ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2022, том 58, № 5, с.591-606
УРАВНЕНИЯ С ЧАСТНЫМИ ПРОИЗВОДНЫМИ
УДК 517.956.35
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ
УСЛОВИЕМ ДЛЯ ПОЛУЛИНЕЙНОГО УРАВНЕНИЯ
КОЛЕБАНИЯ СТРУНЫ
© 2022 г. О. М. Джохадзе
Изучена смешанная задача с нелинейным граничным условием для полулинейного урав-
нения колебания струны. Исследованы вопросы единственности, локальной и глобальной
разрешимости поставленной задачи в зависимости от характера нелинейностей, присут-
ствующих как в уравнении, так и в граничном условии. Рассмотрены случаи несущество-
вания решения не только в целом, но даже локально, а также когда эта задача имеет
взрывное решение.
DOI: 10.31857/S0374064122050028, EDN: CASWYZ
1. Постановка задачи. В плоскости независимых переменных x и t в области DT :=
:= {(x, t) R2 : 0 < x < l, 0 < t < T} рассмотрим смешанную задачу определения решения
u(x, t) полулинейного волнового уравнения вида
u + g(u) = f(x,t), (x,t) ∈ DT ,
(1.1)
удовлетворяющего начальным
u(x, 0) = ϕ(x), ut(x, 0) = ψ(x),
0xl,
(1.2)
и краевым условиям
ux(0,t) = F[ut(0,t)] + α(t),
0tT,
(1.3)
ux(l,t) = β(t),
0tT,
(1.4)
где g, f, ϕ, ψ, F, α и β - заданные функции своих аргументов, u - искомая действительная
2
2
функция, а оператор :=
-
∂t2
∂x2
Легко видеть, что при выполнении
f ∈ C1(DT), g,F ∈ C1(R),
ϕ ∈ C2([0,l]), ψ ∈ C1([0,l]), α,β ∈ C1([0,T])
(1.5)
необходимыми условиями разрешимости задачи (1.1)-(1.4) в классе C2(DT ) являются следу-
ющие условия согласования второго порядка:
ϕ(0) = F [ψ(0)] + α(0),
ψ(0) = F[ψ(0)]′′(0) - g[ϕ(0)] + f(0,0)} + α(0),
ϕ(l) = β(0), ψ(l) = β(0).
(1.6)
Отметим, что нелинейное граничное условие вида (1.3), когда функция F зависит только
от u, возникает, например, при описании процесса продольных колебаний пружины в случае
упругого закрепления одного из её концов, когда натяжение не подчиняется линейному закону
Гука и является нелинейной функцией смещения [1, с. 41; 2-4], а также при описании процес-
сов в распределённых автоколебательных системах [5, с. 405]. Краевое условие (1.3) возника-
ет, например, когда конец пружины испытывает сопротивление среды, нелинейно зависящее
591
2
592
ДЖОХАДЗЕ
от скорости его движения [1, с. 42]. Задаче (1.1)-(1.4) посвящены многочисленные работы,
в которых в основном решения рассматриваются в пространствах типа Соболева. В настоя-
щей работе задача (1.1)-(1.4) исследуется в классической постановке для достаточно широких
классов нелинейных функций, присутствующих как в уравнении (1.1), так и в граничном усло-
вии (1.3). При этом предлагается другой подход, когда используются представления решения
задач Коши, Гурса и Дарбу в разных частях рассматриваемой области.
В п. 2 приведена эквивалентная редукция поставленной задачи к нелинейному интеграль-
ному уравнению типа Вольтерры. В п. 3 доказана локальная разрешимость задачи по пе-
ременной t. В п. 4 при некоторых ограничениях на нелинейные функции g и F получена
априорная оценка для классического решения этой задачи. В п. 5 доказана глобальная раз-
решимость в предположении, что T l. В п. 6 доказана единственность решения. Наконец,
в п. 7 рассмотрены случаи несуществования решения не только в целом, но даже локально, а
также когда эта задача имеет взрывное решение.
