О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач

Триточкова крайова задача для системи нелiнiйних диференцiальних рiвнянь зводиться до сiм’ї двоточкових задач, розв’язки яких дослiджуються iз застосуванням чисельно-аналiтичної технiки....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2004
Hauptverfasser: Ронто, А.Н., Щобак, Н.Н., Ронто, M.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут математики НАН України 2004
Schriftenreihe:Нелінійні коливання
Online Zugang:http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177014
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 параметризации трехточечных нелинейных краевых задач / А.Н. Ронто, M. Ронто, Н.Н. Щобак // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 3. — С. 395-413. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id irk-123456789-177014
record_format dspace
spelling irk-123456789-1770142021-02-10T01:25:46Z О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач Ронто, А.Н. Щобак, Н.Н. Ронто, M. Триточкова крайова задача для системи нелiнiйних диференцiальних рiвнянь зводиться до сiм’ї двоточкових задач, розв’язки яких дослiджуються iз застосуванням чисельно-аналiтичної технiки. A three-point boundary-value problem for a system of nonlinear differential equations is transformed to a certain family of two-point problems, whose solutions are investigated by using numerical-analytic techniques. 2004 Article О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач / А.Н. Ронто, M. Ронто, Н.Н. Щобак // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 3. — С. 395-413. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1562-3076 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177014 517.9 ru Нелінійні коливання Інститут математики НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
description Триточкова крайова задача для системи нелiнiйних диференцiальних рiвнянь зводиться до сiм’ї двоточкових задач, розв’язки яких дослiджуються iз застосуванням чисельно-аналiтичної технiки.
format Article
author Ронто, А.Н.
Щобак, Н.Н.
Ронто, M.
spellingShingle Ронто, А.Н.
Щобак, Н.Н.
Ронто, M.
О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
Нелінійні коливання
author_facet Ронто, А.Н.
Щобак, Н.Н.
Ронто, M.
author_sort Ронто, А.Н.
title О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
title_short О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
title_full О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
title_fullStr О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
title_full_unstemmed О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
title_sort о параметризации трехточечных нелинейных краевых задач
publisher Інститут математики НАН України
publishDate 2004
url http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/177014
citation_txt О параметризации трехточечных нелинейных краевых задач / А.Н. Ронто, M. Ронто, Н.Н. Щобак // Нелінійні коливання. — 2004. — Т. 7, № 3. — С. 395-413. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
series Нелінійні коливання
work_keys_str_mv AT rontoan oparametrizaciitrehtočečnyhnelinejnyhkraevyhzadač
AT ŝobaknn oparametrizaciitrehtočečnyhnelinejnyhkraevyhzadač
AT rontom oparametrizaciitrehtočečnyhnelinejnyhkraevyhzadač
first_indexed 2025-07-15T14:58:27Z
last_indexed 2025-07-15T14:58:27Z
_version_ 1837725393128259584
fulltext УДК 517.9 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ А. Н. Ронто Ин-т математики НАН Украины Украина, 01601, Киев, ул. Терещенковская, 3 e-mail: ar@imath.kiev.ua М. Ронто Inst. Math., Univ. Miskolc 3515, Miskolc, Miskolc-Egyetemváros, Hungary e-mail: matronto@gold.uni-miskolc.hu Н. М. Щобак Ужгород. нац. ун-т Украина, Ужгород, ул. Университетская, 14 e-mail: math1@univ.uzhgorod.ua A three-point boundary-value problem for a system of nonlinear differential equations is transformed to a certain family of two-point problems, whose solutions are investigated by using numerical-analytic techniques. Триточкова крайова задача для системи нелiнiйних диференцiальних рiвнянь зводиться до сiм’ї двоточкових задач, розв’язки яких дослiджуються iз застосуванням чисельно-аналiтичної тех- нiки. 1. Введение. В настоящей работе рассматривается один подход к исследованию систе- мы n нелинейных дифференциальных уравнений, подчиненных n линейным трехточе- чным условиям, основанный на сведении исходной задачи к n-параметрическому семей- ству подходящих двухточечных задач. Строится численно-аналитическая схема исследо- вания существования решения и приближенного его нахождения с