂ l+1−k x u∂lxuρφdx ∣∣∣ ≤ c l−1∑ k=2 (∫ (∂kxu) 4ρ2(x+x1−x′0)χ(x1,+∞)φdx )1/2(∫ (∂lxu) 2ρφ dx )1/2 ≤ c1 l∑ k=0 ∫ (∂kxu) 2ρ(x+ x1 − x′0)χ(x1,+∞)φ 1/2 dx [ ∫ (∂lxu) 2ρφ dx+ 1 ] ≡ γ(t) [ ∫ (∂lxu) 2ρφ dx+ 1 ] , где ∥γ∥L1(0,T ) ≤ c. Таким образом, аналогично (2.7) из (2.15) следует, что ∥∂lxuφ1/2∥ L∞(0,T ;L α−l/4 2,+ ) + ∥∂l+2 x u(ρ′)1/2φ1/2∥L2(Π + T ) ≤ c. (2.16) Далее, повторив проведенные рассуждения для ρ(x) ≡ ρ0(x−x1−1− m) при x > x1 +m и ρ(x) ≡ 0 при x ≤ x1 +m находим, что λ(∂l+2 x u;T, δ, x0) ≤ c. (2.17) Объединяя (2.16) и (2.17) завершаем доказательство леммы. Перейдем к доказательству основных результатов этой части. Доказательство теорем 1.2 и 1.3. Обнулим краевые условия таким же способом, что и в работе [16]. Для этого рассмотрим алгебраиче- ское уравнение r5 − br3 − iλ = 0, λ ∈ R \ {0}. 324 О начально-краевой задаче в полуполосе... Нетрудно видеть, что существует λ0(b) > 0 (без ограничения общно- сти будем считать далее, что λ0 ≥ 1) такое, что при |λ| ≥ λ0 су- ществуют два корня этого уравнения r0(λ) и r1(λ) такие, что они непрерывны по λ и для некоторых положительных констант c̃ и c̃1 при k = 0 и 1 Re rk(λ) ≤ −c̃|λ|1/5, |rk(λ)| ≤ c̃1|λ|1/5, |r0(λ)− r1(λ)| ≥ c̃|λ|1/5. Разобьем функции µ и ν на две части следующим способом: положим µ0(t) ≡ F−1 [ µ̂(λ)χ(−λ0,λ0)(λ) ] (t), ν0(t) ≡ F−1 [ ν̂(λ)χ(−λ0,λ0)(λ) ] (t) (здесь и далее символы f̂ ≡ F [f ] и F−1[f ] используются, соответ- ственно, для обозначения прямого и обратного преобразований Фу- рье), µ1(t) ≡ µ(t)− µ0(t), ν1(t) ≡ ν(t)− ν0(t). Для функций µ1 и ν1 при x > 0 построим "граничный потенциал”: J(t, x;µ1, ν1) ≡ F−1 t [r1(λ)er0(λ)x − r0(λ)e r1(λ)x r1(λ)− r0(λ) µ̂1(λ) ] (t) + F−1 t [er1(λ)x − er0(λ)x r1(λ)− r0(λ) ν̂1(λ) ] (t). Свойства этой функции были изучены в [16]. В частности, если µ1 ∈ H4/5(R), ν1 ∈ H3/5(R), то J ∈ Cb(Rt;H2 +) ∩ L2(Rt;C3 b,+) ∂jxJ ∈ Cb(R x +;L2(Rt)) при j ≤ 4 (символ Cb обозначает пространство непрерывных и ограниченных отображений). Кроме того, функция J бесконечно гладкая при x > 0 и экспоненциально быстро убывает при x → +∞, а именно, для некоторой константы α0 > 0 при любых α ∈ [0, α0), x0 > 0 и m, j sup x≥x0,t∈R eαx|∂mt ∂jxJ(t, x)| ≤ c(α, x0,m, j). Наконец, функция J при x > 0 удовлетворяет однородному линейно- му уравнению Jt − ∂5xJ + b∂3xJ = 0 и J(·, 0 + 0) ≡ µ1, Jx(·, 0 + 0) ≡ ν1. Теперь построим вспомогательную функцию ψ следующим обра- зом: ψ(t, x) ≡ µ0(t)η(1− x) + ν0(t)xη(1− x) + J(t, x;µ1, ν1), М. А. Опритова, А. В. Фаминский 325 сделаем замену (1.5) и для функции ũ перейдем к начально-краевой задаче для уравнения (1.6) с граничными данными ũ ∣∣ t=0 = ũ0(x) ≡ u0(x)− ψ(0, x), ũ ∣∣ x=0 = ũx ∣∣ x=0 = 0. В силу приведенных свойств граничного потенциала функции g̃0, g̃1, f̃ , заданные формулами (1.7), и функция ũ0 обладают теми же свой- ствами, что и функции g0, g1, f и u0 из условий рассматриваемых те- орем. Более того, если свойства решений, сформулированные в этих теоремах, доказать для функции ũ, то они также будут выполнены и для функции u. Таким образом, далее доказательство можно проводить для за- дачи (1.1), (1.2) при µ = ν ≡ 0. Приблизим функции u0, f , g0, g1 функциями u0h ∈ C∞ 0 (R+), fh ∈ C∞ 0 (Π+ T ), g0h, g1h ∈ C∞ b (Π + T ) и для соответствующих гладких решений uh получим равномерные по h оценки (2.1) и (2.13). В статье [16] показано, что при h→ +0 эти ре- шения сходятся в соответствующем смысле к слабому решению исхо- дной задачи u ∈ Xα(Π+ T ). Тогда предельным переходом получаем утверждения рассматриваемых теорем. 