2. Редукция задачи (1.1)-(1.4) к нелинейному интегральному уравнению типа
Вольтерры. Далее, с целью избежать трудностей технического характера, ограничимся рас-
смотрением случая, когда T = l, которое будет снято при получении локальной разрешимости
и априорной оценки в пп. 3 и 4 соответственно. Пусть u ∈ C2(Dl) является классическим реше-
нием задачи (1.1)-(1.4). Разобьём область Dl, являющуюся квадратом с вершинами в точках
O(0, 0), A(0, l), B(l, l) и C(l, 0), на четыре прямоугольных треугольника Δ1 := ΔOO1C,
Δ2 := ΔOO1A, Δ3 := ΔCO1B и Δ4 := ΔAO1B, где точка O1(l/2,l/2) - центр квадрата Dl.
В треугольнике Δ1 в силу (1.2) и формулы Даламбера, как известно, справедливо равенство
[1, с. 59]
1
u(x, t) =
[ϕ(x - t) + ϕ(x + t)] +
2
1
1
+
ψ(τ) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ, (x,t) Δ1.
(2.1)
2
2
x-t
Ω1
x,t
Здесь
f1(x,t,s) := f(x,t) - g(s), s ∈ R,
(2.2)
а Ω1x,t - треугольник с вершинами в точках (x,t), (x - t,0) и (x + t,0).
Как известно, для любой дважды непрерывно дифференцируемой функции w и характе-
ристического для уравнения (1.1) прямоугольника P P1P2P3 из области её определения спра-
ведливо равенство [6, с. 173]
1
w(P ) = w(P1) + w(P2) - w(P3) +
w(ξ,τ)dξ dτ,
(2.3)
2
PP1P2P3
где P и P3, а также P1 и P2 - противоположные вершины этого прямоугольника, причём
ордината точки P больше ординат остальных точек.
Пусть теперь точка (x, t) Δ2. Тогда, положив
μ1 := u|x=0
(2.4)
и применив равенство (2.3) для характеристического прямоугольника с вершинами в точках
P (x, t), P1(0, t-x), P2(t, x) и P3(t-x, 0), а равенство (2.1) для точки P2(t, x) Δ1, с учётом
(1.1), (1.2) и (2.1)-(2.4) получим
1
u(x, t) = u(P1) + u(P2) - u(P3) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ =
2
PP1P2P3
1
1
1
= μ1(t - x) - ϕ(t - x) +
[ϕ(t - x) + ϕ(t + x)] +
ψ(τ) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ +
2
2
2
t-x
Ω1
t,x
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
593
1
1
+
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ = μ1(t - x) +
[ϕ(t + x) - ϕ(t - x)] +
2
2
PP1P2P3
1
1
+
ψ(τ) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ, (x,t) Δ2.
(2.5)
2
2
t-x
Ω2
x,t
Здесь Ω2x,t - четырёхугольник
P2P3P1, где точка
P2
P2(x + t,0).
Приняв во внимание, что при (x, t) Δ2 справедливо равенство
t
f1 dξ dτ =
f1 +
f1 dξ,
(2.6)
Ω2
0
-x+t-τ
t-x
x-t+τ
x,t
в силу (2.5) будем иметь
1
ux(x,t) =1(t - x) +
[ϕ(t + x) + ϕ(t - x) + ψ(t + x) + ψ(t - x)] +
2
1
+
[f1(x + t - τ, τ, u(x + t - τ, τ)) + f1(-x + t - τ, τ, u(-x + t - τ, τ))] +
2
0
t
1
+
[f1(x + t - τ, τ, u(x + t - τ, τ)) - f1(x - t + τ, τ, u(x - t + τ, τ))] dτ.
(2.7)
2
t-x
В (2.7) подставим x = 0 и учтём первое из краевых условий (1.3) для неизвестной функции
μ1 при 0 t l. В результате получим равенство
t
μ1(t) + F[μ1(t)] = ϕ(t) + ψ(t) - α(t) + f1(t - τ,τ,u(t - τ,τ))dτ.
