ЗАДАЧИ НА СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ ДЛЯ УРАВНЕНИЙ ЭЛЛИПТИЧЕСКОГО ТЙПА С РАЗРЫВНЫМИ НЕЛИНЕЙНОСТЯМИ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
СОДЕРЖАНИЕ И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
Объект исследования. В диссертации рассматривается проблема существования ненулевых решений задачи п
Ьи(х) = — 52 (ач(х)их,)х +с(т)и(т) = Хд(х,и(х)), х € О, (1) 1,7=1
Ви|г = 0,(2)
в зависимости от параметра Л, где Ь - равномерно эллиптический формально самосопряженный дифференциальный оператор в ограниченной области О С В." с границей Г класса Сг,а (0 <а< 1) с коэффициентами а>7 € Сцй(П), с € Со^(^); функция д : П х И —» И су пер позиционно измеримая и для почти всех х € П сечение д(х, •) имеет на И разрывы только первого рода, д(х,и) € [ фиксирована; граничное условие (2) имеет вид: либо условие Дирихле и(т)|г = 0, либо условие Неймана ^(т)|г = 0 с конормальной производной ^-(т) = Е а^(х)иХ1 сов(п,х^, п - внешняя нормаль к границе Г, соз(п,т7) - направляющие косинусы нормали п, либо третье краевое условие ^-(т) + о'(т)и(т)|г = 0, функция а € Сцй(Г), неотрицательна и не равна тождественно нулю на Г. Кроме того, исследуется устойчивость решений задачи (1) -(2) по отношению к возмущениям спектрального параметра Л и непрерывным аппроксимациям нелинейности д{х,и).
Сильным решением задачи (1)-(2) называется функция и € А¥^(П), г > 1, удовлетворяющая уравнению (1) для почти всех х € П, для которой след Ви(х) на Г равен нулю. Полу правильным решением задачи (1)-(2) называется такое сильное ее решение и, значение которого и(х) для почти всех х € П является точкой непрерывности функции д(х, •).
Число Л называется собственным значением задачи (1)-(2), если существует сильное ненулевое решение их этой проблемы. При этом их будем называть собственной функцией задачи (1)-(2), соответствующей А.
Актуальность темы. В последние годы возрос интерес к изучению уравнений с разрывными нелинейностями. Такие уравнения возникают как в теоретических исследованиях, так и в многочисленных приложениях. Большое число задач гидродинамики, теплофизики, электрофизики, связанных с изучением процессов, меняющихся скачкообразно при некоторых значениях фазовых переменных, приводит к интегральным и дифференциальным уравнениям с разрывными нелинейностями. Как правило, это так называемые задачи со свободными границами, исследование которых непросто и в каждом конкретном случае требует применения специальных аналитических средств. Поэтому разработка математического аппарата, обслуживающего достаточно широкий класс распределенных систем с разрывными нелинейностями, является актуальной задачей. На необходимость исследования распределенных систем с разрывной нелинейностью было указано в совместной монографии О.А. Ладыженской, В.А. Солонникова и Н.Н. Уральцевой "Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа" в 1967 г. Основы математической теории для таких систем были заложены в докторской диссертации В.Н. Павленко в 1995 г. Вопросу непустоты множества М упорядоченных пар (А, г/д) - собственное значение и соответствующая собственная функция - для задачи (1)-(2) и изучению его структуры посвящено значительное число работ.
в частности, проблеме существования неограниченной связной компоненты множества М. Интересные результаты о существовании сильных решений задач на собственные значения для уравнений в частных производных эллиптического типа с разрывными по фазовой переменной нелинейностями были получены H.J.Kuiper, I.Massabo, С.A.Stuart, К.С.Chang, D.Lupo. Наиболее общие результаты в этом направлении были получены S.A.Marano топологическими методами. Проблема исследования вопроса близости решений аппроксимирующего уравнения и предельной задачи (1)-(2) (А = 1) при возмущениях нелинейности д(х,и) была поставлена в совместной работе М.А.Красносельского и А.В.Покровского, опубликованной в Докладах Академии Наук в 1979 г.
Цель работы. Цель работы - разработка общих подходов и методов исследования задачи (1)-(2). В том числе, когда задача I имеет
I £>и|г О ненулевое решение (резонансный случай) и исследование проблемы близости решений задачи (1)-(2) к решениям аппроксимирующей задачи (возмущаются А и д(х,и)).
Методика исследования. В диссертации к задаче (1)-(2) с разрывной по фазовой переменной нелинейностью применяется вариационный метод; используются методы и результаты теории уравнений с частными производными.
Научная новизна. В работе получены новые общие теоремы о существовании луча положительных собственных значений для уравнений с разрывными операторами и наличии для каждого такого значения собственного вектора, который является точкой радиальной непрерывности разрывного оператора. На основе общих результатов устанавливаются новые теоремы о существовании луча собственных значений задачи (1)-(2) и наличии для каждого такого значения собственной функции, которая является полуправильным решением задачи (1)-(2). При этом ядро дифференциального оператора с соответствующими граничными условиями может быть ненулевым (так называемые резонансные краевые задачи). Устанавливаются новые результаты о сходимости решений аппроксимирующей задачи для исходной проблемы (1)-(2) (возмущаются спек-тральный параметр Л и нелинейность д(х, и)). По сравнению с результата-ми других авторов по проблеме существования сильных решений задачи (1)-(2) в диссертации ослаблены ограничения на множество точек разрыва нелинейности д(х, и) по и; допускается, что исследуемые краевые задачи могут быть резонансными, а оператор, порождаемый нелинейностью, не компактен; в работах других авторов о нелинейных задачах на собственные значения полуправильные решения не рассматривались.
Теоретическая и практическая значимость. Основные результаты диссертационной работы имеют теоретическое значение. Полученные результаты могут быть применены для исследования известных и новых классов задач на собственные значения для уравнений эллиптического типа с разрывными нелинейностями.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции по анализу и геометрии, посвященной 70-летию академика Ю.Г. Решетняка в Новосибирске (1999 г.), на Симпозиуме, посвященном памяти М.А. Красносельского в Воронеже (2000 г.), на зимних Воронежских математических школах (2000 г., 2001 г.), на Международной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения С.Б. Стечкина в Екатеринбурге (2000 г.), на весенних Воронежских математических школах (2000 г., 2001 г.), на Четвертом сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, посвященном памяти М.А. Лаврентьева в Новосибирске (2000 г.), на Всероссийской научной конференции в Екатеринбурге (2001 г.), на VII конференции, посвященной памяти академика А.Н. Тихонова в связи с 95-летием со дня рождения в Москве (2001 г.), на Международной конференции, посвященной 35-летию научной деятельности В.А. Садовничего в Челябинске (2002 г.), на Конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова в Москве (2002 г.), на Международной математической конференции "Еругинские чтения - VIII"в Бресте, Беларусь (2002 г.), на Международном семинаре но струйным, отрывным и нестационарным течениям, посвященном 70-летию Балтийского государственного технического университета "Военмех" в Санкт-Петербурге (2002 г.), на Всероссийской научной конференции в Туле (2002 г.), на Всероссийской научной конференции в Новокузнецке (2002 г.), на научном семинаре кафедры математической физики математико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (руководитель - профессор Н.Н. Уральцева), на научных семинарах кафедры высшей математики и кафедры теории управления факультета прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета, на научных семинарах кафедры вычислительной математики математического факультета Челябинского государственного университета, на городском семинаре по дифференциальным уравнениям в Челябинском государственном университете.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 20 работах, список которых приведен в конце автореферата, из них 11 публикаций без соавторства. В совместных работах научному руководителю В.Н. Павленко принадлежит постановка задач, диссертанту - получение конкретных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитированной литературы. Общий объем работы составляет 101 страницу. Библиография содержит 86 наименований работ.
Ьи(х) = — 52 (ач(х)их,)х +с(т)и(т) = Хд(х,и(х)), х € О, (1) 1,7=1
Ви|г = 0,(2)
в зависимости от параметра Л, где Ь - равномерно эллиптический формально самосопряженный дифференциальный оператор в ограниченной области О С В." с границей Г класса Сг,а (0 <а< 1) с коэффициентами а>7 € Сцй(П), с € Со^(^); функция д : П х И —» И су пер позиционно измеримая и для почти всех х € П сечение д(х, •) имеет на И разрывы только первого рода, д(х,и) € [ фиксирована; граничное условие (2) имеет вид: либо условие Дирихле и(т)|г = 0, либо условие Неймана ^(т)|г = 0 с конормальной производной ^-(т) = Е а^(х)иХ1 сов(п,х^, п - внешняя нормаль к границе Г, соз(п,т7) - направляющие косинусы нормали п, либо третье краевое условие ^-(т) + о'(т)и(т)|г = 0, функция а € Сцй(Г), неотрицательна и не равна тождественно нулю на Г. Кроме того, исследуется устойчивость решений задачи (1) -(2) по отношению к возмущениям спектрального параметра Л и непрерывным аппроксимациям нелинейности д{х,и).
Сильным решением задачи (1)-(2) называется функция и € А¥^(П), г > 1, удовлетворяющая уравнению (1) для почти всех х € П, для которой след Ви(х) на Г равен нулю. Полу правильным решением задачи (1)-(2) называется такое сильное ее решение и, значение которого и(х) для почти всех х € П является точкой непрерывности функции д(х, •).
Число Л называется собственным значением задачи (1)-(2), если существует сильное ненулевое решение их этой проблемы. При этом их будем называть собственной функцией задачи (1)-(2), соответствующей А.
Актуальность темы. В последние годы возрос интерес к изучению уравнений с разрывными нелинейностями. Такие уравнения возникают как в теоретических исследованиях, так и в многочисленных приложениях. Большое число задач гидродинамики, теплофизики, электрофизики, связанных с изучением процессов, меняющихся скачкообразно при некоторых значениях фазовых переменных, приводит к интегральным и дифференциальным уравнениям с разрывными нелинейностями. Как правило, это так называемые задачи со свободными границами, исследование которых непросто и в каждом конкретном случае требует применения специальных аналитических средств. Поэтому разработка математического аппарата, обслуживающего достаточно широкий класс распределенных систем с разрывными нелинейностями, является актуальной задачей. На необходимость исследования распределенных систем с разрывной нелинейностью было указано в совместной монографии О.А. Ладыженской, В.А. Солонникова и Н.Н. Уральцевой "Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа" в 1967 г. Основы математической теории для таких систем были заложены в докторской диссертации В.Н. Павленко в 1995 г. Вопросу непустоты множества М упорядоченных пар (А, г/д) - собственное значение и соответствующая собственная функция - для задачи (1)-(2) и изучению его структуры посвящено значительное число работ.
в частности, проблеме существования неограниченной связной компоненты множества М. Интересные результаты о существовании сильных решений задач на собственные значения для уравнений в частных производных эллиптического типа с разрывными по фазовой переменной нелинейностями были получены H.J.Kuiper, I.Massabo, С.A.Stuart, К.С.Chang, D.Lupo. Наиболее общие результаты в этом направлении были получены S.A.Marano топологическими методами. Проблема исследования вопроса близости решений аппроксимирующего уравнения и предельной задачи (1)-(2) (А = 1) при возмущениях нелинейности д(х,и) была поставлена в совместной работе М.А.Красносельского и А.В.Покровского, опубликованной в Докладах Академии Наук в 1979 г.
Цель работы. Цель работы - разработка общих подходов и методов исследования задачи (1)-(2). В том числе, когда задача I имеет
I £>и|г О ненулевое решение (резонансный случай) и исследование проблемы близости решений задачи (1)-(2) к решениям аппроксимирующей задачи (возмущаются А и д(х,и)).
Методика исследования. В диссертации к задаче (1)-(2) с разрывной по фазовой переменной нелинейностью применяется вариационный метод; используются методы и результаты теории уравнений с частными производными.
Научная новизна. В работе получены новые общие теоремы о существовании луча положительных собственных значений для уравнений с разрывными операторами и наличии для каждого такого значения собственного вектора, который является точкой радиальной непрерывности разрывного оператора. На основе общих результатов устанавливаются новые теоремы о существовании луча собственных значений задачи (1)-(2) и наличии для каждого такого значения собственной функции, которая является полуправильным решением задачи (1)-(2). При этом ядро дифференциального оператора с соответствующими граничными условиями может быть ненулевым (так называемые резонансные краевые задачи). Устанавливаются новые результаты о сходимости решений аппроксимирующей задачи для исходной проблемы (1)-(2) (возмущаются спек-тральный параметр Л и нелинейность д(х, и)). По сравнению с результата-ми других авторов по проблеме существования сильных решений задачи (1)-(2) в диссертации ослаблены ограничения на множество точек разрыва нелинейности д(х, и) по и; допускается, что исследуемые краевые задачи могут быть резонансными, а оператор, порождаемый нелинейностью, не компактен; в работах других авторов о нелинейных задачах на собственные значения полуправильные решения не рассматривались.
Теоретическая и практическая значимость. Основные результаты диссертационной работы имеют теоретическое значение. Полученные результаты могут быть применены для исследования известных и новых классов задач на собственные значения для уравнений эллиптического типа с разрывными нелинейностями.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международной конференции по анализу и геометрии, посвященной 70-летию академика Ю.Г. Решетняка в Новосибирске (1999 г.), на Симпозиуме, посвященном памяти М.А. Красносельского в Воронеже (2000 г.), на зимних Воронежских математических школах (2000 г., 2001 г.), на Международной конференции, посвященной 80-летию со дня рождения С.Б. Стечкина в Екатеринбурге (2000 г.), на весенних Воронежских математических школах (2000 г., 2001 г.), на Четвертом сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике, посвященном памяти М.А. Лаврентьева в Новосибирске (2000 г.), на Всероссийской научной конференции в Екатеринбурге (2001 г.), на VII конференции, посвященной памяти академика А.Н. Тихонова в связи с 95-летием со дня рождения в Москве (2001 г.), на Международной конференции, посвященной 35-летию научной деятельности В.А. Садовничего в Челябинске (2002 г.), на Конференции молодых ученых механико-математического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова в Москве (2002 г.), на Международной математической конференции "Еругинские чтения - VIII"в Бресте, Беларусь (2002 г.), на Международном семинаре но струйным, отрывным и нестационарным течениям, посвященном 70-летию Балтийского государственного технического университета "Военмех" в Санкт-Петербурге (2002 г.), на Всероссийской научной конференции в Туле (2002 г.), на Всероссийской научной конференции в Новокузнецке (2002 г.), на научном семинаре кафедры математической физики математико-механического факультета Санкт-Петербургского государственного университета (руководитель - профессор Н.Н. Уральцева), на научных семинарах кафедры высшей математики и кафедры теории управления факультета прикладной математики - процессов управления Санкт-Петербургского государственного университета, на научных семинарах кафедры вычислительной математики математического факультета Челябинского государственного университета, на городском семинаре по дифференциальным уравнениям в Челябинском государственном университете.
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 20 работах, список которых приведен в конце автореферата, из них 11 публикаций без соавторства. В совместных работах научному руководителю В.Н. Павленко принадлежит постановка задач, диссертанту - получение конкретных результатов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и списка цитированной литературы. Общий объем работы составляет 101 страницу. Библиография содержит 86 наименований работ.