3. Непрерывные производные Фундаментальное решение оператора ∂t − ∂5x + b∂3x + a∂x (где a — число из условия теоремы 1.4), очевидно, задается формулой Ga,b(t, x) = θ(t)F−1 [ eit(ξ 5+bξ3−aξ)](x), (3.1) где θ — функция Хевисайда (см., например, [32, стр. 200–201]). Лемма 3.1. Функция Ga,b бесконечно дифференцируема при t > 0 и для любых T > 0 и n при 0 < t ≤ T удовлетворяет неравенствам |∂nxGa,b(t, x)| ≤ { c(T, a, b, n)t−q(n)(1 + |x|)n/4−3/8, x < 0, c(T, a, b, n)t−(n+1)/5e−c0x 5/4t−1/4 , x ≥ 0, (3.2) где q(n) = (n+1)/5 при n = 0 или n = 1 и q(n) = n/4+1/8 при n ≥ 2, c(T, a, b, n), c0 — положительные константы. Доказательство. Поскольку Ga,b(t, x) = G0,b(t, x− at), то утвержде- ние леммы вытекает из [25, следствие 2.1], где оно было доказано для случая a = 0. 326 О начально-краевой задаче в полуполосе... Лемма 3.2. Пусть функция F1 ∈ L∞(0, T ;Lα2 ) , где α = n/4+ 1/8+ ε/4 для некоторых T > 0, n ∈ [0, 2] и ε ∈ (0, 1). Положим w1(t, x) ≡ t∫ 0 ∫ R ∂nxGa,b(t− τ, x− y)F1(τ, y) dy dτ. (3.3) Тогда w1 ∈ Cb(Π + T ), причем sup t∈[0,T ], x≥0 |w1(t, x)|+ sup t∈[0,T ], x1>x2≥0 |w1(t, x1)− w1(t, x2)| (x1 − x2)ε ≤ c∥F1∥L∞(0,T ;Lα 2 ) , (3.4) где c = c(T, a, b, n, ε). Доказательство. Для x ≥ 0 и t ∈ [0, T ] в силу (3.2) |w1(t, x)| ≤ c t∫ 0 1 (t− τ)q(n) +∞∫ x (y − x+ 1)n/4−3/8|F1(τ, y)| dy dτ + c t∫ 0 1 (t− τ)(n+1)/5 x∫ −∞ e−c0(x−y) 5/4(t−τ)−1/4 |F1(τ, y)| dy dτ ≤ c1 sup 0≤τ≤t [( +∞∫ x (y − x+ 1)2αF 2 1 (τ, y) dy )1/2 + x∫ −∞ F 2 1 (τ, y) dy ] ≤ c2∥F1∥L∞(0,T ;Lα 2 ) . Более того, если ∆x ∈ (0, 1), то для r > 0 поскольку q(n), q(n+1) < 1 ∣∣∣∣∣ t∫ 0 +∞∫ x+r ∂nxGa,b(t− τ, x+ θ∆x− y) ∣∣∣θ=1 θ=0 F1(τ, y) dy dτ ∣∣∣∣∣ ≤ c t∫ 0 1 (t− τ)q(n) +∞∫ x+r (y − x+ 1)n/4−3/8|F1(τ, y)| dy dτ ≤ c1(r + 1)n/4+1/8−α∥F1∥L∞(0,T :Lα 2 ) , М. А. Опритова, А. В. Фаминский 327 ∣∣∣∣∣ t∫ 0 x+r∫ −∞ ∂nxGa,b(t− τ, x+ θ∆x− y) ∣∣∣θ=1 θ=0 F1(τ, y) dy dτ ∣∣∣∣∣ = ∆x ∣∣∣∣∣ 1∫ 0 t∫ 0 x+r∫ −∞ ∂n+1 x Ga,b(t− τ, x+ θ∆x− y)F1(τ, y) dy dτ dθ ∣∣∣∣∣ ≤ c∆x t∫ 0 1 (t− τ)q(n+1) x+r∫ x (y − x+ 1)n/4−1/8|F1(τ, y)| dy dτ + 1 (t− τ)(n+2)/5 x∫ −∞ e−c0(x−y) 5/4(t−τ)−1/4 |F1(τ, y)| dy dτ ≤ c1∆x(r + 1)n/4+3/8−α∥F1∥L∞(0,T ;Lα 2 ) и выбирая (r + 1) = (∆x)−4 завершаем доказательство леммы. Лемма 3.3. Пусть функция F2 ∈ L∞(0, T ;Lα0 1 ), где α0 = (n/4 − 1/8 + ε/4)+ для некоторых T > 0, n ∈ [0, 1] и ε ∈ (0, 1). Положим w2(t, x) ≡ t∫ 0 ∫ R ∂n+1 x Ga,b(t− τ, x− y)F2(τ, y) dy dτ. (3.5) Тогда w2 ∈ Cb(Π + T ), причем sup t∈[0,T ], x≥0 |w2(t, x)|+ sup t∈[0,T ], x1>x2≥0 |w2(t, x1)− w2(t, x2)| (x1 − x2)ε ≤ c∥F2∥L∞(0,T ;L α0 1 ), (3.6) где c = c(T, a, b, n, ε). Доказательство. Для x ≥ 0 и t ∈ [0, T ] в силу (3.2) |w2(t, x)| ≤ c t∫ 0 1 (t− τ)q(n+1) +∞∫ x (y − x+ 1)n/4−1/8|F2(τ, y)| dy dτ + c t∫ 0 1 (t− τ)(n+2)/5 x∫ −∞ e−c0(x−y) 5/4(t−τ)−1/4 |F2(τ, y)| dy dτ ≤ c2∥F2∥L∞(0,T ;L α0 1 ), 328 О начально-краевой задаче в полуполосе... а для ∆x ∈ (0, 1) и r > 0 поскольку q(n+ 1), q(n+ 2) < 1 ∣∣∣∣∣ t∫ 0 +∞∫ x+r ∂n+1 x Ga,b(t− τ, x+ θ∆x− y) ∣∣∣θ=1 