Краевая задача для нагруженного параболического уравнения дробного порядка

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В статье рассматривается вторая краевая задача для нагруженного параболического уравнения с оператором дробного интегро-дифференцирования Римана – Лиувилля. Доказана однозначная разрешимость второй краевой задачи. Методом функции Грина, используя теорию потенциала простого слоя, задача редуцируется к системе интегральных уравнений Вольтерра второго рода.

Полный текст

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.

×

Об авторах

Мухамед Мацевич Кармоков

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова

Автор, ответственный за переписку.
Email: mkarmokov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5189-6538

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры прикладной математики и информатики

Россия, 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

Фатима Мухамедовна Нахушева

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова

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

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры прикладной математики и информатики

Россия, 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

Мухад Хасанбиевич Абрегов

Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х. М. Бербекова

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

канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры прикладной математики и информатики

Россия, 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173

Список литературы

  1. Нахушев А. М. Нагруженные уравнения и их применение. М.: Наука, 2012. 232 с.
  2. Нахушев А. М. Уравнения математической биологии. М.: Высшая школа, 1995. 301 с.
  3. Нахушев А. М. О задаче Дарбу для одного вырождающегося нагруженного интегро-дифференциального уравнения второго порядка // Дифференц. уравнения. 1976. T. 12. № 1. С. 103–108.
  4. Дикинов Х. Б., Керефов А. А., Нахушев А. М. Об одной краевой задаче для нагруженного уравнения теплопроводности // Дифференц. уравнения. 1976. T. 12. С. 177–179.
  5. Кармоков М. М. Локальные и нелокальные краевые задачи для разрывно-нагруженных параболических уравнений: дис. ... канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 1991. 87 с.
  6. Псху А. В. Уравнения в частных производных дробного порядка. М.: Наука, 2005. 199 с.
  7. Геккиева С. Х. Смешанные краевые задачи для нагруженного диффузионно-волнового уравнения // Научные ведомости БелГУ. Серия: Математика. Физика. 2016. Выпуск 42. № 6 (227). С. 32–35.
  8. Нахушева Ф. М., Лафишева М. М., Кармоков М. М., Джанкулаева М. А. Численный метод решения краевой задачи для параболического уравнения с дробной производной по времени с сосредоточенной теплоемкостью // Известия Кабардино-Балкарского научного центра РАН. 2018. № 5 (85). С. 34–43.
  9. Бештоков М. Х., Водахова В. А., Исакова М. М. Приближенное решение первой краевой задачи для нагруженного уравнения теплопроводности // Математическая физика и компьютерное моделирование. 2023. Т. 26. № 4. С. 5–17.
  10. Фридман А. Уравнения с частными производными параболического типа. М.: Мир, 1968. 427 с.

© Кармоков М.М., Нахушева Ф.М., Абрегов М.Х., 2024

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах