Construction of the asymptotics of the solution of the heat equation by the known asymptotics of the initial function in the three-dimensional space

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An asymptotic approximation, as time increases without limit, is constructed to the solution of the Cauchy problem for the heat equation in three-dimensional space. The locally integrable initial function, which does not necessarily tend to zero at infinity, is assumed to have powerlike asymptotics. The method of introduction of an auxiliary parameter, which also involves the regularization of singularities in integrals, plays the central role in the research. The asymptotic expression for the solution is shown to have the form of a series in negative half-integer powers of the time variable, with coefficients depending on self-similar variables and the logarithm of time; the leading term is found explicitly. Using the example of the Cauchy problem for the vector Burgers equation, it is shown that to perform an asymptotic analysis of the solution by the matching method one needs to construct an asymptotic approximation to a solution of the heat equation.

About the authors

Sergei Viktorovich Zakharov

N.N. Krasovskii Institute of Mathematics and Mechanics, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: svz@imm.uran.ru
Candidate of physico-mathematical sciences

References

  1. J. Fourier, Theorie analytique de la chaleur, Firmin Didot, Père et Fils, Paris, 1822, xxii+639 pp.
  2. T. N. Narasimhan, “Fourier's heat conduction equation: history, influence, and connections”, Rev. Geophys., 37:1 (1999), 151–172
  3. О. А. Ладыженская, “О единственности решения задачи Коши для линейного параболического уравнения”, Матем. сб., 27(69):2 (1950), 175–184
  4. А. М. Ильин, А. С. Калашников, О. А. Олейник, “Линейные уравнения второго порядка параболического типа”, УМН, 17:3(105) (1962), 3–146
  5. А. М. Ильин, Согласование асимптотических разложений решений краевых задач, Наука, М., 1989, 336 с.
  6. С. В. Захаров, “Задача Коши для квазилинейного параболического уравнения с большим начальным градиентом и малой вязкостью”, Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 50:4 (2010), 699–706
  7. С. В. Захаров, “О распределении тепла в бесконечном стержне”, Матем. заметки, 80:3 (2006), 379–385
  8. В. Н. Денисов, “О поведении решений параболических уравнений при больших значениях времени”, УМН, 60:4(364) (2005), 145–212
  9. В. Н. Денисов, “О поведении при больших значениях времени решений параболических уравнений”, Уравнения в частных производных, СМФН, 66, № 1, РУДН, М., 2020, 1–155
  10. А. М. Ильин, “О поведении решения задачи Коши для параболического уравнения при неограниченном возрастании времени”, УМН, 16:2(98) (1961), 115–121
  11. В. Н. Денисов, “О стабилизации интеграла Пуассона и средних Тихонова–Стилтьеса. Двусторонние оценки”, Докл. РАН. Матем., информ., проц. упр., 496 (2021), 40–43
  12. Ф. Х. Мукминов, “О поведении при $tto infty$ решений первой смешанной задачи для уравнения теплопроводности в неограниченных по пространственным переменным областях”, Дифференц. уравнения, 15:11 (1979), 2021–2033
  13. Ф. Х. Мукминов, “О равномерной стабилизации решений первой смешанной задачи для параболического уравнения”, Матем. сб., 181:11 (1990), 1486–1509
  14. А. В. Лежнев, “О поведении при больших значениях времени неотрицательных решений второй смешанной задачи для параболического уравнения”, Матем. сб., 129(171):2 (1986), 186–200
  15. В. И. Ушаков, “О поведении решений третьей смешанной задачи для параболических уравнений второго порядка при $tto infty$”, Дифференц. уравнения, 15:2 (1979), 310–320
  16. Ю. Н. Черемных, “О поведении решений краевых задач для параболических уравнений второго порядка при неограниченном возрастании $t$”, Матем. сб., 75(117):2 (1968), 241–254
  17. В. В. Жиков, “Асимптотические задачи, связанные с уравнением теплопроводности в перфорированных областях”, Матем. сб., 181:10 (1990), 1283–1305
  18. А. М. Ильин, Р. З. Хасьминский, “Асимптотическое поведение решений параболических уравнений и эргодическое свойство неоднородных диффузионных процессов”, Матем. сб., 60(102):3 (1963), 366–392
  19. В. Н. Денисов, “О стабилизации интеграла Пуассона в классе функций, имеющих степенной рост”, Дифференц. уравнения, 21:1 (1985), 30–40
  20. В. Н. Денисов, “О стабилизации решения задачи Коши для параболического уравнения с младшими коэффициентами и растущей начальной функцией”, Докл. РАН, 397:4 (2004), 439–441
  21. A. Friedman, “Asymptotic behavior of solutions of parabolic equations of any order”, Acta Math., 106:1-2 (1961), 1–43
  22. А. Фридман, Уравнения с частными производными параболического типа, Мир, М., 1968, 427 с.
  23. С. В. Захаров, “Асимптотическое вычисление распределения тепла на плоскости”, Тр. ИММ УрО РАН, 22, № 1, 2016, 93–99
  24. S. V. Zakharov, “The asymptotics of a solution of the multidimensional heat equation with unbounded initial data”, Ural Math. J., 7:1 (2021), 168–177
  25. H. Poincare, “Sur les integrales irregulières. Des equations lineaires”, Acta Math., 8:1 (1886), 295–344
  26. А. Эрдейи, Асимптотические разложения, Физматгиз, М., 1962, 128 с.
  27. А. Р. Данилин, “Асимптотика ограниченных управлений для сингулярной эллиптической задачи в области с малой полостью”, Матем. сб., 189:11 (1998), 27–60
  28. А. Р. Данилин, “Асимптотика оптимального значения функционала качества при быстростабилизирующемся непрямом управлении в сингулярном случае”, Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 46:12 (2006), 2166–2177
  29. А. М. Ильин, А. Р. Данилин, Асимптотические методы в анализе, Физматлит, М., 2009, 248 с.
  30. Н. Н. Лебедев, Специальные функции и их приложения, 2-е изд., Физматгиз, М., 1963, 358 с.
  31. С. В. Захаров, “Асимптотическое решение многомерного уравнения Бюргерса вблизи сингулярности”, ТМФ, 196:1 (2018), 42–49

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Захаров С.V.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).