θ=0 F2(τ, y) dy dτ ∣∣∣∣∣ ≤ c t∫ 0 1 (t− τ)q(n+1) +∞∫ x+r (y − x+ 1)n/4−1/8|F2(τ, y)| dy dτ ≤ c1(r + 1)−ε/4∥F2∥L∞(0,T :L α0 1 ), ∣∣∣∣∣ t∫ 0 x+r∫ −∞ ∂n+1 x Ga,b(t− τ, x+ θ∆x− y) ∣∣∣θ=1 θ=0 F2(τ, y) dy dτ ∣∣∣∣∣ = ∆x ∣∣∣∣∣ 1∫ 0 t∫ 0 x+r∫ −∞ ∂n+2 x Ga,b(t− τ, x+ θ∆x− y)F2(τ, y) dy dτ dθ ∣∣∣∣∣ ≤ c∆x t∫ 0 1 (t− τ)q(n+2) x+r∫ x (y − x+ 1)n/4+1/8|F2(τ, y)| dy dτ + 1 (t− τ)(n+3)/5 x∫ −∞ e−c0(x−y) 5/4(t−τ)−1/4 |F2(τ, y)| dy dτ ≤ c1∆x(r + 1)(1−ε)/4∥F2∥L∞(0,T ;L α0 1 ) и опять для завершения доказательства выбираем (r + 1) = (∆x)−4. Лемма 3.4. Пусть для некоторых T > 0 и x0 > 0 функция F3 ∈ L1(ΠT ), причем F3 = 0 при x ≥ x0/2. Положим для любого n при x ≥ x0 w3(t, x) ≡ t∫ 0 ∫ R ∂nxGa,b(t− τ, x− y)F3(τ, y) dy dτ. (3.7) Тогда ∂lxw3 ∈ Cb(Π 0,x0 T ) для любого l, причем sup t∈[0,T ], x≥x0 |∂lxw3(t, x)| ≤ c(T, x0, a, b, n, l)∥F3∥L1(ΠT ). (3.8) М. А. Опритова, А. В. Фаминский 329 Доказательство. Поскольку в формуле (3.7) интегрирование по y фактически производится от −∞ до x0/2, то x− y ≥ x0/2 и тогда ∂lxw3(t, x) ≡ t∫ 0 x0/2∫ −∞ ∂n+lx Ga,b(t− τ, x− y)F3(τ, y) dy dτ, где в силу (3.2) ∣∣∂n+lx Ga,b(t− τ, x− y) ∣∣ ≤ c(T, x0, a, b, n, l). Теперь можно перейти к доказательству основной теоремы. Доказательство теоремы 1.4. Зафиксируем δ ∈ (0, T ) и x0 > 0. По- ложим φ(t) ≡ η(2t/δ − 1), ψ(x) ≡ η(4x/x0 − 1) (тогда φ(t) = 0 при t ≤ δ/2, φ(t) = 1 при t ≥ δ, ψ(x) = 0 при x ≤ x0/4, ψ(x) = 1 при x ≥ x0/2). Пусть вначале m ≤ 1. Положим v(t, x) ≡ u(t, x)φ(t)ψ(x). Тогда согласно равенству (1.8) функция v является в ΠT слабым решением (в смысле аналогичного интегрального тождества) задачи Коши vt − ∂5xv + b∂3xv + avx = F1 + F2x + F31 + F32xx, (3.9) v ∣∣ t=0 = 0, (3.10) где F1 ≡ (f + g1xu− g0u)φψ + uφ′ψ, F2 ≡ −(u2/2 + g̃1u)φψ, F31 ≡ (u2/2 + g1u)φψ ′ − 5uxxφψ ′′′ − 5uxφψ (4) − uφψ(5) + 3buxxφψ ′ + 3buxφψ ′′ + buφψ′′′, F32 ≡ −5uxxφψ ′. С помощью фундаментального решения Ga,b (см. (3.1)) обратим ле- вую часть равенства (3.9): v(t, x) = t∫ 0 ∫ R Ga,b(t− τ, x− y) ( F1(τ, y) + F31(τ, y) ) dy dτ + t∫ 0 ∫ R ∂xGa,b(t− τ, x− y)F2(τ, y) dy dτ + t∫ 0 ∫ R ∂2xGa,b(t− τ, x− y)F32(τ, y) dy dτ (3.11) 330 О начально-краевой задаче в полуполосе... (обоснование формулы (3.11) будет дано ниже). Тогда при t ∈ [δ, T ], x ≥ x0 ∂mx u(t, x) = t∫ 0 ∫ R ∂mx Ga,b(t− τ, x− y)F1(τ, y) dy dτ + t∫ 0 ∫ R ∂m+1 x Ga,b(t− τ, x− y)F2(τ, y) dy dτ + t∫ 0 ∫ R [ ∂mx Ga,b(t−τ, x−y)F31(τ, y)+∂ m+2 x Ga,b(t−τ, x−y)F32(τ, y) ] dy dτ ≡ w1(t, x) + w2(t, x) + w3(t, x). (3.12) Очевидно, что для функций w1 и w3 выполнены условия лемм 3.2 (при n = m) и 3.4 соответственно. Кроме того, для α0 = (α−1/4)+ = (m/4− 1/8 + ε/4)+ ∫ |g̃1u|(1+x)α0ψ dx ≤ ( +∞∫ x0/4 (1+x)2αu2 dx )1/2( +∞∫ x0/4 (1+x)2β g̃21 dx )1/2 (3.13) и, следовательно, g̃1uφψ ∈ L∞(0, T ;Lα0 1 ). Поскольку очевидно, что u2ψ ∈ L∞(0, T ;Lα0 1 ) получаем. что функция w2 удовлетворяет усло- виям леммы 3.3 при n = m. Заметим теперь, что если применить операцию усреднения по пе- ременной x, то соответствующая функция vh(t, x) будет решением задачи типа (3.9), (3.10), где правая часть (3.9) также усреднена. То- гда в силу [25, Лемма 3.2] справедливо равенство vh(t, x) = t∫ 0 ∫ R Ga,b(t− τ, x− y) [ F h1 (τ, y) + F h2x(τ, y) + F h31(τ, y) + F h32xx(τ, y) ] dy dτ, (3.14) поскольку