ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2021, том 57, № 10, с. 1407-1420
УРАВНЕНИЯ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ
УДК 517.956.226+517.956.227
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА
ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
СО СЛАБОЙ СИНГУЛЯРНОСТЬЮ
© 2021 г. А. Г. Чечкина
Для уравнения Лапласа в ограниченной области пространства Rn, n 3, граница кото-
рой содержит кусок Γ гиперплоскости L, рассматривается краевая задача типа Стеклова
с однородным условием Дирихле на одной части границы и условием Стеклова на другой.
Вне Γ задано условие Дирихле. На Γ граничные условия задаются следующим образом.
Пусть Rδ - (n - 1)-мерная решётка с ребром δ в L, а Aεδ и A2εδ - совокупности шаров
с центрами в вершинах решётки Rδ радиусов εδ и 2εδ соответственно, Bεδ = A2εδ \ Aεδ,
Aεδ = Γ
Aεδ и
Bεδ = Γ
Bεδ, где ε - малый параметр и δ = δ(ε) 0 при ε → 0.
На куске Γ условие Дирихле задано только на множестве
Aεδ. Вне этого множества за-
дано спектральное условие Стеклова, коэффициент в котором вне множества
Bεδ равен
единице, а на множестве
Bεδ он равен (εδ)-m, где m < 2. Для предельных (усреднённых)
задач и исходной задачи получены отклонения их решений в норме соболевского прост-
ранства W12, а также оценки отклонения собственных значений.
DOI: 10.31857/S0374064121100125
Введение. Исследования краевых задач в областях с сингулярно возмущённой плотностью
были начаты более века назад (см., например, [1]).
В [2] авторы изучали случай одной сингулярности для обыкновенного дифференциально-
го оператора. В работе [3] рассматривалось колебание тела, имеющего большой набор суще-
ственных сингулярностей, расположенных периодически вдоль границы (более общий случай
см. [4]). Дальнейшее развитие эти задачи получили в работах [5-7]. Работы [8] и [9] посвя-
щены изучению аналогичных задач для стационарой системы линейной теории упругости с
непериодическими быстро меняющимися граничными условиями и большим количеством кон-
центрированных масс около границы. В работах [10] и [11] детально изучено поведение соб-
ственных значений и собственных функций оператора Лапласа в областях с непериодическими
слабыми сингулярностями (стохастический случай см. в [12] и [13]). В работе [14] применён
“unfolding”-метод для изучения задач с сингулярностями. Отметим также работу [15], в ко-
торой обнаружены новые эффекты влияния одной массы на другую. В работах [16] и [17]
построены асимптотики собственных значений задач с концентрированными массами, пери-
одически расположенными вдоль части границы, причём расстояния между массами имеют
тот же порядок, что и диаметр масс. Изучены “лёгкие”, “средние” и “тяжёлые” массы.
Задачи с краевым условием Стеклова исследовались во многих работах. В работе [18] про-
анализирована вся совокупность случаев, возникающих при быстрой смене условия Стеклова
и условия Дирихле. Особенности асимптотики спектра задач Стеклова в областях с сингуляр-
ностями обнаружены в работах [19-24]. В работах [19-21] найдены асимптотики собственных
значений и собственных функций задачи в области, разделённой перфорированным интер-
фейсом (так называемым “ситом”), на котором поставлено условие Стеклова. Работы [22-24]
посвящены построению асимптотик собственных значений и собственных функций в областях
с малой полостью при стремлении малого параметра, характеризующего размер полости, к
нулю. В статье [25] рассматривается плоская задача с условием Стеклова, чередующимся с
условием Дирихле, при этом предполагается, что размеры участков Дирихле и Стеклова име-
ют один и тот же порядок малости. Получены асимптотики собственных значений. Задачи с
быстро меняющимся типом граничных условий изучались также в работах [26-31], в которых
рассматривались в том числе и спектральные задачи.
1407
1408
ЧЕЧКИНА
Более подробно остановимся на недавних работах [32-34]. В работе [32] исследуется за-
дача для системы теории упругости в анизотропной трёхмерной среде с условием Дирихле,
которое чередуется со спектральным условием Винклера-Стеклова. В ней с помощью техники
декомпозиции Флоке-Блоха строится семейство спектральных задач типа Винклера-Стеклова
в полубесконечной призме, которое потом используется в доказательстве теорем о сходимости
собственных значений и собственных функций исходной задачи. Масштабированные преде-
лы собственных значений исходной задачи оказываются нижними гранями соответствующих
семейств собственных значений задач в призме. Кроме низкочастотных колебаний рассмот-
рены также высокочастотные колебания и доказаны теоремы о сходимости соответствующих
семейств собственных значений исходной задачи. В работах [33] и [34] рассматриваются спек-
тральные задачи для системы теории упругости в ограниченной области с чередующимися
условиями Винклера-Робэна (упругое закрепление) и однородного условия Неймана (нулевое
напряжение). В зависимости от значений параметров (диаметра пятен, на которых задано
условие Винклера-Робэна, и расстояния между ближайшими пятнами) и коэффициентов в
условии Винклера-Робэна исходной задачи получены различные предельные краевые условия
(однородные условия Винклера-Робэна, Неймана и Дирихле). При этом применена техника
асимптотического анализа для построения усреднённого спектра и доказательства сходимости
собственных значений и собственных функций.
В настоящей работе рассматривается многомерная задача (размерность больше или равна
трём) с быстрой сменой однородного условия Дирихле и условия Стеклова со слабой син-
гулярностью. Предполагается, что размеры сингулярностей и расстояния между ними имеют
различный порядок, что приводит к нетривиальному смещению спектра в критическом случае.