(2.8)
0
Предполагая, что
sF(s) -M1, M1 := const 0 для любых s ∈ R,
(2.9)
и вводя обозначение
Φ(s) := s + F (s), s ∈ R,
(2.10)
очевидно имеем
lim Φ(s) = ±∞.
(2.11)
s→±∞
При выполнении условия
F(s) = -1, s ∈ R,
(2.12)
в силу (2.11) существует обратная к Φ функция Φ-1 ∈ C1(R). Поэтому из равенства (2.8)
будем иметь
{
t
}
μ1(t) = Φ-1 ϕ(t) + ψ(t) - α(t) + f1(t - τ,τ,u(t - τ,τ))
,
0tl,
0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
594
ДЖОХАДЗЕ
интегрирование которого с учётом начального условия μ1(0) = ϕ(0) даёт функцию
t
{
τ
}
μ1(t) = Φ-1 ϕ(τ)+ψ(τ)(τ)+ f1(τ -τ1, τ1, u(τ -τ1, τ1))1 +ϕ(0),
0 t l. (2.13)
0
0
Положив теперь
μ2 := u|x=l,
(2.14)
с помощью аналогичных рассуждений, приведённых выше при получении равенства (2.5),
будем иметь
1
u(x, t) = μ2(x + t - l) +
[ϕ(x - t) - ϕ(2l - x - t)] +
2
1
1
+
ψ(τ) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ, (x,t) Δ3,
(2.15)
2
2
x-t
Ω3
x,t
и
1
u(x, t) = μ1(t - x) + μ2(x + t - l) -
[ϕ(t - x) + ϕ(2l - t - x)] +
2
1
1
+
ψ(τ) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ, (x,t) Δ4,
(2.16)
2
2
t-x
Ω4
x,t
где Ω3x,t - четырёхугольник с вершинами P3(x, t), P31(l, x+t-l), P32(x-t, 0) и P33(2l - x - t, 0),
а Ω4x,t - пятиугольник с вершинами P4(x,t), P41(0,t - x), P42(t - x,0), P43(2l - x - t,0) и
P44(l,x + t - l).
Принимая во внимание, что при (x, t) Δ3
t
f1 dξ dτ =
f1 +
f1 dξ,
Ω3
0
x-t+τ
x+t-l
x-t+τ
x,t
продифференцировав равенство (2.15) по переменной x, при (x, t) Δ3 получаем
1
1
ux(x,t) = μ2(x + t - l) +
[ϕ(x - t) + ϕ(2l - x - t)] -
[ψ(2l - x - t) + ψ(x - t)] -
2
2
1
-
[f1(2l - x - t + τ, τ, u(2l - x - t + τ, τ)) + f1(x - t + τ, τ, u(x - t + τ, τ))] +
2
0
t
1
+
[f1(x + t - τ, τ, u(x + t - τ, τ)) - f1(x - t + τ, τ, u(x - t + τ, τ))] dτ.
2
x+t-l
Подставляя полученное выражение при x = l во второе краевое условие (1.4), для неиз-
вестной функции μ2 получаем выражение
t
μ2(t) + ϕ(l - t) - ψ(l - t) - f1(l - t + τ,τ,u(l - t + τ,τ)) = β(t),
0tl.
(2.17)
0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
595
При этом в силу (1.2) и (2.14) имеет место равенство
μ2(0) = ϕ(l).
(2.18)
Из (2.17), (2.18) следует
t
l
μ2(t) = ϕ(l - t) + β(τ) + ψ(τ) +
0
l-t
τ1
t
+1
f1(l - τ1 + τ,τ,u(l - τ1 + τ,τ))dτ,
0tl.
(2.19)
0
0
Замечание 2.1. Из приведённых выше рассуждений следует, что при выполнении условий
(2.9) и (2.12) классическое решение u ∈ C2(Dl) задачи (1.1)-(1.4) удовлетворяет следующему
нелинейному интегральному уравнению типа Вольтерры:
u(x, t) = (Au)(x, t), (x, t) ∈ Dl,
(2.20)
где оператор A действует по формулам (2.1) при (x, t) Δ1; (2.5) при (x, t) Δ2; (2.15) при
(x, t) Δ3; (2.16) при (x, t) Δ4, причём в этих формулах предполагается, что функции μ1 и
μ2 задаются равенствами (2.13) и (2.19) соответственно. При этом любое решение нелинейного
интегрального уравнения (2.20) класса C(Dl) будет принадлежать пространству C2(Dl) и
удовлетворять задаче (1.1)-(1.4), если для данных этой задачи выполнены условия гладкости
(1.5) и согласования второго порядка (1.6).
Замечание 2.2. Из структуры оператора A и замечания 2.1 следует, что этот опера-
тор действует непрерывным образом из пространства C(Dl) в пространство C1(Dl). Теперь,
приняв во внимание, что вложение пространства C1(Dl) в пространство C(Dl) является ком-
пактным [7, с. 135], получим, что оператор
A : C(Dl) → C(Dl)
является компактным.
3. Локальная разрешимость задачи (1.1)-(1.4).
Теорема 3.1. Пусть T l и выполнены условия (1.5), (1.6), (2.9) и (2.12). Тогда найдётся
такое положительное число T0 := T0(f, g, F, ϕ, ψ, α, β) l, что при T T0 задача (1.1)-
(1.4) в области DT будет иметь хотя бы одно классическое решение u ∈ C2(DT ).
Доказательство. Поскольку доказательство носит стандартный характер, то приведём
его в общих чертах. В силу (2.1), (2.5), (2.13), (2.15), (2.16), (2.19) и теоремы Фубини о повтор-
ном интегрировании легко видеть, что равенство (2.20) можно записать в виде
t
u(x, t) = (Au)(x, t) = (A0u)(x, t; τ) + u0(x, t), (x, t) ∈ DT ,
(3.1)
0
где A0 - ограниченный оператор, действующий в пространстве C(DT ), а u0 - вполне опре-
делённая функция из C(DT ).
Для фиксированного r > 0 положим
Br(u0) := {v ∈ C(DT ) : ∥v - u0C(DT )r}
и
M (r) := sup
(3.2)
∥A0v∥C(DT ),
v∈Br (u0)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
596
ДЖОХАДЗЕ
причём, исходя из структуры оператора A0, очевидно, что M(r) < +∞. Тогда для функции
v ∈ Br(u0) в силу (3.1) и (3.2) будем иметь
t
|(Av)(x, t) - u0(x, t)|
|(A0v)(x, t; τ)| dτ tM(r), (x, t) ∈ DT .
0
Отсюда следует, что при T T0 := r/M(r) непрерывный и компактный оператор A перево-
дит замкнутый выпуклый шар Br(u0) в себя. Поэтому согласно теореме Шаудера существует
хотя бы одно решение уравнения (2.20) в Br(u0) ⊂ C(DT ) и тем самым в силу замечания 2.1
задачи (1.1)-(1.4) - в области DT . Теорема доказана.
4. Априорная оценка решения задачи (1.1)-(1.4). Рассмотрим условие
s
(Gg)(s) := g(s1) ds1 -M2s2 - M3 при всех s ∈ R,
(4.1)
0
где Mi := const 0, i = 2, 3.
Лемма 4.1. Пусть выполнены условия (2.9), (4.1). Тогда для решения u ∈ C2(DT ) задачи
(1.1)-(1.4) справедлива априорная оценка
∥u∥C(DT )c1∥f∥C(DT )+c2∥ϕ∥C1([0,l])+c3∥ψ∥C([0,l])+c4∥α∥C1([0,T ])+
+ c5∥β∥C1([0,T]) + c6∥g∥C([-∥ϕ∥C([0,l]),∥ϕ∥C([0,l])]) + c7
(4.2)
с положительными постоянными ci = ci(M1,M2,M3,l,T), i = 1,7, не зависящими от функ-
ций u, f, ϕ, ψ, α и β.