усредненная правая часть (3.9), очевидно, принадлежит L∞(0, T ;L 1/8+ε/4 2 ). Интегрируя по частям перейдем от (3.14) к ана- логу равенства (3.11) для функции vh и, сделав предельный переход при h→ +0, получим (3.11). Пусть теперьm ≥ 2. Положим v(t, x) ≡ ∂m−2 x u(t, x)φ(t)ψ(x). Тогда функция v является в полосе ΠT слабым решением задачи Коши для М. А. Опритова, А. В. Фаминский 331 уравнения vt − ∂5xv + b∂3xv + avx = F1 + F2 + F31 + F32xx (3.15) с начальным условием (3.10), где F1 ≡ ∂m−2 x (f − g0u)φψ − [ ∂m−2 x (g̃1ux)− g̃1∂ m−1 x u ] φψ + ∂m−2 x uφ′ψ, F2 ≡ −∂m−2 x (uux)φψ − g̃1∂ m−1 x uφψ, F31 ≡ −5∂mx uφψ ′′′ − 5∂m−1 x uxφψ (4) − ∂m−2 x uφψ(5) + 3b∂mx uφψ ′ + 3b∂m−1 x uφψ′′ + b∂m−2 x uφψ′′′ + a∂m−2 x uφψ′, F32 ≡ −5∂mx uφψ ′. Тогда аналогично (3.11), (3.12) получаем, что при t ∈ [δ, T ], x ≥ x0 ∂mx u(t, x) = t∫ 0 ∫ R ∂2xGa,b(t− τ, x− y)F1(τ, y) dy dτ + t∫ 0 ∫ R ∂2xGa,b(t− τ, x− y)F2(τ, y) dy dτ + t∫ 0 ∫ R [ ∂2xGa,b(t− τ, x− y)F31(τ, y)+∂ 4 xGa,b(t− τ, x− y)F32(τ, y) ] dy dτ ≡ w1(t, x) + w2(t, x) + w3(t, x). Заметим, что в силу условия теоремы ∂lxu ∈ L∞(δ/2, T ;L α−l/4 2,x0/4 ) при l ≤ m − 1. В частности, g̃1∂m−1 x uφψ ∈ L∞(0, T ;L 1/8+ε/4 1 ) аналоги- чно (3.13). Очевидно, что таким же свойством обладает и функция ∂m−2 x (uux)φψ. Таким образом, для функций wj выполнены условия леммы 3.2 при n = 2, леммы 3.3 при n = 1 и леммы 3.4. В итоге получаем, что ∂mx u ∈ Cb(Π δ,x0 T ) для любого m и справе- дливо неравенство (1.9). Теперь перейдем к оценке модуля непрерывности по t. После то- го, как модуль непрерывности по x уже оценен, можно применить результаты статьи [33], в которой рассмотрены эволюционные урав- нения дивергентного вида. Введем последовательности прямоугольников Qn = [δ, T ]×[x0+n, x0 + n+ 1] и Q′ n = [δ, T ]× [x0/2 + n, 3x0/2 + n+ 1]. 332 О начально-краевой задаче в полуполосе... Чтобы доказать (1.10) используем индукцию по j. Пусть сначала j = 0. В каждом прямоугольнике Q′ n функция v ≡ ∂mx u является обобщенным решением уравнения vt = ∂5x(∂ m x u)− b∂3x(∂ m x u)− ( ∂mx (u2)/2 ) x − ∂m−m0+1 x [ ∂m0 x (g1u) ] + ∂m−m0 x [ ∂m0 x (g1xu− g0u) ] + ∂mx f, где m0 = 0 при m ≤ 1, m0 = m− 2 при m ≥ 2. Тогда функции ∂mx u, ∂mx (u2), ∂m0 x (g1u), ∂m0 x (g1xu − g0u) в норме пространства L∞(Q′ n) и ∂mx f в норме пространства L2(Q ′ n) оцени- ваются равномерно по n. С учетом уже установленной оценки (1.9) из результатов статьи [33, теорема 1] следует, что для любых точек (t, x), (t+ τ, x) ∈ Qn (где τ > 0) |v(t+ τ, x)− v(t, x)| ≤ c inf 0<h<x0/2 (hε + τhε−5 + τ1/2h−1/2), откуда выбирая h = min(τ1/5, x0/2) выводим неравенство (1.10) для j = 0. Пусть теперь j ≥ 1 (тогда m ≥ 1). Функция v ≡ ∂m−j x u является в Q′ n обобщенным решением уравнения vt = ∂5−jx (∂mx u)− b∂(3−j)+x (∂m−(3−j)− x u)− ∂m−j x (uux) − ∂m−j x (g1ux + g0u) + ∂m−j x f. Поскольку по индуктивному предположению при (t, x), (τ, x) ∈ Q′ n справедливо неравенство |vx(t, x)− vx(τ, x)| ≤ c|t− τ |(ε+j−1)/5, то из [33, теорема 1, замечание 2] получаем, что для любых точек (t, x), (t+ τ, x) ∈ Qn (где τ > 0) |v(t+ τ, x)− v(t, x)| ≤ c inf 0<h<x0/2 (hτ (ε+j−1)/5 + τhε−5+j), откуда выбирая h = min(τ1/5, x0/2) выводим неравенство (1.10) для остальных значений j. 4. Убывание решений при больших временах Основным утверждением, используемым для доказательства тео- ремы 1.5 является следующая лемма. М. А. Опритова, А. В. Фаминский 333 Лемма 4.1. Пусть u0 ∈ L 1/2 2,+, g0, g1 ∈ L∞(0, T ;W 2 ∞,+) для некоторо- го T > 0, µ = ν ≡ 0, f ≡ 0. Предположим также, что для функций g0, g1 при t ∈ (0, T ) выполнены условия (1.12), (1.13). Тогда для ре- шения задачи (1.1), (1.2) u ∈ X1/2(Π+ T ) справедливо неравенство T∫ 0 R∫ 0 u2 dx dt ≤ c ∫∫ Π+ T (2g0 − g1x)u 2 dx dt+ c T∫ 0 u2xx ∣∣ x=0 dt, (4.1) где константа c зависит от ∥u0∥L2,+ и норм функций g0, g1 в про- странстве L∞(0, T ;W 2 ∞,+). Доказательство. Прежде всего заметим, что величина uxx|x=0 имеет смысл, поскольку uxx ∈ X0(Πδ,0T ) для любого δ ∈ (0, T ). Предположим, что неравенство (4.1) не имеет места. Тогда су- ществуют последовательность начальных функций {u0k ∈ L 1/2 2,+}k∈N, ограниченная в L2,+, и последовательности функций {g0k, g1k}k∈N, ограниченные в L∞(0, T ;W 2 ∞,+), для которых соответствующие сла- бые решения задачи типа (1.1), (1.2) uk(t, x) ∈ X1/2(Π+ T ) удовлетво- ряют условию lim k→+∞ ∫∫ Π+ T (2g0k − g1k x)u 2 k dx dt+ ∫ T 0 u2k xx ∣∣ x=0 dt∫ T 0 ∫ R 0 u 2 k dx dt = 0. (4.2) Положим pk = ∥uk∥L2 ( (0,T )×(0,R) ), vk(t, x) ≡ uk(t, x) pk , v0k(x) ≡ u0k(x) pk . Тогда ∥vk∥L2 ( (0,T )×(0,R) ) = 1 ∀ k ∈ N (4.3) и функция vk является слабым решением следующей задачи: vt − ∂5xv + b∂3xv + pkvvx + g1kvx + g0kv = 0, (4.4) v ∣∣ t=0 = v0k. (4.5) Заметим, что поскольку uk ∈ X1/2(Π+ T ), то uk ∈ L∞(0, T ;L2,+), uk xx ∈ L2(0, T ;L2,+) и тогда, в частности, uk x ∈ L8/3(0, T ;L∞,+). Следова- тельно, ukuk x, g1kuk x, g0kuk ∈ L2(Π + T ). Из результатов работы [17, леммы 4.3, 4.4] следует, что в таком случае для функций uk при t ∈ [0, T ] справедливо равенство∫ u2k(t, x) dx+ t∫ 0 u2k xx ∣∣ x=0 dτ + t∫ 0 ∫ (2g0k − g1k x)u 2 k dx dτ = ∫ u20k dx (4.6) 334 О начально-краевой задаче в полуполосе... (формально оно получается умножением соответствующего равен- ства (1.1) на 2uk(t, x) и последующим интегрированием). В частности, из (1.12) и (4.6) следует, что функция ∥uk(t, ·)∥L2,+ не возрастает и pk ≤ T 1/2∥u0k∥L2,+ . (4.7) Кроме того, в силу (4.2) при k → +∞ ∫∫ Π+ T (2g0k − g1k x)v 2 k dx dt+ T∫ 0 v2k xx ∣∣ x=0 dt→ 0. (4.8) Покажем, что функции v0k равномерно по k ограничены в про- странстве L2,+. Действительно, в силу (1.13) ∫∫ Π+ T u2k dx dt ≤ 1 α0 ∫∫ Π+ T (2g0k − g1k x)u 2 k dx dt+ T∫ 0 R∫ 0 u2k dx dt и тогда из равенства (4.6) следует, что ∫ u20k dx ≤ 1 T ∫∫ Π+ T u2k dx dt+ T∫ 0 u2k xx ∣∣ x=0 dt+ ∫∫ Π+ T (2g0k − g1k x)u 2 k dx dt ≤ ( 1+ 1 α0T )∫∫ Π+ T (2g0k−g1k x)u2k dx dt+ T∫ 0 u2k xx ∣∣ x=0 dt+ 1 T T∫ 0 R∫ 0 u2k dx dt и, поэтому, ∫ v20k dx ≤ ( 1 + 1 α0T )∫∫ Π+ T (2g0k − g1k x)v 2 k dx dt+ T∫ 0 v2k xx ∣∣ x=0 dt+ 1 T . Применяя (4.8) находим, что ∥v0k∥L2,+ ≤ c. (4.9) Тогда из (4.7), (4.8) и результатов работы [16, теорема 1.1] следует, что равномерно по k ∥vk∥X0(Π+ T ) ≤ c. (4.10) М. А. Опритова, А. В. Фаминский 335 В частности, из самого равенства (4.4) и оценки (4.10) следует, что равномерно по k ∥vk t∥L2(0,T ;H−3(0,r)) ≤ c(r) ∀ r > 0. Переходя к подпоследовательностям (с сохранением обозначений) по- лучаем, что при k → +∞ pk → p, ∂jxg0k → ∂jxg0 ∗ -слабо в L∞(Π+ T ) при j ≤ 