63
.pdfЗадачи Дирихле и Пуанкаре в многомерной . . . |
21 |
1 Введение
На плоскости было показано, что одна из фундаментальных задач математической физики - изучение колеблющейся струны некорректна, когда краевые условия заданы на всей границе области. Как показано далее, задачи Дирихле некорректна не только для волнового уравнения, но и для общих гиперболических уравнений.
Проблема корректности краевых задач с данными на всей границе области для гиперболических уравнений была объектом исследований многих авторов на плоскости [1 5] и в пространстве [6 10]: Задачи Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерных сингулярных гиперболических уравнений изучались в [11; 12]:
В данной работе найден многомерный область в которой, задачи Дирихле и Пуанкаре разрешимы для одного класса сингулярных гиперболических уравнений.
2 Постановка задачи и результат
Пусть Ω конечная область евклидова пространства Em+1 точек (x1; :::; xm; t), ограниченная при t > 0 конической поверхностью K : t = φ(r); φ(0) = φ(1) = 0;
φ(r) 2 C1([0; 1]) \ C2((0; 1)); jφ′(r)j < 1; φ′(r) ̸= 0и плоскостью t = 0 где r = jxj длина вектора x = (x1; :::; xm): Через S обозначим множество ft = 0; 0 < jxj < 1g точек из Em:
В области Ω рассмотрим многомерные сингулярные гиперболические уравнения
∑i |
|
|
|
m |
|
|
|
Lu ∆xu utt + ai(x; t)uxi + b(x; t)ut |
t |
ut + c(x; t)u = 0; |
(1) |
=1 |
|
|
|
где ∆x оператор Лапласа по переменным x1; :::; xm, m 2; действительное число. Через u (x; t) обозначим решение уравнения (1) при данном :
В дальнейшем нам удобно перейти от декартовых координат x1; :::; xm; t к сферическим r; 1; :::; m 1; t; r 0; 0 1 < 2 ; 0 i ; i = 2; 3; :::; m 1; = ( 1; :::; m 1):
В качестве многомерных задач Дирихле и Пуанкаре рассмотрим следующие Задача 1. Найти решение уравнения (1) в области Ω из класса C(Ω n S) \ C2(Ω);
удовлетворяющее краевым условиям |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
= (r; ); |
|
= (r; ); < 1; |
|
|
|
|
|
|
(2) |
|||||||||||||
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
u S |
u K |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
ln t |
S |
= (r; ); |
|
u K |
= (r; ); = 1; |
|
|
|
|
|
|
(3) |
|||||||||||||
(t |
|
|
|
u ) S = (r; ); |
u K = (r; ); > 1: |
|
C |
|
S |
|
C2 |
(4) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
) \ |
(Ω) |
; |
||||
Задача 2. Найти решение уравнения |
(1) в области Ω из класса |
|
(Ω n |
|
|
|
|||||||||||||||||||||
удовлетворяющее краевым условиям |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
lim t (u |
|
|
u |
|
) |
|
= (r; ); |
u |
|
|
|
r; |
; < |
|
|
|
|
|
|
(5) |
|||||||
|
|
|
|
K |
= |
1; |
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
t!0 |
|
|
|
|
|
|
;2 |
|
t |
|
|
|
|
( |
) |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
u |
|
u ;1 |
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
lim t(ln t)2 |
( |
|
|
|
|
|
)t |
= (r; ); |
|
|
= (r; ); = 1; |
|
|
|
(6) |
||||||||||||
t!0 |
|
|
|
ln t |
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика №4(92)2016
22 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Алдашев С.А. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
k |
lim t2 [t |
1 |
( |
u u |
;2)]t |
= (r; ); |
u |
|
|
|
|
r; ; > |
; |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
t!0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
= |
|
( |
|
|
) |
|
|
1 |
|
|
|
|
(7) |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
K |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
где u ;1(r; ; t); u ;2(r; ; t) вполне определенные функций, |
|
зависящие от (r; ): |
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Пусть Yn;m( ) |
система линейно независимых сферических функций порядка n, |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
1 |
|
|
k |
|
kn |
(m |
2)!n!kn |
= (n + m |
3)!(2n + m |
2); W l |
(S); l = 0; 1::: |
пространства |
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
{, |
|
|
} |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
Соболева. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
Имеет место ([13]) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
Лемма 1. Пусть f(r; ) 2 W2l(S): Если l m |
1, то ряд |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ ∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
kn |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f(r; ) = |
|
|
fnk(r)Yn;mk |
( ); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(8) |
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n=0 k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
а также ряды, полученного из него дифференцированием порядка p l |
m+1, сходятся |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||
абсолютно и равномерно. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
Лемма 2. Для того, чтобы f(r; ) 2 W2l(S); необходимо и достаточно, чтобы коэффи- |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
циенты ряда (8) удовлетворяли неравенствам |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ ∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
jf01(r)j c1; |
1 |
|
kn |
n2ljfnk(r)j2 c2; |
c1; c2 = const: |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
n=1 k=1 |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
i |
Через |
|
|
ak (r; t); |
ak (r; t); |
bk (r; t); |
