ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2021, том 57, № 10, с. 1318-1324
ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 517.927.2+517.984.46
УТОЧНЕНИЕ ОЦЕНОК СОБСТВЕННЫХ ЗНАЧЕНИЙ
ДЛЯ СТРУНЫ С СИНГУЛЯРНЫМ ВЕСОМ
© 2021 г. А. С. Иванов
Рассматривается линейный дифференциальный пучок A(λ) ≡ L - λV, где L ≡ -y′′ +
+ q(x)y - оператор Штурма-Лиувилля с сингулярным потенциалом q(x), V - оператор
умножения на сингулярный вес ρ(x), x ∈ (0, π), а λ ∈ C - спектральный параметр.
Предполагается, что потенциал q и вес ρ принадлежат пространству Соболева W-12[0, π]
с отрицательным индексом гладкости, причём q - вещественно-, а ρ - комплекснозначные
функции. Доказано, что для собственных значений λn, n ∈ N, пучка A(λ) при всех n ∈
N выполняется оценкаn| Cn, где C - постоянная, не зависящая от номера n.
DOI: 10.31857/S0374064121100034
Введение. В статье изучается дифференциальное уравнение
-y′′(x) + q(x)y(x) = λρ(x)y(x), x ∈ (0),
(1)
и ассоциированный с ним линейный операторный пучок A(λ) := L - λV, где L - оператор
Штурма-Лиувилля, порождённый дифференциальным выражением l(y) := -y′′+q(x)y и кра-
евыми условиями типа Штурма, V - оператор умножения на функцию ρ, а λ - спектральный
параметр. Здесь функции q и ρ являются распределениями первого порядка сингулярности
(т.е. обобщёнными производными функций из класса L2[0, π]). Уравнение (1) представляет
собой математическую модель для описания малых поперечных колебаний нагруженной стру-
ны. Функция y(x) показывает отклонение струны от положения равновесия, q(x) - функция,
задающая плотность внешних сил, действующих на струну в точке x, а ρ(x) - функция плот-
ности струны.
Изучение задачи о колебаниях нагруженной струны имеет большую историю. В частно-
сти, связанные с этой задачей вопросы изучались в работах [1-7]. Данная статья является
продолжением работы [8], по которой можно более подробно ознакомиться с историей вопроса
и актуальностью темы. Один из результатов статьи [8] состоял в доказательстве для опе-
раторного пучка A(λ) оценок его собственных значений λn, n ∈ N, видаn| Cn/ln n.
Целью настоящей работы является уточнение этих оценок. Именно, в теореме 2 доказано, что
n| Cn, здесь и выше C - постоянная, не зависящая от n.
1. Предварительные сведения. Прежде чем переходить к изложению результатов ра-
боты, дадим точное определение операторного пучка A(λ) := L - λV. Подробное описание
этого пучка и его свойств приведено в работе [8]. Для замкнутости изложения в данном пунк-
те повторим, следуя [9], определения нужных в дальнейшем функциональных пространств
и действующих в них операторов, а также отметим необходимые их свойства (подробности
можно найти в работе [9]).
1.1. Определения пространств. Через H будем обозначать пространство L2[0], через
(·,·) - скалярное произведение в H, а через ∥ · ∥ - L2-норму.
Далее, W12[0, π] - классическое пространство Соболева, W12[0, π] = {f ∈ AC[0, π] : f ∈ H},
с нормой ∥f∥1 := (∥f∥2 + ∥f2)1/2 и соответствующим скалярным произведением (·,·)1.
Введём подпространства пространства W12[0, π], отвечающие трём различным типам краевых
условий: Дирихле, Дирихле-Неймана и Неймана-Дирихле, именно, положим
W12,D[0] = {f ∈ AC[0] : f ∈ H, f(0) = f(π) = 0},
W12,DN[0] = {f ∈ AC[0] : f ∈ H, f(0) = 0},
W12,ND[0] = {f ∈ AC[0] : f ∈ H, f(π) = 0}.
1318
УТОЧНЕНИЕ ОЦЕНОК НА СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
1319
Для четвёртого типа условий - условий Неймана - через W12,N [0, π] обозначим всё простран-
ство W12[0, π].
Поясним, что мы понимаем под соответствием описанных выше пространств и краевых
условий. Зададим оператор T, действующий в пространстве H, любым из следующих спосо-
бов. Положим
Ty = -y′′, D(T) = {y ∈ W22[0] : y(0) = y(π) = 0},
(2)
Ty = -y′′, D(T) = {y ∈ W22[0] : y(0) = y(π) = 0},
(3)
Ty = -y′′, D(T) = {y ∈ W22[0] : y(0) = y(π) = 0},
(4)
Ty = -y′′ + y, D(T) = {y ∈ W22[0] : y(0) = y(π) = 0}.
(5)
В каждом из этих случаев оператор T самосопряжён и равномерно положителен, а значит,
корректно определён его квадратный корень T1/2.
Гильбертово пространство с нормой графика (∥T1/2x∥2 + ∥x∥2)1/2 обозначим через H1.
Несложно видеть, что пространства H1 в случаях (2)-(5) совпадают с пространствами
W12,D[0], W12,DN[0], W12,ND[0] и W12,N[0] соответственно.
Введём пространство W-12[0, π] как пространство распределений, дуальное к пространству
Соболева W12[0, π] относительно действия ( · , · ). Любой линейный непрерывный функционал
F на пространстве W12[0, π] допускает представление
π
F (ϕ) = 〈f, ϕ〉 = f0ϕ(0) + fπϕ(π) - ϕ(x)w(x) dx, f ∈ W-12[0, π], ϕ ∈ W12[0, π], w ∈ H.
0
Такое представление неоднозначно, поскольку тройки (w, f0, fπ) и (w + c, f0 - c, fπ + c) по-
рождают одинаковые функционалы. Функцию w, определённую таким образом с точностью
до константы, будем называть обобщённой первообразной функции f ∈ W-12.
Будем также рассматривать пространства распределений над подпространствами H1
пространства W12[0, π]. Их мы введём аналогично - как дуальные к H1 относительно действия
(·,·) и будем обозначать через H-1.
1.2. Определения операторов. Перейдём к определению операторов. Опишем сначала
оператор L. Пусть u ∈ H - обобщённая первообразная потенциала q. Всюду далее считаем
потенциал q вещественным. Отметим, что оператор L может быть корректно определён и
для комплексного потенциала, однако это требует иной техники. Строго говоря (см. [10]),
Ly = l(y) = -(y[1](x)) - u(x)y[1](x) - u2(x)y(x), y[1](x) := y(x) - u(x)y(x),
D(L) = {y, y[1] ∈ AC[0, π] : l(y) ∈ H, y[1](0) + h0y(0) = y[1](π) + hπy(π) = 0}.
(6)
Условимся, что равенство h0 = (или hπ =) означает, что первое (или второе) краевое
условие принимает вид y(0) = 0 (соответственно, y(π) = 0).
В работе [10] получено представление для квадратичной формы (Ly, y) и доказана её за-
мкнутость. Тогда, согласно второй теореме о представлении (см., например, [11, гл. VI, теоре-
ма 2.23]), форма (Ly, y)+c для любого достаточно большого c > 0 порождает в H самосопря-
жённый оператор (совпадающий, естественно, с оператором L + c), причём D((L + c)1/2) =
= D((Ly,y)) = H1, а (L + c)1/2 является изоморфизмом между пространствами H1 и H.
Переходя к дуальным пространствам, получаем, что оператор (L + c)1/2 является также изо-
морфизмом между пространствами H и H-1, а L + c - изоморфизмом между пространст-
вами H1 и H-1.
Обратимся к оператору V. Определим его действие следующим правилом:
π
〈V y, ϕ〉 = 〈ρ, yϕ〉 = ρ0y(0)ϕ(0) + ρπy(π)ϕ(π) - v(x)(y(x)ϕ(x)) dx.
(7)
0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1320
ИВАНОВ
Таким образом, оператор V
: W12 → W-12 корректно определён. Пользуясь неравенством
∥ · ∥CCabs∥ · ∥1, проведём оценку
|〈V y, ϕ〉| (0| +π|)∥y∥C ∥ϕ∥C + ∥v∥L2 (∥y∥C ∥ϕL2 + ∥yL2 ∥ϕ∥C )
Cabs(0| +π| + ∥v∥L2)∥y∥1∥ϕ∥1 Cabs∥ρ∥-1∥y∥1∥ϕ∥1,
из которой следует ограниченность оператора V : W12 → W-12.
Ограничив оператор V y = ρy на подпространство H1 ⊆ W12 (это эквивалентно проектиро-
ванию векторов V y на H-1), получим ограниченный оператор из W12 в H-1. Этот оператор
в свою очередь можно ограничить на подпространство H1 ∋y и получить ограниченный опе-
ратор из H1 в H-1.
Итак, для любого λ ∈ C нами определён ограниченный оператор A(λ) = L - λV, дей-
ствующий из H1 в H-1. Отметим, что для каждого фиксированного λ квадратичная форма
оператора A(λ), заданная на пространстве H1, имеет вид
π
〈Ay, y〉 = ∥y∥2 - (h0 + λρ0)|y(0)|2 + (hπ - λρπ)|y(π)|2 + (λv(x) - u(x))(y(x)y(x)) dx
0
(с описанными выше корректировками в случае h0 = или hπ =). Согласно [10] эта
форма определяет замкнутый оператор
Ay = -(y + (λv - u)y) + (λv - u)y
в пространстве H с областью определения
D(A) = {y, y + (λv - u)y ∈ AC : Ay ∈ H,
(y + (λv - u)y + (h0 + λρ0)y)(0) = (y + (λv - u)y + (hπ - λρπ)y)(π) = 0}.
(8)
Таким образом, пучок A(λ) = L - λV можно рассматривать и как семейство замкнутых
плотно определённых неограниченных операторов в H. При этом, однако, область определе-
ния D(A) может изменяться в зависимости от значения параметра λ.
1.3. Спектральные свойства операторов. Спектр оператора L, действующего в прост-
ранстве H, описан в работе [10]. Он дискретен и имеет единственную точку накопления +∞.
Далее будем предполагать, что 0 ∈ σ(L). Все собственные значения μn вещественны, их
геометрическая и алгебраическая кратности совпадают друг с другом и равны единице.
Обозначим черезn}1 систему соответствующих собственных функций оператора L,
нормированных условием ∥ϕn = 1. Из [10, теорема 2.9] вытекает, что системаn}1 явля-
ется ортонормированным базисом в пространстве H.
Спектральные свойства оператора V следуют из его компактности. Они приведены и до-
казаны в работе [9].
2. Вспомогательные утверждения. Нам понадобится хорошо известная лемма Грону-
олла, формулируемая в классическом случае для класса непрерывных функций. В работе [1]
эта лемма обобщена на существенно более широкий класс функций, чем непрерывные.
Лемма Гронуолла. Пусть (a, b) - интервал вещественной прямой, а ω - положи-
тельная борелевская мера на (a, b). Если c ∈ (a, b) и вещественнозначная функция v ∈
∈ L1,loc((a,b);ω) удовлетворяет неравенству
x
0 v(x) K + v(ξ)(ξ), x ∈ [c,b),
c
с некоторой вещественной постоянной K, то для функции v справедлива оценка
x
v(x) Ke
c
dw(ξ).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
УТОЧНЕНИЕ ОЦЕНОК НА СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
1321
Далее эта лемма применяется для функций, суммируемых по Лебегу на конечном отрезке.
Напомним некоторые факты из теории целых функций. Подробно они изложены, напри-
мер, в монографии [12]. Пусть f(z) - целая функция. Обозначим Mf (r) = max |f(z)|. Если
|z|=r
существует такое положительное число k, что
Mf(r) < erk ,
то такую функцию называют функцией конечного порядка, а точную нижнюю грань таких
k - порядком целой функции f(z). Типом целой функции f(z) порядка ρ называется точная
нижняя грань чисел A, для которых выполнено неравенство
Mf(r) < eArρ.
Нам понадобится следующее утверждение (см. [13, гл. I, теорема 2.3]), дающее оценку роста
нулей целой функции в терминах её порядка и типа.
Теорема 1. Пусть f(z) - целая функция порядка ρ,
0 < ρ < ∞, и конечного типа σ,
имеющая бесконечно много нулей λ1, λ2, ..., λn, ..., причём λk = 0, k ∈ N. Тогда
lim
(n|λn|) σeρ.
n→∞
Целые функции, имеющие порядок ρ = 1 и конечный тип, принято называть целыми
функциями экспоненциального типа. Для данного класса функций неравенство теоремы 1
принимает вид
lim
(n|λn|-1) σe,
n→∞
откуда следует оценка n| Cn роста нулей целой функции экспоненциального типа, в
которой C - константа, не зависящая от номера n.
3. Оценки собственных значений. Теперь мы готовы сформулировать и доказать ос-
новную теорему настоящей работы.
Теорема 2. Пусть функции q(x) и ρ(x) принадлежат пространству H-1, а операторы
L и V определены соотношениями (6) и (7) соответственно. Тогда собственные значения
операторного пучка A(λ) удовлетворяют при всех n ∈ N оценке |λn| Cn, где C - посто-
янная, не зависящая от номера n.
Доказательство. В исходном дифференциальном уравнении -y′′ + q(x)y = λρ(x)y про-
изведём замену переменных
y1 = λy, y2 = y + λvy - uy.
(9)
Вычислим производные введённых функций:
y1 = λy = λy2 - λ2vy + λuy = λy2 - λvy1 + uy1 = λ(y2 - vy1) + uy1,
y2 = y′′ + λρy + λvy - qy - uy.
В силу исходного уравнения имеем
y2 = (λv - u)y = (λv - u)(y2 - λvy + uy) = λvy2 - λ2v2y + λvuy - uy2 + λvuy - u2y =
= λvy2 - λv2y1 + 2vuy1 - uy2 - λ-1u2y1 = λ(vy2 - v2y1) + (2vuy1 - uy2) - λ-1u2y1.
Отметим, что вследствие (8) выполняется включение y1, y2 ∈ AC[0, π].
В результате получаем систему дифференциальных уравнений
Y = λT(x)Y + Q(x)Y + λ-1S(x)Y,
(10)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1322
ИВАНОВ
где
(
)
)
(
)
(
)
y1
( -v
1
u
0
0
0
Y =
,
T =
,
Q=
,
S=
y2
-v2
v
2vu
-u
-u2
0
Отметим, что поскольку обобщённые первообразные u, v принадлежат пространству H,
каждая из матриц T, Q, S является суммируемой на отрезке [0, π].
Далее для системы (10) будем рассматривать задачу Коши с некоторым начальным усло-
вием
Y (0) = Y0.
(11)
Задача (10), (11), вообще говоря, не эквивалентна в силу произвольности выбора вектора Y0
исходной дифференциальной задаче, но эквивалентна интегральному уравнению
x
Y (x) = Y0 + (λT (ξ) + Q(ξ) + λ-1S(ξ))Y (ξ) dξ.
(12)
0
Через R(ξ) обозначим 2 × 2-матричнозначную функцию λT (ξ) + Q(ξ) + λ-1S(ξ); пусть
R(ξ) = (rij (ξ))2i,j=1. Пусть также Y0 = col (y01 , y02 ).
Нам необходимо оценить левую часть уравнения (12). Рассмотрим отдельно первую ком-
поненту функционального вектора Y (x), т.е. функцию, определяемую равенством
x
y1(x) = y01 + (r1,1(ξ)y1(ξ) + r1,2(ξ)y2(ξ))dξ.