Доказательство. Пусть u ∈ C2(DT ) является решением задачи (1.1)-(1.4). Умножив обе
части равенства (1.1) на 2ut и проинтегрировав по области Dτ , 0 < τT, получим
(u2t)t dx dt - 2 uxxut dx dt + 2
[G(g)(u)]t dx dt = 2 fut dx dt.
(4.3)
Dτ
Dτ
Dτ
Dτ
Положим ωτ : t = τ,
0 x l,
0 τ T; Γ := Γ1
ω0 Γ2, где Γ1 : x = 0, 0 t T;
Γ2 : x = l, 0 t T. Пусть ν := (νxt) - единичный вектор внешней нормали к ∂Dτ. Легко
видеть, что справедливы условия
νx|ωτ = 0,
0 τT, νx|Γ1 = -1, νx|Γ2 = 1,
νt|Γ1Γ2 = 0, νt|ω0 = -1, νt|ωτ = 1,
0T.
(4.4)
Применив интегрирование по частям, с учётом (1.2), (1.4) и (4.4) будем иметь
(u2t)t dx dt + 2
[(Gg)(u)]t dx dt =
u2tνt ds + 2
(Gg)(u)νt ds =
Dτ
Dτ
∂Dτ
∂Dτ
= u2t dx - ψ2 dx + 2 (Gg)(u)dx - 2 (Gg)(ϕ)dx,
ωτ
ω0
ωτ
ω0
2
uxxut dxdt = 2
[uxutx - (uxut)x] dx dt = (u2x)t dx dt - 2
uxutνx ds =
Dτ
Dτ
Dτ
∂Dτ
= u2xνt ds + 2 uxut dt - 2 uxut dt =
∂Dτ
Γ1
Γ2
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
597
= u2x dx - ϕ2 dx + 2 uxut dt - 2 βut dt,
(4.5)
ωτ
ω0
Γ1
Γ2
где Γi,τ := Γi
{t τ}, i = 1, 2.
Равенство (4.3) в силу (4.5) запишем в виде
2
fut dxdt = 2
uxut dt - 2
βut dt - (ϕ2 + ψ2)dx +
Dτ
Γ1
Γ2
ω0
+ (u2x + u2t) dx + 2 (Gg)(u) dx - 2 (Gg)(ϕ) dx.
(4.6)
ωτ
ωτ
ω0
С учётом (1.3) и (2.9) имеем
uxut dt =
F (ut)ut dt +
αut dt -M1τ + αut dt.
(4.7)
Γ1
Γ1
Γ1
Γ1
Из (4.6) согласно (4.1) и (4.7) получаем
w(τ) := (u2x + u2t) dx 2 fut dx dt + 2M1τ - 2 αut dt + 2
βut dt +
ωτ
Dτ
Γ1
Γ2
+ (ϕ2 + ψ2) dx + 2
(Gg)(ϕ) dx + 2M2 u2 dx + 2M3l.
(4.8)
ω0
ω0
ωτ
Далее, поскольку в силу (1.2)
τ
u(x, τ) = ϕ(x) + ut(x, t) dt,
0
то справедлива цепочка неравенств
(∫τ
)2
τ
|u(x, τ)|2 2ϕ2(x) + 2
ut(x,t)dt
2ϕ2(x) + 2τ u2t(x, t) dt.
0
0
Отсюда следует, что
τ
u2 dx 2∥ϕ∥2L
+ 2T w(t) dt,
(4.9)
2 (ω0
)
ωτ
0
где функция w определена в левой части (4.8).
При (x, t) ∈ DT , проинтегрировав очевидное неравенство
l
x
|u(x, t)|2 = |u(ξ, t) + ux(x1, t) dx1|2 2|u(ξ, t)|2 + 2l u2x(x, t) dx
ξ
0
по переменной ξ ∈ [0, l], будем иметь
l
2
2
|u(x, t)|2
|u(ξ, t)|2 + 2lw(t) =
u2 dx + 2lw(t).
(4.10)
l
l
0
ωt
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
598
ДЖОХАДЗЕ
Из (4.9) и (4.10) следует, что
t
4T
|u(x, t)|2 4∥ϕ∥2C(ω
+
w(σ) + 2lw(t), (x, t) ∈ DT .