помощью метода ите- ративного типа, часть вычислений по которому выполняется в аналитическом виде. Известны различные методы изучения краевых задач, в том числе содержащих не- известные параметры. Так, разнообразные итерационные схемы используются в [1 – 4]. В [5, 6] применяются метод осреднения функциональных поправок и другие проекционно- итеративные методы. Оценки числа решений некоторых сингулярных двухточечных за- дач с параметрами получены в [7] топологическими методами. Различные варианты ме- тода продолжения по параметру исследовались в [8]. Имеется большое количество работ, в которых различные двухточечные и многоточечные краевые задачи исследуются чис- ленными методами (см., например, работы [9, 10] и приведенную в них библиографию). Заметим, что техника большинства исследований, посвященных численному отыска- нию решений краевых задач, основывается на методе пристрелки (см., например, [9 – 12]). В частности, в [9] рассматривается двухточечная задача вида c© А. Н. Ронто, М. Ронто, Н. М. Щобак, 2004 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 395 396 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК y′(x) = f(x, y(x), λ1, λ2, . . . , λm), x ∈ [a, b], (1.1) Ay(a) + By(b) = γ, (1.2) где y : [a, b] → Rn, A и B — некоторые заданные матрицы размерности (m + n)× n, а λ1, λ2, . . . , λm — неизвестные параметры. Метод пристрелки для задачи (1.1), (1.2) состоит в том, что эта двухточечная задача заменяется задачей Коши для того же уравнения с условиями y(a) = s, (1.3) причем значения неизвестных параметров λ = col(λ1, λ2, . . . , λm) и s = col(s1, s2, . . . , sn) в решении y(·, s, λ) задачи (1.1), (1.3) требуется определить из n + m уравнений Ay(a, s, λ) + By(b, s, λ) = γ. (1.4) Утверждается, что двухточечная задача (1.1), (1.2) имеет столько же решений, сколько система уравнений (1.4). Главным в этом подходе является численное составление и ис- следование уравнения (1.4), что возможно, очевидно, лишь тогда, когда начальные задачи (1.1), (1.3) имеют на отрезке [a, b] единственное решение при произвольных значениях λ и s. В связи с этим обычно предполагают, что функция f в правой части (1.1) непрерывна на всем пространстве и везде удовлетворяет условию Липшица по y ∈ Rn. При использовании численных методов, как правило, не рассматриваются случаи, когда ищутся решения, принимающие значения в заданном (возможно, ограниченном) замкнутом множестве D ⊂ Rn, и, соответственно, подходящие условия регулярности на- кладываются на функцию f только на множестве [a, b] × D × Rm. Например, в случае скалярной двухточечной задачи (1.2) для уравнения y′(x) = y2(x), x ∈ [a, b], (1.5) глобальному условию Липшица правая часть (1.5), очевидно, не удовлетворяет. Локаль- ное решение соответствующей задачи Коши (1.5), (1.3) имеет вид y(x, s) = − 1 x− s−1 − a , x ∈ [a, b]. Следовательно, если 0 ≤ s−1 ≤ b − a, то решение начальной задачи (1.5), (1.3) непро- должимо на весь промежуток [a, b], и поэтому даже составление уравнения (1.4) не имеет смысла. Указанные трудности в ряде случаев можно преодолеть с использованием подходя- щих численно-аналитических методов (см., например, [13 – 18]). 2. Постановка задачи. Рассмотрим трехточечную краевую задачу с неразделяющи- мися линейными краевыми условиями вида x′(t) = f(t, x(t)), t ∈ [0, T ], (2.1) Ax(0) + Bx(ξ) + x(T ) = d, (2.2) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 397 где f : [0, T ] ×D → Rn, D — замыкание ограниченной области в Rn, {A,B} ⊂ GLn(R), ξ ∈ (0, T ). В данной работе указывается один способ исследования разрешимости зада- чи (2.1), (2.2), основанный на введении в краевые условия подходящего числа параметров и позволяющий в аналитическом виде строить приближенные решения. Предполагается, что функция f : [0, T ]×D → Rn непрерывна и, кроме того, найдет- ся такая постоянная матрица K с неотрицательными компонентами {kij}n i,j=1, что при произвольных {u, v} ⊂ D имеет место неравенство |f(t, u)− f(t, v)| ≤ K|u− v|. (2.3) Здесь и всюду далее знаки ≤, ≥, |·|, max и min понимаются покомпонентно. К виду (2.2), очевидно, всегда можно привести трехточечное краевое условие Ax(0) + Bx(ξ) + Cx(T ) = d с неособенной матрицей C (достаточно заменить A, B и d в (2.2) на C−1A, C−1B и C−1d соответственно). Условие (2.2) неразделяющееся, если только обе матрицы A и B не рав- ны нулю. Определение 2.1. Для произвольного вектора ρ = col(ρ1, ρ2, . . . , ρn) с неотрицатель- ными компонентами под открытой ρ-окрестностью вектора x = col(x1, x2, . . . , xn) будем понимать множество B(x, ρ), состоящее из тех y = col(y1, y2, . . . , yn), для