Об одной многоточечной краевой задаче для дифференциального уравнения второго порядка
Исследование многоточечной краевой задачи, в которой функция удовлетворяет условиям Каратеодори. Вид трехточечной задачи для дифференциального уравнения второго порядка. Рассмотрение вспомогательного утверждения о разрешимости операторных уравнений.
Рубрика | Математика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 26.04.2019 |
Размер файла | 74,5 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
А. Р. Абдуллаев, Е. А. Скачкова
Размещено на http://www.allbest.ru/
6
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2014 Математика. Механика. Информатика Вып. 2 (25)
5
Об одной многоточечной краевой задаче для дифференциального уравнения второго порядка
А.Р. Абдуллаев
Для дифференциального уравнения второго порядка рассматривается многоточечная краевая задача. Получены достаточные условия разрешимости.
Ключевые слова: многоточечная задача; существование решения.
Рассмотрим краевую задачу
, (1)
, (2)
где , , функция удовлетворяет условиям Каратеодори.
В предлагаемой работе исследуется случай, когда , причем безотносительно взаимного расположения значений и на интервале . В частном случае, когда , задача (1), (2) принимает вид трехточечной задачи для уравнения второго порядка. Отметим, что такая задача находит широкое применение в различных областях теории управления, экономике и т.д., поэтому изучалась многими авторами (см., например, [1, 2]).
Введем основные обозначения.
Пусть - пространство суммируемых по Лебегу в -й степени функций , с нормой ; - пространство ограниченных в существенном функций , с нормой ; - пространство абсолютно непрерывных функций , таких, что , с нормой . Через , обозначим пространство абсолютно непрерывных вместе с первой производной функций , таких, что , с нормой
.
многоточечный дифференциальный уравнение операторный
Всюду далее - сопряженный с показатель
, .
Определение 1. Под решением задачи (1), (2) будем понимать такую функцию , удовлетворяющую почти всюду на отрезке уравнению (1) и условиям (2).
Сформулируем условия разрешимости задачи (1), (2) в виде теоремы.
Теорема 1. Пусть выполнены следующие условия:
1) существуют неотрицательные постоянные , и неотрицательная функция , такие, что
при и почти всех ;
2) существует , такое, что (или ) при и почти всех и для всех ;
3) справедливо неравенство
.
Тогда задача (1), (2) имеет хотя бы одно решение в пространстве .
Прежде чем перейти к доказательству теоремы, приведем необходимые утверждения и определения.
Вместе с задачей (1), (2) рассмотрим соответствующую линейную задачу:
. |
Подпространство решений этой задачи определим равенством
с нормой пространства .
На этом пространстве задачу (1), (2) представим в виде операторного уравнения
, (3)
где операторы , определяются следующим образом:
, .
Таким образом, для доказательства разрешимости задачи (1), (2) достаточно исследовать на разрешимость операторное уравнение (3). Оператор в уравнении (3) оказывается необратимым (см. ниже), следовательно, по терминологии, принятой для квазилинейных операторных уравнений, задача (3) называется резонансной.
Для линейного оператора , где - банаховы пространства, через и соответственно обозначим ядро и образ оператора.
Нам потребуется понятие обобщенно обратного к оператору оператора. Пусть - проектор на ядро оператора и - дополнительный проектор [3]. Так как понятие обобщенно обратного оператора трактуется по-разному, в работе мы будем следовать определению, сформулированному в [4].
Через обозначим обобщенно обратный к оператору , ассоциированному с проектором Р [4]. Напомним, что для оператора справедливы условия:
1) , где - оператор естественного вложения;
2) ;
3) .
Для непрерывного оператора определим неотрицательную числовую характеристику равенством:
называемую квазинормой оператора . Если , то оператор принято называть квазиограниченным [ААР]. Если - линейный оператор, то совпадает с нормой оператора , т.е. . Если , то при и при .
Для определения условий разрешимости уравнения (3) воспользуемся вспомогательным утверждением о разрешимости операторных уравнений. Воспользуемся теоремой, приведенной в работе [5].
Пусть - разложение в прямую сумму замкнутых подпространств.
Теорема 2. Пусть выполнены условия:
1) - нетеров;
2) - вполне непрерывен;
3) существуют такие числа , что для каждого элемента существует элемент такой, удовлетворяющий требованиям , ;
4) .
Тогда уравнение (3) имеет хотя бы одно решение.
Для оператора , ядро и образ определяются равенствами:
,
.
Представим в виде разложения в прямую сумму подпространств и для произвольного полагаем , где , . В качестве проектора рассмотрим оператор , , через обозначим проектор на образ оператора .
Лемма 1. Оператор, определенный равенством
,
является проектором на образ оператора .
Доказательство. Рассмотрим оператор и проверим, что он является проектором, такой оператор называется дополнительным проектором к проектору .
Действительно,
.
Это и означает, что оператор является проектором. Лемма доказана.
Лемма 2. Обобщенно обратный оператор для оператора , ассоциированный с проектором , имеет следующий вид:
.(4)
Норма оператора удовлетворяет оценке
. (5)
Доказательство. Проверим выполнение свойств обобщенного обратного оператора:
.
.
.
Следовательно, оператор является обобщенным обратным оператором.
Оценим норму оператора в пространстве .
Используя неравенство Гёльдера, получим:
Лемма доказана.
Следующее утверждение доказано в работе [6]. Сформулируем его в удобной для нас форме.