(4.11)
0)
l
0
Положив
w(t) := sup w(τ),
(4.12)
0τt
с учётом очевидного неравенства w
w из (4.11) получим
τ
4T
∥u∥2
4∥ϕ∥2C(ω
+
w(σ) + 2lw(τ),
0τT.
(4.13)
C()
0)
l
0
Далее для любого ε > 0 справедлива цепочка неравенств
αut dt
(τ)u(0, τ) - α(0)u(0, 0) -
αudt
=
α
≤
Γ1
Γ1
(τ)u(0, τ)| +(0)ϕ(0)| + 
αudt
≤
Γ1
1
1
1
∥α∥2C([0]) + ε∥u∥2
+(0)ϕ(0)| +
α2 dt +
u2
dt.
(4.14)
4ε
C(Dτ )
2
2
Γ1
Γ1
И аналогично (4.14) имеем
1
1
1
βut dt
∥β∥2C([0]) + ε∥u∥2
+(0)ϕ(l)| +
β2 dt +
u2 dt.
(4.15)
≤
C(Dτ )
4ε
2
2
Γ2
Γ2
Γ2
В силу (4.11) получаем
τ
τ
t
[
]
4T
u2 dt = u2(0,t)dt
4∥ϕ∥2C(ω
+
w(σ) + 2lw(t) dt
0)
l
Γ1
0
0
0
τ
τ
4T
4τ∥ϕ∥2C(ω
+
(τ - t)w(t) dt + 2l w(t) dt.
(4.16)
0
)
l
0
0
И аналогично (4.16) имеем
τ
τ
4T
u2 dt 4τ∥ϕ∥2C(ω
+
(τ - t)w(t) dt + 2l w(t) dt.
(4.17)
0)
l
Γ2
0
0
Из (4.14) и (4.16) следует, что
1
1
αut dt
∥α∥2C([0]) + ε∥u∥2
+(0)ϕ(0)| +
α2 dt +
≤
C(Dτ )
4ε
2
Γ1
Γ1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
599
τ
τ
2T
+ 2τ∥ϕ∥2C(ω
+
(τ - t)w(t) dt + l w(t) dt.
(4.18)
0
)
l
0
0
По аналогии с (4.18) из (4.15) и (4.17) имеем
1
1
βut dt
∥β∥2C([0]) + ε∥u∥2
+(0)ϕ(l)| +
β2 dt +
≤
C(Dτ )
4ε
2
Γ2
Γ2
τ
τ
2T
+ 2τ∥ϕ∥2C(ω
+
(τ - t)w(t) dt + l w(t) dt.
(4.19)
0
)
l
0
0
В силу (4.9), (4.18) и (4.19) с учётом очевидных неравенств
2
fut dxdt
f2 dxdt + u2t dxdt
≤
Dτ
Dτ
Dτ
τ
[∫
]
τ
lT∥f∥2
+
u2t dx dt lT∥f∥2
+ w(t)dt,
C(DT )
C(DT
)
0
ωt
0
(ϕ2 + ψ2) dx l(∥ϕ2C(ω
+ ∥ψ∥2C(ω
),
0)
0)
ω0
∫
2
(Gg)(ϕ) dx 2l∥(G|g|)(|ϕ|)C(ω0 ) = 2l
|g(s1)| ds1
C(ω0)
ω0
0
2l∥ϕ∥C(ω0)∥g∥C([-∥ϕ∥C(ω
0),∥ϕ∥C(ω0)])l(∥ϕ∥C(ω0)+∥g∥C([-∥ϕ∥C(ω0),∥ϕ∥C(ω0)]))
из (4.8) получим
τ
1
w(τ) lT ∥f∥2
+ w(t)dt + 2M1T +
∥α∥2C([0]) + 4ε∥u∥2
+ 2(0)ϕ(0)| +
C(DT )
C(Dτ )
2ε
0
τ
τ
8T
1
+ α2 dt + 8T∥ϕ∥2C(ω
+
(τ - t)w(t) dt + 4l w(t) dt +
∥β∥2C([0]) +
0)
l
2ε
Γ1
0
0
+ 2(0)ϕ(l)| +
β2 dt + l(∥ϕ2C(ω
+ ∥ψ∥2C(ω
+ ∥ϕ∥2C(ω
+ ∥g∥2C([-∥ϕ∥
)+
0)
0)
0)
C(ω0 ),∥ϕ∥C(ω0)])
Γ2
{
τ
}
τ
+ 2M2 2l∥ϕ∥2C(ω
+ 2T w(t) dt
+ 2M3l α1 w(t) dt + 4ε∥u∥2
+α2,
(4.20)
0
)
C(Dτ )
0
0
где
(
)
2T2
α1 := 1 + 4 M2T +
+l
,
l
1
α2 := lT∥f∥2
+ 2M1T +
∥α∥2C([0,T]) + 2(0)ϕ(0)| + ∥α2L
+
C(DT )
2([0,T ])
2ε
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
600
ДЖОХАДЗЕ
1
+ 8T ∥ϕ∥2C(ω
+
∥β∥2C([0,T]) + 2(0)ϕ(l)| + ∥β2L
+
0)
2([0,T ])
2ε
+ l(∥ϕ2C(ω
+ ∥ψ∥2C(ω
+ ∥ϕ∥2C(ω
+ ∥g∥2C([-∥ϕ∥
) + 4M2l∥ϕ∥2C(ω
+ 2M3l.
(4.21)
0)
0)
0)
C(ω0 ),∥ϕ∥C(ω0)])
0)
Так как величина ∥u∥2
относительно переменной τ является неубывающей функцией,
C(Dτ )
применив лемму Гронуолла к неравенству (4.20), получим
w(τ) exp(α1T )(4ε∥u∥2
+ α2) exp(α1T)(4ε∥u∥2
+ α2),
0τtT.
(4.22)
C(Dτ )
C(Dt)
В обозначении (4.12) из (4.22) следует
w(t) exp(α1T )(4ε∥u∥2
+ α2),
0tT.
(4.23)
C(Dt)
С учётом (4.23) из (4.13), приняв во внимание, что функция
w из (4.12) неубывающая,
имеем
(
)
2T τ
∥u∥2
4∥ϕ∥2C(ω
+2
+l
w(τ)
C()
0)
l
(
)
2
2T
4∥ϕ∥2C(ω
+2
+ l exp(α1T)(4ε∥u∥2
+ α2),
0τT.
(4.24)
0)
C(Dτ )
l
Положив
(
)
2
2T
ε = ε0 := 4
+ l exp(α1T),
(4.25)
l
из (4.24) будем иметь
∥u∥2
8∥ϕ∥2C(ω
+ε0α2,
0τT,
(4.26)
C()
0)
где в выражении (4.21) для α2 в качестве ε взята величина из (4.25).
Прежде чем из (4.26) при τ = T получить априорную оценку (4.2) с учётом того, что
2((0)ϕ(0)| +(0)ϕ(l)|) ∥α∥2C([0,T]) + ∥β∥2C([0,T]) + 2∥ϕ∥2C(ω
,
0)
для величины α2 из (4.21) будем иметь
α2c1∥f∥2
C(DT )
+ c2∥ϕ∥2C1(ω0) + c3∥ψ∥C (ω0) + c4∥α∥C 1([0,T]) + c5∥β∥C 1([0,T]) +
+ c6∥g∥2C([-∥ϕ∥
+c7.
(4.27)
C(ω0 ),∥ϕ∥C(ω0)])
Здесь
c1 := lT,
c2 := 2(4T + 1 + (2M2 + 1)l),
c3 = c6 := l,
c4 = c5 := 2ε0 + T + 1,
c7 := 2(M1T + M3l).
