Boundary value problem for loaded parabolic equations of fractional order

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The article considers the second boundary value problem for a loaded parabolic equation with a fractional Riemann – Liouville integro-differentiation operator. The unambiguous solvability of the second boundary value problem is proved. Using the Green function method with the theory of the potential of a simple layer, the problem is reduced to a system of Volterra integral equations of the second kind.

Full Text

Введение

Как известно, исследования математических моделей физико-биологических фрактальных процессов и связанных с ними задач, таких как задачи прогноза и регулирования уровня грунтовых вод, содержания влаги и соли в почвогрунтах на мелиорируемой территории и др., приводят к качественно новому классу дифференциальных и интегро-дифференциальных уравнений, получивших название нагруженных уравнений. В связи с этим исследование этих уравнений представляет большой как теоретический, так и практический интерес.

В монографии А. М. Нахушева [1] приведена подробная библиография по нагруженным уравнениям, в том числе по различным применениям нагруженных уравнений, как метода исследования задач математической биологии, математической физики, математического моделирования нелокальных процессов и явлений, механики сплошных сред с памятью.

Данная работа посвящена исследованию краевых задач для разрывно-нагруженных параболических уравнений с дробной производной.

В области D={(x,t):0<x<l, 0<t<T} рассмотрим разрывно-нагруженное уравнение

Lu=j=1nkajkx,tD0tajkKjkx,tuxjk,t, Tk<tTk+1, (1)

где k=0,1,2,,N, 0=T0<T1<<TN=T, αnkk<αnk-1k<<α1k,0<x1k<x2k<xnkk<l, Lu=ax,tuxx+bx,tux+cx,tu-ut, D0tα – оператор дробного интегро-дифференцирования порядка α [2].

Уравнение (1) относится к классу уравнений, предложенных в [3]. В работе [4] методом функции Грина исследована смешанная краевая задача для нагруженного уравнения теплопроводности. Работа [5] посвящена локальным и нелокальным краевым задачам для нагруженных параболических уравнений. Краевые задачи для уравнений в частных производных дробного порядка, включая диффузионно-волновые уравнения, рассмотрены в монографии [6]. В работе [7] получены решения краевых задач для нагруженного диффузионно-волнового уравнения с дробной производной. Численному решению первой краевой задачи для нагруженного уравнения теплопроводности с переменными коэффициентами посвящены работы [8, 9].

Вторая краевая задача

В области D для уравнения (1) рассмотрим краевую задачу:

u(x,0)=φ(x), (2)

ux(0,t)+β1(t)u(0,t)=γ1(t),ux(l,t)+β2(t)u(l,t)=γ2(t), (3)

где β1(t),β2(t),γ1(t),γ2(t)[0,T].

Решением второй краевой задачи (1)–(3) будем называть функцию u(x,t), непрерывную в D, регулярную в Di={(x,t):0<x<l, Ti-1<t<Ti} (i=1,2,,N), удовлетворяющую условиям (2), (3).

Теорема 1. Пусть выполнены условия:

1) коэффициенты a(x,t), b(x,t), c(x,t) в D удовлетворяют неравенствам

a(x,t)λ0>0,

|a(x',t)-a(x,t)|A|x'-x|λ,

|b(x',t)-b(x,t)|A|x'-x|λ,

|c(x',t)-c(x,t)|A|x'-x|λ,

|a(x,t')-a(x,t)|A|t'-t|λ,

где A, λ0 и λ – некоторые положительные постоянные.

2) ajk, j=1,2,,nk, k=0,1, , N непрерывны в D¯ по совокупности переменных x, t,  и удовлетворяют по  t условию Гельдера, а Kjk(x,t) – непрерывны в D¯, φxC0,l,  и λk<0. Тогда существует единственное решение задачи (1)–(3).

Доказательство. Пусть в уравнении (1) N=2. Сначала мы докажем теорему в области D1.