2, ∂jxg1k → ∂jxg1 ∗ -слабо в L∞(Π+ T ) при j ≤ 2, v0k → v0 слабо в L2,+, (4.11) vk → v ∗ -слабо в L∞(0, T ;L2,+), vk → v слабо в L2(0, T ;H 2(0, r)) ∀ r > 0, vk → v сильно в L2(0, T ;H 1(0, r)) ∀ r > 0. С другой стороны, из (4.8) следует, что vk → 0 в L2(Π 0,R T ), следова- тельно vk → v сильно в L2(Π + T ), (4.12) где v(t, x) = 0 для x > R. (4.13) Пусть ϕ(t, x) — любая пробная функция из определения 1.1. Для любой функции vk запишем соответствующий аналог равенства (1.8):∫∫ Π+ T [ vk ( ϕt − ∂5xϕ+ b∂3xϕ+ (g1kϕ)x − g0kϕ ) + pk 2 v2kϕx ] dx dt + ∫ v0k(x)ϕ(0, x) dx = 0. (4.14) Заметим, что ϕ ∈ C([0, T ];H2 +) ⊂ C([0, T ];C1 b,+). Тогда переходя в (4.14) к пределу при k → +∞ получаем с учетом (4.11), (4.12), что∫∫ Π+ T [ v ( ϕt − ∂5xϕ+ b∂3xϕ+ (g1ϕ)x − g0ϕ ) + p 2 v2ϕx ] dx dt + ∫ v0(x)ϕ(0, x) dx = 0, то есть функция v ∈ X0(Π+ T ) является слабым решением задачи vt − ∂5xv + b∂3xv + pvvx + g1vx + g0v = 0, (4.15) v ∣∣ t=0 = v0. (4.16) 336 О начально-краевой задаче в полуполосе... Более того, в силу (4.13) v ∈ Xα(Π+ T ) для любого α > 0. Заметим, что для задачи (4.15), (4.16) выполнены условия теоремы 1.2. Тогда vxx ∈ Xα(Πδ,0T ) для любых α > 0 и δ ∈ (0, T ) и, следовательно, v, vx ∈ L∞(Πδ,0T ), ∂mx v ∈ L2(Π δ,0 T ) при m ≤ 4. Так как g0, g1 ∈ L∞(Π+ T ), то для решения v уравнения (4.15) применимы результаты статьи [34, теорема 1] о единственности продолжения, из которых следует, что в силу (4.13) v(t, x) = 0 в Π+ T . Следовательно, согласно (4.12) vk → 0 в L2(Π + T ), что противоречит (4.3). Теперь можно доказать основную теорему этой части. Доказательство теоремы 1.5. Пусть сначала u0 ∈ L 1/2 2,+, тогда u ∈ X1/2(Π+ T ) для любого T > 0. Запишем равенство (4.6) для функции u: ∫ u2(t, x) dx+ t∫ 0 u2xx ∣∣ x=0 dτ+ t∫ 0 ∫ (2g0−g1x)u2 dx dτ = ∫ u20 dx. (4.17) В частности, функция ∥u(t, ·)∥L2,+ не возрастает. Зафиксируем T > 0, тогда ∫ u2(T, x) dx+ α0 T∫ 0 +∞∫ R u2 dx dt ≤ ∫ u20 dx и, следовательно, ∫∫ Π+ T u2 dx dt ≤ 1 α0 ∫ u20 dx− 1 α0 ∫ u2(T, x) dx+ T∫ 0 R∫ 0 u2 dx dt. С помощью оценки (4.1) это неравенство можно переписать в виде∫∫ Π+ T u2 dx dt ≤ 1 α0 ∫ u20 dx− 1 α0 ∫ u2(T, x) dx + c [ ∫∫ Π+ T (2g0 − g1x)u 2 dx dt+ T∫ 0 u2xx ∣∣ x=0 dt ] . (4.18) Выражая величину в квадратных скобках в (4.18) с помощью (4.17) М. А. Опритова, А. В. Фаминский 337 при t = T и используя невозрастание ∥u(t, ·)∥L2,+ находим, что T ∫ u2(T, x) dx ≤ 1 α0 ∫ u20 dx− 1 α0 ∫ u2(T, x) dx + c (∫ u20 dx− ∫ u2(T, x) dx ) и, следовательно,( T + 1 α0 + c )∫ u2(T, x) dx ≤ ( 1 α0 + c )∫ u20 dx, то есть ∫ u2(T, x) dx ≤ γ(∥u0∥L2,+) ∫ u20 dx, γ ∈ (0, 1), откуда стандартным приемом выводим оценку (1.14). В общем случае для любого h > 0 положим u0h(x) ≡ u0(x)η(1/h− x) ∈ L 1/2 2,+, тогда u0h → u0 в L2,+ при h → +0. Для соответствующих решений uh задачи типа (1.1), (1.2) с начальной функцией u0h спра- ведлива равномерная по h оценка (1.14). Боле того, слабое решение исходной задачи u ∈ X0(Π+ T ) ∀T > 0 может быть получено на осно- ве оценок из [16] как ∗-слабый предел, в частности, в пространствах L∞(n, n + 1;L2,+) ∀n функций uh, и тогда оценка (1.14) останется справедливой и в предельном случае. Замечание 4.1. Если u0 ∈ L 3/8 2,+, то в силу теоремы единственности можно утверждать, что