ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2022, том 58, № 10, с. 1414-1430
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
И ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 517.968.72
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ
ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
В ГИЛЬБЕРТОВЫХ ПРОСТРАНСТВАХ
© 2022 г. В. В. Власов, Н. А. Раутиан
Рассмотрены вопросы корректной разрешимости начальных задач для вольтерровых инте-
гро-дифференциальных уравнений в гильбертовом пространстве с ядрами интегральных
операторов, представимыми интегралами Стилтьеса. Использованный в работе подход свя-
зан с применением теории полугрупп операторов.
DOI: 10.31857/S0374064122100107, EDN: KQURSV
Введение. В работе предлагается метод сведения исходной начальной задачи для аб-
страктного вольтеррова интегро-дифференциального уравнения второго порядка в сепара-
бельном гильбертовом пространстве к начальной задаче для системы операторно-дифферен-
циальных уравнений первого порядка в ортогональной сумме гильбертовых пространств. Воз-
никающий при этом линейный оператор в расширенном гильбертовом пространстве является
максимально диссипативным и, следовательно, генератором сильно непрерывной сжимающей
полугруппы. Полученные результаты базируются на классических результатах теории полу-
групп линейных операторов в банаховых пространствах, изложенных в монографиях [1] и [2].
Устанавливается связь между классическими решениями начальной задачи для операторно-
дифференциального уравнения первого порядка в расширенном гильбертовом пространстве и
начальной задачи для исходного абстрактного вольтеррова интегро-дифференциального урав-
нения.
Упомянутое абстрактное интегро-дифференциальное уравнение может быть реализовано,
в частности, как интегро-дифференциальное уравнение в частных производных следующе-
го вида:
utt(x,t) = ρ-1[μΔu(x,t) + (μ + λ)grad (div u(x,t))] -
t
t
− K(t - τ)ρ-1μu(x,τ) + grad(divu(x,τ))]dτ - Q(t - τ)ρ-1λgrad(divu(x,τ))+f(x,t),
-∞
-∞
где t > 0, u = u(x, t) R3 - вектор малых перемещений вязкоупругой изотропной среды,
заполняющей ограниченную область Ω R3 с гладкой границей ρ, постоянная плотность
ρ > 0, λ, μ - положительные параметры (коэффициенты Ламе) (см. [3, с. 129-130; 4, с. 54]).
Предполагается, что на границе области Ω выполнены условия Дирихле: u|Ω = 0. Функции
ядер интегральных операторов K(t), Q(t) - положительные невозрастающие суммируемые
функции, характеризующие наследственные свойства среды.
К рассматриваемому классу уравнений относятся также интегро-дифференциальные урав-
нения Гуртина-Пипкина, описывающие процесс распространения тепла в средах с памятью.
В качестве ядер интегральных операторов могут быть рассмотрены, в частности, суммы убы-
вающих экспонент или суммы функций Работнова с положительными коэффициентами, име-
ющие широкое применение в теории вязкоупугости и теории распространения тепла.
Результаты настоящей статьи являются развитием и обобщением результатов, полученных
в работах [5-8].
1. Определения, обозначения и постановка задачи. Пусть H - сепарабельное гиль-
бертово пространство, A - самосопряжённый положительный оператор A = A κ0I (κ0 >
> 0), действующий в пространстве H, I - тождественный оператор в пространстве H. Пусть
1414
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1415
B - самосопряжённый неотрицательный оператор, действующий в пространстве H с областью
определения D(B) такой, что D(A) ⊆ D(B), удовлетворяющий неравенству ∥Bx∥ κ∥Ax∥,
0 < κ < 1, для любого x ∈ D(A).
Рассмотрим следующую задачу для интегро-дифференциального уравнения второго по-
рядка на положительной полуоси R+ = (0, ∞):
t
t
d2u(t)
+ (A + B)u(t) - K1(t - s)Au(s) ds - K2(t - s)Bu(s) ds = f(t), t ∈ R+,
(1)
dt2
l
l
u(+0) = ϕ0, u(1)(+0) = ϕ1, u(t) = ϕ(t), t ∈ [l, 0],
-∞ l 0,
(2)
где ϕ(0) = ϕ0, ϕ(1)(0) = ϕ1. Предположим, что ядра интегральных операторов Ki(t), i =
= 1, 2, имеют представление
+
Ki(t) =
e-tτi(τ), i = 1,2,
(3)
0
гдеi (i = 1, 2) - положительная мера, порождаемая неубывающей, непрерывной справа
функцией μi. Интеграл (3) понимается в смысле Стилтьеса. Будем предполагать, что функции
μi (i = 1,2) представляют собой суммы абсолютно непрерывных функций и функций скачков
(ступенчатых функций), в которых сингулярная компонента отсутствует. Кроме того, будем
считать, что выполнены условия
i(τ)
< 1, i = 1, 2.
(4)
τ
0
Введём обозначения
+
e-tτi(τ)
Mi(t) :=
,
t 0, i = 1,2.
(5)
τ
0
(
)
(
)
1(τ)
2(τ)
A0 :=
1-
A+ 1-
B.
τ
τ
0
0
Замечание 1. Из свойств операторов A и B и неравенства Гайнца (см. [1, с. 177-179])
следует, что оператор A0 является обратимым, операторы Q1 := A1/2A-1/20, Q2 := B1/2A-1/20
допускают ограниченное замыкание в пространстве H, A-10 - ограниченный оператор.
Превратим область определения D(Aβ0) оператора Aβ0, β > 0, в гильбертово пространст-
во Hβ, вводя на D(Aβ0) норму ∥ · ∥β = ∥Aβ0 · ∥, эквивалентную норме графика оператора Aβ0.
Определение 1. Назовём вектор-функцию u(t) классическим решением задачи (1), (2),
если u(t) ∈ C2(R+, H), Au(t), Bu(t) ∈ C(R+, H) и u(t) удовлетворяет уравнению (1) для
каждого значения t ∈ R+ и начальным условиям (2).
Через Ωk обозначим пространства L2μk (R+, H) вектор-функций на полуоси R+ = (0, ∞)
со значениями в H, снабжённые нормами
)1/2
∥u∥Ωk =
∥u(s)2Hk(s)
0
Эти пространства являются сепарабельными гильбертовыми (см., например, [9, с. 148]).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1416
ВЛАСОВ, РАУТИАН
Сформулируем теоремы из монографии [1], необходимые для доказательства результатов
данной работы.
Пусть A - замкнутый линейный оператор в гильбертовом пространстве H с плотной
областью определения D(A).
Определение 2 (см. [1, с. 38-39, 58]). Задача Коши
d
Z(t) = AZ(t),
(6)
dt
Z(0) = Z0
(7)
называется корректной (равномерно корректной), если
1) для любого Z0 ∈ D(A) существует единственное решение задачи (6), (7);
2) это решение непрерывно зависит от начальных данных в следующем смысле: из того,
что Zn(0) 0 (Zn(0) ∈ D(A)) вытекает, что Zn(t) 0 при каждом t ∈ [0, T ] (равномерно
по t) на любом конечном интервале [0, T ].
Замечание 2. Если задача Коши (6), (7) порождает сжимающую полугруппу в простран-
стве H, то эта задача равномерно корректна.
Теорема 1.1 (см. [1, с. 41]). Если задача Коши (6), (7) корректна, то её решение даётся
формулой Z(t) = S(t)Z0 (Z0 ∈ D(A)), где S(t) - сильно непрерывная при t > 0 полугруппа
операторов.
Теорема 6.5 (см. [1, с. 166]). Если задача Коши (6), (7) равномерно корректна, то формула
t
Z(t) = S(t)Z0 + S(t - p)F (p) dp
(8)
0
даёт решение задачи Коши для неоднородного уравнения
d
Z(t) = AZ(t) + F (t)
dt
с условием
Z(0) = Z0,
(9)
где Z0 ∈ D(A) и вектор-функция F (t) удовлетворяет одному из условий:
1) значения функции F(t) ∈ D(A) и функция AF(t) ∈ C(R+,H);
2) функция F (t) ∈ C1(R+, H).
2. Сведение исходной задачи к дифференциальному уравнению первого поряд-
ка. Введём новые переменные
v(t) := u(t), ξ0(t) := A1/20u(t),
t
e-(t-s)τ
ξk(t,τ) =
ds, t > 0, τ > 0, k = 1, 2.
√τQkA0/2 dds
l
Тогда задача (1), (2) формально может быть приведена к следующей начальной задаче для
системы дифференциальных уравнений первого порядка:
[
]
dv(t)
1
0(t)
+A1/2
ξ0(t) +
= f1(t),
= A1/20v(t),
0
dt
√τQkξk(t,τ)k(τ)
dt
k=1 0
1(t, τ)
1
ξ2(t,τ)
1
=
=
(10)
dt
√τQ1A0/2v(t)-τξ1(t,τ),d
dt
√τQ2A0/2v(t)-τξ2(t,τ),
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1417
где t > 0, τ > 0,
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
f1(t) = f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l),
τ
τ
0
0
v(t)|t=0 = ϕ1, ξ0(t)|t=0 = A1/20ϕ0,
0
e
ϕ(s)
ξk(t,τ)|t=0 =
ds, k = 1, 2.
(11)
√τQkA0/2 d
ds
l
Теперь мы должны, во-первых, “превратить” задачу (10), (11) в начальную задачу в некото-
ром расширенном функциональном пространстве, в котором она будет корректной, во-вторых,
установить соответствие (не только формальное) между решением задачи (10), (11) и реше-
нием исходной задачи (1), (2).
3. Задача Коши в расширенном гильбертовом пространстве. Определим линейный
оператор умножения на независимую переменную в пространстве Ωk, k = 1, 2.
Определение 3 (см. [2, с. 31]). Оператор умножения на независимую переменную Tk :
Ωk Ωk, k = 1,2, определяется следующим образом:
Tkξ(τ) = τξ(τ), ξ(τ) ∈ D(Tk), τ > 0,
(12)
где область определения D(Tk) имеет вид
D(Tk) = {ξ ∈ Ωk : τξ(τ) Ωk}.
(13)
Введём операторы Bk : H → Ωk, k = 1, 2, действующие следующим образом:
1
Bkv =
√τQkv,k=1,2,τ>0.
Тогда сопряжённые операторы B∗k : Ωk → H, k = 1, 2, имеют вид
1
B∗kξ(τ) = Q∗k
√τξ(τ)k(τ),k=1,2.
0
Действительно, для любых функций v ∈ D(Bk), ξ(τ) Ωk справедлива цепочка равенств
1
1
Bkv,ξ(τ)
=
=
√τQkv,ξ(τ)
√τQkv,ξ(τ)k(τ)=H
Ωk
Ωk
0
1
= v,Q∗k
= 〈v, B∗kξ(τ)H .
√τξ(τ)k(τ)
H
0
Введём гильбертово пространство H = H
H(2k=1Ωk), снабжённое нормой
(v, ξ0, ξ1(τ), ξ2(τ))2H = ∥v∥2H + ∥ξ02H +
∥ξk(τ)2 ,
Ωk
τ > 0,
k=1
которое будем называть расширенным гильбертовым пространством.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1418
ВЛАСОВ, РАУТИАН
Рассмотрим линейный оператор A в пространстве H с областью определения
{
D(A) = (v, ξ0, ξ1(τ), ξ2(τ)) H : v ∈ H1/2,
}
ξ0 +
B∗kξk(τ) ∈ H1/2, ξk(τ) ∈ D(Tk), k = 1,2
,
k=1
действующий следующим образом:
(
[
]
)т
A(v, ξ0, ξ1(τ), ξ2(τ))т =
-A1/2
ξ0 +
B∗kξk(τ) ,A1/20v,BkA1/20v - Tkξk(τ)
,
k = 1,2.
0
k=1
Таким образом, оператор A можно записать в виде произведения операторных матриц
A1/20
0
0
0
0
-I
-B1
-B2
A1/20
0
0
0
0
I
0
0
I
0
0
0
0
I
0
0
A=
0
B1
0
-T1
0
0
.
0
I
0
0
I
0
0
0
0
I
B2
0
0
-T2
0
0
0
I
В работе [6] показано, что при выполнении условий (4) оператор A в пространстве H с
плотной областью определения D(A) максимально диссипативен и, следовательно, является
генератором сжимающей C0-полугруппы S(t) = etA в пространстве H.
Введём четырёхкомпонентные векторы вида
Z(t) = (v(t), ξ0(t), ξ1(t, τ), ξ2(t, τ)) H, Z0 = (v0, ξ00, ξ10(τ), ξ20(τ)) H
и рассмотрим задачу Коши для неоднородного уравнения
d
Z(t) = AZ(t) + F (t),
(14)
dt
Z(0) = Z0.
(15)
Определение 4. Вектор-функция Z(t) = (v(t), ξ0(t), ξ1(t, τ), ξ2(t, τ)) ∈ D(A), t ∈ [0, +),
принимающая значения в пространстве H, называется классическим решением задачи (14),
(15), если она принадлежит классу C1(R+, H)
C([0,+),D(A)) при любом τ > 0 и удовле-
творяет уравнению (14) и начальному условию (15).
4. Теоремы о корректной разрешимости задачи (14), (15). Предположим, что вы-
полнены следующие
Условия (CS):
F (t) := (f1(t), 0, 0, 0), f1(t) = f(t) - (M1(t - l)A + M2(t - l)B)ϕ(l),
где l - заданное число, -∞ l 0; f(t) ∈ C(R+,H) - заданная вектор-функция; Mk(·),
k = 1,2, определяются формулами (5); ϕ0 ∈ H1, ϕ1 ∈ H1 - заданные векторы; вектор-
функция Z0 = (ϕ1, A1/20ϕ0, ξ01(τ), ξ02(τ)) ∈ D(A), где функции ξ0k(τ), k = 1, 2, определяются
по формулам
0
e
ϕ(s)
ξ0k(τ) :=
ds, τ > 0, k = 1, 2;
√τQkA0/2 d
ds
l
вектор-функция ϕ(t) задана при t ∈ [l, 0],
-∞ l 0, причём ϕ(t) ∈ H1, ϕ(t) ∈ H1 при
t ∈ [l,0], ϕ(t) ∈ C([l,0],H1), ϕ(1)(t) ∈ C([l,0],H1), ϕ(0) = ϕ0, ϕ(1)(0) = ϕ1 и, кроме того,
lim[(t)] = 0,
-∞ l < 0.
t→l
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1419
Теорема 1 (о корректной разрешимости (общий случай)). Пусть выполнены условия (4),
(CS) и любое из условий:
1) вектор-функция f1(t) ∈ H1/2 и A1/20f1(t) ∈ C(R+, H);
2) вектор-функция f1(t) ∈ C1(R+, H).
Тогда задача (14), (15) имеет единственное классическое решение
Z(t) = (v(t), ξ0(t), ξ1(t, τ), ξ2(t, τ)),
где v(t) := u(t), ξ0(t) := A1/20u(t), u(t) - классическое решение задачи (1), (2) с соответ-
ствующими данными f(t), ϕ(t), ϕ0, ϕ1, и справедлива оценка
1
E(t) :=
(∥u(t)2H + ∥A1/20u(t)2H )1∥Z(t)2H
2
2
[
∫
0
∑
2
e
ϕ(s)
d ∥ϕ12H + ∥A1/20ϕ02H +
ds
+
√τQkA0/2 d
ds
Ωk
k=1
l
(∫t
)2]
+
∥f(s) - (M1(s - l)A + M2(s - l)B)ϕ(l)H ds
,
(16)
0
здесь d - постоянная, не зависящая от вектор-функции f и векторов ϕ0, ϕ1.
Сформулируем также важные частные случай теоремы 1.
Теорема 2 (о корректной разрешимости (частный случай l = 0)). Пусть выполнено усло-
вие (4), данные задачи (14), (15) удовлетворяют условиям
F (t) := (f1(t), 0, 0, 0), f1(t) = f(t) - (M1(t)A + M2(t)B)ϕ0,
где f(t) ∈ C(R+, H) - заданная вектор-функция, Mk(·), k = 1, 2, определяются формулами
(5), ϕ0 ∈ H1, ϕ1 ∈ H1 - заданные векторы, вектор-функция Z0 = (ϕ1, A1/20ϕ0, 0, 0) ∈ D(A),
и выполнено любое из следующих условий:
1) вектор-функция f(t) ∈ H1/2 и A1/20f(t) ∈ C(R+, H), ϕ0 ∈ H3/2;
2) вектор-функция f1(t) ∈ C1(R+, H).
Тогда задача (14), (15) имеет единственное классическое решение
Z(t) = (v(t), ξ0(t), ξ1(t, τ), ξ2(t, τ)),
где v(t) := u(t), ξ0(t) := A1/20u(t), u(t) - классическое решение задачи (1), (2) с соответ-
ствующими данными l = 0, f(t), ϕ0, ϕ1, и справедлива оценка
1
E(t) :=
(∥u(t)2H + ∥A1/20u(t)2H )1∥Z(t)2H
2
2
[
(∫t
)2]
d ∥ϕ12H + ∥A1/20ϕ02H +
∥f(s) - (M1(s)A + M2(s)B)ϕ0H ds
,
0
d - постоянная, не зависящая от вектор-функции f и векторов ϕ0, ϕ1.
Теорема 3 (о корректной разрешимости (частный случай -∞ l < 0)). Пусть выполнено
условие (4), данные задачи (14), (15) удовлетворяют условиям: F (t) := (f(t), 0, 0, 0), где
f (t) ∈ C(R+, H) - заданная вектор-функция, Mk(·), k = 1, 2, определяются формулами (5),
ϕ0 ∈ H1, ϕ1 ∈ H1 - заданные векторы, вектор-функция
Z0 = (ϕ1,A1/20ϕ001(τ)02(τ)) ∈ D(A),
(17)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1420
ВЛАСОВ, РАУТИАН
где функции ξ0k(τ), k = 1, 2, определены формулами
0
e
ϕ(s)
ξ0k(τ) :=
ds, τ > 0, k = 1, 2,
√τQkA0/2 d
ds
l
вектор-функция ϕ(t) задана при t ∈ (l, 0], причём ϕ(t) ∈ H1, ϕ(t) ∈ H1 при t ∈ (l, 0], ϕ(t)
∈ C((l,0],H1), ϕ(1)(t) ∈ C((l,0],H1), ϕ(0) = ϕ0, ϕ(1)(0) = ϕ1, кроме того, lim[(t)] = 0,
t→l
-∞ l < 0.
Пусть также выполнено любое из следующих условий:
1) вектор-функция f(t) ∈ H1/2 и A1/20f(t) ∈ C(R+, H);
2) вектор-функция f(t) ∈ C1(R+, H).
Тогда задача (14), (15) имеет единственное классическое решение
Z(t) = (v(t), ξ0(t), ξ1(t, τ), ξ2(t, τ)),
где v(t) := u(t), ξ0(t) := A1/20u(t), u(t) - классическое решение задачи (1), (2) с соответ-
ствующими данными l, f(t), ϕ(t), ϕ0, ϕ1, и справедлива оценка
1
E(t) :=
(∥u(t)2H + ∥A1/20u(t)2H )1∥Z(t)2H
2
2
[
∫
0
(∫t
)2]
∑
2
e
ϕ(s)
d ∥ϕ12H + ∥A1/20ϕ02H +
ds
+
∥f(s)H ds
,
√τQkA0/2 d
ds
k=1
Ωk
l
0
d - постоянная, не зависящая от вектор-функции f и векторов ϕ0, ϕ1.
Замечание 2 (достаточные условия корректной разрешимости при l = -∞). Пусть вы-
полнены условия
k(τ)
< ∞, k = 1,2, p = 0,1,2,
(18)
τp
0
0
(s)2
s < ∞.
(19)
A
d
ds
−∞
Тогда справедливо условие (17). В частности, если мерыk, k = 1, 2, имеют компактный
носитель, принадлежащий отрезку [d0, d1], где d0 > 0, d1 < +∞, то условия (18) выполнены.
5. Доказательство теоремы 1 о корректной разрешимости задачи (14), (15). За-
дача (14), (15) является равномерно корректной, поскольку полугруппа S(t) = etA, t > 0, -
сжимающая (см. [6]). Из условий теоремы 1 следует выполнение условий теоремы 1.1 из мо-
нографии [1] для задачи (14), (15). Таким образом, для задачи (14), (15) справедлива оценка
(
t
)
∥Z(t)H d
∥Z0H +
∥F (s)H ds
,
(20)
0
где d - постоянная, не зависящая от вектор-функции F и векторов ϕ0, ϕ1. Оценка (20)
следует из формулы (8), применённой к задаче (14), (15), в обозначениях теоремы 1.
Покажем, что v(t) := u(t), ξ0(t) := A1/20u(t), где u(t) - классическое решение зада-
чи (1), (2).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1421
Задача Коши (14), (15), записанная покоординатно, имеет вид (10), (11). Рассмотрим по-
следние два уравнения системы (10). Применим к этим уравнениям метод вариации произ-
вольных постоянных. Соответствующие однородные уравнения имеют вид
k(t, τ)
= -Tkξk(t,τ), t > 0.
dt
Следовательно, по определению операторов Tkξ(τ) = τξ(τ), τ > 0, k = 1, 2, где D(Tk) =
= {ξ ∈ Ωk : τξ ∈ Ωk} (см. (12), (13)), общие решения однородных уравнений могут быть записа-
ны в виде ξOk(t, τ) = e-tTk Ck(τ) = e-tτ Ck(τ), где τ > 0, Ck(τ) Ωk, k = 1, 2, - произвольные
векторы.
Применив формулу (8) для решения неоднородных уравнений при заданных начальных
условиях
0
e
ϕ(s)
ξk(t,τ)|t=0 =
ds, τ > 0, k = 1, 2,
√τQkA0/2 d
ds
l
и положив v(t) = ϕ(1)(t), ϕ(0) = ϕ0 при t ∈ (l, 0], получим
t
t
1
1
ξk(t,τ) = e-(t-s)Tk
√τQkA0/2v(s)ds=e-(t-s)τ
√τQkA0/2v(s)ds.
l
l
Из первого уравнения системы, согласно области определения оператора A, имеем
1
ξ0(t) +
(21)
√τQkξk(t,τ)k(τ)∈D(A0/2).
k=1 0
Из второго уравнения системы получаем, что
t
ξ0(t) = A1/20v(s)ds + A1/20ϕ(l).
l
Подставив найденные выражения для функций ξk в (21), имеем
t
t
1
1
A1/20v(s) ds + A1/20ϕ(l) +
e-(t-s)τ
√τQk
√τQkA0/2v(s)dsdμk(τ)=
l
k=1 0
l
t
[
)
]
e-(t-s)τ
=
A1/20 +
k(τ) Q∗kQkA1/2
v(s) ds + A1/20ϕ(l) ∈ D(A1/20).
0
τ
k=1
l
0
По условиям теоремы 1(t), Bϕ(t) ограничены при t → l при фиксированном значении
параметра l,
-∞ l 0, следовательно, ϕ(l) ∈ H1, откуда получаем
t
[
)
]
e-(t-s)τ
A1/20 +
k(τ) Q∗kQkA1/2
v(s) ds ∈ D(A1/20).
0
τ
k=1
l
0
Рассмотрим вектор-функцию
t
[
)
]
e-(t-s)τ
-A1/20
A1/20 +
k(τ) Q∗kQkA1/2
v(s) ds =
0
τ
k=1
l
0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1422
ВЛАСОВ, РАУТИАН
t
[
)
]
e-(t-s)τ
= -A0
A-1/2
I+
k(τ) QQk A1/20v(s) ds, t > 0.
(22)
0
k
τ
k=1
l
0
Из (22) следует, что
t
[
)
]
e-(t-s)τ
A-1/2
I+
k(τ) QQk A1/20v(s) ds ∈ D(A0).
(23)
0
k
τ
k=1
l
0
Введём обозначение
)
]
[2
e-tτ
R(t) := A-1/20
k(τ) QQk A1/20, t > 0,
k
τ
k=1
0
тогда вектор-функцию (23) можно записать в виде
t
t
v(s) ds + R(t - s)v(s) ds = y(t) ∈ D(A0).
(24)
l
l
После интегрирования по частям в (24) получаем следующее интегральное уравнение:
t
t
(∫s
)
(I + R(0)) v(s) ds + R(t - s)
v(s) ds ds = y(t), y(t) ∈ C(R+; H1),
(25)
l
l
l
где
)
R(t) = -A-1/20
e-tτk(τ) Q∗kQkA1/20 =
k=1
0
)
)
= - e-tτ1(τ) A-10A -
e-tτ2(τ) A-10B,
0
0
)
]
)
)
[2
k(τ)
1(τ)
2(τ)
R(0) = A-1/20
Q
Qk A1/20 =
A-10A +
A-10B.
k
τ
τ
τ
k=1
0
0
0
Уравнение (25) можно записать в виде
t
t
(∫s
)
(I + R(0)) v(s) ds + R(t - s)
v(p) dp ds = y(t) - Φ(t),
(26)
0
0
0
где
0
t
Φ(t) := (I + R(0))(ϕ(0) - ϕ(l)) + R(t - s)(ϕ(s) - ϕ(l)) ds + R(t - s)(ϕ(0) - ϕ(l)) ds,
l
0
Φ(t) ∈ D(A0), так как заданная вектор-функция A0ϕ(t) ∈ C([l, 0], H) по условию теоремы.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1423
t
Введём вектор-функцию w(t) :=
v(s) ds, тогда уравнение (26) можно записать в виде
0
интегрального уравнения Вольтерры второго рода
t
(I + R(0))w(t) + R(t - s)w(s) ds = y(t) - Φ(t).
(27)
0
Покажем, что R(t) ∈ C(R+; B(H1)). Действительно, для любого z ∈ H1 справедлива оценка
)
) ]
∥R(t)z||H1 =
e-tτ1(τ) A +
e-tτ2(τ) B A-10(A0z)
H
0
0
)
)
≤
e-tτ1(τ) AA-10 +
e-tτ2(τ) BA-10
∥z∥H1
H
0
0
)
)
]
e-tτ1(τ) ∥AA-10||H +
e-tτ2(τ) ∥BA-1||H
∥z∥H1 .
0
0
0
Таким образом, R(t) ∈ B(H1). Кроме того, для любых t1, t2 > 0 выполняется неравенство
)
)
∥R(t1)-R(t2)||H1
(e-t1τ - e-t2τ )1(τ)
∥AA-10||H +
(e-t1τ - e-t2τ )2(τ)
∥BA-10H .
0
0
Следовательно, R(t) ∈ C(R+; B(H1)). Из (27) получаем
(
t
)
w(t) = (I + R(0))-1 y(t) - Φ(t) - R(t - s)w(s) ds
=: Lw(t),
0
где оператор L : C(R+, H1) → C(R+, H1). Покажем, что ∥L∥C(R+;B(H1)) < +∞.
Утверждение. Для любых функций w1(t), w2(t) ∈ H1 и для любого T > 0 при t ∈ [0, T ]
имеет место оценка
sup
∥Lw1(t) - Lw2(t)||H1 κ sup ∥w1(t) - w2(t)||H1 ,
t∈[0,T ]
t∈[0,T ]
где κ =(M1(0)A + M2(0)B)(A + B)-1H < +∞, функции Mk(t), k = 1, 2, определены фор-
мулами (5).
Действительно, для любых w1(t), w2(t) ∈ H1 при t > 0 имеем
t
∥Lw1(t) - Lw2(t)||H1 =(I + R(0))-1
R(t - s)(w1(s) - w2(s))ds
(28)
H1
0
Далее, для любого z ∈ H1 имеем
(I + R(0))-1z∥H1 = ∥A0(I + R(0))-1A-10(A0z)H =(A0(I + R(0))A-10)-1(A0z)H .
Нетрудно проверить, используя определение оператора A0, что A0(I+R(0))A-10 = (A+B)A-10.
Таким образом,
(A0(I + R(0))A-10)-1(A0z)H = ∥A0(A + B)-1(A0z)H .
(29)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1424
ВЛАСОВ, РАУТИАН
t
Подставляя в формулу (29) z =
R(t - s)(w1(s) - w2(s))ds, учитывая представление (28)
0
для любого T > 0, получаем
t
sup
∥Lw1(t) - Lw2(t)||H1 = supA0(A + B)-1A0
R(t - s)(w1(s) - w2(s))ds
t∈[0,T ]
t∈[0,T ]
H
0
t
≤ A0(A + B)-1A0
R(t - s)A-10 ds
up ∥w1(t) - w2(t)||H1 .
(30)
s
H
t∈[0,T ]
0
Можно установить оценку
t
supA0(A + B)-1A0
R(t - s)A-10 ds
=
t∈[0,T ]
H
0
= sup ∥A0(A + B)-1A0(R(t) - R(0))A-10H ∥A0(A + B)-1A0R(0)A-10H.
(31)
t∈[0,T ]
Нетрудно проверить, используя определение оператора A0, что
∥A0(A + B)-1A0R(0)A-10H =(M1(0)A + M2(0)B)(A + B)-1H < +∞.
(32)
Действительно, справедлива цепочка равенств
A0(A + B)-1A0R(0)A-10 = A0(A + B)-1A0(M1(0)A-10A + M2(0)A-10B)A-10 =
= A0(A + B)-1(M1(0)A + M2(0)B)A-10 = A0(A + B)-1(A + B - A0)A-10 =
= A0(A + B)-1((A + B)A-10 - I) = I - A0(A + B)-1 =
= I - (A + B - M1(0)A - M2(0)B)(A + B)-1 = (M1(0)A + M2(0)B)(A + B)-1.
Из установленных оценок (30)-(32) следует, что
sup
∥Lw1(t) - Lw2(t)||H1(M1(0)A + M2(0)B)(A + B)-1H sup ∥w1(t) - w2(t)||H1
=
t∈[0,T ]
t∈[0,T ]
= κ sup ∥w1(t) - w2(t)H1,
t∈[0,T ]
где κ =(M1(0)A + M2(0)B)(A + B)-1H < +∞. Отсюда для любого n ∈ N получаем нера-
венство
κnTn
sup
∥Lnw1(t) - Lnw2(t)||H1
sup ∥w1(t) - w2(t)H1 .
n!
t∈[0,T ]
t∈[0,T ]
Таким образом, значение n можно выбрать настолько большим, что κnTn/n! < 1. Следо-
вательно, ∥LnC([0,T];B(H1)) < 1, т.е. отображение Ln : C([0, T ], H1) → C([0, T ], H1) является
сжимающим, и уравнение (27) имеет единственное решение w(t) ∈ C([0, T ], H1). В силу про-
извольности T > 0 отсюда получаем, что решение w(t) ∈ C([0, +), H1). Тогда
t
0
t
0
v(s) ds = v(s) ds + v(s) ds = ϕ(s) ds + w(t) = ϕ(0) - ϕ(l) + w(t) ∈ C([0, +), H1).
l
l
0
l
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1425
Вернёмся к первому уравнению системы (10) и воспользуемся тем, что
t
v(s) ds ∈ C([0, +), H1).
l
Справедлива следующая цепочка равенств:
[
]
)
1
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
-A1/20 ξ0(t) +
Q
+f(t)-
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
k
√τξk(t,τ)
τ
τ
k=1
0
0
0
[∫t
t
]
e-(t-s)τ
= -A1/20
A1/20v(s) ds + A1/20ϕ(l) +
Q
QkA1/20v(s)ds dμk(τ)
+
k
τ
k=1
l
0
l
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+ f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
τ
τ
0
0
[∫ t
t
t
]
e-(t-s)τ
e-(t-s)τ
= - A0v(s)ds + A0ϕ(l) +
Av(s) ds dμ1(τ) +
Bv(s)ds dμ2(τ)
+
τ
τ
l
0
l
0
l
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+ f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l).
(33)
τ
τ
0
0
С помощью замены переменной v(t) := u(t), u(t) = ϕ(t), t ∈ [l, 0], u(+0) = ϕ0, ϕ(0) = ϕ0 в
выражении (33) и формулы интегрирования по частям получим
t
t
[∫ t
]
e-(t-s)τ
e-(t-s)τ
− A0u(s)ds + A0ϕ(l) +
Au(s) ds dμ1(τ) +
Bu(s)ds dμ2(τ)
+
τ
τ
l
0
l
0
l
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+ f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
τ
τ
0
0
t
t
[
]
e-(t-s)τ
e-(t-s)τ
= - A0u(t) +
1(τ)Au(s) ds +
2(τ)Bu(s) ds
+
τ
τ
l
0
l
0
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+ f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
τ
τ
0
0
)
t
e-(t-s)τ
t
= -A0u(t) -
1(τ) Au(s)
e-(t-s)τ1(τ)Au(s)ds -
τ
l
0
l
0
)
t
e-(t-s)τ
t
-
2(τ) Bu(s)
+
e-(t-s)τ2(τ)Bu(s)ds +
τ
l
0
l
0
9
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1426
ВЛАСОВ, РАУТИАН
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+ f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
τ
τ
0
0
(∫
)
(∫
)
1(τ)
e-(t-l)τ
= -A0u(t) -
Au(t) +
1(τ) Au(l) +
τ
τ
0
0
t
(∫
)
2(τ)
+
e-(t-s)τ1(τ)Au(s)ds -
Bu(t) +
τ
l
0
0
)
t
e-(t-l)τ
+
2(τ) Bu(l) +
e-(t-s)τ2(τ)Bu(s)ds +
τ
0
l
0
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+ f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
τ
τ
0
0
)
)
1(τ)
e-(t-l)τ
= -A0u(t) -
Au(t) +
1(τ)(l) +
τ
τ
0
0
t
(∫
)
)
2(τ)
e-(t-l)τ
+
e-(t-s)τ1(τ)Au(s)ds -
Bu(t) +
2(τ)(l) +
τ
τ
l
0
0
0
t
)
e-(t-l)τ
e-(t-l)τ
+
e-(t-s)τ2(τ)Bu(s)ds + f(t) -
1(τ)A +
2(τ)B ϕ(l) =
τ
τ
l
0
0
0
t
t
= -(A + B)u(t) + K1(t - s)Au(s)ds + K2(t - s)Bu(s)ds + f(t).
l
l
Таким образом, полученное уравнение совпадает с интегро-дифференциальным уравне-
нием (1) с начальными условиями (2). Следовательно, u(t) - классическое решение задачи
(1), (2). Более того, выполнение условий теоремы 1 обеспечивает выполнение условий теоре-
мы 6.5 из работы [1, с. 166], и тогда оценка (16) следует из оценки (20). Теорема 1 доказана.
Доказательства теорем 2, 3 повторяют доказательство теоремы 1 при l = 0 и -∞ l <
< 0 соответственно.
Доказательство замечания 2. Условие (17) равносильно выполнению условий
)
1
(∫0 e
A1/20ϕ0 +
ds dμk(τ) ∈ D(A1/20),
√τQk
√τQkA0/2 d
ds
k=1 0
-∞
0
0
e
ϕ(s)
ds ∈ Ωk,
√τe QkA1/2(s)0
ds ∈ Ωk, k = 1, 2.
√τQkA0/2 d
ds
ds
−∞
-∞
По условию теоремы 3 ϕ0 ∈ H1 и ϕ(1)(t) ∈ C((-∞, 0], H1). Отсюда, используя неравенство
Гёльдера, получаем оценки
(∫0
)
1/2
1
e
ϕ(s)
ds dμ1(τ)
A
0
√τQ1
√τQ1A0/2 d
ds
H
0
-∞
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1427
(∫0
)1(τ)
1/2
e
Q1Q1A1/2(s)0
ds
A
0
ds
τ
H
0
-∞
(∫0
)1/2(∫
0
)1/2
(∫0
)1/2
(s)2
1(τ)
1(τ)
(s)2
e2 ds
ds
C1
s
,
A
A
d
ds
τ
τ3/2
ds
H
H
0
-∞
-∞
0
-∞
поскольку A1/20Q1Q1A1/20 = A. Аналогично рассматриваем случай k = 2. Справедливы сле-
дующие оценки:
0
(∫0
)1/2
e
ϕ(s)
2
k(τ)
2
1/2(s)
ds
μk(τ) C2
s
,
d
A
0
d
√τQkA0/2 d
ds
τ2
ds
H
H
0
-∞
0
-∞
0
(∫0
)1/2
2
2
1/2(s)
√τe QkA1/2(s)0
ds
μk(τ) C3k(τ)
s
,
k = 1,2,
d
A
0
d
ds
ds
H
H
0
-∞
0
-∞
где Ci > 0 (i = 1, 2, 3) - некоторые константы. Таким образом, условия (18), (19) являются
достаточными для выполнения условия (17).
6. Примеры.
Пример 1. Рассмотрим функции
)
(j-1
μ1(τ) =
ak χ[βj-1j)(τ),
k=0
)
(j-1
μ2(τ) =
bk χ[βj-1j)(τ), τ ∈ [βj-1j), j = 1,N (или j ∈ N),
k=0
где a0 = 0, b0 = 0, ak > 0, bk 0, χ[βj-1, βj )(τ) - характеристические функции интервалов
[βj-1, βj ), 0 βj-1 < βj, β0 = 0.
Тогда ядра интегральных операторов имеют представления
K1(t) =
ajejt, K2(t) =
bjejt
j=1
j=1
и условия (4) принимают вид
aj
bj
< 1,
< 1.
β
j
βj
j=1
j=1
aj
bj
M1(t) =
ejt, M2(t) =
ejt,
βj
βj
j=1
j=1
)1/2
)1/2
∥ξ∥Ω1 =
∥ξ(s)2H1(s)
=
an∥ξn2
H
,
n=1
0
)1/2
)1/2
∥ξ||Ω2 =
∥ξ(s)2H2(s)
=
bn∥ξn2
,
H
n=1
0
где ξn = ξ(βn) ∈ H, n ∈ {1, . . . , N}.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
9
1428
ВЛАСОВ, РАУТИАН
В этом случае задача (14), (15) может быть записана следующим образом:
[
]
dv(t)
aj
bj
0(t)
+A1/2
ξ0(t) +
Q1ξ1j(t) +
Q2ξ2j(t) = f1(t),
= A1/20v(t),
0
dt
βj
βj
dt
j=1
j=1
1j (t)
1
1
=
Q1A1/20v(t) - βjξ1j(t,τ),dξ2j(t)
=
Q2A1/20v(t) - βjξ2j(t,τ), j = 1,N,
dt
βj
dt
βj
0
eβjs
ϕ(s)
v(t)|t=0 = ϕ1, ξ0(t)|t=0 = A1/20ϕ0, ξkj(t)|t=0 =
ds, k = 1, 2, j = 1, N,
√βj QkA0/2 d
ds
l
)
aj
bj
f1(t) = f(t) -
ej(t-l)A +
ej(t-l)B ϕ(l).
βj
βj
j=1
j=1
Оценка (16) в этом случае имеет вид
1
E(t) :=
(∥u(t)2H + ∥A1/20u(t)2H )1∥Z(t)2H
2
2
[
∫
0
∑
2
e
ϕ(s)
d ∥ϕ12H + ∥A1/20ϕ02H +
ds
+
√τQ1A0/2 d
ds
k=1
Ωk
l
(∫t
)2]
ej(s-l)
+
(s) -
(aj A + bjB)ϕ(l)
s
f
d
βj
j=1
0
H
Пример 2. Рассмотрим функции
K1(t) =
ajЭα-1(j,t), K2(t) =
bjЭα-1(j,t),
j=1
j=1
где 0 < α < 1, aj > 0, bj 0,
0 βj-1 < βj, j = 1,N, β0 = 0,
(j )nt
Эα-1(j , t) := tα-1
,
j = 1,N,
Γ[(n + 1)α]
n=0
- функции Работнова (см. [10, с. 36]), Γ(·) - гамма-функция. Функции Работнова имеют сле-
дующие интегральные представления (см. [10, с. 29]):
sin(πα)
e-tτ
Эα-1(j , t) =
,
0 < α < 1, j = 1,N.
π
τα + 2βj cos(πα) + β2jτ
0
Тогда
(
)
sin(πα)
aj
1(τ) =
dτ,
π
τα + 2βj cos(πα) + β2j
τ
j=1
)
sin(πα)
bj
2(τ) =
dτ,
π
τα + 2βj cos(πα) + β2j
τ
j=1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
КОРРЕКТНАЯ РАЗРЕШИМОСТЬ ВОЛЬТЕРРОВЫХ УРАВНЕНИЙ
1429
+
e-tτ
1(τ)
M1(t) =
= aj Эα-1(j,s)ds,
τ
j=1
0
t
+
e-tτ
2(τ)
M2(t) =
= bj Эα-1(j,s)ds.
τ
j=1
0
t
Условия (4) принимают вид
aj
bj
< 1,
< 1.
β
j
βj
j=1
j=1
В этом случае задача (14), (15) имеет представление
[
]
dv(t)
(aj Q1ξ1(t, τ) + bjQ2ξ2(t, τ))
+A1/2
ξ0(t) +
= f1(t), t > 0,
0
dt
π
√τ(τα + 2βj cos(πα) + β2jτ)
j=1 0
0(t)
= A1/20v(t),
dt
1(t, τ)
1
ξ2(t,τ)
1
=
=
dt
√τQ1A0/2v(t)-τξ1(t,τ),d
dt
√τQ2A0/2v(t)-τξ2(t,τ),τ>0,
0
e
ϕ(s)
v(t)|t=0 = ϕ1, ξ0(t)|t=0 = A1/20ϕ0, ξk(t, τ)|t=0 =
ds, k = 1, 2,
√τQkA0/2 d
ds
l
)
)
f1(t) = f(t) -
Эα-1(j,s)ds (ajA + bjB)ϕ(l)
j=1
t-l
Оценка (16) принимает вид
1
E(t) :=
(∥u(t)2H + ∥A1/20u(t)2H )1∥Z(t)2H
2
2
[
∫
0
∑
2
e
ϕ(s)
d ∥ϕ12H + ∥A1/20ϕ02H +
ds
+
√τQ1A0/2 d
ds
Ωk
k=1
l
(∫t
)
)2]
+
(s) -
Эα-1(j) (ajA + bjB)ϕ(l)
ds
f
j=1
H
0
s-l
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Министерства науки и высше-
го образования Российской Федерации в рамках реализации программы Московского центра
фундаментальной и прикладной математики по соглашению № 075-15-2022-284 и при частич-
ной финансовой поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского
университета “Математические методы анализа сложных систем”.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022
1430
ВЛАСОВ, РАУТИАН
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крейн С.Г. Линейные дифференциальные уравнения в банаховых пространствах. М., 1967.
2. Engel K.J., Nagel R. One-Parameter Semigroups for Linear Evolution Equations. New York, 2000.
3. Ильюшин А.А., Победря Б.Е. Основы математической теории термовязкоупругости. М., 1970.
4. Christensen R.M. Theory of Viscoelasticity. An Introduction. New York; London, 1971.
5. Власов В.В., Раутиан Н.А. Спектральный анализ функционально-дифференциальных уравнений.
М., 2016.
6. Власов В.В., Раутиан Н.А. О вольтерровых интегро-дифференциальных уравнениях с ядрами,
представимыми интегралами Стилтьеса // Дифференц. уравнения. 2021. Т. 57. № 4. С. 536-551.
7. Раутиан Н.А. Полугруппы, порождаемые вольтерровыми интегро-дифференциальными уравнени-
ями // Дифференц. уравнения. 2020. Т. 56. № 9. С. 1226-1244.
8. Раутиан Н.А. О свойствах полугрупп, порождаемых вольтерровыми интегро-дифференциальными
уравнениями с ядрами, представимыми интегралами Стилтьеса // Дифференц. уравнения. 2021.
Т. 57. № 9. С. 1255-1272.
9. Гельфанд И.М., Виленкин Н.Я. Некоторые применения гармонического анализа. Оснащенные гиль-
бертовы пространства. М., 1961.
10. Работнов Ю.Н. Элементы наследственной механики твердых тел. М., 1977.
Московский государственный университет
Поступила в редакцию 01.08.2022 г.
имени М.В. Ломоносова,
После доработки 01.08.2022 г.
Московский центр фундаментальной
Принята к публикации 30.08.2022 г.
и прикладной математики
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№ 10
2022