ck (r; t); |
k ; k(r); k(r); k(r); |
|
обозна- |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
i r e |
|
in |
|
|
|
n |
|
|
e |
n |
n |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
||||
чим |
|
|
|
|
in |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
функций |
||||||||||||||
|
коэффициенты |
разложения |
|
ряда |
(8), |
|
|
|
соответственно |
|||||||||||||||||||||||||||
a (r; ; t) ( ); a xi ; b(r; ; t) ; c(r; ;et) ; ( ); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
i = 1; :::; m; (r; ); (r; ); (r; ); |
причем ( ) 2 C1(H); H |
|
|
единичная сфера в Em: |
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Пусть p 0 |
наименьшее целое число, удовлетворяющее неравенствам + 2p |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
m 1; если 0 и 2 |
+ 2p m |
|
1; если 2; q 0 |
|
наименьшее целое число, |
|||||||||||||||||||||||||||||||
удовлетворяющее неравенствам 2 |
|
+ 2q m |
1; если 0 < |
1 и + 2q m 1; |
||||||||||||||||||||||||||||||||
если 1 < 2; а также s такое, что s = [ |
2 ]; если 0 и s = [ |
|
2 |
|
1]; если 2; где |
|||||||||||||||||||||||||||||||
[ ] целое часть числа : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
|
Введем обозначения = maxfs + 1; pg; |
= maxl fs + 1; qg: |
|
|
|
l m + 1 и (r; ) = |
|||||||||||||||||||||||||||||
|
|
Теорема. Если ai(r; ; t); b(r; ; t); c(r; ; t) 2 W2(Ω); |
i = 1; :::; m; |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
r4 (r; ); (r; ) = r4 (r; ); (r; ) = r4 (r; ); (r; ) |
2 |
|
W |
2 |
(S); (r; ) |
2 |
W |
2 |
(S); |
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
s+1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
q+1 |
|
|
|
|
|||||||
(r; ) 2 W2 |
|
(S); при 0 и 2; (r; ); (r; ); (r; ) 2 W2 |
|
(S) при 0 < 1 |
и 1 < 2; то задача 1 и 2 имеет решение.
3Сведения задачи 1 и 2 к двумерным задачам для сиситем дифференциальных уравнений
В сферических координатах уравнение (1) имеет вид
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑i |
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
1 |
1 |
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
||
L u urr + |
|
r |
ur |
r2 |
u |
utt + |
ai(r; ; t)uxi + b(r; ; t)ut |
t |
ut + c(r; ; t)u = 0; (9) |
||||||
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(sinm j |
|
|
) ; g1 |
|
|
|
||
|
m 1 |
|
1 |
|
@ |
|
@ |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
1 |
= 1; gj = (sin 1::: sin j 1)2; j > 1: |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
||||||||||
j=1 |
gj sinm j |
1 j @ j |
|
@ j |
ISSN 1563–0285 KazNU Bulletin. Mathematics, Mechanics, Computer Science Series №4(92)2016
Задачи Дирихле и Пуанкаре в многомерной . . . |
23 |
Известно ([3]), что спектр оператора состоит из собственных чисел n = n(n + m 2); n = 0; 1; ::: ; каждому из которых соответствует kn ортонормированных собствен-
ных функций Yn;mk ( ):
Искомое решения задач будем искать в виде
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u (r; ; t) = |
|
|
1 |
|
|
kn |
|
uk ;n(r; t)Yn;mk ( ); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(10) |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n=0 k=1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ ∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
где uk ;n(r; t) |
функции, подлежащие определению. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 0и проинтегрировав |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Подставив (10) в (9), умножив полученное выражение на ( ) |
̸ |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
по единичной сфере H; для |
|
|
k ;n |
|
получим ([12; 14]) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
~1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
1 |
|
1 |
|
|
|
1 |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
0 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
1 |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||
|
u |
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
+ ( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
a |
i0) |
u |
|
|
|
+ b |
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
c |
u |
|
|
+ |
|
|
||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||
0 |
;0rr |
|
|
0 |
;0tt |
|
|
|
|
r |
|
|
|
|
0 |
+ i=1 |
|
;0r |
|
|
|
|
|
0 |
|
;0t |
|
|
|
t |
|
|
|
;0t + ~0k |
|
;0 |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1 kn |
|
|
k |
|
k |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m∑ 1 |
|
|
k |
|
|
|
m |
|
|
k |
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
~k |
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
k |
|
|
|
||||||||||||||||||
+ |
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
|
|
|
|
+ |
( |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
+ |
|
|
|
a |
in) |
u |
|
|
|
+ b |
|
u |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
|
|
+ |
(11) |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
n=1 k=1 { |
n |
|
;nrr |
|
|
|
n |
|
|
;ntt |
|
k |
|
r |
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
i=1 |
|
|
|
|
;nr |
|
|
|
|
n |
|
|
|
;nt |
|
|
|
|
t |
|
|
|
;nt |
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∑ ∑ |
|
|
|
|
|
+ |
|
|
k |
|
|
|
|
|
n n |
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
∑ k |
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[c~n |
|
|
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
+ i=1(~ain 1 |
|
|
nain)] u ;n} = 0: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Теперь рассмотрим бесконечную систему дифференциальных уравнений |
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
01u1 |
|
|
|
|
|
|
01u1 |
;0tt + |
m |
|
|
1 |
01u1 |
|
|
|
|
|
01u1 |
;0t = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(12) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
;0rr |
|
|
|
|
|
|
r |
|
|
;0r |
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
m 1 |
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
k |
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
k |
|
|
k |
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
u |
;1rr |
|
|
|
|
1 |
u |
;1tt |
+ |
|
|
r |
|
|
1 |
u |
;1r |
|
|
|
|
|
|
1 |
u |
;1t |
|
|
|
|
|
1 |
u |
;1 |
u |
;1 |
|
|
= |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
r2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(13) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
(i=1 ai10u1 ;0r + ~b01u1 ;0t + c~01u1 ;0) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
= |
|
; n = 1; k = 1; k1; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
k1 |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
m |
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
k |
n 1 |
|
|
m |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||
nk uk ;nrr |
nk uk ;ntt + |
|
|
|
|
|
|
|
nk uk ;nr |
|
|
|
|
|
|
nk uk ;nt |
|
|
|
|
|
nk uk ;n = |
|
|
|
|
|
|
|
{i=1 aink |
1uk ;n |
1r+ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
r |
|
|
|
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
r2 |
|
|
|
kn |
|
k=1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
k |
k |
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
m |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
|
|
} ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||||||||
+~bnu ;n |
1t + [c~n |
1 |
|
|
|
i=1(~ain 2 |
|
|
(n |
|
|
1)ain |
1)] u ;n |
|
1 |
|
k = 1; kn; |
n = 2; 3::: : |
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∑ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(14) |
Суммируя уравнение (13) от 1 до k1; а уравнение (14) - от 1 до kn; а затем сложив полученные выражения вместо с (12), приходим к уравнению (11).
Отсюда следует, что если |
uk ;n ; k = |
1; kn |
, n = 0; 1; :::: решение системы (12) - (14), |
|
то оно является решением |
уравнения (11). |
|||
{ |
} |
|
|
Нетрудно заметить, что каждое уравнение системы (12)-(14) можно представить в
виде |
m |
1 |
|
|
n |
|
|
||
|
|
= fk;n(r; t); |
|
||||||
uk ;nrr uk ;ntt + |
|
|
uk ;nr |
|
uk ;nt |
|
uk ;n |
(15) |
|
r |
|
t |
r2 |
где fk;n(r; t) определяются из предыдущих уравнений этой системы, причем f1;0(r; t)
0: |
|
|
k |
|
|
|
(1 m) |
k |
(r; t) получим |
|
|||||
Произведя в (15) замену u ;n |
(r; t) = r |
2 |
u ;n |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k |
k |
k |
|
|
k |
|
n |
k |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
L u ;n |
= u ;nrr |
u ;ntt |
|
|
u ;nt |
+ |
|
u ;n |
= f ;n |
(r; t); k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
(16 ) |
||||
|
|
r2 |
|||||||||||||
|
|
|
|
t |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика №4(92)2016
24 |
|
Алдашев С.А. |
|
|
|
|
|
(m |
1)(3 m) 4 n k |
(m 1) |
k |
|
|
|
|
|
; f ;n(r; t) = r |
2 |
|
(r; t): |
n = |
|
4 |
|
f ;n |
||
|
|
|
|
|
|
Далее, из краевых условий (2)-(7) для функций uk ;n(r; t) в силу (10), с учетом леммы 1, соответственно, будем иметь
|
uk |
|
|
(r; 0) = k(r); uk |
(r; φ(r)) = k |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
(r); < 1; k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
|||||||||||||||||
|
|
;n |
|
|
|
n |
;n |
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
uk |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
;n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
( |
) t=0 |
= nk(r); uk ;n(r; φ(r)) = nk(r); = 1; k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
||||||||||||||||||
ln t |
||||||||||||||||||||
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
k |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
(t |
|
|
u ;n) t=0 = (r; ); u ;n |
(r; φ(r)) = n(r); > 1; k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
||||||||||||||||
|
|
|
|
limt |
0 t (uk |
uk;2 )t = k(r); |
uk |
(r; φ(r)) = k(r); < 1; |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
! |
|
;n |
;n |
n |
;n |
|
|
n |
k = 1; kn; n = 0; 1; ::: ;
()
|
uk |
|
uk;1 |
|
|
|
lim t(ln t)2 |
;n |
;n |
= (r; ); uk |
(r; φ(r)) = k |
(r); = 1; |
|
|
|
|
||||
t!0 |
|
ln t |
;n |
n |
|
|
|
|
|
|
t
(17)
(18)
(19)
(20)
(21)
|
|
|
|
|
k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
|
|
|
|
|
|
||||||||
lim t2 [t |
1(uk ;n |
uk;;n2 )]t = (r; ); uk ;n(r; φ(r)) = nk(r); > 1; |
|||||||||||||||||
t!0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(22) |
|
|
|
|
k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
k |
|
(m 1) k |
|
k |
|
|
|
(m 1) |
k |
|
k |
|
(m 1) |
k |
|
|||
|
n |
(r) = r |
2 |
(r); |
n |
(r) = r |
2 |
|
|
(r); |
n |
(r) = r |
2 |
|
n |
(r): |
|||
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
Таким образом, задачи 1 и 2 сведены к двумерных задачам для систем дифференциальных уравнений (12)-(14). Решение этих задач будем изучать в п.4 и п.5.