Пусть существует решение задачи (1)–(3) в области D1. Будем искать u(x,t) в виде:

ux,t=0tZ(x,t;0,τ)Ψ1(τ)+Z(x,t;l,τ)Ψ2(τ)dτ+0lZx,t;ξ,0φξdξ-

-0tdτZx,t;ξ,τ0lj=1n0aj0ξ,τD0ταj0Kj0ξ,τuxj0,τdξ, (4)

где

Ψ1(t)2=At-0tdτ0tM10,t;ξ,τj=1n0aj0ξ,τD0ταj0Kj0ξ,τuxj0,τdτ-

-n=10tM1,n0,t;0,τ0tdτ10lM10,t;ξ,τ1j=1n0aj0ξ,τ1D0τ1αj0Kj0ξ,τ1uxj0,τ1dξdτ-

-0t M2,n0,t;l,τ0tdτ10lM2l,τ;ξ,τ1j=1n0aj0ξ,τ1D0ταj0Kj0ξ,τ1uxj0,τ1dξdτ,

Ψ2(t)2=Bt-0tdτ0tM2l,t;ξ,τj=1n0aj0ξ,τD0ταj0Kj0ξ,τuxj0,τdτ-

-n=10tM1,nl,t;0,τ0tdτ10lM10,t;ξ,τ1j=1n0aj0ξ,τ1D0τ1αj0Kj0ξ,τ1uxj0,τ1dξdτ-

-0t M2,nl,t;l,τ0tdτ10lM2l,τ;ξ,τ1j=1n0aj0ξ,τ1D0τ1αj0Kj0ξ,τ1uxj0,τ1dξdτ,

At=01 M10,t;ξ,τφφdξ+

+n=10tM1,n0,t;0,τ0lM10,τ;ξ,0φξdξ-γ1τ-

-0t M2,n0,t;l,τ0lM2l,τ;ξ,0φξdξ-γ2τ}dτ-γ1τ,

Bt=0l M2l,t;ξ,0φξdξ+

+n=10t0tM1,nl,t;0,τ0lM10,τ;ξ,0φξdξ-γ1τ-

-0t M2,nl,t;l,τ0lM2l,τ;ξ,0φξdξ-γ2τ}dτ-γ2τ,

Mk,1=Mk,

Mk,n+1ξk,t;ξj,τ=0t Mkξk,t;ξj,σMk,nξj,σ;ξk,τdτ,

k=1, 2; j=1, 2; ξ1=0; ξ2=0.

При xxi0 (i=1,2,,n0) из (4) имеем

uxi0,t=0t Nit,ηuxi0,ηη+Fit, (5)

где

Nit,η=-2n=1{ηtZxi,t;0,τ0lητ [M1,n0,τ;ξ,τ1M10,τ1;ξ,η+

+M2,n0,τ;l,τ1M2l,τ1;ξ,τ]j=1n0aj0ξ,τ1D0τ1αj0Kj0ξ,τ1uxj0,τ1dτ1dξ+

+ηtZxi,t;l,τ0lητ[M1,nl,τ;0,τ1M10,τ1;ξ,η+

+M2,nl,τ;l,τ1M2l,τ1;ξ,η]j=1n0aj0ξ,τ1D0τ1αj0Kj0ξ,τ1uxj0,τ1dτ1dξ}

Fit=0t[Zxi,t;0,τAτ+Zxi,t;l,τBτ]dτ.

Для Zxi,t;ξ,τ и Mkx,t;ξ,τ имеем следующие оценки:

|Zx,t;ξ,τ|ct-τμ|x-ξ|1-2μ, 1-λ/2<μ<1,

|Mkx,t;ξ,τ|ct-τμ|x-ξ|1-2μ-λ, k=1,2. (6)

Докажем сходимость ряда

n=10lητMk,nξk,t;ξi,τ1Mkξi,τ1;ξ,ηdξdτ1.

Для этого воспользуемся следующей леммой [10]:

Лемма 1. Если 0<a<1,0<b<1, то  x[0,l],z[0,l],xz::

 0ldy|x-y|a|y-z|b{c|x-ξ|1-a-b, если a+b>1,          c,             если  a+b<1.

Используя лемму 1 и неравенство (6), находим, что

|Mk,2x,t;ξ,τ|ct-τμ+μ-1|x-ξ|2-2μ-λ+(1-2μ-λ)

Поскольку μ<1 и 1<2μ+λ, особенность в Mk,2 более слабая, чем в Mk,1=Mk.

