Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням

Установлены условия существования и единственности классического решения обратной задачи определения зависящего от времени старшего коэффициента в параболическом уравнении с вырождением при производной по времени. Заданы краевые условия Неймана и нелокальное условие переопределения. Исследован случа...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2013
1. Verfasser: Гузик, Н.М.
Format: Artikel
Sprache:Ukrainian
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2013
Schriftenreihe:Український математичний журнал
Schlagworte:
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/165490
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:Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням / Н.М. Гузик // Український математичний журнал. — 2013. — Т. 65, № 6. — С. 765–779. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-165490
record_format dspace
spelling irk-123456789-1654902020-02-14T01:28:13Z Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням Гузик, Н.М. Статті Установлены условия существования и единственности классического решения обратной задачи определения зависящего от времени старшего коэффициента в параболическом уравнении с вырождением при производной по времени. Заданы краевые условия Неймана и нелокальное условие переопределения. Исследован случай слабого вырождения. We establish conditions for the existence and uniqueness of a classical solution of the inverse problem of determination of the time-dependent coefficient of the higher-order derivative in a parabolic equation with degeneration in the coefficient of the time derivative. We impose boundary conditions of the second kind and a nonlocal overdetermination condition. The case of weak degeneration is investigated. 2013 Article Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням / Н.М. Гузик // Український математичний журнал. — 2013. — Т. 65, № 6. — С. 765–779. — Бібліогр.: 11 назв. — укр. 1027-3190 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/165490 517.95 uk Український математичний журнал Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Ukrainian
topic Статті
Статті
spellingShingle Статті
Статті
Гузик, Н.М.
Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
Український математичний журнал
description Установлены условия существования и единственности классического решения обратной задачи определения зависящего от времени старшего коэффициента в параболическом уравнении с вырождением при производной по времени. Заданы краевые условия Неймана и нелокальное условие переопределения. Исследован случай слабого вырождения.
format Article
author Гузик, Н.М.
author_facet Гузик, Н.М.
author_sort Гузик, Н.М.
title Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
title_short Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
title_full Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
title_fullStr Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
title_full_unstemmed Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
title_sort нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2013
topic_facet Статті
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/165490
citation_txt Нелокальна обернена задача для параболічного рівняння з виродженням / Н.М. Гузик // Український математичний журнал. — 2013. — Т. 65, № 6. — С. 765–779. — Бібліогр.: 11 назв. — укр.
series Український математичний журнал
work_keys_str_mv AT guziknm nelokalʹnaobernenazadačadlâparabolíčnogorívnânnâzvirodžennâm
first_indexed 2025-07-14T18:41:20Z
last_indexed 2025-07-14T18:41:20Z
_version_ 1837648819288801280
fulltext УДК 517.95 Н. М. Гузик (Львiв. нац. ун-т iм. I. Франка) НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ We establish conditions for the existence and uniqueness of a classical solution of the inverse problem of determination of the time-dependent coefficient of the higher-order derivative in a parabolic equation with degeneration in the coefficient of the time derivative. Boundary conditions of the second kind and a nonlocal overdetermination condition are given. The case of weak degeneration is investigated. Установлены условия существования и единственности классического решения обратной задачи определения за- висящего от времени старшего коэффициента в параболическом уравнении с вырождением при производной по времени. Заданы краевые условия Неймана и нелокальное условие переопределения. Исследован случай слабого вырождения. Вступ. Коефiцiєнтнi оберненi задачi визначення залежного вiд часу коефiцiєнта у параболiчно- му рiвняннi почали розвиватись вiдносно недавно — на початку 70-х рокiв минулого столiття. Одним з основних питань при формулюваннi таких задач є вибiр так званих умов перевизна- чення, якi забезпечують можливiсть однозначного визначення невiдомих параметрiв у процесi теплопровiдностi. Цi умови можна задавати у виглядi додаткових крайових умов, проте бiльш вдалим виявився пошук умов перевизначення серед нелокальних умов. Вважається, що однiєю з перших робiт, присвячених оберненiй задачi з невiдомим кое- фiцiєнтом, що залежить вiд часу, є праця B. F. Jones [1]. У нiй дослiджується обернена задача визначення коефiцiєнта температуропровiдностi у напiвобмеженому стержнi iз заданими одно- рiдною початковою умовою, крайовою умовою Дiрiхле та значенням теплового потоку в якостi умови перевизначення. На сьогоднi оберненi задачi визначення залежного вiд часу старшого коефiцiєнта у параболiчних рiвняннях з рiзними наборами крайових умов та умов переви- значення вивченi достатньо повно (див., наприклад, [2 – 6] та наведену в них бiблiографiю). Дослiдження коефiцiєнтних обернених задач для параболiчних задач з нелокальними умовами перевизначення проведено у [7]. Оберненi задачi для параболiчних рiвнянь з виродженням дослiдженi мало. Серед вiдомих роботи [8, 9], у яких розглядались оберненi задачi визначення залежного вiд часу старшого коефiцiєнта у параболiчному рiвняннi з довiльним виродженням. У цих працях залежна вiд часу функцiя, яка спричинює виродження рiвняння, мiститься при другiй похiднiй за просторовою змiнною невiдомої функцiї параболiчного рiвняння. Дослiджено випадки слабкого та сильного виродження. У данiй роботi вивчається обернена задача визначення залежного вiд часу старшого кое- фiцiєнта у параболiчному рiвняннi з виродженням. На вiдмiну вiд [8, 9] виродження рiвняння спричинює монотонно зростаюча, залежна вiд часу функцiя, що мiститься при похiднiй за часом. У роботi задано крайовi умови Неймана та нелокальну умову перевизначення. Дослi- дження проведено у випадку слабкого виродження, означення якого взято з [10]. Встановлено умови iснування та єдиностi класичного розв’язку вказаної задачi. 1. Формулювання задачi. В областi QT = {(x, t) : 0 < x < h, 0 < t < T} будемо розглядати обернену задачу визначення коефiцiєнта a = a(t), a(t) > 0, t ∈ [0, T ] у рiвняннi c© Н. М. ГУЗИК, 2013 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 765 766 Н. М. ГУЗИК ψ(t)ut = a(t)uxx + b(x, t)ux + c(x, t)u+ f(x, t) (1) з початковою умовою u(x, 0) = ϕ(x), x ∈ [0, h], (2) крайовими умовами Неймана ux(0, t) = µ1(t), ux(h, t) = µ2(t), t ∈ [0, T ], (3) та нелокальною умовою перевизначення γ1(t)u(0, t) + γ2(t)u(h, t) = µ3(t), t ∈ [0, T ]. (4) Вiдомо, що ψ = ψ(t) — монотонно зростаюча функцiя така, що ψ(t) > 0, t ∈ (0, T ], та ψ(0) = 0. Означення . Пiд розв’язком задачi (1) – (4) будемо розумiти пару функцiй (a, u) з класу C[0, T ] × C2,1(QT ) ∩ C2,0(QT ), a(t) > 0, t ∈ [0, T ], що задовольняють рiвняння (1) та умо- ви (2) – (4). Дослiджується випадок слабкого виродження, коли limt→+0 ∫ t 0 dτ ψ(τ) = 0. Зауважимо, що умова limt→+0 ∫ t 0 dτ ψ(τ) = 0 виконується тодi i лише тодi, коли функцiя 1 ψ(t) є iнтегровною на (0, T ). 2. Iснування розв’язку. Умови iснування розв’язку задачi (1) – (4) мiстяться у такiй теоремi. Теорема 1. Нехай виконуються умови: 1) ϕ ∈ C3[0, h], µi, γi ∈ C1[0, T ], i = 1, 2, µ3 ∈ C1(0, T ] ∩ C[0, T ], b, c, f ∈ C1,0(QT ); 2) ϕ′(x) > 0, ϕ′′(x) > 0, x ∈ [0, h], γi(t) ≥ 0, i = 1, 2, γ1(t)+γ2(t) > 0, t ∈ [0, T ], iснує скiнченна додатна границя limt→0 µ ′ 3(t)ψ(t) ≡M0 > 0, µ′3(t)ψ(t)− µ3(t) γ1(t) + γ2(t) ( ψ(t)(γ′1(t) + γ′2(t)) + γ1(t)c(0, t) + γ2(t)c(h, t) ) − −γ1(t) (b(0, t)µ1(t) + f(0, t))− γ2(t) (b(h, t)µ2(t) + f(h, t)) > 0, ψ(t) ( γ′1(t)γ2(t) + γ′2(t)γ1(t) ) + γ1(t)γ2(t) (c(0, t) + c(h, t)) ≥ 0, t ∈ [0, T ]; 3) ψ ∈ C[0, T ] — монотонно зростаюча функцiя, ψ(t) > 0, t ∈ (0, T ], ψ(0) = 0, lim t→+0 t∫ 0 dτ ψ(τ) = 0; 4) µ1(0) = ϕ′(0), µ2(0) = ϕ′(h), γ1(0)ϕ(0) + γ2(0)ϕ(h) = µ3(0). Тодi можна вказати число T0, 0 < T0 ≤ T, яке визначається вихiдними даними, таке, що iснує розв’язок задачi (1) – (4) при x ∈ [0, h], t ∈ [0, T0]. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 767 Доведення. Зведемо задачу (1) – (4) до системи рiвнянь. Припустимо тимчасово, що функцiя a = a(t) є вiдомою. У задачi (1) – (4) виконаємо замiну змiнних u(x, t) = ũ(x, t) + ϕ(x) + x(µ1(t)− µ1(0)) + x2 2h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) . (5) В результатi вiдносно функцiї ũ = ũ(x, t) отримаємо рiвняння ψ(t)ũt = a(t)ũxx + b(x, t)ũx + c(x, t)ũ+ f(x, t)− ψ(t) ( xµ′1(t) + x2 2h (µ′2(t)− µ′1(t)) ) + +a(t) ( ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) ) + b(x, t) ( ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0)+ + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) ) + c(x, t) ( ϕ(x) + x(µ1(t)− µ1(0))+ + x2 2h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) ) (6) та однорiднi початкову i крайовi умови ũ(x, 0) = 0, x ∈ [0, h], (7) ũx(0, t) = ũx(h, t) = 0, t ∈ [0, T ]. (8) Позначимо через Gk = Gk(x, t, ξ, τ), k = 1, 2, функцiї Грiна першої (k = 1) та другої (k = 2) крайових задач для рiвняння теплопровiдностi ut = a(t) ψ(t) uxx. Вони визначається формулою Gk(x, t, ξ, τ) = 1 2 √ π(θ(t)− θ(τ)) +∞∑ n=−∞ ( exp ( −(x− ξ + 2nh)2 4(θ(t)− θ(τ)) ) + +(−1)k exp ( −(x+ ξ + 2nh)2 4(θ(t)− θ(τ)) )) , k = 1, 2, (9) де θ(t) = ∫ t 0 a(τ) ψ(τ) dτ. За допомогою функцiї Грiна G2 = G2(x, t, ξ, τ) задачу (6) – (8) замiнимо еквiвалентним iнтегро-диференцiальним рiвнянням ũ(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G2(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)ũξ + c(ξ, τ)ũ+ f(ξ, τ)− ψ(τ) ( ξµ′1(τ)+ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 768 Н. М. ГУЗИК + ξ2 2h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ) ( ϕ′′(ξ) + 1 h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) ) + +b(ξ, τ) ( ϕ′(ξ) + µ1(τ)− µ1(0) + ξ h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) ) + +c(ξ, τ)) ( ϕ(ξ) + ξ(µ1(τ)− µ1(0)) + ξ2 2h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) )) dξ dτ. (10) Позначимо v(x, t) ≡ ux(x, t), w(x, t) ≡ uxx(x, t). Використовуючи (5), (10), для функцiї u = u(x, t) отримуємо рiвняння u(x, t) = ϕ(x) + x(µ1(t)− µ1(0)) + x2 2h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0))+ + t∫ 0 h∫ 0 G2(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)v(ξ, τ) + c(ξ, τ)u(ξ, τ) + f(ξ, τ)− ψ(τ) ( ξµ′1(τ)+ + ξ2 2h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ) ( ϕ′′(ξ) + 1 h (µ2(τ)− µ1(τ)− µ2(0) + µ1(0)) )) dξ dτ. (11) Враховуючи вiдомi властивостi функцiй ГрiнаG2x = −G1ξ, G1 ∣∣∣∣ x=0 = G1 ∣∣∣∣ x=h = 0, шляхом дифе- ренцiювання (11) за просторовою змiнною приходимо до рiвнянь вiдносно функцiй v = v(x, t), w = w(x, t) : v(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (12) w(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT . (13) Здиференцiюємо рiвнiсть (4) для t ∈ (0, T ]. Домножаючи отриману рiвнiсть на ψ(t), знахо- димо ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 769 γ1(t)ψ(t)ut(0, t) + γ2(t)ψ(t)ut(h, t) = = µ′3(t)ψ(t)− ψ(t)(γ′1(t)u(0, t) + γ′2(t)u(h, t)), t ∈ (0, T ]. (14) Згiдно з умовами теореми 1 iснує границя правої частини рiвностi (14) при t→ 0 : lim t→0 ( µ′3(t)ψ(t)− ψ(t)(γ′1(t)u(0, t) + γ′2(t)u(h, t)) ) =M0 > 0. Це означає, що iснує границя lim t→0 (γ1(t)ψ(t)ut(0, t) + γ2(t)ψ(t)ut(h, t)) =M0 > 0. (15) Пiдставимо в (14) замiсть ut(0, t), ut(h, t) вiдповiднi значення, отриманi з рiвняння (1). Врахо- вуючи (15), (3), (4) та введенi позначення, приходимо до рiвняння вiдносно функцiї a = a(t) : a(t) = 1 γ1(t)w(0, t) + γ2(t)w(h, t) ( ψ(t)(µ′3(t)− γ′1(t)u(0, t)− γ′2(t)u(h, t))− −γ1(t)(b(0, t)µ1(t) + c(0, t)u(0, t) + f(0, t))− −γ2(t)(b(h, t)µ2(t) + c(h, t)u(h, t) + f(h, t)) ) , t ∈ [0, T ]. (16) Таким чином, обернену задачу (1) – (4) зведено до еквiвалентної системи рiвнянь (11) – (13), (16). Еквiвалентнiсть розумiємо в такому сенсi: якщо пара функцiй (a, u) є розв’язком задачi (1) – (4), то (a, u, v, w), v(x, t) ≡ ux(x, t), w(x, t) ≡ uxx(x, t) є неперервним розв’язком системи (11) – (13), (16) i, навпаки, якщо (a, u, v, w) ∈ C[0, T ]× (C(QT )) 3 є розв’язком системи рiвнянь (11) – (13), (16), то (a, u) є розв’язком задачi (1) – (4) у сенсi наведеного вище означення. Перша частина твердження випливає зi способу отримання системи рiвнянь (11) – (13), (16). Для того щоб довести зворотне твердження, потрiбно показати, що функцiї (a, u) належать до класу C[0, T ]× C2,1(QT ) ∩ C2,0(QT ) i задовольняють умови (1) – (4). Нехай (a, u, v, w) — неперервний розв’язок системи (11) – (13), (16). Припущення теореми 1 дозволяють здиференцiювати (12) по x. В результатi отримаємо vx(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT . Правi частини цiєї рiвностi та (13) збiгаються, тому w(x, t) ≡ vx(x, t). Далi здиференцiюємо (11) за просторовою змiнною: ux(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)vξ(ξ, τ) + bξ(ξ, τ)v(ξ, τ) + c(ξ, τ)uξ(ξ, τ)+ ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 770 Н. М. ГУЗИК +cξ(ξ, τ)u(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT . (17) Вiднiмемо вiдповiдно правi та лiвi частини рiвностей (12) та (17). Враховуючи, що w(x, t) ≡ ≡ vx(x, t), знаходимо v(x, t)− ux(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) c(ξ, τ)(v(ξ, τ)− uξ(ξ, τ)dξdτ. (18) Оскiльки G1(x, t, ξ, τ) ≤ G2(x, t, ξ, τ), h∫ 0 G2(x, t, ξ, τ)dξ ≤ 1, (19) то, беручи до уваги означення слабкого виродження, робимо висновок про те, що ядро однорiд- ного iнтегрального рiвняння (18) має iнтегровну особливiсть. Це означає, що це рiвняння має лише тривiальний розв’язок, i, отже, v(x, t) ≡ ux(x, t). Враховуючи це в (11), одержуємо, що u = u(x, t) має потрiбну гладкiсть та задовольняє рiвняння (1) i умови (2), (3) для довiльної неперервної на [0, T ] функцiї a = a(t). Пiдставимо в (16) замiсть w(x, t) функцiю uxx(x, t) та, використавши (3), запишемо її у виглядi γ1(t) ( a(t)uxx(0, t) + b(0, t)ux(0, t) + c(0, t)u(0, t) + f(0, t) ) + γ2(t) ( a(t)uxx(h, t)+ +b(h, t)ux(h, t) + c(h, t)u(h, t) + f(h, t) ) = ψ(t)(µ′3(t)− γ′1(t)u(0, t)− γ′2(t)u(h, t)). З огляду на рiвняння (1) отримуємо рiвнiсть( γ1(t)u(0, t) + γ2(t)u(h, t) )′ = ( µ3(t) )′ . Iнтегруючи цю рiвнiсть та використовуючи умови теореми 1, приходимо до (4), що й завершує доведення еквiвалентностi задачi (1) – (4) та системи рiвнянь (11) – (13), (16). Оскiльки u(x, t) = u(0, t) + x∫ 0 v(η, t)dη, u(x, t) = u(h, t)− h∫ x v(η, t)dη, то, враховуючи умову (4), знаходимо u(x, t) = 1 γ1(t) + γ2(t) ( µ3(t) + γ1(t) x∫ 0 v(η, t)dη − γ2(t) h∫ x v(η, t)dη ) . (20) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 771 Рiвнiсть (20) використаємо у (12), (13), (16). В результатi отримаємо систему рiвнянь вiдносно невiдомих v = v(x, t), w = w(x, t), a = a(t) : v(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη − γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) + fξ(ξ, τ)− −ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ + ϕ′(x)+ +µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (21) w(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ)+ + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη − γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) + fξ(ξ, τ)− −ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ + ϕ′′(x)+ + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (22) a(t) = 1 γ1(t)w(0, t) + γ2(t)w(h, t) ( µ′3(t)ψ(t)− µ3(t) γ1(t) + γ2(t) ( ψ(t)(γ′1(t) + γ′2(t))+ +γ1(t)c(0, t) + γ2(t)c(h, t) ) + 1 γ1(t) + γ2(t) ( ψ(t)(γ′1(t)γ2(t) + γ′2(t)γ1(t))+ +γ1(t)γ2(t)(c(0, t) + c(h, t)) ) h∫ 0 v(η, t)dη − γ1(t)(b(0, t)µ1(t) + f(0, t))− −γ2(t)(b(h, t)µ2(t) + f(h, t)) ) , t ∈ [0, T ]. (23) Встановимо апрiорнi оцiнки розв’язкiв системи рiвнянь (21) – (23). Для того щоб оцiнити функцiю w = w(x, t) знизу, дослiдимо поведiнку при t → 0 iнтегралiв, що входять до правої частини рiвностi (22). Використовуючи оцiнку ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 772 Н. М. ГУЗИК h∫ 0 |G1x(x, t, ξ, τ)| dξ ≤ C1√ θ(t)− θ(τ) , (24) робимо висновок, що iнтеграл у правiй частинi формули (22) має таку ж поведiнку при t→ 0, як i вираз t∫ 0 dτ√ θ(t)− θ(τ) + t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) ≡ J1 + J2. Оскiльки J1 = t∫ 0 ψ(τ)dθ(τ) a(τ) √ θ(t)− θ(τ) ≤ C2ψ(t) ( t∫ 0 dσ ψ(σ) ) 1 2 , (25) J2 ≤ C3 t∫ 0 dθ(τ)√ θ(t)− θ(τ) ≤ C4 ( t∫ 0 dσ ψ(σ) ) 1 2 , (26) то, враховуючи означення слабкого виродження, стверджуємо, що iнтеграли J1, J2 прямують до нуля при t → 0. Тодi, згiдно з умовами теореми, у правiй частинi формули (22) при t = 0 вiдмiнним вiд нуля є лише другий доданок. Сума двох iнших прямує до нуля при t→ 0. Таким чином, можна вказати таке число t1, 0 < t1 ≤ T, що буде виконуватися нерiвнiсть 1 2 ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) + t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ)+ +(bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ) + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη− −γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + +a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ ≥ 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1]. (27) Тодi з (22) отримаємо оцiнку для w = w(x, t) знизу w(x, t) ≥ 1 2 min [0,h] ϕ′′(x) ≡M1 > 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1]. (28) Аналогiчно, враховуючи (19) та означення слабкого виродження, стверджуємо, що v(x, t) ≥ 1 2 min [0,h] ϕ′(x) ≡M2 > 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t2]. (29) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 773 Число t2, 0 < t2 ≤ T, визначається з нерiвностi 1 2 ϕ′(x) + µ1(t)− µ1(0) + x h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)) + µ1(t)− µ1(0)+ + t∫ 0 h∫ 0 G1(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)w(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))v(ξ, τ) + cξ(ξ, τ) γ1(τ) + γ2(τ) × × ( µ3(τ) + γ1(τ) ξ∫ 0 v(η, τ)dη − γ2(τ) h∫ ξ v(η, τ)dη ) − ψ(τ) ( µ′1(τ) + ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + +fξ(ξ, τ) + a(τ)ϕ′′′(ξ) ) dξ dτ ≥ 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t2]. Оцiнки (28), (29) та умови теореми 1 забезпечують додатнiсть функцiї a = a(t) на вiдрiзку [0, t3], де t3 = min{t1, t2}. Позначимо V (t) = maxx∈[0,h] v(x, t), W (t) = maxx∈[0,h]w(x, t). З рiвняння (21) випливає, що v(0, t) = µ1(t). Тодi для функцiй v = v(x, t), w = w(x, t) правильним є спiввiдношення v(x, t) = µ1(t) + x∫ 0 w(η, t)dη, (30) а тому V (t) ≤ C5 + C6W (t), t ∈ [0, T ]. (31) З (23), враховуючи (28), (31), одержуємо a(t) ≤ C7 + C8W (t), t ∈ [0, t1]. (32) Далi оцiнимо функцiю w(x, t) зверху. Виходячи з рiвняння (22) та використовуючи оцiнки (24), (31), (32), для функцiї W =W (t) отримуємо нерiвнiсть W (t) ≤ C9 t∫ 0 W (τ)dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) + C10 t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) + +C11 t∫ 0 dτ√ θ(t)− θ(τ) + C12, t ∈ [0, t1]. (33) Позначивши W1(t) ≡W (t) + 1, останню нерiвнiсть зведемо до вигляду W1(t) ≤ C13 + C14 t∫ 0 W1(τ)dτ ψ(τ) √ θ(t)− θ(τ) , t ∈ [0, t1]. (34) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 774 Н. М. ГУЗИК Введемо позначення amin(t) = min0≤τ≤t a(τ), θ0(t) = ∫ t 0 dτ ψ(τ) . З рiвняння (23), враховуючи оцiнку (29), знаходимо amin(t) ≥ C15 W1(t) , t ∈ [0, t2]. (35) Тодi нерiвнiсть (34) можна записати у виглядi W1(t) ≤ C13 + C14 t∫ 0 W1(τ)dτ√ amin(τ)ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) ≤ ≤ C13 + C16 t∫ 0 W 2 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) , t ∈ [0, t3]. (36) Пiднесемо обидвi частини нерiвностi (36) до квадрату i використаємо нерiвнiсть Кошi: W 2 1 (t) ≤ 2C2 13 + 2C2 16 ( t∫ 0 W 2 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) )2 . (37) До iнтеграла у правiй частинi нерiвностi (37) застосуємо нерiвнiсть Кошi – Буняковського: t∫ 0 W 2 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) 2 ≤ t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) . Розглянемо iнтеграл t∫ 0 dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) = t∫ 0 dθ0(τ)√ θ0(t)− θ0(τ) = 2  t∫ 0 dσ ψ(σ)  1 2 ≤ C17. Враховуючи отриманий результат у нерiвностi (37), одержуємо W 2 1 (t) ≤ C18 + C19 t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(t)− θ0(τ) , t ∈ [0, t3]. (38) У нерiвностi (38) замiнимо t на σ, домножимо її на 1 ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) та зiнтегруємо по σ вiд 0 до t : t∫ 0 W 2 1 (σ)dτ ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) ≤ C20 + C19 t∫ 0 dσ ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) σ∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) √ θ0(σ)− θ0(τ) . Змiнюючи межi iнтегрування та використовуючи рiвнiсть t∫ τ dσ ψ(σ) √ (θ0(t)− θ0(σ))(θ0(σ)− θ0(τ)) = π, ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 775 приходимо до нерiвностi t∫ 0 W 2 1 (σ)dτ ψ(σ) √ θ0(t)− θ0(σ) ≤ C20 + C21 t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) . (39) Використовуючи нерiвнiсть (39), нерiвнiсть (36) зводимо до вигляду W1(t) ≤ C22 + C23 t∫ 0 W 4 1 (τ)dτ ψ(τ) . (40) Розв’язуючи (40), як в [11], отримуємо W1(t) ≤ C22 3 √ 1− 3C3 22C23 ∫ t4 0 dτ ψ(τ) ≡M3, t ∈ [0, t4], де число t4, 0 < t4 ≤ t3, визначається з нерiвностi 1− 3C3 22C23 t4∫ 0 dτ ψ(τ) > 0. Повертаючись до введених позначень, одержуємо |w(x, t)| ≤M3, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t4]. (41) Оцiнка (41) дозволяє оцiнити функцiї v = v(x, t), a = a(t). Для цього використаємо (31), (32) та (35): |v(x, t)| ≤M4, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t4], (42) 0 < A1 ≤ a(t) ≤ A2 < +∞, t ∈ [0, t4]. (43) Таким чином, апрiорнi оцiнки розв’язкiв системи рiвнянь (21) – (23) встановлено. Розглянемо систему рiвнянь (21) – (23) як операторне рiвняння W = PW, де W = (v, w, a), а оператор P визначається правими частинами рiвностей (21) – (23) вiдпо- вiдно. Апрiорнi оцiнки (41) – (43) розв’язкiв системи рiвнянь (21) – (23) використаємо для побудови множини N такої, щоб виконувались умови теореми Шаудера про нерухому точку цiлком неперервного оператора. Для цього виберемо число T0, 0 < T0 ≤ t4, так, щоб виконувалась система нерiвностей C12 + C24√ A1 (1 +A2 +M3 +M4) ( t∫ 0 dτ ψ(τ) ) 1 2 ≤M3, t ∈ [0, T0], (44) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 776 Н. М. ГУЗИК µ1(t) + ϕ′(x)− µ1(0) + (µ2(t)− µ1(0)− µ2(0) + µ1(0))+ +C25(1 +A2 +M3 +M4) t∫ 0 dτ ψ(τ) ≤M4, (x, t) ∈ [0, h]× [0, T0]. (45) Зауважимо, що нерiвностi (44), (45) отримано шляхом оцiнювання правих частин рiвностей (22), (21) вiдповiдно з урахуванням (41) – (43). Те, що стала C12 < M3, випливає з (33). Покладаючи в рiвностi (30) t = 0, знаходимо ϕ′(x)− µ1(0) = x∫ 0 ϕ′′(η)dη, x ∈ [0, h]. Тодi нерiвнiсть max (x,t)∈[0,h]×[0,T0] (µ1(t) + ϕ′(x)− µ1(0)) < M4 випливає з означення сталих M3, M4. У банаховому просторi B = (C(QT0)) 2 × C[0, T0] виберемо множину N = {(v, w, a) ∈ B : M2 ≤ v(x, t) ≤ M4,M1 ≤ w(x, t) ≤ M3, (x, t) ∈ [0, h] × [0, T0], A1 ≤ ≤ a(t) ≤ A2, t ∈ [0, T0]}. З побудови множиниN робимо висновок, що вона замкнена й опукла, а оператор P переводить її в себе. Щоб показати, що оператор P є цiлком неперервним, достат- ньо довести компактнiсть таких iнтегральних операторiв: P1 : ω(x, t)→ t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ)ω(ξ, τ) dξ dτ, P2 : ω(x, t)→ t∫ 0 h∫ 0 G1x(x, t, ξ, τ) ψ(τ) ω(ξ, τ) dξ dτ. Доведення цього факту у випадку слабкого виродження проводиться за тiєю ж схемою, що й у невиродженому випадку [7, с. 24]. Таким чином, всi умови теореми Шаудера виконуються, а це означає, що iснує розв’язок (v, w, a) системи рiвнянь (21) – (23) при x ∈ [0, h], t ∈ [0, T0]. Пiсля цього функцiю u = u(x, t) знаходимо, виходячи з рiвняння (20). Враховуючи еквiвалентнiсть задачi (1) – (4) та системи (11) – (13), (16), отримуємо iснування розв’язку задачi (1) – (4) на звуженому часовому промiжку. Теорему 1 доведено. 4. Єдинiсть розв’язку. Встановимо умови, при виконаннi яких розв’язок задачi (1) – (4) буде єдиним. Теорема 2. Якщо виконуються умови ϕ′′(x) > 0, x ∈ [0, h], γi(t) ≥ 0, i = 1, 2, γ1(t) + γ2(t) > 0, t ∈ [0, T ], то розв’язок задачi (1) – (4) єдиний при (x, t) ∈ [0, h] × [0, t1], де число t1 визначається з нерiвностi (27). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 777 Доведення. Припустимо, що iснують два розв’язки (ai, ui), i = 1, 2, задачi (1) – (4). Рiз- ницi цих розв’язкiв позначимо через a(t) = a1(t) − a2(t), u(x, t) = u1(x, t) − u2(x, t). Вони задовольняють рiвняння ψ(t)ut = a1(t)uxx + b(x, t)ux + c(x, t)u+ a(t)u2xx, (x, t) ∈ QT , (46) та умови u(x, 0) = 0, x ∈ [0, h], (47) ux(0, t) = ux(h, t) = 0, t ∈ [0, T ], (48) γ1(t)u(0, t) + γ2(t)u(h, t) = 0, t ∈ [0, T ]. (49) За допомогою функцiї Грiна G∗2(x, t, ξ, τ) другої крайової задачi для рiвняння ψ(t)ut = a1(t)uxx + b(x, t)ux (50) задачу (46) – (48) замiнимо еквiвалентним iнтегральним рiвнянням u(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, τ) (c(ξ, τ)u(ξ, τ) + a(τ)u2ξξ(ξ, τ)) dξ dτ. (51) Як i при доведеннi iснування розв’язку, для другої похiдної за просторовою змiнною функцiї u2 = u2(x, t) вiдповiдної задачi (1) – (4) отримуємо рiвняння u2xx(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G (2) 1x (x, t, ξ, τ) ψ(τ) ( b(ξ, τ)u2ξξ(ξ, τ) + (bξ(ξ, τ) + c(ξ, τ))u2ξ(ξ, τ)+ +cξ(ξ, τ)u2(ξ, τ) + fξ(ξ, τ)− ψ(τ) ( µ′1(τ)− ξ h (µ′2(τ)− µ′1(τ)) ) + a2(τ)ϕ ′′′(ξ) ) dξ dτ+ +ϕ′′(x) + 1 h (µ2(t)− µ1(t)− µ2(0) + µ1(0)), (x, t) ∈ QT , (52) де через G(2) 1 = G (2) 1 (x, t, ξ, τ) позначено функцiю Грiна першої крайової задачi для рiвняння ut = a2(t) ψ(t) uxx. Тодi iснує число t1, 0 < t1 ≤ T, яке визначається з нерiвностi, аналогiчної до (27), таке, що для функцiї u2xx = u2xx(x, t) правильною залишатиметься оцiнка (28). Здиференцiюємо умову (49). Враховуючи (46) – (48), приходимо до рiвняння a(t) = − 1 γ1(t)u2xx(0, t) + γ2(t)u2xx(h, t) ( (γ′1(t)ψ(t) + γ1(t)c(0, t))u(0, t)+ +(γ′2(t)ψ(t) + γ2(t)c(h, t))u(h, t) ) , t ∈ [0, t1]. (53) ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 778 Н. М. ГУЗИК Використовуючи рiвняння (53) у (51), отримуємо u(x, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, τ) ( c(ξ, τ)u(ξ, τ)− u2ξξ(ξ, τ) γ1(τ)u2ξξ(0, τ) + γ2(τ)u2ξξ(h, τ) × × ( (γ′1(τ)ψ(τ) + γ1(τ)c(0, τ))u(0, τ) + (γ′2(τ)ψ(τ) + γ2(τ)c(h, τ))u(h, τ) )) dξ dτ, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1]. (54) До рiвняння (54) приєднаємо ще два рiвняння вiдносно u(0, t), u(h, t) : u(0, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(0, t, ξ, τ) ( c(ξ, τ)u(ξ, τ)− u2ξξ(ξ, τ) γ1(τ)u2ξξ(0, τ) + γ2(τ)u2ξξ(h, τ) × × ( (γ′1(τ)ψ(τ) + γ1(τ)c(0, τ))u(0, τ) + (γ′2(τ)ψ(τ) + γ2(τ)c(h, τ))u(h, τ) )) dξ dτ, t ∈ [0, t1], (55) u(h, t) = t∫ 0 h∫ 0 G∗2(h, t, ξ, τ) ( c(ξ, τ)u(ξ, τ)− u2ξξ(ξ, τ) γ1(τ)u2ξξ(0, τ) + γ2(τ)u2ξξ(h, τ) × × ( (γ′1(τ)ψ(τ) + γ1(τ)c(0, τ))u(0, τ) + (γ′2(τ)ψ(τ) + γ2(τ)c(h, τ))u(h, τ) )) dξ dτ, t ∈ [0, t1]. (56) В результатi одержуємо систему однорiдних iнтегральних рiвнянь Вольтерра другого роду вiдносно функцiй u(x, t), u(0, t), u(h, t). Щоб дослiдити iнтегровнiсть ядер цiєї системи, розглянемо пряму задачу для рiвняння (50) з початковою умовою u(x, 0) = 1, x ∈ [0, h], (57) та крайовими умовами (48). Використовуючи функцiю Грiна G∗2(x, t, ξ, τ), розв’язок цiєї задачi подамо у виглядi u(x, t) = h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, 0)dξ. З iншого боку, безпосередньою перевiркою легко переконатись, що розв’язком цiєї задачi є функцiя u(x, t) = 1. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6 НЕЛОКАЛЬНА ОБЕРНЕНА ЗАДАЧА ДЛЯ ПАРАБОЛIЧНОГО РIВНЯННЯ З ВИРОДЖЕННЯМ 779 Звiдси робимо висновок, що h∫ 0 G∗2(x, t, ξ, 0)dξ = 1. На пiдставi останньої рiвностi можемо стверджувати, що ядра системи рiвнянь (54) – (55) мають iнтегровнi особливостi. Це означає, що ця система має лише тривiальний розв’язок u(x, t) ≡ 0, (x, t) ∈ [0, h]× [0, t1], u(0, t) ≡ 0, u(h, t) ≡ 0, t ∈ [0, t1]. Пiдставляючи його в рiвняння (53), знаходимо a(t) ≡ 0, t ∈ [0, t1]. Теорему 2 доведено. 1. Jones B. F. The determination of a coefficient in a parabolic differential equation. I. Existence and uniqueness // J. Math. and Mech. – 1962. – 11, № 5. – Р. 907 – 918. 2. Cannon J. R., Rundell W. Recovering a time-dependent coefficient in a parabolic differential equation // J. Math. Anal. and Appl. – 1991. – 160. – P. 572 – 582. 3. Azari H., Li C., Nie Y., Shang S. Determination of an unknown coefficient in a parabolic inverse problem // Dynamics of Continuos, Discrete and Impulsive Systems. Ser. A: Math. Analysis. – 2004. – 11. – P. 665 – 674. 4. Березницька I. Б., Дребот А. Й., Iванчов М. I., Макар Ю. М. Обернена задача для рiвняння теплопровiдностi з iнтегральним перевизначенням // Вiсн. Львiв. ун-ту. Сер. мех.-мат. – 1997. – Вип. 48. – С. 71 – 79. 5. Иванчов Н. И. Некоторые обратные задачи для уравнения теплопроводности с нелокальными краевыми усло- виями // Укр. мат. журн. – 1993. – 45, № 8. – С. 1066 – 1071. 6. Hong-Ming Yin. Recent and new results on detetmination of unknown coefficients in parabolic patial differential equations with over-spesified conditions // Inverse Problems in Diffusion Processes. – 1995. – P. 181 – 198. 7. Ivanchov M. Inverse problems for equations of parabolic type. – Lviv: VNTL Publ., 2003. 8. Салдiна Н. В. Сильно вироджена обернена параболiчна задача з загальною поведiнкою коефiцiєнтiв // Вiсн. Львiв. ун-ту. Сер. мех.-мат. – 2006. – Вип. 66. – С. 186 – 202. 9. Saldina N. An inverse problem for a generally degenerate heat equation // Вiсн. нац. ун-ту „Львiв. полiтехнiка”. Фiз.-мат. науки. – 2006. – Вип. 566. – С. 59 – 67. 10. Калашников А. С. О растущих решениях линейных уравнений второго порядка с неотрицательной характерис- тической формой // Мат. заметки. – 1968. – 3, № 2. – С. 171 – 178. 11. Ivanchov M., Hryntsiv N. Inverse problem for a weakly degenerate parabolic equation in a domain with free boundary // J. Math. Sci. – 2010. – 167, № 1. – P. 16 – 29. Одержано 22.05.12, пiсля доопрацювання — 04.03.13 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2013, т. 65, № 6