кото- рых выполняются неравенства |yk − xk| < ρk, k = 1, 2, . . . , n. Принадлежность вектора y замкнутой ρ-окрестности B̄(x, ρ) вектора x определяется неравенствами |yk − xk| ≤ ρk, k = 1, 2, . . . , n. (2.4) Замечание 2.1. Покомпонентные оценки типа (2.3), (2.4), как правило, точнее соот- ветствующих неравенств в терминах норм, поскольку полнее используют алгебраичес- кую структуру пространства Rn. По заданной функции f определим вектор δD(f) := 1 2 [ max (t,x)∈[0,T ]×D f(t, x)− min (t,x)∈[0,T ]×D f(t, x) ] . (2.5) Справедлива оценка [16, 19] δD(f) ≤ max (t,x)∈[0,T ]×D |f(t, x)|. (2.6) Напомним, что операции вычисления абсолютной величины, максимума и минимума здесь понимаются в покомпонентном смысле. Равенство в (2.6) имеет место тогда и толь- ко тогда, когда max (t,x)∈[0,T ]×D fk(t, x) = − min (t,x)∈[0,T ]×D fk(t, x) для каждого k = 1, 2, . . . , n. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 398 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК Далее, для {z, λ} ⊂ Rn положим β(z, λ) := T 2 δD(f) + |d−Bλ− (A + 1n)z|, (2.7) где 1n — единичная матрица размерности n. Ограничимся рассмотрением класса краевых задач вида (2.1), (2.2), для которых мак- симальное собственное значение r(K) неотрицательной матрицы K в условии Липшица (2.3) удовлетворяет условию∗ r(K) < 10 3T . (2.8) 3. Преобразование к двухточечной задаче с параметром в краевых условиях. За- меним значение искомого решения задачи (2.1), (2.2) в точке ξ вектором n параметров (λk)n k=1, принимающим значения в некотором множестве Λ ⊂ D: x(ξ) = λ. (3.1) Любая функция x, для которой справедливы соотношения (3.1) и (2.2), очевидно, удовле- творяет равенству Ax(0) + x(T ) = d−Bλ. (3.2) Будем рассматривать задачу (2.1), (3.2), в которой двухточечное краевое условие (3.2) содержит неизвестный параметр λ ∈ Λ. Замечание 3.1. Ясно, что множество решений исходной трехточечной задачи (2.1), (2.2) совпадает с множеством тех решений n-параметрического семейства двухточечных задач (2.1), (3.2), которые удовлетворяют дополнительному условию (3.1). Допустим, что определенное формулой Γ := { z ∈ D : B(z, β(z, λ)) ⊂ D для всех λ ∈ Λ } , (3.3) где β : D × Λ → Rn + задано равенством (2.7), подмножество Γ множества D непусто: Γ 6= ∅. Свяжем с параметризованной задачей (2.1), (3.2) последовательность функций xm+1(t, z, λ) := z + t∫ 0 f(s, xm(s, z, λ))ds− tT−1 T∫ 0 f(s, xm(s, z, λ))ds+ + tT−1[d−Bλ−Az − z], (3.4) где λ ∈ Λ, z ∈ Γ, m = 0, 1, 2, . . . , x0(t, z, λ) ≡ z. Нетрудно проверить, что при каждом m ≥ 0 и всех значениях параметров λ ∈ Λ и z ∈ Γ справедливо равенство xm(0, z, λ) = z и, кроме того, xm(T, z, λ) = d−Bλ−Az, (3.5) ∗См. п. 4, замечание 4.4. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 399 т. е. функция (3.4) удовлетворяет двухточечному условию (3.2). Замечание 3.2. Двухточечное условие (3.2), очевидно, содержит в явном виде только некоторые p из параметров λ1, λ2, . . . , λn, где p = rankB. Поэтому соотношение (3.1), согласно которому осуществляется переход от трехточечного условия (2.2) к двухточеч- ному условию (3.2), можно заменить равенством Bx(ξ) = Bλ. (3.6) Иными словами, достаточно рассматривать только те решения двухточечной задачи (2.1), (3.2), для которых выполнено дополнительное условие (3.6). При этом сразу исключа- ются из рассмотрения те n − p параметров, значения которых определять не требуется. В случае, когда p = n (т. е. det B 6= 0), условия (3.6) и (3.1), очевидно, означают одно и то же. Можно было бы также построить подобную схему, заменив трехточечное условие (2.2) условием Ax(0) + x(T ) = d− µ (3.7) и искать те решения x двухточечной задачи (2.1), (3.7), для которых Bx(ξ) = µ. 4. Сходимость последовательных приближений. Укажем условия, достаточные для равномерной сходимости рекуррентной последовательности функций (3.4), и установим связь ее предела с множествами решений задач (2.1), (2.2) и (2.1), (3.2). Теорема 4.1. Предположим, что для непрерывной функции f : [0, T ]×D → Rn выпол- нено условие (2.3) с матрицей K, для которой имеет место неравенство (2.8). Пусть, кроме того, матрицы A, B и вектор d таковы, что Γ 6= ∅. Тогда: 1) последовательность (3.4) сходится равномерно по t ∈ [0, T ] при всех (z, λ) ∈ ∈ Γ× Λ; 2) предельная функция x∗(t, z, λ) := lim m→+∞ xm(t, z, λ) (4.1) последовательности (3.4) при всех (z, λ) ∈ Γ × Λ представляет собой единственное решение интегрального уравнения x(t) := z + t∫ 0 f(s, x(s))ds− tT−1 T∫ 0 f(s, x(s))ds+ + tT−1[d−Bλ−Az − z], t ∈ [0, T ], (4.2) или, что то же, единственное решение интегро-дифференциального