Оценивая аналогичным образом Mk,3, Mk,4 и т. д., мы дойдем до m0, для которого

|Mk,m0x,t;ξ,τ|c. (8)

Докажем далее методом индукции по l0, что

|Mk,m0x,t;ξ,τ|c[c2t-τ1-μ]l0, (9)

где c1, c2 – некоторые постоянные, а Γ(z) – гамма-функция Эйлера. Предположим, что (9) имеет место для некоторого целого l0 и с помощью (6) получим

|Mk,l0+m0+1|cc1c2l0Γ[1-μl0+1]0tt-σ-μσ-η1-μl0dσ.

Подставляя Y=σ-τ/t-τ, используя формулу

011-ya-1yb-1dz=ΓaΓbΓ1+b

и выбирая подходящим образом постоянную c2, получим формулу (9) для всех l0=1. Но для  (9) совпадает с (8). Отсюда следует доказательство (9). Из (9) следует, что ряд (7сходится.

В дальнейшем понадобятся следующие неравенства:

|Zx,t;ξ,τ|ct-τ-12e-λ0x-ξ24t-τ, (10)

|Zx,t;ξ,τx|ct-τ-32e-λ0x-ξ24t-τ.

Преобразуем (10) в виде

|Zx,t;ξ,τ|ct-τ-12e-λ0x-ξ24t-τ=

=ct-τ-μx-ξμ-1/2[x-ξ2t-τ]12-μeελ0x-ξ24t-τe1-εx-ξ2λ04t-τ.

Для 0<A< получим следующее неравенство

|Zx,t;ξ,τ|ct-τ-μx-ξ1-2μe-λ0x-ξ24t-τ

для любых λ0<λ0 и 0<μ1/2.

Аналогично доказывается, что

|Zx,t;ξ,τx|ct-τ-μ1x-ξ2μ1-32 e-λ¯0x-ξ24t-τ.

Следовательно,

|Mk,2x,t;ξ,τ|ct-τ-μx-ξ2μ1-32 e-λ¯0x-ξ24t-τ.

Пусть μ1=34. Тогда

|Mk,2x,t;ξ,τ|=|0t0lMkx,t;y,σMk,1y,σ;ξ,τdξdσ|

c0t0lt-τ-μ1e-λ¯0x-ξ24t-τσ-τ-λ0ξ-ydξdτ. (11)

Сделаем подстановку:

ρ=λ¯0t-τt-σ12ξ-y2σ-t12+λ¯0σ-τt-σ12y-x2t-x12.

Так как

λ¯0x-ξ24t-σ+λ¯0y-ξ24t-σ=λ¯0x-ξ24t-σ+ρ2,

то из (11) имеем

|Mk,2x,t;ξ,τ|=c0tt-σ12-μ1σ-t12-μ1t-τ-12dτ.

После подстановки (t-σ)/(t-τ)=η получим

|Mk,2x,t;ξ,τ|2π12hce-λ0x-ξ24t-τ,

01η-141-η-14dηcB34,34e-λ0x-ξ24t-τ,

где B(α,β)  – бета-функция.

Легко установить, что все Mk,m0m0>z – тоже непрерывные функции (x,t) равномерно по отношению к (ξ,τ), если t-τc>0, и непрерывные функции (ξ,τ) равномерно по отношению к (x,t), если t-τc>0. Отсюда следует, что Mk,nx,t;ξ,τ – непрерывная функция по совокупности переменных x,t;ξ,τ, а следовательно, и ряд (7) – также непрерывная функция.

Рассмотрим интеграл

It=0tdτ0lMix,t;ξ,τj=1n0aj0ξ,η1Γ-αj0τ1Kj0ξ,τ1uxj0,τ1τ-τ11+αjdτ1.

Так как αj<0, то из (6) имеем, что I(t) – прерывная функция. Следовательно, система интегральных уравнений (5) имеет единственное непрерывное решение. Подставляя uxi0,t в (4), с учетом, что краевая задача (2), (3) имеет единственное решение для уравнения Lu=fx,t [10], получаем однозначное решение в D1.