(13)
0
Возьмём модуль от обеих частей равенства (13) и воспользуемся свойствами интеграла и нера-
венством треугольника:
x
x
|y1(x)| |y01 | + | (r11(ξ)y1(ξ) + r12(ξ)y2(ξ)) dξ| |y01 | +
(|r11(ξ)∥y1(ξ)| + |r12(ξ)∥y2(ξ)|) dξ.
0
0
Аналогично для второй компоненты Y (x) получаем
x
|y2(x)| |y02 | +
(|r21(ξ)∥y1(ξ)| + |r22(ξ)∥y2(ξ)|) dξ.
0
Сложив два последних неравенства, будем иметь
x
|y1(x)| + |y2(x)| |y01 | + |y02 | +
(|y1(ξ)|(|r11(ξ)| + |r21(ξ)|) + |y2(ξ)|(|r12(ξ)| + |r22(ξ)|)) dξ.
0
Ослабим это неравенство, заменяя в нём каждую из сумм |ri1(ξ)|+|ri2(ξ)|, i = 1, 2, не меньшей
величиной
R(ξ) :=2i,j=1 |rij (ξ)| - l1-нормой матрицы R(ξ); придём к неравенству
x
)
(2
|y1(x)| + |y2(x)| |y01 | + |y02 | +
(|y1(ξ)| + |y2(ξ)|)
|rij (ξ)| dξ.
(14)
i,j=1
0
Обозначим
Y (x) := |y1(x)| + |y2(x)|,
Y0 := |y01 | + |y02 |, тогда с учётом введённого выше
обозначения
R(ξ) неравенство (14) примет вид
x
Y (x)
Y0 +
Y (ξ) R(ξ) dξ.
0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
УТОЧНЕНИЕ ОЦЕНОК НА СОБСТВЕННЫЕ ЗНАЧЕНИЯ
1323
Так как каждая из матричнозначных функций T, Q и S является суммируемой на [0, π],
матричнозначная функция
R также суммируема на [0, π]. Поэтому последнее неравенство
можно записать в виде
x
Y (x)
Y0 +
Y (ξ)(ξ).
0
Компоненты векторнозначной функции Y принадлежат пространству AC[0, π] и неотри-
цательны. Таким образом, функция
Y удовлетворяет условиям леммы Гронуолла. Следо-
вательно,
x
R(ξ).
Y (x)
Y0e
0
(15)
Воспользуемся определением матрицы R и оценим в (15) каждое из слагаемых в показа-
теле экспоненты, используя суммируемость функциональных матриц T, Q и S; имеем
{ x
x
x
}
1
Y (x)
Y0 exp
|λ|
|ti,j(ξ)| dξ +
|qi,j(ξ)| dξ +
|si,j (ξ)| dξ
eC1|λ|+C2,
|λ|
i,j=1
i,j=1
i,j=1
0
0
0
где C1, C2 - функции переменной x, не зависящие от |λ|. Так как
Y (x) = |y1(x)| + |y2(x)|
eC1|λ|+C2, то и каждая компонента вектора Y (x) удовлетворяет неравенству
|yi(x)| eC1|λ|+C2 , i = 1, 2.
(16)
Поставим теперь для системы (10) краевую задачу. Граничные условия при этом выберем
таким образом, чтобы при подстановке в эту систему y1 и y2 в соответствии с заменой (9)
получить в точности равенства, описывающие область определения оператора A согласно (8):
λ-1(h0 + λρ0)y1(0) + y2(0) = 0, λ-1(hπ + λρπ)y1(π) + y2(π) = 0.
(17)
Для краевой задачи (10), (17) составим характеристический определитель Δ(λ). Пусть
(
)
(
)
φ1(x)
ψ1(x)
Φ=
,
Ψ=
φ2(x)
ψ2(x)
– фундаментальная система решений линейной системы (10). Тогда
(h0 + λρ0)φ1(0) + φ2(0) λ(h0 + λρ0)ψ1(0) + ψ2(0)
Δ(λ) =λ
(18)
λ(hπ + λρπ)φ1(π) + φ2(π) λ(hπ + λρπ)ψ1(π) + ψ2(π).