В работе даются в соответствующих нормах оценки отклонения (оценки скорости сходимости)
решений соответствующих краевых задач от решений предельных краевых задач при стрем-
лении малого параметра к нулю, кроме этого аналогичные оценки получены для собственных
значений соответствующей спектральной задачи.
В п. 1 работы ставится задача и даются определения нужных в дальнейшем понятий, а
также формулируются основные её теоремы. В п. 2 доказываются вспомогательные утвержде-
ния. В п. 3 приводятся те результаты из монографии [35], которые используются в п. 4 при
доказательстве основных утверждений работы.
1. Постановка задачи. Обозначим через x = (x1, . . . , xn) декартовы координаты в Rn,
n 3. Пусть Ω - область в Rn с гладкой границейΩ. Предполагается, чтоΩ = Γ1
Γ2,
где Γ2 - область в гиперплоскости xn = 0, состоящая из трёх частей αε, βε и γε. Здесь γε =
Nδ
Nδ
=
γ - дизъюнктное объединение (n - 1)-мерных шаров, а βε =
β - дизъюнктное
i=1
i=1
объединение (n - 1)-мерных шаровых слоёв, αε = Γ2 \ (βε
γε). Обозначим Γε = αε
βε.
Поясним строение области Γ2. Через ξ = x/δ
обозначим “растянутые” координаты, ξ =(ξ1, . . . , ξn),
а через γ0 и β0 - (n - 1)-мерные шар
: ∥ξ∥21 +
+ ξ2n-1 < ε2, ξn = 0}
и шаровой слой
: ε2 < ξ21 + . . . + ξ2n-1 < 2ε2, ξn = 0}
соответственно. Пусть γ и β - множества, получен-
ные всевозможными сдвигами множеств γ0 и β0 на
целочисленные векторы (k1, . . . , kn-1, 0), ki Z, i =
Рис. 1. Область с микронеоднородной струк-
= 1, n - 1, а γε и
βε - гомотетичные сжатия δγ и
турой границы.
δβ множеств γ и β соответственно. Тогда (рис. 1)
γε = γε
Ω, βε =
βε
Ω, αε = Γ2 \ (βε γε).
Подчеркнём, что рассматривается случай, когда параметр δ(ε), определяющий характерное
расстояние между шарами γ, стремится к нулю при ε → 0. Отметим также, что Nδ =
= O(1n-1). В дальнейшем буквой C с нижними индексами или без них обозначаются по-
стоянные.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
1409
Рассмотрим следующую спектральную задачу:
Δu = 0
в Ω,
u = 0
на Γ1
γε,
(1)
uk
ε = λρε(x)u на Γε,
∂xn
где
{
(εδ)-m, если x ∈ βε,
ρε(x) =
1,
если x ∈ αε.
Изучается случай m < 2 (слабая сингулярность).
Собственные значения λ, k ∈ N, занумерованы в порядке неубывания, т.е. λ1ε λ2ε
... λ..., и повторяются с учётом кратности. При этом
ρε(x,0)u(x,0)u(x,0)dx = δkl,
Γ2
здесь x = (x1, . . . , xn-1).
Для формулировки теорем нам понадобится следующая вели-
чина:
εn-2
P := lim
ε→0
δ(ε)
Обозначим (рис. 2)
D = {ξ ∈ Rn : -1/2 < ξi < 1/2, i = 1,n - 1, ξn < 0},
Рис. 2. Ячейка периодич-
ности.
Σ = {ξ ∈ Rn : -1/2 < ξi < 1/2, i = 1,n - 1, ξn = 0}.
Пусть функция Wε, периодическая по переменным ξ1, . . . , ξn-1, является первой соб-
ственной функцией задачи с условием Стеклова
ΔWε = 0
в D,
Wε = 0
на γ0,
∂Wε
= θεWε на Σ0.
∂ξn
Зададим функцию wδε формулой
wδε(x) = 1 + ψ(xn)(Wε(x/δ) - 1)
(2)
и продолжим её по периодичности относительно x. Здесь ψ(t) - гладкая срезающая функция
одной переменной, 0 ψ 1, причём ψ ≡ 1 в некоторой достаточно малой окрестности об-
ласти Γ2. Свойства функции wδε приведены в лемме в начале следующего пункта и подробно
изучены в работе [18].
Сформулируем далее основные результаты, которые будут доказаны в п. 4. Рассмотрим
краевые задачи
Δuε = 0
в Ω,
uε = 0
на Γ1
γε,
(3)
∂uε
= ρε(x)f(x) на Γε;
∂xn
8
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1410
ЧЕЧКИНА
и
Δu0 = 0
в Ω,
u0 = 0
на
Ω (P = +),
0
∂u
σncγ0
(P < +),
(4)
u0 = f(x) на Γ2,
∂xn +P
2
u0 = 0
на Γ1
где σn - площадь единичной n-мерной сферы, а cγ0 := cap γ0 - гармоническая ёмкость (n - 1)-
мерного шара γ0.
Оценки решений этих задач даёт
Теорема 1. Пусть uε и u0 - обобщённые решения задач (3) и (4) соответственно. Если
P < +∞, то существует такая постоянная C1(f,γ0,n), не зависящая от ε и δ, что для
достаточно малых ε выполняется неравенство
∥u0wδε - uεH1(Ω) C1(ε(n-2)/2 +n-2/δ - P | + ε2-mδ2-m).
Если P = +∞, то существует постоянная C2(f, γ0, n) такая, что
∥uεL
2(Ω)C2(δ1/2(n-2)/2 +ε2-mδ2-m).
Теперь рассмотрим спектральную задачу
Δuk0 = 0
в Ω,
uk0 = 0
на
Ω (P = +),
∂uk0
σncγ0
+P
uk0 = λk0uk0
на Γ2,
(5)
∂xn
2
⎪⎢
⎪⎢
uk0 = 0
на Γ1,
⎪⎢∫
(P < +).
⎪⎢
k
⎪⎣
ul0 dx = δkl,
010λ20...,
0
u
Γ2
Связь между собственными значениями и собственными функциями задач (5) и (1) уста-
навливает
Теорема 2. Пусть λk0 и λ - k-е собственные значения задач (5) и (1) соответственно.
Тогда
k0 - λ| C3(ε(n-2)/2 +n-2/δ - P | + ε2-mδ2-m), если P < +∞,
λ +∞ при ε → 0, если P = +∞,
где постоянная C3 не зависит от ε.
Если кратность собственного значения λl0 задачи (5) равна r, т.е.
λl0 = λl+10 = ... = λl+r-10,
то для любой собственной функции ul0 задачи (5), соответствующей собственному значе-
нию λl0,
∥ul0L2(Ω) = 1, существует линейная комбинация uε собственных функций задачи
(1), соответствующих собственным значениям λ, ..., λl+r-1ε, такая, что
∥uε - ul0L
2(Ω)C4(ε(n-2)/2 +n-2/δ-P|+ε2-mδ2-m),еслиP<+∞,
∥uεL2(Ω) C5(δ1/2(n-2)/2 + ε2-mδ2-m), если P = +∞,
где постоянные C4, C5 не зависят от ε и ul0.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
1411
2. Вспомогательные утверждения. Будем изучать предельное поведение решений спек-
тральной задачи (1) при ε, стремящемся к нулю. Существование и единственность решения
u задачи (1) в пространстве H1ε) могут быть доказаны на основании леммы Лакса-
Мильграма. Пространство H1, γε) определяем как пополнение по норме
(∫
)1/2
∥u∥H1(Ω)
(u2 + |∇u|2) dx
Ω
множества функций из пространства C(Ω), обращающихся в нуль в окрестности множества
Γ1
γε. Пространство H1(D,γ0) - замыкание по норме
(∫
)1/2
∥u∥1
|∇ξu|2 + u2
D
Σ
множества 1-периодических поξ ≡ (ξ1, . . . , ξn-1) функций из C(D), обращающихся в нуль
в окрестности шара γ0 и обладающих конечным интегралом Дирихле по области D.
Пусть
(∫
∕∫
)
θε =
inf
|∇ξv|2
v2 dξ .
(6)
v∈H1(D,γ0)\{0}
D
Σ
В работе [27] исследовался вопрос поведения собственного значения θε и установлена сле-
дующая его асимптотика (см. [27, формула (25)]).
Лемма 1. Пусть σn - площадь единичной n-мерной сферы, а cγ0 - гармоническая ём-
кость шара γ0. Тогда
σn
θε = εn-2
cγ0 + o(εn-2) при ε → 0.
2
В работе [18] доказана
Лемма 2. Существует гармоническая в D функция Wε(ξ) ∈ H1(D, γ0), на которой
достигается нижняя грань в (6), т.е.
|∇ξWε|2 = θε,
∥WεL
2(Σ) =1,
D
причём граничное условие
∂Wε
= θεWε на Σ0
(7)
∂ξn
выполняется в следующем смысле:
∂Wε
vdξ→θε
Wεv dξ при ρ → 0 для любой v ∈ H1(D,γ0).
∂ξn
Σ
Здесь
Σρ := {ξ ∈ Rn : 0 < ξi < 1, i = 1,n - 1, ξn = -ρ}.
В работе [18] подробно обсуждается вопрос о существовании таких функций и их свойствах.
Рассмотрим функцию wδε(x), определённую равенством (2). Заметим, что в силу условия
(7) выполняется соотношение
∂wδε
θε
=
wδε на Γε.
∂xn
δ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
8
1412
ЧЕЧКИНА
Аналогично тому, как это сделано в [18], несложно получить следующую оценку:
∫∫
Δwδεv dx
C6θ1/2ε∥v∥H1
(8)
≤
ε)
Ω
для любой функции v ∈ H1, γε).
Через Cε обозначим цилиндр с основанием γε
β и высотой εδ, т.е. C = {x ∈ Ω : (x,0)
∈γε
β, -εδ < xn < 0}.
Лемма 3. Для функций v ∈ H1, γε) справедливо неравенство
v2 dx C(εδ)2
|∇v|2 dx, j = 1, Nδ.
(9)
Cε
Cε
Доказательство. Доказательство этого неравенства типа Фридрихса проводится в два
этапа. На первом этапе получаем классическое неравенство в растянутой области в коорди-
натах η = x/(εδ), поскольку функции имеют нулевой след на фиксированной части границы
растянутой области. Далее, делая обратную замену координат, замечаем, что в градиенте по-
является множитель εδ и, таким образом, получаем неравенство (9) (см. похожий приём в
[35], а также неравенство Фридрихса в [36] и [37]).
Лемма 4. Для функций v ∈ H1, γε) справедливо неравенство
v2 dx C8(εδ)2
|∇v|2 dx, j = 1, Nδ.
(10)
βε
Cε
Доказательство. В растянутых координатах η = x/(εδ) имеем неравенство для следов
∥v∥L2(C) C∥v∥H1(C),
где C = {η ∈ Rn : εδη ∈ Cε}. Далее, используя лемму 3 и проводя обратную замену перемен-
ных, приходим к доказываемому неравенству.
Лемма 5. Для последовательности функций {vε} ∈ H1, γε) выполняется равенство
lim(εδ)-2
|vε|2 dx = 0,
ε→0
β
если ∥vεH1(Ω) C9, где постоянная C9 не зависит от ε.
Доказательство. Пусть v ∈ H1, γε). Для любого числа κ > 0 существует функция
vκ ∈ Cε) такая, что
C7∥v - vκH1(Ω) < κ,
где C7 - постоянная из неравенства (9). Тогда, применяя оценки (9) и (10) к функции v -vκ, а
также учитывая неравенство для следов и ограниченность градиента функции vκ, получаем
(∫
)1/2
(∫
)1/2
(∫
)1/2
(εδ)-2|v|2 dx
(εδ)-2|v - vκ|2 dx
+ (εδ)-2|vκ|2 dx
β
β
β
(∫
)1/2
C7
|∇(v - vκ)|2 dx
+ Cκ(εδ)-1+n/2 ≤ κ + Cκ(εδ)-1+n/2.
Ω
Так как n 3, по определению предела завершаем доказательство леммы.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
1413
Лемма 6. Для решения uε ∈ H1, γε) задачи (3) справедливо неравенство
(∫
)
|∇uε|2
dx C10
f2 dx + (εδ)2-m ρεf2 dx
Ω
αε
βε
Доказательство. Вследствие интегрального тождества, учитывая леммы 3, 4 и неравен-
ство типа Фридрихса (см., например, [28, 30, 36]), получаем
∥∇uε2L
=
|∇uε|2 dx = ρεfuε dx = fuε dx + (εδ)-m fuε dx
2
(Ω)
Ω
Γε
αε
βε
(∫
)1/2(∫
)1/2
(∫
)1/2(∫
)1/2
f2dx
(uε)2 dx
+ (εδ)-m
f2 dx
(uε)2 dx
αε
αε
βε
βε
(∫
)1/2
(∫
)1/2
C f2dx
∥∇uεL
+ C(εδ)-m+1
f2 dx
∥∇uεL
2(Ω)
2(Ω)
αε
βε
для разных постоянных C. Отсюда непосредственно вытекает доказываемое неравенство.
Лемма доказана.
Пусть f ∈ C2). Если u0 ∈ H1(Ω) - обобщённое решение задачи (4), то, согласно теории
регулярности решений эллиптических уравнений [38], u0 ∈ W2r(Ω) для любого r > 1. Тогда
в силу теорем вложения Соболева u0, ∇xu0 ∈ C(Ω); из первого уравнения задачи (4) следует,
что u0 ∈ C(Ω), причём
∥u0C(Ω) + ∥∇xu0C(Ω) +Δu0C(Ω) C11∥f∥C
(11)
2).
Слабая сходимость uε к u0 в H1(Ω) при ε → 0 доказана в [18].
Обозначим
εn-2σncγ0
σncγ0
p := lim
,
т.е. p =
P.
ε→0
2δ(ε)
2
Имеет место
Лемма 7. Пусть f ∈ C2), а uε и u0 - обобщённые решения задач (3) и (4) соот-
ветственно. Если p < +∞, то существует постоянная C12, не зависящая от ε, δ и f,
такая, что для достаточно малых ε выполняется неравенство
∥u0wδε - uεH1(Ω) C12∥f∥C
2)((θε)1/2 +ε/δ-p|+(εδ)2-m).
Доказательство. Рассмотрим область
Ωμ = {x ∈ Ω : xn -μ},
обозначим Γ2μ - часть границыΩμ \ ∂Ω. С учётом гладкости функций u0, wδε и uε (см.,
например, [38]), следующее интегральное выражение
(x(u0wδε - uε), ∇xv) dx
Ωμ
корректно для любой функции v ∈ H1, γε). Вычисляя этот интеграл по частям и учитывая,
что Δu0 = 0, получаем
∂uε
(x(u0wδε - uε), ∇xv) dx =
(x(u0wδε), ∇xv) dx -
v dx =
∂xn
Ωμ
Ωμ
Γ2μ
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1414
ЧЕЧКИНА
(u0wδ
ε
∂uε
= - Δ(u0wδε)v dx +
)vdx-
v dx =
∂xn
∂xn
Ωμ
Γ2μ
Γ2μ
∂u0
∂wδ
∂uε
=-
(2(xu0, ∇x(wδε - 1)) + u0Δwδε)v dx +
wδεv dx +
u0
εvdx-
v dx =
∂xn
∂xn
∂xn
Ωμ
Γ2μ
Γ2μ
Γ2μ
∂u0
∂wδε
=2
(wδε - 1)(xv, ∇xu0) dx +
wδεv dx +
u0
v dx -
∂xn
∂xn
Ωμ
Γ2μ
Γ2μ
∂uε
∂u0
-
v dx - 2
(wδε - 1)
v dx -
u0Δwδεv dx.
(12)
∂xn
∂xn
Γ2μ
Γ2μ
Ωμ
Нетрудно видеть, что при μ → 0 имеют место сходимости
(wδε - 1)(xv, ∇xu0) dx → (wδε - 1)(xv, ∇xu0) dx,
Ωμ
Ω
∂u0
∂u0
wδεv dx →
wδεv dx,
∂x
n
∂xn
Γ2μ
Γ2
∂uε
∂uε
v dx →
v dx =
ρεfv dx,
∂x
n
∂xn
Γ2μ
Γ2
Γε
u0Δwδεv dx → u0Δwδεv dx,
Ωμ
Ω
а
∂u0
∂u0
(wδε - 1)
v dx →
(wδε - 1)
v dx.
∂x
n
∂xn
Γ2μ
Γ2
В силу свойств функции wδε, заданной равенством (2), заключаем, что
δ
∂w
θε
ε
u0
v dx →
u0wδεv dx при μ → 0.
∂xn
δ
Γ2μ
Γ2
Перейдём в (12) к пределу при μ → 0. Вследствие граничного условия задачи (4), т.е.
условия ∂u0/∂xn = -pu0 + f на Γ2, получаем
(
)∫
θε
(x(u0wδε - uε), ∇xv) dx = 2 (wδε - 1)(xv, ∇xu0) dx + d
-p u0wδεvdx-
δ
Ω
Ω
Γ2
(wδε - 1)fv dx -
((εδ)-m - 1)fv dx + 2 (wδε - 1)pu0v dx - u0Δwδεv dx.
(13)
Γ2
βε
Γ2
Ω
Оценим интегралы, стоящие в правой части равенства (13). Для первого интеграла имеем
 ∫
(∫
)1/2
(wδε - 1)(xv, ∇xu0) dx
∥wδ
(xu0, ∇xv)2 dx
=
ε
- 1L2(Ω)
Ω
Ω
C(θεδ)1/2∥f∥C
2)∥v∥H1ε)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
1415
в силу свойств функций u0 и wδε (см. (11) и лемму 2). Используя неравенства (11) и (8), для
последнего интеграла в (13) получаем оценку
∫
u0Δwδεv dx
≤
C6θ1/2ε∥u0v∥H1(Ω) C6θ1/2ε∥u0C1(Ω)∥v∥H1(Ω)C6θε/2∥f∥C2)∥v∥H1(Ω).
Ω
Далее, воспользовавшись неравенством (11) и свойствами функции wδε (см. [18]), второй ин-
теграл в (13) оценим следующим образом:
θε/δ - p) u0(wδε - 1)v dx + (θε/δ - p) u0v dx
(
≤
Γ2
Γ2
ε/δ - p|C11θ1/2ε∥v∥H1
ε)∥f∥C2)+C11ε/δ-p|∥v∥H1ε)∥f∥C2)
C′′′11ε/δ - p|∥v∥H1
ε)∥f∥C2).
Оставшиеся интегралы допускают следующие оценки:
 ∫
(wδε - 1)pu0v ds
1/2ε∥v∥H1
≤
ε)∥f∥C2),
Ω
 ∫
(wδε - 1)fvds
1/2ε∥v∥H1
≤
ε)∥f∥C2),
Ω
 ∫
((εδ)-m - 1)fv dx
C(εδ)m-2∥v∥H1
≤
ε)∥f∥C2)
βε
для разных постоянных C ввиду неравенства (11), леммы 4 и свойств функции wδε (см. [18]).
Окончательно имеем
 ∫
(
)
(x(u0wδε - uε), ∇xv) dx
/δ - p| + (εδ)m-2
(14)
≤
C∥f∥C2) θε/2 +ε
∥v∥H1ε)
Ω
для произвольной функции v ∈ H1, γε).
Положим v = u0wδε -uε. На основании оценки (14), применяя неравенство типа Фридрихса,
получаем нужную оценку. Лемма доказана.
Лемма 8. Пусть f ∈ C2). Если p = +∞, то существует постоянная C13 такая,
что
∥uεL
2(Ω)C13∥f∥C2)((δ/θε)1/2 +(εδ)2-m).
Доказательство проводится аналогично доказательству леммы 7 с использованием ре-
зультатов работы [18].
3. Предварительные замечания. Поведение собственных значений и собственных функ-
ций задачи (1) будем изучать основываясь на общей схеме, предложенной в монографии [35].
Пусть Hε, H0 - сепарабельные гильбертовы пространства со скалярными произведениями
(u, v)ε, (u, v)0 и нормами ∥u∥ε,
∥u∥0 соответственно, ε - малый положительный параметр.
Пусть также Aε ∈ L(Hε), A0 ∈ L(H0) - линейные непрерывные операторы, причём Im A0
⊂ V ⊂ H0; где V - линейное подпространство в H0.
Будем предполагать, что выполнены следующие условия С1-С4.
С1. Существуют линейные непрерывные операторы Rε : H0 → Hε такие, что для любого
элемента f ∈ V имеет место сходимость (Rεf, Rεf)ε → κ(f, f)0 при ε → 0, где κ = const > 0
не зависит от f.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1416
ЧЕЧКИНА
C2. Операторы Aε и A0 являются положительными, компактными и самосопряжёнными
в пространствах Hε и H0 соответственно, причём
sup
∥AεL(Hε) < ∞.
ε
C3. Для любого элемента f ∈ V имеет место сходимость ∥AεRεf - RεA0f∥ε 0 при
ε → 0.
C4. Семейство операторов Aε равномерно компактно в следующем смысле. Из любой по-
следовательности {fε}, fε ∈ Hε, такой, что sup ∥fεε < ∞, можно выбрать подпоследова-
ε
тельность {fε } и найти функцию w ∈ V такие, что
∥Aε fε - Rε w∥ε 0 при ε 0.
Для операторов Aε и A0 рассмотрим следующие спектральные задачи:
Aεu = μu, k ∈ N, (u,u) = δij,
(15)
A0uk0 = μk0uk0, k ∈ N, (ui0,uj0) = δij,
(16)
где δij - символ Кронекера, а собственные значения μ и μk0 занумерованы в порядке невоз-
растания, причём каждое собственное значение повторяется столько раз, какова его кратность.
Теорема (Олейник-Иосифьян-Шамаев). Пусть выполнены условия C1-C4. Тогда спра-
ведлива оценка
- μk0| Mε sup ∥AεRεf - RεA0f∥ε, k ∈ N,
f
в которой μ и μk0 - k-е собственные значения задач (15) и (16) соответственно, верхняя
грань берётся по всем функциям f ∈ N(μk0, A0) = {v ∈ H0 : A0v = μk0v} таким, что ∥f∥0 = 1,
а постоянные Mε удовлетворяют условиям
sup{Mε : 0 < ε 1} < +
и Mεconst > 0 при ε → 0.
Пусть k ∈ Z+, l ∈ N и кратность собственного значения μk+10 задачи (16) равна l, т.е.
μk+10 = ... = μk+l0.
Тогда для любой функции u0 ∈ N(μk+10, A0) существует линейная комбинация uε собствен-
ных функций uk+1ε, ..., uk+ задачи (15) такая, что
∥uε - Rεu0ε Mk∥AεRεu0 - RεA0u0ε,
где постоянная Mk не зависит от ε.
Для того чтобы воспользоваться схемой исследования, дающей возможность применять
сформулированную теорему, нужно подходящим образом ввести пространства H0, Hε, V,
операторы A0, Aε, Rε и проверить для них выполнимость условий С1-С4.
Отождествим пространства Hε и H0 с пространством L22), в котором заданы скаляр-
ные произведения
(hε, gε)Hε ≡ ρεhεgε dx и (h0, g0)H0 ≡ h0g0 dx
Γ2
Γ2
соответственно. В качестве V возьмём пространство L22). Положим Rεf = f для любого
f ∈H0.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
1417
Если f ∈ V, то при ε → 0 имеем
(Rεf, Rεf)Hε
= f2 dx + (εδ)-m f2 dx → f2 dx = (f,f)H0
αε
βε
Γ2
в силу леммы 5. Действительно, имеем
lim(εδ)-m
f2 dx = lim(εδ)2-m
f2(εδ)-2 dx,
ε→0
ε→0
βε
βε
но
lim(εδ)-2
f2 dx = 0,
ε→0
βε
а m < 2. Это означает, что справедливо условие С1 при κ = 1.
Обозначим через Aε : Hε → Hε оператор, ставящий в соответствие функции f ∈ Hε
след uε|Γ2 решения uε ∈ H1, γε) задачи (3). Через A0 : H0 → H0 обозначим оператор,
переводящий f ∈ H0 в след u0|Γ2 решения u0 ∈ H1, Γ1) задачи (4).
Нетрудно проверить, что операторы Aε и A0 являются положительными, компактны-
ми и самосопряжёнными в пространствах Hε и H0 соответственно (см. [18]). Равномерная
ограниченность семейства операторов в соответствующей операторной норме
sup
∥AεL(Hε) < M
ε
вытекает из леммы 6, поскольку при m < 2 в силу лемм 4 и 6 и неравенства типа Фридрихса
получаем
(∫
)
∥Aεf∥2H
= ρε(uε)2 dx (uε)2 dx + (εδ)-2 (uε)2 dx
C
|∇uε|2 dx
ε
Γ2
αε
βε
Ω
(
)
(∫
)
C (εδ)2-m ρεf2 dx + ρεf2 dx + f2 dx
C ρεf2dx+ ρεf2dx
= C6∥f∥2H
ε
βε
αε
βε
αε
βε
Таким образом, условие С2 имеет место.
Докажем выполнимость условия С3. Пусть f ∈ H0. Тогда
AεRεf = uε|Γ2 , RεA0f = u0|Γ2 ,
где uε - решение задачи (3), а u0 - решение задачи (4). Пользуясь леммой 3 и неравенством
Фридрихса, устанавливаем, что
∥AεRεf - RεA0f∥2H
= ρε|uε - u0|2 dx
|uε - u0|2 dx + (εδ)-m|uε - u0|2 dx
ε
Γε
αε
βε
C
|∇(uε - u0)|2 dx + C(εδ)2-m
|∇(uε - u0)|2 dx C
|∇(uε - u0)|2 dx
Ω
Cε
Ω
(
)
|∇(uε - u0wδε)|2 dx +
|∇u0|2(1 - wδε)2 + (u0)2|∇(1 - wδε)|2
dx → 0
Ω
Ω
при ε → 0. Здесь мы воспользовались свойствами функций u0 и wδε, а также леммами 5, 7
и 8. Таким образом, условие C3 проверено.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1418
ЧЕЧКИНА
Докажем справедливость условия С4. Если sup∥f∥Hε < ∞, то из леммы 6 и неравенства
ε
Фридрихса вытекает, что
sup
∥uεH1
ε) <∞,
ε
где uε - решение задачи (3). Следовательно, по теореме Реллиха найдутся U ∈ V и подпо-
следовательность ε 0, для которых
uε → U слабо в H1(Ω) и сильно в L2(Ω).
При этом из единственности решения предельной задачи с помощью интегрального тождества
несложно показать (аналогично [31]), что
uε → U сильно в H1(Ω).
(17)
Поэтому, пользуясь леммой 3, получаем оценки
∥Aεf - RεU2H
= ρε(x)|uε - U|2 dx
|uε - U|2 dx + (εδ)-m
|uε - U|2 dx
ε
Ω
αε
βε
(∫
)
C
|∇(uε - U)|2 dx + (εδ)2-m
|∇(uε - U)|2 dx
,
Ω
Ω
где uε = Aεf и постоянная C не зависит от ε. Отсюда следует соотношение из условия С4,
так как m < 2 и имеет место сходимость (17).
Таким образом, выполнены условия С1-С4 и мы можем применить теорему Олейник-
Иосифьяна-Шамаева о сходимости спектров последовательности операторов, заданных в раз-
ных гильбертовых пространствах.
Задача на собственные значения для оператора A0 имеет вид (16), где μk0 = 1k0, а λk0 -
собственные значения задачи (5).
Итак, имеет место
Теорема 3. Пусть λk0 и λ - k-е собственные значения задач (5) и (1) соответственно.
Тогда
k0 - λ| C14((θε)1/2 + (εδ)2-m +ε/δ - p|), если p < +∞,
λ +∞ при ε → 0, если p = +∞,
где постоянная C14 не зависит от ε.
Если кратность собственного значения λl0 задачи (5) равна r, т.е.
λl0 = λl+10 =
=λl+r-10,
то для любой собственной функции ul0 задачи (5), соответствующей собственному значе-
нию λl0,
∥ul0L2(Ω) = 1, существует линейная комбинация uε собственных функций задачи
(1), соответствующих собственным значениям λl+1ε, ..., λl+r-1ε, такая, что
∥uε - ul0L
2(Ω)C15((θε)1/2 +(εδ)2-m +ε/δ-p|),еслиp<+∞,
∥uεL2(Ω) C16((δ/θε)1/2 + (εδ)2-m), если p = +∞,
где постоянные C15, C16 не зависят от ε и ul0.
4. Доказательство основных утверждений. Воспользовавшись леммами 1, 7, 8 и тео-
ремой 3 с учётом асимптотики (6), получаем утверждения теорем 1 и 2.
Автор выражает благодарность рецензенту, замечания которого позволили существенно
улучшить представление результатов работы.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
О ПОВЕДЕНИИ СПЕКТРА ВОЗМУЩЁННОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ СТЕКЛОВА
1419
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крылов А.Н. О некоторых дифференциальных уравнениях математической физики, имеющих при-
ложения в технических вопросах // Изв. Николаевской морской академии. 1913. Вып. 2. С. 325-348.
2. Головатый Ю.Д., Назаров С.А., Олейник О.А., Соболева Т.С. О собственных колебаниях струны
с присоединенной массой // Сиб. мат. журн. 1988. Т. 29. № 5. С. 71-91.
3. Lobo M., Pérez E. Asymptotic behavior of the vibrations of a body having many concentrated masses
near the boundary // Comp. Rend. Acad. Sci. Paris. Série II. 1992. V. 314. P. 13-18.
4. Sanchez-Palenсia
É., Tchatat H. Vibration de systemes elastiques avec masses concentrees // Rend. del
Semi. mat. della Univer. e politecnico di Torino. 1984. V. 42. № 3. P. 43-63.
5. Gómez D., Lobo M., Pérez E. On the eigenfunctions associated with the high frequencies in systems with
a concentrated mass // J. Math. Pures Appl. 1999. V. 78. P. 841-865.
6. Chechkin G.A. On vibration of partially fastened membrane with many “light” concentrated masses on
the boundary // Comp. Rend. Mécanique. 2004. V. 332. № 12. P. 949-954.
7. Чечкин Г.А. Расщепление кратного собственного значения в задаче о концентрированных массах
// Успехи мат. наук. 2004. Т. 59. Вып. 4. С. 205-206.
8. Доронина Е.И., Чечкин Г.А. О собственных колебаниях тела с большим количеством непериоди-
чески расположенных концентрированных масс // Тр. Мат. ин-та им. В.А. Стеклова РАН. 2002.
Т. 236. С. 158-166.
9. Rybalko V. Vibration of elastic systems with a large number of tiny heavy inclusions // Asymptot. Anal.
2002. V. 32. № 1. P. 27-62.
10. Перес М.Е., Чечкин Г.А., Яблокова (Доронина) Е.И. О собственных колебаниях тела с “лёгкими”
концентрированными массами на поверхности // Успехи мат. наук. 2002. Т. 57. Вып. 6. С. 195-196.
11. Chechkin G.A., Pérez M.E., Yablokova E.I. Non-periodic boundary homogenization and “light” concen-
trated masses // Indiana Univ. Math. J. 2005. V. 54. № 2. P. 321-348.
12. Chechkin G.A., Chechkina T.P. Asymptotic behavior of spectrum of an elliptic problem in a domain
with aperiodically distributed concentrated masses // Comp. Rend. Mécanique. 2017. V. 345. № 10.
P. 671-677.
13. Chechkin G.A., Chechkina T.P. Random homogenization in a domain with light concentrated masses
// Mathematics. 2020. V. 8. № 5. Art. 788.
14. Chechkin G.A., Cioranescu D., Damlamian A., Piatnitski A.L. On boundary value problem with singular
inhomogeneity concentrated on the boundary // J. de Math. Pures et Appl. 2012. V. 98. № 2. P. 115-138.
15. Cainzos J., Pérez M.E., Vilasanchez M. Asymptotics for the eigenelements of the Neumann spectral
problem with concentrated masses // Indiana Univ. Math. J. 2007. V. 56. № 4. P. 1939-1987.