Наряду с уравнением (16 ) рассмотрим уравнение
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
k |
k |
|
|
|
|
k |
|
|
n k |
|
|
|
|
k |
|
|
|
||||
|
|
|
|
L0u0;n |
u0;nrr |
u0;ntt |
+ |
|
|
|
u0;n |
= fn |
(r; t); |
(160) |
|||||||||||
|
r2 |
||||||||||||||||||||||||
которое с помощью замены переменных = r+t ; = |
r |
|
t |
|
сводится к уравнению |
||||||||||||||||||||
|
2 |
|
|||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
Mu0k;n u0k;n + |
|
n |
|
|
u0k;n = fnk( ; ); |
(23) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
( + )2 |
|||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
fnk( ; ) = f0k;n( + ; ): |
|
|
|
|||||||||||||||||
Решение задачи Коши для (23) с данными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
u0k;n( ; ) = nk( ); ( |
@u0k;n |
|
|
@u0k;n |
) = = nk( ); 0 |
1 |
|
|||||||||||||||||
|
@ |
|
@ |
2 |
|
||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
имеет вид ([14]) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|||||
u0k;n( ; ) = |
|
|
nk( )R( ; ; ; ) + |
|
nk( )R( ; ; ; ) + |
p |
|
|
[ nk( 1)R( 1; 1; ; ) |
||||||||||||||||
2 |
2 |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
||
@ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
(24) |
|||||
nk( 1) |
|
R( 1; 1; ; )j 1= 1 ]d 1 |
+ 1 |
fnk( 1; 1)R( 1; 1; ; )d 1d 1; ; |
|||||||||||||||||||||
@N |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫2 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∫ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ISSN 1563–0285 KazNU Bulletin. Mathematics, Mechanics, Computer Science Series №4(92)2016
|
|
|
|
|
|
Задачи Дирихле и Пуанкаре в многомерной . . . |
|
|
|
25 |
||||||||||||||||||||
где |
|
k |
|
|
|
(m 1) |
|
k |
k |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(m 1) |
|
k |
|
|
|
|
|||||
|
n |
( ) |
= |
(2 ) |
2 |
|
(2 ); |
n |
( ) |
= |
|
(2 ) |
|
2 |
|
|
(2 ); R( 1; 1 |
; ; ) |
= |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
n |
|
|
|
|
|||||
P [ |
( 1 |
1)( |
)+2( + 1 1) |
] = |
P (z) функция Римана для уравнения Muk |
|
= 0 |
[15]; |
||||||||||||||||||||||
|
|
( 1+ 1)( + ) |
|
|||||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0;n |
|
|
||||
а P (z) |
|
функция Лежандра, = n + |
|
(m 3) |
; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ |
|
|
|
1 |
|
@ |
|
@ |
|
|
: |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
@N = = p2 |
(@ @ ) = |
|
|
|
|
|
|
4 Функциональная связь между решениями задачи Коши для уравнений
(16 ) и (160):
Сначала приведем некоторые свойства оператора L ; которые необходимы для дальнейших исследований.
10: Если u решение уравнения L u = 0; то функция
u2 = t 1u
является решением уравнения L2 u = 0:
20: Если u решение уравнения L u = 0; то функция
1 @u
t @t = u +2
будет решением уравнения L +2u = 0: 30: Оператор L обладает свойством
L u = t1 L2 (t 1u ):
(25)
(26)
(27)
Указанные свойства установливаются аналогично тому, как они были доказаны для
многомерного уравнения Эйлера-Дарбу-Пуассона ([17 16]) |
|
||||||||
|
∆xu utt |
|
ut = 0: |
(28) |
|||||
|
|
|
|||||||
|
|
t |
|||||||
Из равенства (25) имеем u2 |
2p = t +2p |
1u +2p к которому применив p раз формулу |
|||||||
(26), а затем (25), получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 @ |
|
p |
|
|||||
u2 |
= ( |
|
|
|
) |
(t +2p 1u +2p): |
(29) |
||
t |
@t |
||||||||
Соотношение (29) является фундаментальной формулой ([17 |
16]) для решения за- |
||||||||
дачи Коши. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Пусть p 0; q 0 наименьшие целые числа, удовлетворяющие неравенствам +
2p m 1; 2 + 2q m k;2 |
1: |
решение задачи Коши для уравнения (160) удов- |
||||||||||
Утверждение 1. Если u0;n |
(r; t) |
|||||||||||
летворяющее условию |
|
|
|
@ |
|
|
|
|
|
|
||
|
k;2 |
|
|
k;2 |
|
k |
|
|
||||
u |
0;n |
(r; 0) = 0; |
|
u |
0;n |
(r; 0) = |
n |
(r); |
(30) |
|||
@t |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика №4(92)2016
26 |
Алдашев С.А. |
то функция
1 |
|
|
|
|
( |
|
) |
|
0 |
|
|
|
|
||||
uk;;n2 (r; t) = t ∫ u0k;;n2(r; t) (1 2) 2 1d |
|
|
|
|||||
|
|
D02t2 u0k;;n2(r; t); |
||||||
|
2 |
|||||||
при < 0 будет решением уравнения (16 ); удовлетворяющим условию |
||||||||
uk;;n2 (r; 0) = 0; lim t |
@ |
uk;;n2 |
= nk |
(r): |
|
|
|
|
@t |
|
|
|
|||||
t!0 |
|
|
|
|
|
|
|
Если же 0 < < 1; то функция
(
uk;;n2 (r; t) = |
|
1 @ |
|||
2 k+2q |
|
|
|
||
t @t |
|||||
|
|
2 +2q2q 1
q |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
) [t1 |
k+2q |
u0k;;n1(r; t)(1 |
2)q 2 d ] |
||||||
0 |
|||||||||
|
|
∫ |
1 |
|
u0k;;n1 |
(r; t) |
|||
q |
2 + 1)D02t2 |
[ |
|
|
|
] |
|||
|
t |
|
(31)
(32)
(33)
является решением уравнения (16 ) |
с начальными данными (32), где |
p |
|
|
) |
= |
||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
2 +12 ); z) |
гамма-функция, D0t |
оператор Римана-Лиувилля [17]; а u0k;;n1(r; t) |
ре- |
|||||||||||||||||||
шение уравнения (160) с начальными условиями |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
u0k;;n1(r; 0) = |
|
|
|
nk(r) |
|
|
; |
|
@ |
u0k;;n1 |
(r; 0) = 0: |
|
|
|
|
|
(34′) |
||||
|
|
)(3 |
):::(2q + 1 |
) |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
(1 |
|
|
@t |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
Утверждение 2. Если u0k;;n1(r; t) |
решение задачи Коши для уравнения (160) |
удов- |
||||||||||||||||||||
летворяющее условию |
|
|
|
@ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
k;1 |
|
|
k |
|
k;1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
u0;n |
(r; 0) = n |
(r); |
|
|
u0;n |
(r; 0) = 0; |
|
|
|
|
|
|
|
(34) |
||||||
|
|
@t |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
то функция |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
( |
|
) |
|
|
uk;1(r; t) |
|
|
|||||
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
uk;;n1 (r; t) = |
∫ u0k;;n1(r; t)(1 |
2) 2 |
1d 2 |
1 |
|
|
t1 D0t22 [ |
0;n |
|
] ; |
|
(35) |
||||||||||
2 |
|
t |
|
|
при > 0 есть решение уравнения (16 ); удовлетворяющее условию (34). Утверждение 3. Если uk;0;n1(r; t) решение задачи Коши для уравнения (160) удов-
летворяющее условию (34), то функция
1
u1k;;n1(r; t) = ∫0 |
u0k;;n1(r; t)(1 2) |
1 |
ln[t(1 2)]d |
(36) |
2 |
является решением задачи для уравнения L1uk1;n = f1k;n(r; t) с начальными данными
ul;nk;1 |
|
|
|
|
t=0 |
= nk(r): |
(37) |
ln t |
|||
|
|
|
|
ISSN 1563–0285 KazNU Bulletin. Mathematics, Mechanics, Computer Science Series №4(92)2016
Задачи Дирихле и Пуанкаре в многомерной . . . |
27 |
При этом функции fk;n(r; t); f0k;n(r; t) связаны формулами (31) и (33) в случае утверждения 1 и формулами (35) и (36) в случаях утверждений 2 и 3.
