Локальная и нелокальная задачи для уравнения смешанного типа второго порядка с оператором Геллестедта
Локальная и нелокальная задачи для уравнения смешанного типа второго порядка с оператором Геллестедта
Соиск. Дзарахохов А.В.
Кафедра математики.
Горский государственный аграрный университет
Доказана однозначная разрешимость локальной и нелокальной краевых задач для нагруженных уравнений 2 порядка оператора Геллестедта.
Рассмотрим уравнение
(1)
в области Ω,
ограниченной отрезками АА0, ВВ0, А0В0
прямых
соответственно и характеристиками
уравнения (1) в полуплоскости y<0, λ(y) – заданная непрерывная функция.
Пусть
– параболическая,
- гиперболическая области Ω,
- интервал прямой y=0.
ЗАДАЧА 1. Найти в областях Ω1, Ω2 решение
уравнения (1), удовлетворяющее краевым условиям
,
(2)
,
(3)
где
- непрерывные, а
- дважды непрерывно дифференцируемая
функции, причем
.
(4)
Решение задачи Коши
для уравнения (1), y<0, в области Ω2
имеет вид [1]:
,
(5)
где
.
Удовлетворяя (5) заданному условию (3), получим
.
(6)
В равенстве (6) сделаем замену
.
В результате получим
.
Заменяя в последнем равенстве x через
,
получаем:
.
(7)
Из равенства (7) находим
,
(8)
где
.
Обращая (8) как обобщенное интегральное
уравнение Абеля относительно
,
получаем [2]:
.
(9)
Или с учетом перестановки Дирихле порядка интегрирования во втором интеграле правой части (9), получаем:
.
(10)
Рассмотрим
.
Произведя замену переменных
в последнем равенстве, получим
.
На основании равенства [3]
будем иметь
.
(11)
Подставляя (11) в (10), окончательно получаем
функциональное соотношение между
и
,
привнесенное из гиперболической части
области Ω на
линию y = 0:
.
(12)
При m = 0 оно принимает вид:
.
(13)
Устремляя
из Ω1, получаем
функциональное соотношение между
и
,
привносимое на линию y = 0 в виде:
.
(14)
В начале рассмотрим случай, когда m = 0.
Исключая из уравнения (13) и (14)
и, учитывая краевые условия (2), приходим
к задаче
,
(15)
.
(16)
Решение (15), (16) представим в виде:
,
(17)
где обозначено
.
Отсюда полагая x=x0, в силу условия (14)
однозначно найдем
.
Затем подставляя это значение в (17)
полностью определяем
.
После определения
в области Ω1
приходим к задаче (1), (2) и
.
Нетрудно убедиться, что решение
этой задачи удовлетворяет интегральному
уравнению
,
(18)
где
– функция Грина указанной выше смешанной
задачи для уравнения теплопроводности.
Отсюда, полагая в (18) x = x0, для функции
получаем интегральное уравнение
(19)
с ядром
и правой частью
.
Уравнение (19) является интегральным
уравнением Вольтерра второго рода и
оно безусловно разрешимо в пространстве
.
ЗАДАЧА 2. Требуется найти функцию
,
удовлетворяющую всем условиям задачи
1, кроме второго условия из (2) и (4), вместо
которых берут условия:
,
(20)
.
(21)
Для решения задачи 2, поступая как выше,
с учетом условия (21) функцию
однозначно определим решением уравнения
(15), удовлетворяющим условиям
.
Пользуясь функцией Грина
второй краевой задачи для уравнения
теплопроводности, убеждаемся, что
решение
задачи 2 в области Ω1
удовлетворяет уравнению
,
(22)
где
.
Отсюда полагая в (22) x = x0 и учитывая
условие (20), получаем систему интегральных
уравнений Вольтерра второго рода
относительно
и
:
(23)
,
,
,
.
В силу свойства функции Грина
и ядер системы (23), нетрудно убедиться,
что система уравнений (23) допускает
единственное решение в пространстве
[4].
Пусть теперь m > 0. Исключая
из системы уравнений (12) и (15), получаем
интегродифференциальное уравнение
относительно
:
,
(24)
удовлетворяющее граничному условию
(25)
в случае задачи 1 и нелокальному условию
(26)
в случае задачи 2.
Интегрируя равенство (24) дважды от 0 до x, с учетом граничных условий (25), (26), получаем:
(27)
Преобразуем двойной интеграл в левой части равенства (27):
.
(28)
Учитывая равенство (28) в (27), получаем:
(29)
где
.
(30)
Преобразуем двойные интегралы в равенстве (30). В результате получим
,
.
Учитывая J3 и J4 в равенстве (30), окончательно будем иметь:
Откуда заключаем, что
.
Таким образом, относительно
получим интегральное уравнение Фредгольма
второго рода:
,
(31)
где
.
Так как
,
то обращая (31) через резольвенту R(x, t),
будем иметь
,
(31)
где
Полагая в равенстве (31) х=х0 и х=1, однозначно определим
,
,
если выполнены условия
.
После определения функции
в области Ω1
приходим к задаче (1), (2) и
,
которая на основании свойств функции
Грина эквивалентно редуцируется к
интегральному уравнению Вольтерра
второго рода. В области Ω2
решение задачи 2 задается формулой
(5).
Список литературы
Бицадзе А.В. Уравнения смешанного типа. М.: ВИНИТИ АН СССР, 1959.
Трикоми Ф.О. О линейных уравнениях смешанного типа. М.: ОГИЗ, 1947.
Мюнтц Г. Интегральные уравнения //Л.-Н.ГТТИ. 1934. Т1.
Елеев В.А. Краевые задачи для нагруженного гиперболо-параболического уравнения с характеристической линией изменения типа // Украинский мат. журнал. Киев, 1995. Т.47, №12.
Для подготовки данной применялись материалы сети Интернет из общего доступа