любое слабое решение задачи (1.1), (1.2), при- надлежащее пространству X3/8(Π+ T ) ∀T > 0, при выполнении усло- вий теоремы 1.5 обладает свойством (1.14). Замечание 4.2. Если функция g1 не зависит от x: g1 = g1(t) ∈ L∞(R+), то условия гладкости на функцию g0 можно ослабить: g0 ∈ L∞(Rt+ × Rx+). Действительно, повышенные условия гладкости фун- кций g0, g1 использовались только в доказательстве леммы 4.1 для обеспечения возможности применения теоремы 1.2. Однако в дан- ном частном случае из свойства (4.8) следует, что при предельном переходе в равенстве (4.14) интеграл от g0kϕvk стремится к нулю, то есть предельная функция v является слабым решением задачи (4.15), (4.16) для g0 ≡ 0. Это означает, что для справедливости леммы 4.1 достаточно условия g0 ∈ L∞(Π+ T ). Литература 338 О начально-краевой задаче в полуполосе... [1] T. Kawahara, Oscillatory solitary waves in dispersive media // J. Phys. Soc. Japan, 33 (1972), No. 1, 260–264. [2] А. В. Марченко, О длинных волнах в мелкой воде под ледяным покровом // Прикл. матем. мех., 52 (1988), No. 2, 230–234. [3] А. Т. Ильичев, О свойствах одного нелинейного эволюционного уравнения пятого порядка, описывающего волновые процессы в средах со слабой дис- персией // Труды МИАН, 186 (1989), 222–226. [4] J.-C. Saut, Sur quelques généralizations de l’equation de Korteweg–de Vries // J. Math. Pures Appl., 58 (1979), No. 1, 21–61. [5] А. В. Фаминский, Задача Коши для квазилинейных уравнений нечетного по- рядка // Матем. сб., 180 (1989), No. 9, 1183–1210. [6] H. A. Biagioni, F. Linares, On the Benny–Lin and Kawahara equations // J. Math. Anal. Appl., 211 (1997), No. 1, 131–152. [7] S. Cui, S. Tao, Stricharts estimates for dispersive equations and solvability of the Kawahara equation // J. Math. Anal. Appl., 304, (2005), 683–702. [8] S. Cui, D. Deng, S. Tao, Global existence of solutions for the Cauchy problem of the Kawahara equation with L2 initial data // Acta Math. Sinica (Engl. Ser.), 22 (2006), No. 5, 1457–1466. [9] H. Wang, S. Cui, D. Deng, Global existence of solutions for the Cauchy problem of the Kawahara equations in Sobolev spaces of negative indices // Acta Math. Sinica (Engl. Ser.), 23 (2007), No. 8, 1435–1446. [10] К. Сангаре, Смешанная задача в полуполосе для обобщенного уравнения Кавахары в пространстве бесконечно дифференцируемых экспоненциально убывающих функций // Вестник Рос. ун-та дружбы народов, сер. матем., 10 (2003), No. 1, 91–107. [11] N. A. Larkin, G. G. Doronin, Kawahara equation in a quarter-plane and in a finite domain // Bol. Soc. Paran. Mat. (3s.), 25 (2007), No. 1–2, 9–16. [12] G. G. Doronin, N. A. Larkin, Kawahara equation in a bounded domain // Discrete Contin. Dyn. Syst. Ser. B, 10 (2008), No. 4, 783–799. [13] G. G. Doronin, N. A. Larkin, Quarter-plane problem for the Kawahara equation // Pacific J. Appl. Math., 1 (2008), No. 3, 151–176. [14] N. A. Larkin, Correct initial boundary value problems for dispersive equations // J. Math. Anal. Appl., 344 (2008), No. 2, 1079–1092. [15] G. G. Doronin, N. A. Larkin, Well and ill-posed problems for the KdV and Kawahara equations // Bol. Soc. Paran. Mat. (3s.), 26 (2008), No. 1–2, 133– 137. [16] К. Сангаре, А. В. Фаминский, Слабые