Доказательства приведенных утверждений установливаются аналогичным образом, как они доказаны для уравнения (28) и многомерного волнового уравнения ∆xu utt = 0 ([14; 18 21]):
Приведем некоторые следствия из утверждений 2,3. Сначала рассмотрим случай
< 0; ̸= (2r + 1); r |
= 0; 1::: : Если u0k;;n1(r; t) |
решение задачи Коши для (16 ) с |
||||||||||||||||||||||||||
данными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
nk(r) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
k;1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@ |
|
k;1 |
|
|
|
|
|||||||
u0;n |
(r; 0) = |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
; |
|
|
u0;n(r; 0) = 0; |
|
|
|
(38) |
||||||||
( |
|
|
|
1):::( + 2p |
1) |
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
@t |
|
|
|
|
|
|||||||||
то из утверждения 2 следует, что |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
uk;+21 |
p;n(r; t) = |
|
+2p ∫0 1 u0k;;n1(r; t)(1 |
2) 2 +p 1d |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||
является решением уравнения L +2pu |
= |
fk+2p;n(r; t); |
удовлетворяющим начальному |
|||||||||||||||||||||||||
условию (38). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Тогда из соотношений (29) и (25) вытекает, что функция |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
1 @ |
|
|
p |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[ |
uk;1(r; t) |
] |
|||||
uk;;n1 (r; t) = t1 ( |
|
|
|
) |
|
(t +2p |
1uk;+21 |
p;n) k+2p2p 1 |
2 + p)t1 D0t22 |
0;n |
||||||||||||||||||
t |
@t |
|
t |
|||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(39) |
есть решение уравнения (16 ) и удовлетворяет условию (34). |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
Теперь пусть = |
(2r + 1): Если u0k;;n1(r; t) |
решение задачи Коши для (160) с дан- |
||||||||||||||||||||||||||
ными (34), то из (25), (29) и из утверждения 3 нетрудно получить, что |
|
|
|
|
||||||||||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 @ r+1 |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4 |
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
uk;(21 r+1);n(r; t) = t2(r+1) |
( t @t) |
|
|
|
|
|
|
2) 2 ln(t(1 |
2))d |
(40) |
||||||||||||||||||
|
2∫ u0k;;n1(r; t)(1 |
3 |
является решением задачи Коши для (16 ); удовлетворяющее условию (34). Используя [17]; соотношение (40) можно записать в виде
[]
k;1 |
a |
|
2(r+1) |
r+ |
1 |
u0k;;n1(r; t) |
1 |
′ |
|
′(1 ) |
|
|
||||
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|||
u (2r+1);n(r; t) = |
|
t |
|
D0t2 |
|
|
; a = |
|
|
|
(1) |
p |
|
|
ln t: |
(41) |
2 |
|
|
t |
2 |
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
5 Доказательство теоремы для задачи 1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
1) Случай < 1: Решение задачи (16 ); (17) будем искать в виде |
|
|
|
|
|
|||||||||||
|
|
uk ;n(r; t) = uk;;n1 (r; t) + uk;;n2 (r; t); |
|
|
|
|
|
|
(42) |
|||||||
где uk;;n1 (r; t) решение задачи Коши (16 ) с данными (34), а uk;;n2 (r; t) |
решение задачи |
|||||||||||||||
Дирихле для уравнения |
|
|
|
|
L uk;;n2 = 0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(43) |
Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика №4(92)2016
28 |
|
Алдашев С.А. |
|
с условием |
uk;;n2 (r; 0) = 0; uk;;n2 (r; φ(r)) = nk(r) uk;;n1 (r; φ(r)); |
||
|
|||
|
|
|
(44) |
|
|
||
|
k = 1; kn; n = 0; 1; ::: ; |
Учитывая формулы (35), (39) и (41) задача Коши (16 ); (34) сводим к задачам Коши (160); (38) и (160); (34), решения которых имеет вид (24).
Далее, используя формулы (31), (33) задача Дирихле (43), (44) сводим к задаче Дирихле для уравнения
|
|
|
|
|
|
|
L0u0k;;n2 = 0 |
(45) |
||||||
с данными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
u0k;;n2(r; 0) = 0; u0k;;n2(r; φ(r)) = 1kn(r); k = |
1; kn |
; n = 0; 1; ::: ; |
(46) |
||||||||||
при 0 и к задаче Пуанкаре для (45) с условием |
|
|||||||||||||
|
@ |
|
|
k;2 |
|
k;2 |
|
k |
|
|
|
|
|
|
|
u |
(r; 0) = 0; u |
(r; φ(r)) = |
(r); k = 1; kn; n = 0; 1; ::: ; |
(47) |
|||||||||
|
@t |
0;n |
0;n |
1n |
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при 0 < < 1; где 1kn(r) функция выражающихся через nk(r); nk(r):
В [22] показано, что задачи (45), (46) и (45), (47) однозначны разрешимы.
Далее, используя утверждений 1-3, установливаются однозначные разрешимости задач (16 ); (34) и (43), (44).