Так как ux,T1C[0,l],, то аналогично получается решение задачи (1)–(3) и в области D2. Теорема доказана.

Заключение

Таким образом, в данной работе доказана однозначная разрешимость второй краевой задачи для нагруженного параболического уравнения дробного порядка. Полученные результаты важны для развития теории краевых задач для уравнений в частных производных дробного порядка, в том числе нагруженных уравнений параболического типа, а также математического моделирования различных процессов и систем с распределенными параметрами, имеющих фрактальную пространственно-временную структуру.

×

About the authors

Mukhamed M. Karmokov

Kabardino-Balkarian State University named after Kh. M. Berbekov

Author for correspondence.
Email: mkarmokov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5189-6538

Candidate of physical and mathematical sciences, Associate Professor of the Department of applied mathematics and computer science

Russian Federation, 360004, Nalchik, 173 Chernyshevsky street

Fatima M. Nakhusheva

Kabardino-Balkarian State University named after Kh. M. Berbekov

Email: fatima-nakhusheva@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-3750-1445

Candidate of physical and mathematical sciences, Associate Professor of the Department of applied mathematics and computer science

Russian Federation, 360004, Nalchik, 173 Chernyshevsky street

Mukhad Kh. Abregov

Kabardino-Balkarian State University named after Kh. M. Berbekov

Email: mkarmokov@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0003-9592-4133

Candidate of physical and mathematical sciences, Associate Professor of the Department of applied mathematics and computer science

Russian Federation, 360004, Nalchik, 173 Chernyshevsky street

References

  1. Nakhushev A.M. Nagruzhennyye uravneniya i ikh primeneniye [Loaded equations and their application]. Moscow: Nauka, 2012. 232 p. (in Russian)
  2. Nakhushev A.M. Uravneniya matematicheskoy biologii [Equations of mathematical biology]. Moscow: Vysshaya shkola, 1995. 301 p. (in Russian)
  3. Nakhushev A.M. On the Darboux problem for a degenerate loaded second-order integro-differential equation. Differential equations. 1976. Vol. 12. No. 1. Pp. 103–108. (in Russian)
  4. Dikinov Kh.B., Kerefov A.A., Nakhushev A.M. On a boundary value problem for the loaded equation of thermal conductivity. Differential equations. 1976. Vol. 12. Pp. 177–179. (in Russian)
  5. Karmokov M.M. Lokal’nye i nelokal’nye kraevye zadachi dlya razryvno-nagruzhennykh parabolicheskikh uravneniy [Local and non-local boundary value problems for discontinuously loaded parabolic equations]. Kand. dis. Nalchik, 1990. 86 p. (in Russian)
  6. Pskhu A.V. Uravneniya v chastnykh proizvodnykh drobnogo poryadka [Partial differential equations of fractional order]. Moscow: Nauka, 2005. 199 p. (in Russian)
  7. Gekkieva S.Kh. Mixed boundary value problems for the loaded diffusion-wave equation. Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudanstiennogo universiteta. Seriya: Matematika. Fizika [Scientific Bulletin of Belgorod Stade University. Senes: Mathemaitics. Physics]. 2016. Vol. 42. No. 6 (227). Pp. 32–35. (in Russian)
  8. Nakhusheva F.M., Lafisheva M.M., Karmokov M.M., Dzhankulaeva M.A. A numerical method for solving a boundary value problem for a parabolic equation with a fractional time derivative with a concentrated heat capacity. News of the Kabardino-Balkarian Scientific Center of RAS. 2018. No. 5 (85). Pp. 34–43. (in Russian)
  9. Beshtokov M.Kh., Vodakhova V.A., Isakova M.M. Approximate solution of the first boundary value problem for the loaded heat equation. Matematicheskaya fizika i komp’yuternoe modelirovanie [Mathematical physics and computer modeling]. 2023. Vol. 26. No. 4. Pp. 5–17. (in Russian)
  10. Friedman A. Uravneniya s chastnymi proizvodnymi parabolicheskogo tipa [Partial Differential Equations of Parabolic Type]. Moscow: Mir, 1968. 427 p. (in Russian)

Copyright (c) 2024 Karmokov M.M., Nakhusheva F.M., Abregov M.K.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies