Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта

Показано, що задачi Дiрiхле i Пуанкаре в цилiндричнiй областi для багатовимiрного рiвняння Геллерстедта однозначно розв’язнi. Отримано критерiй єдиностi розв’язкiв цих задач....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2012
1. Verfasser: Алдашев, С.А.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2012
Schriftenreihe:Український математичний журнал
Schlagworte:
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/164157
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:Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта/ С.А. Алдашев // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 3. — С. 426-432. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-164157
record_format dspace
spelling irk-123456789-1641572020-02-23T19:15:12Z Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта Алдашев, С.А. Короткі повідомлення Показано, що задачi Дiрiхле i Пуанкаре в цилiндричнiй областi для багатовимiрного рiвняння Геллерстедта однозначно розв’язнi. Отримано критерiй єдиностi розв’язкiв цих задач. We prove the unique solvability of the Dirichlet and Poincaré problems for a multidimensional Gellerstedt equation in a cylindrical domain. We also obtain a criterion for the unique solvability of these problems. 2012 Article Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта/ С.А. Алдашев // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 3. — С. 426-432. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 1027-3190 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/164157 517.956 ru Український математичний журнал Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Короткі повідомлення
Короткі повідомлення
spellingShingle Короткі повідомлення
Короткі повідомлення
Алдашев, С.А.
Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта
Український математичний журнал
description Показано, що задачi Дiрiхле i Пуанкаре в цилiндричнiй областi для багатовимiрного рiвняння Геллерстедта однозначно розв’язнi. Отримано критерiй єдиностi розв’язкiв цих задач.
format Article
author Алдашев, С.А.
author_facet Алдашев, С.А.
author_sort Алдашев, С.А.
title Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта
title_short Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта
title_full Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта
title_fullStr Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта
title_full_unstemmed Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта
title_sort корректность задач дирихле и пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения геллерстедта
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2012
topic_facet Короткі повідомлення
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/164157
citation_txt Корректность задач Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта/ С.А. Алдашев // Український математичний журнал. — 2012. — Т. 64, № 3. — С. 426-432. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
series Український математичний журнал
work_keys_str_mv AT aldaševsa korrektnostʹzadačdirihleipuankarevcilindričeskojoblastidlâmnogomernogouravneniâgellerstedta
first_indexed 2025-07-14T16:41:12Z
last_indexed 2025-07-14T16:41:12Z
_version_ 1837641261033455616