2)Случай = 1: Решение задачи (16 ); (18) будем искать в виде (42), где uk;1;n1(r; t)
решение задачи Коши (16 ); (37), а uk;1;n2(r; t) решение задачи Пуанкаре для уравнения (43) с условием
@ |
|
uk;2 |
(r; 0) = 0; uk;2 |
(r; φ(r)) = k |
(r) uk;1 |
(r; φ(r)); |
|
|||
@t |
(48) |
|||||||||
1;n |
1;n |
|
n |
1;n |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
k= 1; kn; n = 0; 1; ::: :
Всилу (36) задача (16 ) (37) сводится к задаче Коши (160); (34). Учитывая формулу
(35)задача Пуанкаре (43), (48) приводим к задаче Пуанкаре (45), (47). Следовательно, задача (16 ); (18) однозначно разрешима.
Используя формулы (27), (25) задачу (16 ); (19) при > 1 сводим к исследованному
случаю < 1:
Таким образом,сначала решив задачу (12), (17) (n = 0) и а затем (13), (17) (n = 1) и
т.д. найдем все uk ;n(r; t); k = 1; kn; n = 0; 1; ::: :
Итак, в области Ω; имеет место
|
|
H∫ |
( )LudH = 0: |
(49) |
Пусть f(r; ; t) = R(r) ( )T (t); причем R(r) 2 V0; V0 плотна в |
1L2((0; 1)); |
|||
( ) 2 C1(H) |
плотна в L2(H); а T (t) 2 V1; V1 плотна в L2((0; φ( |
2 ))): Тогда f(r; ; t) 2 |
||
2 V; V = V0 |
H V1 плотна в L2(Ω) ([23]): |
|
||
Отсюда и из (49), следует, что |
|
|
|
|
|
∫Ω |
f(r; ; t)LudΩ = 0 |
|
ISSN 1563–0285 KazNU Bulletin. Mathematics, Mechanics, Computer Science Series №4(92)2016
Задачи Дирихле и Пуанкаре в многомерной . . . |
29 |
и
Lu = 0; 8(r; ; t) 2 Ω:
Таким образом, ряд вида
∑ ∑ |
|
(1 m) |
k |
k |
|
|
|
1 |
kn |
|
|
|
|||
u(r; ; t) = |
|
r |
2 |
u ;n |
(r; t)Yn;m |
( ) |
(50) |
n=0 k=1
является решением задачи 1, где функции uk ;n(r; t) определяются из двумерных задач. Учитывая ограничения на заданные функции (r; ); (r; ); леммы и формулы [24]
m |
|
|
+ m + 1) |
|
|
|||
d |
P (z) = |
|
|
F (1 + m + ; m |
||||
m |
m |
m + 1) |
||||||
dz |
2 |
|
|
|||||
|
|
z + ) |
= z [1 + |
1 |
( )( |
|||
|
|
|
|
|||||
|
|
z + |
|
|
|
2z |
; m + 1; |
1 z |
); |
|
|
2 |
(51) |
|||
|
|
|||
|
|
|
1) + 0(z 2))];
а также оценки ([13]) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
@q |
|
|
|
|
m |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
j |
k |
|
j |
c nm 2; |
|
@ j |
Y k |
( ) |
|
|
c n 2 1+q; j = 1; m 1; q = 0; 1; ::: ; |
(52) |
|||
|
|
n |
|
1 |
|
q |
|
|
|
|
2 |
|
|
|
|
где F (a; b; c; z) |
гипергеометрическая |
функция, ; произвольные действительные |
числа, как в [12; 20]; можно показать, что полученное решение (50) принадлежит искомому классу.
6 Доказательство теоремы для задачи 2
1)Случай < 1: Решение задачи (16 ); (20) будем искать в виде (42),где uk;;n2 (r; t) решение задачи Коши (16 ); (32), а uk;;n1 (r; t) решение задачи Пуанкаре для уравнения (43) с условием (48). В силу (31), (33) задача (16 ); (32) приводится к задаче (45), (30) при 0 и (45),(34′) при 0 < < 1:
Используя формулы (35), (39) и (41) задачу (43), (48) сводим к задаче Пуанкаре (45),
(47). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таким образом, задача (16 ); (20) однозначно разрешима. |
|
||||||||||||
2)Случай = 1: Решение задачи (16 ); (21) ищем в виде (42), где u1k;;n1(r; t) |
решение |
||||||||||||
задачи Коши (16 ); с данными |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
k;1 |
|
|
k |
|
@ |
|
k;1 |
|
|
|
|
|
u |
(r; 0) = |
|
(r); |
u |
(r; 0) = 0; k = 1; kn; n = 0; 1; :::; |
(53) |
|||||||
1;n |
n |
|
1;n |
||||||||||
|
|
|
|
@t |
|
|
|
|
а uk;;n2 (r; t) решение задачи Пуанкаре для (43) с условием (48).
Учитывая формулу (35) задача Коши (16 ); (53) сводим к задаче Коши (160); (53), а задачу (43); (48)- к задаче (45), (47), которое имеет единственное решение.
Значит задача (16 ); (21) также однозначно разрешима.
Применяя формулу (27), (25) задачу (16 ); (22) при > 1 сводим к случаю < 1: Следовательно, функция (50) является решением задачи 2, где функции uk ;n(r; t);
k = 1; kn; n = 0; 1::: определяются из предыдущих двумерных задач и в силу формул (51), (52) принадлежит искомому классу.
Теорема доказано.
Вестник КазНУ. Серия математика, механика, информатика №4(92)2016
30 |
Алдашев С.А. |
7 Заключение
В работе найден многомерный область в которой, задачи Дирихле и Пуанкаре разрешимы для одного класса сингулярных гиперболических уравнений.
Литература
[1]J.Hadamard "Sur les problems aux derivees partielles et leur signification physique"// Princeton University Bulletin. -1902. -Vol.13, - P. 49-52.
[2]D.G.Bourgin and R.Du n "The Dirichlet problem the vibrating string eguation"//Bulletin of the American Mathematical Society. -1939. -Vol.45, -P.851-858.
[3]Шабат Б.В. Примеры решения задачи Дирихле для уравнения смешанного типа // ДАН СССР. - 1957. Т.112, №3-С.386-389.
[4]Бицадзе А.В. Некорректность задачи Дирихле для уравнений смешанного типа в смешанных областях // ДАН
СССР. -1958. Т.122, № 2.-С.167-170.
[5]D.W.Fox and C.Pucci "The Dirichlet problem the wave eguation"// Annali di Mathematica Pura ed Applicata. - 1958. Vol.46, - P. 155-182.
[6]Dunninger D.R., Zachmanoglou E.C. The condition for uniqueness of the Diriclet problem for hyperbolic equations in cilindrical domains // J.Math.Mech.-1969. Vol.18,-P.8.
[7]Нахушев А.М. Задачи со смещением для уравнения в частных производных. -М.: Наука, 2006. - 287 с.
[8]Алдашев С.А. О корректности задач Дирихле для многомерных волнового уравнения и уравнения ЛаврентьеваБицадзе//Укр.матем.журнал. - 1996. - Т.4(48). № 5.- С.701-705.
[9]Aldashev S.A. The well - posedness of the Dirichlet problem in the cylindric domain for the multidimensional wave equation// Mathematical problems Engineering. volume 2010, Article ID 653215, 7 pages.
[10]Aldashev S.A. The well - posedness of the Poincare problem in a cylindrical domain for the higher-dimensional wave equation// Journal of Mathematical Science. - 2011. - Vol. 173, № 2. -P.150-154.
[11]Алдашев С.А. Критерий единственности решения задачи Дирихле и Пуанкаре в цилиндрической области для многомерного уравнения Эйлера-Дарбу-Пуассона// Дальневосточный матем. журн. - 2012. - T. 12, № 1.- C. 3-12.
[12]Алдашев С.А. Задачи Дирихле и Пуанкаре для одного класса многомерных сингулярных гиперболических уравнений// Научные ведомости БелГУ, Сер. "Математика, физика".- Белгород, 2016. №13 (234). вып. 43.- С. 18-23.
[13]Михлин С.Г. Многомерные сингулярные интегралы и интегральные уравнения. -М.:Физматгиз,1962. - 254 с.
[14]Алдашев С.А. Краевые задачи для многомерных гиперболических и смешанных уравнений. -Алматы: Гылым, 1994. - 170 с.
[15]Copson E.T. On the Riemann-Green function//J.Rath.Mech and Anal. - 1958, No.1. - P.324-348.
[16]Weinstein A. // The Fifth simposium in applied Math.MCGraw-Hill. New York. - 1954. - P.137-147.
[17]Нахушев А.М. Элементы дробного исчесления и их применение: -Нальчик: КБНЦ РАН, 2000. -298 с.
[18]Терсенов С.А. Введение в теорию уравнений, вырождающихся на границе. - Новосибирск: НГУ, 1973.-144 c.
[19]Алдашев С.А. О некоторых краевых задачах для одного класса сингулярных уравнений в частных производных//Дифференц.уравнения. - 1976. - T.12, №6. -C.3-14.
[20]Терсенов С.А. Введение в теорию уравнений параболического типа с меняющимся направлением времени. - Новосибирск: ИМ СОАН СССР, 1982.-167 с.
[21]Алдашев С.А. Вырождающиеся многомерные гиперболические уравнения. - Орал: ЗКАТУ, 2007. - 139 с.
[22]Алдашев С.А. Корректности задач Дирихле и Пуанкаре в многомерной области для волнового уравнения // Укр. матем. журнал. -2014. - T. 66, № 10. -C. 1414-1419.
ISSN 1563–0285 KazNU Bulletin. Mathematics, Mechanics, Computer Science Series №4(92)2016