уравнения x′(t) = f(t, x(t)) + T−1∆(z, λ), t ∈ [0, T ], (4.3) где ∆(z, λ) := d−Bλ−Az − z − T∫ 0 f(s, x∗(s, z, λ))ds (4.4) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 400 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК для (z, λ) ∈ Γ× Λ, удовлетворяющее краевым условиям (3.2); 3) для всех (t, z, λ) ∈ [0, T ]× Γ× Λ справедлива оценка |x∗(t, z, λ)− xm(t, z, λ)| ≤ h(t, z, λ), (4.5) где h(t, z, λ) := 20t 9 ( 1− t T ) Qm(1n −Q)−1[δD(f) + K|d−Bλ−Az − z|] и Q := 3T 10 K. Доказательство. Будем рассуждать стандартным образом, т. е. покажем, что после- довательность (3.4) является фундаментальной последовательностью в банаховом про- странстве C([0, T ], Rn) с обычной нормой. Докажем сначала, что при (z, λ) ∈ Γ × Λ зна- чения всех функций (3.4) содержатся в D. Для каждой непрерывной функции x : [0, T ] → → Rn имеет место оценка (см., например, [17], лемма 4, случай θ(t) = t)∣∣∣∣∣∣ t∫ 0 x(τ)− 1 T T∫ 0 x(s)ds  dτ ∣∣∣∣∣∣ ≤ 1 2 α1(t) [ max τ∈[0,T ] x(τ)− min τ∈[0,T ] x(τ) ] , где α1(t) := 2t ( 1− tT−1 ) , t ∈ [0, T ]. (4.6) Очевидно, maxt∈[0,T ] α1(t) = T/2. Поэтому при m = 0 из (3.4), в силу (2.5) и (2.7), вытека- ет, что для произвольных (t, z, λ) ∈ [0, T ]× Γ× Λ |x1(t, z, λ)− z| ≤ α1(t)δD(f) + |d−Bλ− z −Az| ≤ β(z, λ). Следовательно, в силу (3.3), при всех таких (t, z, λ) имеем xm(t, z, λ) ∈ D, m = 0, 1, 2, . . . . Рассуждая по аналогии с доказательством теоремы 1 из [20], можно показать, что при всех m ≥ 0, j ≥ 0 и (t, z, λ) ∈ [0, T ]× Γ× Λ |xm+j(t, z, λ)− xm(t, z, λ)| ≤ 10t 9 α1(t)Qm [j−1∑ i=0 QiδD(f)+ + K j−1∑ i=0 Qi−1|d−Bλ− z −Az| ] . (4.7) Поскольку, в силу (2.8), limm→+∞Qm = 0 и ∑+∞ i=0 Qi = (1n − Q)−1, из (4.7) очевидно, что последовательность (3.4) фундаментальна в равномерной метрике. Устремляя в (4.7) j к +∞, получаем, что равномерный предел (4.1) последовательности (3.4) удовлетворя- ет неравенству (4.5). Переходя к пределу при m → +∞ в (3.4) и (3.5), убеждаемся, что функция (4.1) удовлетворяет уравнениям (4.2), (4.3) и условию (3.2). Теорема доказана. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 401 Замечание 4.1. Из вида уравнения (4.2) ясно, что его единственное в условиях теоре- мы 4.1 решение (4.1) при всех (z, λ) ∈ Γ× Λ удовлетворяет условию x∗(0, z, λ) = z. (4.8) Замечание 4.2. При исследовании содержащих параметры задач типа (2.1), (3.2) в не- которых работах строятся два разных итерационных процесса для неизвестной функции и для вектора параметров [3, 14, 15]. Вид „возмущенного” уравнения (4.3) наводит на мысль, что параметризованную кра- евую задачу (2.1), (3.2) можно интерпретировать как семейство задач Коши x(0) = z (4.9) для дифференциальных уравнений вида x′(t) = f(t, x(t)) + µ, t ∈ [0, T ], (4.10) где вектор параметров µ принимает значения в соответствующем множестве. Более точ- но, имеет место следующее утверждение. Теорема 4.2. Предположим, что выполнены условия теоремы 4.1. Пусть (z, λ) ∈ ∈ Γ × Λ и µ ∈ Rn. Тогда для того чтобы некоторое решение задачи Коши (4.10), (4.9) удовлетворяло также и двухточечным условиям (3.2), необходимо и достаточно, что- бы параметр µ в (4.10) был задан равенством µ = 1 T ∆(z, λ), (4.11) где ∆ : Γ× Λ → Rn — функция, определенная формулой (4.4). Замечание 4.3. Из теоремы 4.1 вытекает, что в указанных выше условиях при всех (z, λ) ∈ Γ × Λ существует предельная функция (4.1) рекуррентной последовательности (3.4), и, следовательно, отображение (4.4) определено однозначным образом. Доказательство теоремы 4.2. Достаточность. Пусть в (4.10) µ = T−1∆(z, λ), где z и λ — некоторые заданные векторы из Γ и Λ соответственно, а ∆ определено форму- лой (4.4). Согласно замечанию 4.3, выражение ∆(z, λ) имеет смысл при всех (z, λ) ∈ Γ×Λ. Из теоремы 4.1 следует, что при заданных z и λ равномерный предел (4.1) соответству- ющей последовательности (3.4) является единственным решением двухточечной задачи (4.3), (3.2). Как указано в замечании 4.1, эта функция удовлетворяет и начальному усло- вию (4.8), т. е. является решением задачи Коши (4.10), (4.9) при заданном формулой (4.11) значении параметра µ. Необходимость. Пусть z ∈ Γ, λ ∈ Λ и µ̄ ∈ Rn — произвольным образом заданные векторы и x̄ : [0, T ] → Rn — решение задачи Коши (4.9) для уравнения x′(t) = f(t, x(t)) + µ̄, t ∈ [0, T ], (4.12) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 402 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК при заданном значении λ удовлетворяющее двухточечному условию (3.2). Предположим, что найдется некоторое другое значение ¯̄µ, при котором некоторое решение ¯̄x задачи (4.9) для уравнения x′(t) = f(t, x(t)) + ¯̄µ, t ∈ [0, T ], (4.13) удовлетворяет двухточечному условию (3.2). Из (4.9), (4.12) и (4.13) очевидно, что функ- ции x̄ и ¯̄x удовлетворяют интегральным уравнениям x̄(t) = z + t∫ 0 f(s, x̄(s))ds + µ̄t, t ∈ [0, T ], (4.14) и ¯̄x(t) = z + t∫ 0 f(s, ¯̄x(s))ds + ¯̄µt, t ∈ [0, T ], (4.15) соответственно. При t = T из (4.14), (4.15) вытекают соотношения T µ̄ = x̄(T )− z − T∫ 0 f(s, x̄(s))ds (4.16) и T ¯̄µ = ¯̄x(T )− z − T∫ 0 f(s, ¯̄x(s))ds. (4.17) Функция x̄, по предположению, удовлетворяет двухточечному условию (3.2), Ax̄(0) + x̄(T ) = d−Bλ, и условию Коши x̄(0) = z, откуда следует равенство x̄(T ) = d−Bλ−Az. Аналогично проверяется равенство ¯̄x(T ) = d−Bλ−Az. Следовательно, из (4.16) и (4.17) вытекает µ̄ = 1 T d−Bλ−Az − z − T∫ 0 f(s, x̄(s))ds  (4.18) и ¯̄µ = 1 T d−Bλ−Az − z − T∫ 0 f(s, ¯̄x(s))ds  . (4.19) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 403 Внося (4.18) и (4.19) соответственно в (4.14) и (4.15), получаем, что для каждого t ∈ [0, T ] x̄(t) = z + t∫ 0 f(s, x̄(s))ds + t T d−Bλ−Az − z − T∫ 0 f(s, x̄(s))ds  (4.20) и ¯̄x(t) = z + t∫ 0 f(s, x̄(s))ds + t T d−Bλ−Az − z − T∫ 0 f(s, ¯̄x(s))ds  . (4.21) Напомним, что здесь z ∈ Γ, а λ ∈ Λ. Следовательно, аналогично доказательству теоре- мы 4.1, исходя из вида уравнений (4.20), (4.21) и определения (3.3) множества Γ, можно показать, что все значения функций ¯̄x и x̄ содержатся в множестве D: x̄([0, T ]) ∪ ¯̄x([0, T ]) ⊂ D. (4.22) Из (4.20) и (4.21) очевидно, что ¯̄x(t)− x̄(t) = t∫ 0 [f(s, ¯̄x(s))− f(s, x̄(s))] ds− − t T T∫ 0 [f(s, ¯̄x(s))− f(s, x̄(s))] ds, t ∈ [0, T ], и поэтому, в силу соотношения (4.22) и условия Липшица (2.3), функция r(t) := |¯̄x(t)− x̄(t)|, t ∈ [0, T ], удовлетворяет интегральному неравенству r(t) ≤ K  t∫ 0 r(s)ds + t T T∫ 0 r(s)ds  ≤ ≤ Kα1(t) max s∈[a,b] r(s), t ∈ [a, b], (4.23) где функция α1 задана формулой (4.6). Используя (4.23) рекуррентно, приходим к нера- венству r(t) ≤ Kmαm(t) max s∈[a,b] r(s), t ∈ [a, b], (4.24) где натуральное m произвольно, а αk(t) := ( 1− t T ) t∫ 0 αk−1(s)ds + t T T∫ 0 αk−1(s)ds (4.25) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 404 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК для всех t из [0, T ] и k = 2, 3, . . . . Согласно лемме 2.4 из [16], функции (4.25) при всех t ∈ [0, T ] и k = 1, 2, . . . допускают оценку αk(t) ≤ 10 9 α1(t) ( 3T 10 )k−1 . (4.26) Поэтому из (4.24) вытекает, что при каждом натуральном m r(t) ≤ 10 9 Kα1(t) ( 3T 10 K )m−1 max s∈[a,b] r(s), t ∈ [a, b]. Устремляя m в последнем неравенстве к +∞ и учитывая условие (2.8), заключаем, что r ≡ 0 на [0, T ], т. е. функции x̄ и ¯̄x совпадают, и поэтому µ̄ = ¯̄µ. Полученное противо- речие доказывает, что µ = T−1∆(z, λ) — единственное значение параметра µ в уравне- нии (4.10), при котором решение задачи Коши (4.10), (4.9) удовлетворяет двухточечному условию (3.2). Теорема доказана. Замечание 4.4. Из леммы 3 работы [17] вытекает, что при произвольно малом по- ложительном ε всегда найдется такой номер kε, что все функции (4.25), начиная с kε-й, допускают оценку αk(t) ≤ ( T q + ε )k−kε αkε(t), t ∈ [0, T ], k ≥ kε, где q ≈ 3,416131. Воспользовавшись этим неравенством вместо оценки (4.26) и соответ- ствующим образом изменив доказательства теорем 4.1 и 4.2, можно показать, что не- равенство (2.8) с сохранением всех установленных здесь утверждений можно заменить несколько менее ограничительным условием r(K) < q T . При этом изменятся некоторые технические детали (например, вид функции h в оценке (4.5)). Выясним связь определенной в условиях теорем 4.1 и 4.2 функции (4.1) с множеством решений двухточечной задачи (2.1), (3.2), содержащей свободный параметр λ ∈ Λ. Теорема 4.3. В условиях теоремы 4.1 зависящая от параметров (z, λ) ∈ Γ× Λ функ- ция x∗(·, z, λ), заданная формулой (4.1), является решением двухточечной задачи (2.1), (3.2) с параметром λ тогда и только тогда, когда z и λ удовлетворяют соотношениям T∫ 0 f(s, x∗(s, z, λ))ds = d−Bλ−Az − z. (4.27) Функция (4.1) является решением исходной трехточечной задачи (2.1), (2.2) тогда и только тогда, когда пара (z, λ) удовлетворяет условию (4.27), и, кроме того, x∗(ξ, z, λ) = λ. (4.28) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 405 Доказательство. Из теоремы 4.1 следует, что при всех (z, λ) ∈ Γ×Λ функция x∗(·, z, λ) является решением двухточечной задачи (4.3), (3.2). Уравнение (4.3) совпадает с уравне- нием (2.1) тогда и только тогда, когда z и λ удовлетворяют условию ∆(z, λ) = 0, т. е. выполнено равенство (4.27). Второе утверждение теоремы вытекает из замечания 3.1. При практической реализации рассматриваемой численно-аналитической