решения смешанной задачи в полу- полосе для обобщенного уравнения Кавахары // Матем. заметки, 85 (2009), No. 1, 98–109. [17] Р. В. Кувшинов, А. В. Фаминский, Смешанная задача в полуполосе для урав- нения Кавахары // Дифф. уравнения, 45 (2009), No. 3, 391–402. [18] Р. В. Кувшинов, Потенциалы для линеаризованного уравнения Кавахары // Вестник Рос. ун-та дружбы народов, сер. матем., инф., физ., 3 (2010), 5–16. [19] Р. В. Кувшинов, Нелокальная корректность смешанной задачи в ограничен- ном прямоугольнике для уравнения Кавахары // Вестник Рос. ун-та дружбы народов, сер. матем., инф., физ., 4 (2010), 35–47. М. А. Опритова, А. В. Фаминский 339 [20] A. V. Faminskii, N. A. Larkin, Initial-boundary value problems for quasilinear dispersive equations posed on a bounded interval // Electronic J. Differential Equ., 2010 (2010), No. 1, 1–20. [21] A. V. Faminskii, N. A. Larkin, Odd-order evolution equations posed on a bounded interval // Bol. Soc. Paran. Mat. (3s.), 28 (2010), No. 1, 67–77. [22] А. В. Фаминский, Р. В. Кувшинов, Начально-краевые задачи для обобщенного уравнения Кавахары // Успехи матем. наук, 66 (2011), No. 4, 187–188. [23] F. D. Araruna, R. A. Capistrano-Filho, G. G. Doronin, Energy decay for the modified Kawahara equation posed in a bounded domain // J. Math. Anal. Appl., 385 (2012), No. 2, 743–756. [24] C. E. Kenig, G. Ponce, L. Vega, Well-posedness of the initial value problem for the Korteweg–de Vries equation // J. Amer. Math. Soc., 4 (1991), No. 2, 323–347. [25] А. В. Фаминский, М. А. Опритова, О задаче Коши для уравнения Каваха- ры // Соврем. матем. Фунд. направл., 45 (2012), 132–150. [26] O. P. V. Villagran, Gain of regularity for a Korteweg–de Vries–Kawahara type equation // Electronic. J. Differential Equ., 71 (2004), 1–24. [27] А. В. Фаминский, Cмешанная задача в полуполосе для уравнения Кортевега– де Фриза и его обобщений // Труды ММО, 51 (1988), 54–94. [28] С. Н. Кружков, А. В. Фаминский, Обобщенные решения задачи Коши для уравнения Кортевега–де Фриза // Матем. сб., 120 (1983), No. 3, 396–425. [29] А. В. Фаминский, Задача Коши для уравнения Кортевега–де Фриза и его обобщений // Труды сем. им. И.Г. Петровского, 13 (1988), 56–105. [30] M. M. Cavalcanti, V. N. Domingos Cavalcanti, A. Faminskii, F. Natali, Decay of solutions to damped Korteweg–de Vries equation // Appl. Math. Optim., 65 (2012), No. 2, 221–251. [31] F. Linares, A. F. Pazoto, Asymptotic behavior of the Korteweg–de Vries equation posed in a quarter plane // J. Differential Equ., 246 (2009), 1342–1353. [32] В. С. Владимиров, Обобщенные функции в математической физике, Мо- сква, Наука, 1979. [33] С. Н. Кружков, А. В. Фаминский, О свойствах непрерывности решений не- которых классов нестационарных уравнений // Вестник Моск. ун-та, сер. 1 матем. мех., 3 (1983), 29–36. [34] Н. А. Шананин, О частичной квазианалитичности обобщенных решений слабо нелинейных дифференциальных уравнений со взвешенными произво- дными, Матем. заметки, 68 (2000), No. 4, 608–619. Сведения об авторах Мария Александровна Опритова, Андрей Вадимович Фаминский Российский университет дружбы народов, ул. Миклухо-Маклая 6, Москва, 117198, Россия E-Mail: upi23@mail.ru, afaminskii@sci.pfu.edu.ru