fulltext К О Р О Т К I П О В I Д О М Л Е Н Н Я УДК 517.956 С. А. Алдашев (Ин-т прикл. математики и информатики Актюбин. гос. ун-та, Казахстан) КОРРЕКТНОСТЬ ЗАДАЧ ДИРИХЛЕ И ПУАНКАРЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ДЛЯ МНОГОМЕРНОГО УРАВНЕНИЯ ГЕЛЛЕРСТЕДТА We prove the unique solvability of the Dirichlet and Poincaré problems for a multidimensional Gellerstedt equation in a cylindric domain. We also obtain a criterion for the unique solvability of these problems. Показано, що задачi Дiрiхле i Пуанкаре в цилiндричнiй областi для багатовимiрного рiвняння Геллерстедта одно- значно розв’язнi. Отримано критерiй єдиностi розв’язкiв цих задач. В [1] было показано, что на плоскости одна из фундаментальных задач математической физи- ки — изучение поведения колеблющейся струны — некорректна, если краевые условия заданы на всей границе области. Как отмечено в [2, 3], задача Дирихле некорректна не только для вол- нового уравнения, но и для общих гиперболических уравнений. В [4] показано, что решение задачи Дирихле существует в прямоугольных областях. В дальнейшем эта задача исследовалась методами функционального анализа [5], которые сложны в применении к приложениям. В [6, 7] получены теоремы единственности решения задачи Дирихле для строго гиперболи- ческих уравнений в пространствах, а в [8, 9] доказана корректность задач Дирихле и Пуанкаре для многомерного волнового уравнения. Насколько известно автору, многомерные задачи Дирихле и Пуанкаре для вырождающихся гиперболических уравнений ранее не изучались. В настоящей работе показано, что задачи Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Геллерстедта однозначно разрешимы, а также получен критерий единственности решений этих задач. Пусть Dβ — цилиндрическая область евклидова пространства Em+1 точек (x1, . . . , xm, t), ограниченная цилиндром Γ = {(x, t) : |x| = 1}, плоскостями t = β > 0 и t = 0, где |x| — длина вектора x = (x1, . . . , xm). Части этих поверхностей, образующих границу ∂Dβ области Dβ, обозначим через Γβ, Sβ и S0 соответственно. В области Dβ рассмотрим многомерное уравнение Геллерстедта tp∆xu− utt = 0, (1) где p = const > 0, ∆x — оператор Лапласа по переменным x1, . . . , xm, m ≥ 2. В дальнейшем нам удобно перейти от декартовых координат x1, . . . , xm, t к сферическим r, θ1, . . . , θm−1, t, r ≥ 0, 0 ≤ θ1 < 2π, 0 < θ1 < π, i = 2, . . . ,m− 1. В качестве многомерных задач Дирихле и Пуанкаре рассмотрим следующую задачу. Задача 1. Найти решение уравнения (1) в области Dβ из класса C(D̄β) ∩ C1(Dβ ∪ S0) ∩ ∩ C2(Dβ), удовлетворяющее краевым условиям u|Sβ = ϕ(r, θ), u|Γβ = ψ(t, θ), u|S0 = τ(r, θ), (2) c© С. А. АЛДАШЕВ, 2012 426 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3 КОРРЕКТНОСТЬ ЗАДАЧ ДИРИХЛЕ И ПУАНКАРЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ. . . 427 или u|Sβ = ϕ(r, θ), u|Γβ = ψ(t, θ), ut|S0 = τ(r, θ). (3) Пусть {Y k n,m(θ)} — система линейно независимых сферических функций порядка n, 1 ≤ ≤ k ≤ kn, (m− 2)!n!kn = (n+m− 3)!(2n+m− 2), θ = (θ1, . . . , θm−1), W l 2(S0), l = 0, 1, . . . , — пространства Соболева. Имеет место следующая лемма [10]. Лемма 1. Пусть f(r, θ) ∈W l 2(S0). Если l ≥ m− 1, то ряд f(r, θ) = ∞∑ n=0 kn∑ k=1 fkn(r)Y k n,m(θ), (4) а также ряды, полученные из него дифференцированием порядка p ≤ l − m + 1, сходятся абсолютно и равномерно. Лемма 2. Для того чтобы f(r, θ) ∈W l 2(S0), необходимо и достаточно, чтобы коэффи- циенты ряда (3) удовлетворяли неравенствам |f1 0 (r)| ≤ c1, ∞∑ n=1 kn∑ k=1 n2l|fkn(r)|2 ≤ c2, c1, c2 = const. Через ϕ̄kn(r), ψ k n(t), τ̄kn(r), ν̄kn(r) обозначим коэффициенты разложения ряда (4) функций ϕ(r, θ), ψ(t, θ), τ(r, θ), ν(r, θ) соответственно. Пусть ϕ(r, θ) ∈W l 2(Sβ), ψ(t, θ) ∈W l 2(Γβ), τ(r, θ), ν(r, θ) ∈W l 2(S0), l > 3m 2 . Тогда справедливы следующие теоремы. Теорема 1. Если cosµs,nβ ′ 6= 0, s = 1, 2, . . . , (5) где µs,n — положительные нули функций Бесселя первого рода Jn+(m−2)/2(z), β′= 2 2 + p β(2+p)/2, то задача 1 однозначно разрешима. Теорема 2. Решение задачи 1 единственно тогда и только тогда, когда выполняется условие (5). Доказательство теорем. В сферических координатах уравнение (1) имеет вид tp ( urr + m− 1 r ur − δu r2 ) − utt = 0, (6) δ ≡ − m−1∑ j=1 1 gj sinm−j−1 θj ∂ ∂θj ( sinm−j−1 θj ∂ ∂θj ) , g1 = 1, gj = (sin θ1 . . . sin θj−1)2, j > 1. Известно [10], что спектр оператора δ состоит из собственных чисел λn = n(n + m − 2), n = 0, 1, . . . , каждому из которых соответствует kn ортонормированных собственных функций Y k n,m(θ). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3 428 С. А. АЛДАШЕВ Поскольку искомое решение задачи 1 принадлежит классу C(D̄β) ∩ C2(Dβ), его можно искать в виде u(r, θ, t) = ∞∑ n=0 kn∑ k=1 ūkn(r, t)Y k n,m(θ), (7) где ūkn(r, t) — функции, подлежащие определению. Подставляя (7) в (6) и используя ортогональность сферических функций Y k n,m(θ) [10], имеем tp ( ūknrr + m− 1 r ūknr − λn r2 ūkn ) − ūkntt = 0, k = 1, kn, n = 0, 1, . . . , (8) при этом краевые условия (2) и (3), с учетом леммы 1, соответственно примут вид ūkn(r, β) = ϕ̄kn(r), ūkn(1, t) = ψ̄kn(t), ūkn(r, 0) = τ̄kn(r), k = 1, kn, n = 0, 1, . . . , (9) ūkn(r, β) = ϕ̄kn(r), ūkn(1, t) = ψ̄kn(t), ūknt(r, 0) = ν̄kn(r), k = 1, kn, n = 0, 1, . . . . (10) Производя замену ūkn(r, t) = r(1−m)/2ukn(r, t) и полагая затем r = r, x0 = 2 2 + p t(2+p)/2, задачи (8), (9) и (8), (10) приводим к следующим задачам: Lαυ k α,n ≡ υkα,nrr − υkα,nx0x0 − α x0 υkα,nx0 + λn r2 υkα,n = 0, (11α) υkα,n(r, β′) = ϕkn(r), υkα,n(1, x0) = ψkn(x0), υkα,n(r, 0) = τkn(r), (12) υkα,n(r, β′) = ϕkn(r), υkα,n(1, x0) = ψkn(x0), lim x0→0 xα0 ∂ ∂x0 υkα,n = νkn(r), (13) где 0 < α = p 2 + p < 1, λ̄n = ((m− 1)(3−m)− 4λn) 4 , υkα,n(r, x0) = ukn [ r, ( 2 + p 2 x0 ) 2 2+p ] , ϕkn(r) = r m−1 2 ϕ̄kn(r), ψkn(x0) = ψ̄kn [( 2 + p 2 x0 ) 2 2+p ] , τkn(r) = r m−1 2 τ̄kn(r), νkn(r) = r m−1 2 ν̄kn(r), k = 1, kn, n = 0, 1, . . . . Наряду с уравнением (11α) рассмотрим уравнение L0υ k 0,n ≡ υk0,nrr − υk0,nx0x0 + λn r2 υk0,n = 0. (110) Как доказано в [11] (см. также [12]), существует следующая функциональная связь между решениями задачи Коши для уравнений (11α) и (110). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3 КОРРЕКТНОСТЬ ЗАДАЧ ДИРИХЛЕ И ПУАНКАРЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ. . . 429 Утверждение 1. Если υk,10,n(r, x0) — решение задачи Коши для уравнения (110), удовлетво- ряющее условиям υk,10,n(r, 0) = τkn(r), ∂ ∂x0 υk,10,n(r, 0) = 0, (14) то функция υk,1α,n(r, x0) = γα 1∫ 0 υk,10,n(r, ξx0)(1− ξ2)α/2−1dξ ≡ 2−1γαΓ (α 2 ) x1−α 0 D −α/2 0x20 [ υk,10,n(r, x0) x2 0 ] (15) при α > 0 является решением уравнения (11α) с данными (14). Утверждение 2. Если υk,10,n(r, x0) — решение задачи Коши для уравнения (110), удовлетво- ряющее условиям υk,10,n(r, 0) = νkn(r) (1− α)(3− α) . . . (2q + 1− α) , ∂ ∂x0 υk,10,n(r, 0) = 0, (16) то при 0 < α < 1 функция υk,2α,n(r, x0) = γ2−k+2q ( 1 x0 ∂ ∂x0 )q x1−α+2q 0 1∫ 0 υk,10,n(r, ξx0)(1− ξ2)q−α/2dξ  ≡ ≡ γ2−k+2q2 q−1Γ ( q − α 2 + 1 ) D α/2−1 0x20 [ υk,10,n(r, x0) x0 ] (17) является решением уравнения (11α) с начальными данными υk,2α,n(r, 0) = 0, lim x0→0 xα0 ∂ ∂x0 υk,2α,n = νkn(r), (18) где √ πΓ (α 2 ) γα = 2Γ ( α+ 1 2 ) , Γ(z) — гамма-функция, Dα 0t — оператор Римана – Лиувилля [13], а q ≥ 0 — наименьшее целое число, удовлетворяющее неравенству 2− α+ 2q ≥ m− 1. Решение задачи (11α), (12) будем искать в виде υkα,n(r, x0) = υk,1α,n(r, x0) + υk,2α,n(r, x0), (19) где υk,1α,n(r, x0) — решение задачи Коши (11α), (14), а υk,2α,n(r, x0) — решение краевой задачи для уравнения (11α) с данными υk,2α,n(r, β′) = ϕkn(r)− υk,1α,n(r, β′), υk,2α,n(1, x0) = ψkn(x0)− υk,1α,n(1, x0), υk,2α,n(r, 0) = 0. (20) Учитывая формулы (15), (17), а также обратимость оператора Dα 0t [13], задачи (11α), (14) и (11α), (20) соответственно сводим к задаче Коши (110), (14), имеющей единственное решение [11], и к задаче для (110) с условиями υk,10,n(r, β′) = ϕk1n(r), υk,10,n(1, x0) = ψk1n(x0), ∂ ∂x0 υk,10,n(r, 0) = 0, (21) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3 430 С. А. АЛДАШЕВ где ϕk1n(r), ψk1n(x0) — функции, вырождающиеся соответственно через ϕkn(r), τkn(r) и ψkn(x0), τkn(r). В [9] показано, что если выполняется условие (5), то задача (110), (21) однозначно разрешима. Далее, используя утверждения 1 и 2, устанавливаем однозначную разрешимость задач (11α), (14) и (12), (20). Теперь будем искать решение задачи (11α), (13) в виде (19), где υk,2α,n(r, x0) — решение задачи для (11α), (18), а υk,1α,n(r, x0) — решение задачи Коши для (11α) с данными υk,1α,n(r, β′) = ϕkn(r)− υk,2α,n(r, β′), υk,1α,n(1, x0) = ψkn(x0)− υk,2α,n(1, x0), ∂ ∂x0 υk,1α,n(r, 0) = 0. (22) Используя формулы (17), (15), задачи (11α), (18) и (11α), (22) соответственно приводим к задаче Коши (110), (16) и к задаче (110), (21), где ϕk1n(r), ψk1n(x0) — функции, теперь вырожда- ющиеся соответственно через ϕkn(r), νkn(r) и ψkn(x0), νkn(r). Таким образом, задача (11α), (13) также имеет единственное решение. Следовательно, задача (1), (2) имеет решение вида u(r, θ, t) = ∞∑ n=0 kn∑ k=1 r(1−m)/2ukn(r, t)Y k n,m(θ), (23) где ukn(r, t) находятся из (11α), (12). Аналогичным образом находим решение задачи (1), (3) в виде (23), где ukn(r, t) опреде- ляются из (11α), (13). Будем учитывать следующие свойства нулей функций Бесселя [14]: 10. Если µν,1, µν,2, . . . — положительные нули функций Jν(z), упорядоченные по возрас- танию значений, то 0 < µν,1 < µν+1, 1 < µν,2 < µν+1, 2 < µν,3 < . . . , ν > −1. 20. Пусть µν , µ ′ ν , µ ′′ ν являются наименьшими положительными нулями функций Jν(z), J ′ν(z), J ′′ν (z) соответственно. Тогда√ ν(ν + 2) < µν < √ 2(ν + 1)(ν + 3), √ ν(ν + 2) < µ′ν < √ 2ν(ν + 1), ν > 0,√ ν(ν − 1) < µ′′ν < √ (ν2 − 1), ν > 1. Используя формулы [14, 15] sin z = z ( 1− z ∞∑ n=1 (4n2 − 1)−1[Jn(nz)]2 ) , Jν(z) = √ 2 πz cos ( z − π 2 ν − π 4 ) + 0 ( 1 z3/2 ) , ν ≥ 0, (24) 2J ′ν(z) = Jν−1(z)− Jν+1(z), оценки [10] ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3 КОРРЕКТНОСТЬ ЗАДАЧ ДИРИХЛЕ И ПУАНКАРЕ В ЦИЛИНДРИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ. . . 431 |kn| ≤ c1n m−2, ∣∣∣∣∣ ∂q∂θqj Y k n,m(θ) ∣∣∣∣∣ ≤ c2n m/2−1+q, j = 1,m− 1, q = 0, 1, . . . , леммы, а также ограничения на заданные функции ϕ(r, θ), ψ(t, θ), ν(r, θ), как в [8, 9], можно показать, что полученное решение (23) принадлежит искомому классу C(D̄β)∩C1(Dβ ∪ S0)∩ ∩ C2(Dβ). Теорема 1 доказана. Теперь докажем теорему 2. Если выполняется условие (5), то из теоремы 1 следует един- ственность решения задачи 1. Пусть теперь условие (5) не выполняется хотя бы для одного s = p. В этом случае в [9] показано, что нетривиальным решением однородной задачи, соответ- ствующей задаче (110), (21), является функция υk,10,n(r, x0) = √ rJ n+ (m−2) 2 (µpr) cosµpx0. (25) Далее, из (15), (17), (25) следует, что однородные задачи (11α), (12) и (11α), (13) имеют решения вида υk,2α,n(r, x0) = γα √ r  1∫ 0 (µpξx0)(1− ξ2) α 2 −1dξ  Jn+(m−2)/2(µpr), υk,2α,n(r, x0) = = γ2−k+2q √ r  ( 1 x0 ∂ ∂x0 )q x1−α+2q 0 1∫ 0 cos(µpξx0)(1− ξ2)q−α/2dξ  J n+ (m−2) 2 (µpr). Следовательно, нетривиальным решением однородной задачи, соответствующей задаче 1, является функция u(r, θ, t) = ∑∞ n=1 ∑kn k=1 n−lr(1−m)/2ukjn(r, t)Y k n,m(θ), где uk1n(r, t) = = υk,1α,n(r, x0) в случае задачи (1), (2), uk2n(r, t) = υk,2α,n(r, x0) в случае задачи (1), (3), при этом из (24) следует, что она принадлежит искомому классу, если l > 3m 2 . В заключение отметим, что в [16] для уравнения (1) внутри характеристической области приведены корректные постановки задач Дирихле и Пуанкаре. 1. Hadamard J. Sur les problemes aux derivees partielles et leur signification physique // Princeton Univ. Bull. – 1902. – 13. – P. 49 – 52. 2. Бицадзе А. В. Уравнения смешанного типа. – М.: Изд-во АН СССР, 1959. – 164 с. 3. Нахушев А. М. Задачи со смещением для уравнения в частных производных. – М.: Наука, 2006. – 287 с. 4. Bourgin D.G., Duffin R. The Dirichlet problem the vibrating string eguation // Bull. Amer. Math. Soc. – 1939. – 45. – P. 851 – 858. 5. Fox D. W., Pucci C. The Dirichlet problem the wave eguation // Ann. math. pura ed appl. – 1958. – 46. – P. 155 – 182. 6. Нахушев А. М. Критерий единственности задачи Дирихле для уравнения смешанного типа в цилиндрической области // Дифференц. уравнения. – 1970. – 6, № 1. – С. 190 – 191. 7. Dunninger D. R., Zachmanoglou E. C. The condition for uniqueness of the Diriclet problem for hyperbolic equations in cilindrical domains // J. Math. and Mech. – 1969. – 18, № 8. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3 432 С. А. АЛДАШЕВ 8. Aldashev S. A. The well-posedness of the Dirichlet problem in the cylindric domain for the multidimensional wave equation // Math. Problems Engineering. – 2010. – Article ID 653215. – 7 p. 9. Aldashev S. A. The well-posedness of the Poincare problem in a cylindrical domain for the higher-dimensional wave equation // J. Math. Sci. – 2011. – 173, № 2. – P. 150 – 154. 10. Михлин С. Г. Многомерные сингулярные интегралы и интегральные уравнения. – М.: Физматгиз, 1962. – 254 с. 11. Алдашев С. А. Краевые задачи для многомерных гиперболических и смешанных уравнений. – Алматы: Гылым, 1994. – 170 с. 12. Терсенов С. А. Введение в теорию уравнений, вырождающихся на границе. – Новосибирск: Новосиб. гос. ун-т, 1973. – 94 с. 13. Нахушев А. М. Уравнения математической биологии. – М.: Высш. шк., 1985. – 301 с. 14. Бейтмен Г., Эрдейи А. Высшие трансцендентные функции. – М.: Наука, 1974. – Т. 2. – 295 с. 15. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. – М.: Наука, 1966. – 724 с. 16. Алдашев С. А., Селиханова Р. Б. О задачах Дарбу с отходом от характеристики и сопряженных им задачах для вырождающихся многомерных гиперболических уравнений // Докл. Адыгейской (Черкесской) Междунар. академии наук. – Нальчик, 2007. – 9, № 2. – С. 24 – 27. Получено 08.05.11 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2012, т. 64, № 3