Раскрывая определитель в (18), видим, что каждое слагаемое состоит из произведенияi(x)|,
j (x)|, i, j = 1, 2, в точках x = 0 или x = π, и сомножителей, содержащих |λ| в степени
не выше 2, поэтому вследствие оценки (16) порядок по |λ| каждого слагаемого характерис-
тического определителя Δ(λ) равняется в точности 1. Тогда и сам характеристический опре-
делитель Δ(λ) - целая функция комплексного переменного λ порядка ρ = 1 и конечного
типа.
Согласно утверждению теоремы 1 нули характеристического определителя Δ(λ) удовле-
творяют неравенству λn Cn, где C - константа, не зависящая от номера n.
Благодаря выбору граничных условий, характеристический определитель краевой задачи
(10), (17) в точности совпадает с характеристическим определителем оператора A(λ). Из этого
следует, что собственные значения пучка A(λ) совпадают с корнями характеристического
определителя (18), что и завершает доказательство теоремы.
Отметим, что в работе [3] построена последовательность весов ρn(x), для которых при
тривиальном потенциале m-е собственное значение задачи мажорируется величиной Cm ln m,
где C - постоянная, не зависящая от номера m. Однако построение предельного веса из
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1324
ИВАНОВ
пространства W-12, для которого полученная в настоящей работе оценка достигается, остаётся
нерешённой задачей.
Автор выражает благодарность проф. И.В. Садовничей и проф. А.М. Савчуку за постоян-
ное внимание к работе и ценные замечания.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Eckhardt J., Teschl G. Sturm-Liouville operators with measure-valued coefficients // J. Anal. Math.
2013. V. 120. № 1. P. 151-224.
2. Владимиров А.А., Шейпак И.А. Асимптотика собственных значений задачи Штурма-Лиувилля с
дискретным самоподобным весом // Мат. заметки. 2010. Т. 88. № 5. С. 662-672.
3. Владимиров А.А. Некоторые замечания об интегральных характеристиках винеровского процесса
// Дальневост. мат. журн. 2015. Т. 15. № 2. С. 156-165.
4. Садовничий В.А., Подольский В.Е. Следы операторов // Успехи мат. наук. 2006. Т. 61. Вып. 5 (371).
С. 89-156.
5. Constantin A., Gerdjikov V.S., Ivanov R.I. Inverse scattering transform for the Camassa-Holm equation
// Inverse Problems. 2006. V. 22. P. 2197-2207.
6. Eckhardt J., Kostenko A. An isospectral problem for global conservative multi-peakon solutions of the
Camassa-Holm equation // Comm. in Math. Phys. 2014. V. 329. № 3. P. 893-918.
7. Назаров А.И. Логарифмическая асимптотика малых уклонений для некоторых гауссовских процес-
сов в L2-норме относительно самоподобной меры // Зап. науч. сем. ПОМИ. 2004. Т. 311. С. 190-213.
8. Иванов А.C., Савчук А.М. След порядка (-1) для струны с сингулярным весом // Мат. заметки.
2017. Т. 102. № 2. С. 197-215.
9. Иванов А.C. Следы высших отрицательных порядков для струны с сингулярным весом // Диффе-
ренц. уравнения. 2018. Т. 54. № 10. С. 1338-1348.
10. Савчук А.М., Шкаликов А.А. Операторы Штурма-Лиувилля с потенциалами-распределениями
// Тр. Моск. мат. о-ва. 2003. Т. 64. С. 159-212.
11. Като T. Теория возмущений линейных операторов. М., 1972.
12. Левин Б.Я. Распределение корней целых функций. М., 1956.
13. Леонтьев А.Ф. Целые функции. Ряды экспонент. М., 1983.
Московский государственный университет
Поступила в редакцию 13.04.2021 г.
им. М.В. Ломоносова
После доработки 13.04.2021 г.
Принята к публикации 08.09.2021 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021