Лемма 3. Для любого элемента пространства справедливы неравенства:
, .
Лемма 4. Пусть существуют неотрицательные постоянные , и неотрицательная функция , такие, что
почти всюду при и .
Тогда для оператора справедлива оценка:
,
где , .
Доказательство. Действительно,
Лемма доказана.
Произвольно зафиксируем элемент и определим непрерывное отображение равенством:
. (6)
Лемма 5. Пусть выполнено следующее условие: существует , такое, что
(или ) при , и почти всех . Тогда существует постоянная , удовлетворяющая неравенству
,
такая, что .
Доказательство. Пусть существует , такое, что при . Положим . Тогда для всех , справедливо , а следовательно, . Аналогично для всех .
Тогда в силу непрерывности функции существует постоянная , удовлетворяющая неравенству
,
такая, что .
В случае, когда выполнено условие
,
доказательство проводится по той же схеме.
Лемма доказана.
Перейдем к доказательству теоремы 1.
Доказательство теоремы 1. Для доказательства теоремы проверим выполнение условий теоремы 2. Действительно, оператор - фредгольмов (лемма 1) и оператор , определенный равенством
вполне непрерывен.
Для проверки условия 3 теоремы 2 рассмотрим уравнение
,
где , - некоторый элемент . Если при каждом фиксированном данное уравнение имеет решение, то существует элемент , удовлетворяющий условию .
Имеем
Для произвольно фиксированного элемента исследуем функционал , определенный равенством (6).
Из леммы 5 следует, что существует элемент , удовлетворяющий требованиям , , причем , .
Теорема доказана.
Список литературы
1. Gupta C.P.. Solvability of a multi-point boundary value problem at resonance // Results Math. 1995. Vol. 28. P. 270-276.
2. Liu B. Solvability of multi-point boundary value problems at resonance (I). Indian J. pure appl. Math. 2002. № 33(4). P. 475-494.
3. Треногин В. А. Функциональный анализ: монография. Изд. 3-е, испр. М.: Физматлит., 2002. 488 с.
4. Абдуллаев А.Р., Бурмистрова А.Б. Элементы теории топологически нетеровых операторов. Челябинск, 1994. 93 с.
5. Абдуллаев А.Р., Скачкова Е.А. Периодические решения системы линейных функционально-дифференциальных уравнений // Вестник Пермского университета. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2013. Вып. 4(23).
6. Скачкова Е.А. О периодических решениях функционально-дифференциального уравнения третьего порядка // Вестник Пермского университета. Сер. Математика. Механика. Информатика. 2011. Вып. 3(7).
Размещено на Allbest.ru
Подобные документы
Банаховы функциональные пространства. Постановка краевой задачи и исследование ее однозначной разрешимости и отрицательности функции Грина. Признаки существования решения краевой задачи для нелинейного функционально-дифференциального уравнения.
курсовая работа [440,4 K], добавлен 27.05.2015Последовательность решения линейной краевой задачи. Особенности метода прогонки. Алгоритм метода конечных разностей: построение сетки в заданной области, замена дифференциального оператора. Решение СЛАУ методом Гаусса, конечно-разностные уравнения.
контрольная работа [366,5 K], добавлен 28.07.2013Описание метода сведения краевой задачи к задаче Коши. Решение системы из двух уравнений с четырьмя неизвестными. Метод Рунге-Кутта. Расчет максимальной погрешности и выполнение проверки точности. Метод конечных разностей. Описание полученных результатов.
курсовая работа [245,2 K], добавлен 10.07.2012Решение краевой задачи. Методы конечно-разностных, центрально-разностных отношений и метод прогонки. Приближенное решение линейного дифференциального уравнения второго порядка с помощью методов Галеркина, Ритца и коллокации, сравнение результов.
курсовая работа [596,2 K], добавлен 27.04.2011Понятие и математическое описание элементов дифференциального уравнения как уравнения, связывающего искомую функцию одной или нескольких переменных. Состав неполного и линейного дифференциального уравнения первого порядка, их применение в экономике.
реферат [286,2 K], добавлен 06.08.2013Исследование общего уравнения линии второго порядка и приведение его к простейшим (каноническим) формам. Инвариантность выражения АС-В2. Классификация линий второго порядка. Уравнения, определяющие эллипс и гиперболу. Директрисы кривых второго порядка.
курсовая работа [132,1 K], добавлен 14.10.2011Порядок и принципы составления дифференциального уравнения, методика нахождения неизвестных значений. Замена исходного дифференциального уравнения на систему n-линейных уравнений относительно n-неизвестных. Формирование и решение системы уравнений.
задача [118,8 K], добавлен 20.09.2013Особенности решения обыкновенного линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с заданными граничными условиями методом конечной разности. Составление трехдиагональной матрицы. Реализация решения в программе Microsoft Office Excel.
курсовая работа [1,4 M], добавлен 23.12.2013Общее решение дифференциального уравнения первого порядка. Уравнение с разделенными переменными. Выбор частного интеграла. Частное решение дифференциального уравнения второго порядка. Вероятность проявления события, интегральная формула Муавра-Лапласа.
контрольная работа [75,5 K], добавлен 19.08.2009Задачи Коши для дифференциальных уравнений. График решения дифференциального уравнения I порядка. Уравнения с разделяющимися переменными и приводящиеся к однородному. Однородные и неоднородные линейные уравнения первого порядка. Уравнение Бернулли.
лекция [520,6 K], добавлен 18.08.2012