схемы есте- ственно фиксировать некоторый номер итерации m в (3.4) и использовать xm(·, z, λ) в качестве приближения к неизвестной функции x∗(·, z, λ), существование которой утвер- ждается в теореме 4.1. При этом вместо (4.27), (4.28) возникают „приближенные опреде- ляющие уравнения” T∫ 0 f(s, xm(s, z, λ))ds = d−Bλ−Az − z (4.29) и z + t∫ 0 f(s, xm(s, z, λ))ds− tT−1 T∫ 0 f(s, xm(s, z, λ))ds+ + tT−1[d−Bλ−Az − z] = λ, (4.30) из которых можно искать подходящие значения пары параметров (z, λ) ∈ Γ×Λ. Если сис- тема 2n уравнений (4.29), (4.30) имеет изолированное решение (z̄, λ̄) ∈ Γ × Λ, с исполь- зованием топологических и функционально-аналитических методов (см., например, те- орему 3.1 из [16] и теорему 19.2 в [21]) при соответствующих дополнительных предпо- ложениях можно доказать разрешимость и системы (4.27), (4.28), тем самым установив существование решения исходной трехточечной задачи. При этом функцию x̄m(t) := xm(·, z̄, λ̄) (4.31) можно рассматривать как приближение к одному из решений задачи (2.1), (2.2). 5. Пример двумерной трехточечной задачи. Рассмотрим следующую трехточечную задачу: x′1(t) = x2(t), (5.1a) x′2(t) = 1 8 t x2 − 1 2 x2 2 − 1 2 x1 + 9 32 + 1 16 t2, t ∈ [0, 1]; (5.1b) x2(0) + x1 ( 1 2 ) + x1(1) = 9 32 , (5.1c) x1(0) + x2(1) = 5 16 . (5.1d) Условия (5.1c), (5.1d), очевидно, можно записать в виде (2.2) с T = 1 и A := [ 0 1 1 0 ] , B := [ 1 0 0 0 ] , d :=  9 32 5 16  , ξ := 1 2 . (5.2) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 406 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК Ограничимся рассмотрением тех решений системы (5.1a), (5.1b), все значения которых содержатся во множестве D := { (x1, x2) : |x1| ≤ 1, |x2| ≤ 3 4 } . (5.3) Нетрудно проверить, что для функции f : [0, 1]×D → R2, заданной формулой f(t, x1, x2) :=  x2 1 8 t x2 − 1 2 x2 2 − 1 2 x1 + 9 32 + t2 16  , (t, x1, x2) ∈ [0, 1]×D, условие Липшица (2.3) при всех t ∈ [0, 1] и {u, v} ⊂ D выполнено с матрицей K := 0 1 1 2 7 8  . (5.4) Максимальное собственное число матрицы (5.4) равно (7 + √ 177)/16 ≈ 1,27, что меньше 10 3 , и, значит, выполняется неравенство (2.8). Будем искать решения трехточечной задачи (5.1) среди решений системы (5.1a), (5.1b), удовлетворяющих параметризованным двухточечным условиям x2(0) + x1(1) = 9 32 − λ1, (5.5) x1(0) + x2(1) = 5 16 . (5.6) Условия (5.5), (5.6), очевидно, совпадают с (3.2) при заданных равенствами (5.2) матрицах A, B и векторе d. За область изменения двумерного вектора параметров λ = (λ1, λ2) примем, например, содержащийся в множестве (5.3) прямоугольник Λ := { (λ1, λ2) : |λ1| ≤ 1 4 , |λ2| ≤ 1 2 } . (5.7) Решение (x1, x2) задачи (5.1a), (5.1b), (5.5), (5.6) является решением исходной трехто- чечной задачи (5.1) тогда и только тогда, когда выполняются дополнительные условия x1 ( 1 2 ) = λ1 и x2 ( 1 2 ) = λ2. Воспользуемся подходом, основанным на теореме 4.1, для чего проверим выполнение ее условий. Величина (2.5) в рассматриваемом случае задается равенством δD(f) = 1 4  3 185 64  , (5.8) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 407 в чем можно убедиться непосредственными вычислениями. Далее, из (5.3), (5.7), (5.2) и (5.8) ясно, что компоненты определенной формулой (2.7) функции ( β1 β2 ) : D × Λ → R2 для данной задачи имеют вид β1(z1, z2, λ1, λ2) = 3 8 + ∣∣∣∣ 9 32 − λ1 − z1 − z2 ∣∣∣∣ , β1(z1, z2, λ1, λ2) = 185 512 + ∣∣∣∣ 5 15 − z1 − z2 ∣∣∣∣ . Следовательно, согласно определению (3.3) множества Γ, необходимое и достаточное условие принадлежности этому множеству некоторой точки (z1, z2) из D состоит в том, чтобы при всех λ1 ∈ [ −1 4 , 1 4 ] выполнялись неравенства ∣∣∣∣ 9 32 − λ1 − z1 − z2 ∣∣∣∣ ≤ 5 8 , (5.9) ∣∣∣∣ 5 15 − z1 − z2 ∣∣∣∣ ≤ 199 512 . (5.10) Множество Γ таких пар (z1, z2) ∈ D, очевидно, непусто. Таким образом, все условия те- оремы 4.1 в данном случае выполнены, и поэтому при всех (z, λ) ∈ Γ × Λ на [0, 1] задана функция (4.1), о которой идет речь в теоремах 4.2 и 4.3. Замечание 5.1. В некоторых более ранних работах (см., например, [13]) в определении множеств типа (3.3) вместо величины вида (2.5) рассматривался вектор из правой части оценки (2.6). В данном примере правая часть (2.6) равна 1 4 [ 3 5 ] . Вследствие этого вместо (5.9), (5.10) нужно было бы потребовать выполнения более жестких неравенств, которые в данном примере не имеют места, и, следовательно, множество Γ оказалось бы пустым. Построим приближенные решения задачи (5.1), воспользовавшись подходом, указан- ным в конце п. 4. Для этого вычислим некоторые из функций рекуррентной последова- тельности (3.4) с применением пакета символических вычислений Maple. Положим ну- левую итерацию тождественно равной z, z ∈ Γ. Тогда при m = 1 из (3.4) получим x11(t, z1, z2, λ1, λ2) = z1 + 9 32 t− t λ1 − z1 t− z2 t, (5.11) x12(t, z1, z2, λ1, λ2) = z2 + 7 24 t + 1 48 t3 + 1 16 z2 t2 − 17 16 z2 t− z1 t (5.12) для всех t ∈ [0, 1], (z1, z2) ∈ Γ и λ1, λ2, удовлетворяющих неравенствам |λ1| ≤ 1 4 , |λ2| ≤ 1 2 . Здесь и ниже символами xk1 и xk2 обозначены соответственно первая и вторая компо- ненты вектора xk. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 408 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК Система приближенных определяющих уравнений (4.29), (4.30) для задачи (5.1) при m = 1 имеет вид 25 192 − 143 96 z2 − 1 2 z1 − λ1 = 0, 40391 483840 − 28157 23040 z2 − 583 720 z1 + 827 5120 z2 2 − 31 192 z2 z1 + 1 6 z2 1 − 1 4 λ1 = 0, 5 8 z1 + 313 3072 − 3 8 z2 − 3 2 λ1 = 0, 129067 294912 z2 + 98569 589824 − 899 1536 z1 − 63 1024 z2 2 + 1 1024 z2 z1 + 1 16 z2 1 − 1 16 λ1 − λ2 = 0. Замечание 5.2. Ранг матрицы B, соответствующей двухточечным условиям (5.1c), (5.1d) при их записи в виде (2.2), равен 1 ( условия не содержат в явном виде x2 (1 2 )) . Поэтому, в силу замечания 3.2, как приведенные выше, так и все прочие определяющие уравне- ния можно не решать относительно параметра λ2, ибо его значение в данной задаче не играет никакой роли. В настоящем примере для иллюстрации подхода мы записываем все уравнения полностью. Приближенно решая последнюю систему уравнений, получаем z1 ≈ 0,06775109879, z2 ≈ 0,006168107627, (5.13) λ1 ≈ 0,08714487359, λ2 ≈ 0,125. (5.14) Подставляя (5.13), (5.14) в (5.11) и (5.12), находим функцию вида (4.31) — „первое при- ближение” к решению трехточечной задачи (5.1), соответствующую вычисленным зна- чениям (5.13), (5.14) параметров z1, z2 и λ1, λ2: x̄11(t) = 0,06775109879 + 0,1201859200 t, x̄12(t) = 0, 006168107627 + 0,2173619535 t + t3 48 + 0,0003855067267 t2. (5.15) Заметим, что данная трехточечная задача (5.1) имеет решение x1(t) = t2 8 + 1 16 , x2(t) = t 4 , t ∈ [0, 1], (5.16) проходящее в момент времени 0 через точку ( 1 16 , 0 ) множества Γ. На рис. 1 и 2 изображены графики соответственно первой и второй компонент точно- го решения (5.16) задачи (5.1) (крестики) и его „первого приближения” (5.15) (сплошная линия). Компоненты отклонения „первого приближения” (5.15) от решения (5.16), т. е. функции x1 − x̄11 и x2 − x̄12, показаны соответственно на рис. 3 и 4. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 409 Рис. 1. Первая компонента точного решения (5.16) и его „первого приближения” (5.15). Рис. 2. Вторая компонента точного решения (5.16) и его „первого приближения” (5.15). С использованием найденных выше формул (5.11), (5.12) для первой итерации можно аналогично построить вторую итерацию x2(·, z1, z2, λ1, λ2) (m = 2 в формуле (3.4)), ком- поненты которой имеют вид x21(t, z1, z2, λ1, λ2) = z1 + t4 192 + t3 48 z2 + 7t2 48 − 17t2 32 z2 − t2 2 z1− − 47t 96 z2 + 25t 192 − t 2 z1 − tλ1, t ∈ [0, 1], (5.17) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 410 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК Рис. 3.Погрешность первой компоненты „первого прибли- жения” (5.15) по отношению к решению (5.16). Рис. 4. Погрешность второй компоненты „первого прибли- жения” (5.15) по отношению к решению (5.16). и x22(t, z1, z2, λ1, λ2) = z2 + 176471 483840 t− 28157 23040 z2t + 17 t3 288 z2 + t2 6 z2 + t2 4 z1− − t6z2 4608 − 943 t 720 z1 − 1733 5120 z2 2t + 17 t5z2 3840 + t5z1 240 − t5z2 2 2560 − − t4z2 128 + 17 t4z2 2 1024 − 107 t3z2 2 512 + t3z1 18 − t3z2 1 6 + 65 t3 3456 − 9 t2 128 − − t5 1440 − t7 32256 + t2 2 z2z1 + 17 t2 32 z2 2 + t2 4 λ1 + t 6 z2 1− − t 4 λ1 + t4 64 z2z1 − 31 192 tz2z1 − 17 48 t3z2z1, t ∈ [0, 1], (5.18) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 411 Рис. 5. Первая компонента решения (5.16) и ее „второе приближение” (5.21). Рис. 6. Вторая компонента решения (5.16) и ее „второе приближение” (5.22). и записать соответствующую систему уравнений (4.29), (4.30) для нахождения значений z1, z2, λ1, λ2. Последняя система, как показывают вычисления, имеет приближенное ре- шение z1 ≈ 0,06242777432, z2 ≈ 0,0001215436768, (5.19) λ2 ≈ 0,125, λ1 ≈ 0,09364329365. (5.20) Подставляя (5.19), (5.20) в (5.17) и (5.18), получаем „второе приближение”, компонен- ты которого имеют вид x̄21(t) = 0,06242777432 + t4 192 + 0,2532159933 · 10−5 t3+ + 0,1145548760 t2 + 0,0052916467 t, t ∈ [0, 1], (5.21) ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 412 А. Н. РОНТО, М. РОНТО, Н. М. ЩОБАК Рис. 7. Погрешность „второго приближения” (5.21) пер- вой компоненты