16. Nazarov S.A., Pérez M.E. New asymptotic effects for the spectrum of problems on concentrated masses
near the boundary // Comp. Rend. Mécanique. 2009. V. 337. № 8. P. 585-590.
17. Nazarov S.A., Pérez M.E. On multi-scale asymptotic structure of eigenfunctions in a boundary value
problem with concentrated masses near the boundary // Rev. Mat. Commpl. 2018. V. 31. № 1. P. 1-62.
18. Чечкина А.Г. Усреднение спектральных задач с сингулярным возмущением условия Стеклова
// Изв. РАН. Сер. Мат. 2017. Т. 81. № 1. С. 203-240.
19. Amirat Y., Bodart O., Chechkin G.A., Piatnitski A.L. Asymptotics of a spectral-sieve problem // J. of
Math. Anal. and Appl. 2016. V. 435. № 2. P. 1652-1671.
20. Гадыльшин Р.Р., Пятницкий А.Л., Чечкин Г.А. О спектральной задаче с условием Стеклова на
тонком перфорированном интерфейсе // Докл. РАН. 2016. Т. 466. № 4. С. 389-394.
21. Гадыльшин Р.Р., Пятницкий А.Л., Чечкин Г.А. Об асимптотическом поведении собственных пар
краевой задачи в плоской области типа сита Стеклова // Изв. РАН. 2018. Т. 82. № 6. С. 37-64.
22. Gryshchuk S., Lanza de Cristoforis M. Simple eigenvalues for the Steklov problem in a domain with a
small hole. A functional analytic approach // Math. Meth. Appl. Sci. 2014. V. 37. № 12. P. 1755-1771.
23. Назаров С.А. Моделирование сингулярно возмущенной спектральной задачи при помощи самосо-
пряженных расширений операторов предельных задач // Функц. анализ и его прил. 2015. Т. 49.
№ 1. С. 31-48.
24. Chiado Piat V., Nazarov S.A. Steklov spectral problems in a set with a thin toroidal hole // Partial
Differ. Equat. in Appl. Math. 2020. V. 1. P. 100007.
25. Pérez M.E. On periodic Steklov type eigenvalue problems on half-band and the spectral homogenization
problem // Discrete Contin. Dyn. Systems. Ser. B. 2007. V. 7. № 4. P. 859-883.
26. Chechkin G.A. On vibration of partially fastened membrane with many “light” concentrated masses on
the boundary // Comp. Rend. Mécanique. 2004. V. 332. № 12. P. 949-954.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021
1420
ЧЕЧКИНА
27. Гадыльшин Р.Р., Чечкин Г.А. Краевая задача для Лапласиана с быстро меняющимся типом гра-
ничных условий в многомерной области // Сиб. мат. журн. 1999. Т. 40. № 2. С. 271-287.
28. Олейник О.А., Чечкин Г.А. О краевых задачах для эллиптических уравнений с быстро меняющимся
типом граничных условий // Успехи мат. наук. 1993. Т. 48. Вып. 6. С. 163-164.
29. Беляв А.Ю., Чечкин Г.А. Усреднение операторов с мелкомасштабной структурой граничных усло-
вий // Мат. заметки. 1999. Т. 65. Вып. 4. С. 496-510.
30. Oleinik O.A., Chechkin G.A. Solutions and eigenvalues of the boundary value problems with rapidly
alternating boundary conditions for the system of elasticity // Rend. Lincei: Math. Appl. Ser. 9. 1996.
V. 7. № 1. P. 5-15.
31. Gadyl’shin R.R., Chechkin G.A. On boundary-value problems for the laplacian in bounded domains with
micro inhomogeneous structure of the boundaries // Acta Math. Sinica. 2007. V. 23. № 2. P. 237-248.
32. Gómes D., Nazarov S.A., Pérez M.E. Homogenization of Winkler-Steklov spectral conditions in three-
dimensional linear elasticity // Zeitschr. für Angew. Math. und Physik. 2018. Bd. 69. № 2. S. 35.
33. Gómes D., Nazarov S.A., Pérez-Martinez M.E. Spectral homogenization problems in linear elasticity
with large reaction terms concentrated in small regions of the boundary // Computational and Analytic
Methods in Science and Engineering. Cham, 2020. P. 121-143.
34. Gómes D., Nazarov S.A., Pérez-Martinez M.E. Asymptotics for spectral problems with rapidly
alternating boundary conditions on a strainer Winkler foundation // J. of Elasticity. 2020. V. 142.
P. 89-120.
35. Oлейник О.А., Иосифьян Г.А., Шамаев А.С. Математические задачи теории сильно неоднородных
упругих сред. М., 1990.
36. Chechkin G.A., Koroleva Yu.O., Persson L.-E. On the precise asymptotics of the constant in the
Friedrich‘s inequality for functions, vanishing on the part of the boundary with microinhomogeneous
structure // J. of Inequalities and Appl. 2007. V. 2007. Art. ID 34138.
37. Chechkin G.A., Koroleva Yu.O., Meidell A., Persson L.-E. On the Friedrichs inequality in a domain
perforated along the boundary. Homogenization procedure. Asymptotics in parabolic problems // Rus.
J. of Math. Phys. 2009. V. 16. № 1. P. 1-16.
38. Агмон С., Дуглис А., Ниренберг Л. Оценки решений эллиптических уравнений вблизи границы.
М., 1962.
Московский государственный университет
Поступила в редакцию 30.08.2020 г.
им. М.В. Ломоносова
После доработки 23.05.2021 г.
Принята к публикации 08.09.2021 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 57
№ 10
2021