решения (5.16). Рис. 8. Погрешность „второго приближения” (5.22) вто- рой компоненты решения (5.16). и x̄22(t) = −0,2637666597 · 10−7 t6 + 0,2600559795 t + 0,0001215436768− − 0,8307568908 · 10−6 t4 + 0,02163102627 t3 − 0,03127067403 t2− − 0,0004337906399 t5 − t7 32256 , t ∈ [0, 1], (5.22) соответственно. На рис. 5 изображены графики первой компоненты решения (5.16) задачи (5.1) (крес- тики) и ее „второго приближения” (5.21) (сплошная линия), а на рис. 6 — графики второй компоненты решения (5.16) (крестики) и ее „второго приближения” (5.22) (сплошная ли- ния). Графики компонент отклонения „второго приближения” (5.21) и (5.22) от решения (5.16), т. е. функции x1 − x̄21 и x2 − x̄22, изображены соответственно на рис. 7 и 8. ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3 О ПАРАМЕТРИЗАЦИИ ТРЕХТОЧЕЧНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ КРАЕВЫХ ЗАДАЧ 413 Расчеты показывают, что абсолютная погрешность построенного по указанной схеме третьего приближения составляет 0,00035 для первой компоненты решения и 0,0001 для второй его компоненты. 1. Goma I. A. Method of successive approximations in a two-point boundary problem with parameter // Укр. мат. журн. — 1977. — 29, № 6. — С. 594 – 599. 2. Хосабеков О. Достаточные условия сходимости метода Ньютона – Канторовича для краевой задачи с параметром // Докл. АН ТаджССР. — 1973. — 16, № 8. — С. 14 – 17. 3. Курпель Н. С., Марусяк А. Г. Об одной многоточечной краевой задаче для дифференциальных урав- нений с параметрами // Укр. мат. журн. – 1980. — 32, № 2. — С. 223 – 226. 4. Лучка А. Ю. Применение итерационных процессов к краевым задачам для дифференциальных урав- нений с параметрами // Докл. АН УССР. Сер. А. — 1989. — № 10. — С. 22 – 27. 5. Ахмедов К. Т., Сваричевская Н. А., Ягубов М. А. Приближенное решение двухточечной краевой за- дачи с параметром методом осреднения функциональных поправок // Докл. АН АзССР. — 1973. — 29, № 8. — С. 3 – 7. 6. Лучка А. Ю. Проекционно-итеративные методы. — Киев: Наук. думка, 1993. 7. Fečkan M. Parametrized singular boundary value problems // J. Math. Anal. and Appl. — 1994. — 188, № 2. — P. 417 – 425. 8. Gaines R. E., Mawhin J. L. Coincidence degree, and nonlinear differential equations // Lect. Notes Math. — Berlin etc.: Springer, 1977. — 568. 9. Keller H. B. Numerical methods for two-point boundary-value problems. — New York: Dover Publ., Inc., 1992. 10. Ascher U. M., Mattheij R. M., and Russell R. D. Numerical solution of boundary value problems for ordinary differential equations // Clas. in Appl. Math. — Philadelphia: SIAM, 1995. — № 13. 11. Bhattacharyya T., Binding P. A., and Seddighi K. Multiparameter Sturm – Liouville problems with eigenpa- rameter dependent boundary conditions // J. Math. Anal. and Appl. — 2001. — 264, № 2. — P. 560 – 576. 12. Abramov A., Ul’yanova V., and Yukhno L. A method for solving the multiparameter eigenvalue problem for certain systems of differential equations // Comput. Math. Math. Phys. — 2000. — 40, № 1. — P. 18 – 26. 13. Samoilenko A. M., Ronto N. I. Numerical-analytic methods of investigating periodic solutions. — Moscow: Mir, 1980. 14. Собкович Р. О периодических решениях систем дифференциальных уравнений первого порядка с па- раметрами // Укр. мат. журн. — 1981. — 33, № 6. — C. 828 – 834. 15. Собкович Р. Об одной краевой задаче для дифференциального уравнения первого порядка с несколь- кими параметрами // Там же. — 1982. — 34, № 6. — C. 796 – 802. 16. Rontó M., Samoilenko A. M. Numerical-analytic methods in the theory of boundary value problems for ordinary differential equations. — Singapore: World Sci., 2001. 17. Ronto A., Rontó M. A note on the numerical-analytic method for non-linear two-point boundary value problems // Nonlinear Oscillations. — 2001. — 4, № 1. — P. 112 – 128. 18. Ronto A., Rontó M.On the investigation of some boundary value problems with non-linear conditions // Miskolc Math. Notes. — 2000. — 1, № 1. — P. 45 – 57. 19. Ронто М., Месарош Й. Некоторые замечания о сходимости численно-аналитического метода после- довательных приближений // Укр. мат. журн. — 1996. — 48, № 1. — C. 90 – 95. 20. Rontó M., Shchobak N. On the numerical-analytic investigation of parametrized problems with nonlinear boundary conditions // Нелiнiйнi коливання. — 2003. — 6, № 4. — C. 482 – 510. 21. Krasnoselskii M. A., Vainikko G. M., Zabreiko P. P., Rutitskii Y. B., and Stetsenko V. Y. Approximate solution of operator equations. — Groningen: Noordhoff, 1972. Получено 19.07.2004 ISSN 1562-3076. Нелiнiйнi коливання, 2004, т . 7, N◦ 3