Теперь, положив
c1 :=
lTε0, c2 :=
8 + 2ε0(4T + 1 + (2M2 + 1)l), c3 = c6 :=
0,
c4 = c5 :=
(2ε0 + T + 1)ε0, c7 =
2(M1T + M3l)ε0,
(4.28)
n
n
приняв во внимание (4.26), (4.27) и очевидное неравенство (
a2i)1/2
|ai|, получим
i=1
i=1
оценку (4.2). Лемма доказана.
Замечание 4.1. Приведём некоторые классы функций, которые часто встречаются в при-
ложениях и для которых выполнены условия из (2.9) и (4.1):
1) F (s) = F0(s)sign s + as + b, где F0 ∈ C(R), F0 0; a, b, s ∈ R, a > 0;
2) g(s) = g0(s)sign s + as + b, где g0 ∈ C(R), g0 0; a, b, s ∈ R;
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
601
3) g ∈ C(R), g|(-∞,0) ∈ L1(-∞, 0); g|(0,+) 0 (например, g(s) = exp(s), s ∈ R).
5. Глобальная разрешимость задачи (1.1)-(1.4). При λ ∈ [0,1] пусть u = uλ является
непрерывным решением нелинейного интегрального уравнения типа Вольтерры
u = λAu,
(5.1)
где оператор A присутствует в правой части уравнения (2.20), которая при (x, t) Δ2 в силу
(2.5), (2.13) действует по формуле
t-x
{
τ
}
(Au)(x, t) =
Φ-1 ϕ(τ) + ψ(τ) - α(τ) + f1(τ - τ1, τ1, u(τ - τ1, τ1))1 +
0
0
1
1
1
+ ϕ(0) +
[ϕ(t + x) - ϕ(t - x)] +
ψ(τ) +
f1(ξ,τ,u(ξ,τ))dξ dτ.
(5.2)
2
2
2
t-x
Ω2
x,t
В силу (5.1) и (5.2), аналогично тому как из (2.6) было получено равенство (2.7), будем
иметь
{
t
}
ux(0,t) =Φ-1 ϕ(t) + ψ(t) - α(t) + f1(t - τ,τ,u(t - τ,τ))
+
0
{
t
}
+ λ ϕ(t) + ψ(t) + f1(t - τ,τ,u(t - τ,τ))
(5.3)
0
и
{
t
}
ut(0,t) = λΦ-1 ϕ(t) + ψ(t) - α(t) + f1(t - τ,τ,u(t - τ,τ))
(5.4)
0
Из (5.4) при λ = 0 получим
[
]
t
1
Φ
ut(0,t)
= ϕ(t) + ψ(t) - α(t) + f1(t - τ,τ,u(t - τ,τ))dτ,
λ
0
откуда с учётом (2.10) будем иметь
t
[
]
1
ϕ(t) + ψ(t) + f1(t - τ, τ, u(t - τ, τ)) = Φ
ut(0,t)
+ α(t) =
λ
0
[
]
1
1
=
ut(0,t) + F
ut(0,t)
+ α(t).
(5.5)
λ
λ
Из (5.3)-(5.5) следует, что
[
]
}
[
]
{1
1
1
ux(0,t) = -ut(0,t) + λ
ut(0,t) + F
ut(0,t)
+ α(t)
= λF
ut(0,t)
+ λα(t).
(5.6)
λ
λ
λ
Легко показать, что функция u = uλ, λ ∈ (0, 1], в области DT , T l, в силу (5.6) и
замечания 2.1 является классическим решением следующей смешанной задачи:
utt - uxx = λ[-g(u) + f(x,t)], (x,t) ∈ DT ,
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
602
ДЖОХАДЗЕ
u(x, 0) = λϕ(x), ut(x, 0) = λψ(x),
0xl,
[
]
1
ux(0,t) = λF
ut(0,t)
+ λα(t), ux(l, t) = λβ(t),
0tT,
(5.7)
λ
когда данные этой задачи удовлетворяют аналогичным условиям гладкости (1.5) исходной
задачи (1.1)-(1.4), а условия согласования имеют вид
ϕ(0) = F [ψ(0)] + α(0),
ψ(0) = F[ψ(0)]′′(0) - g[λϕ(0)] + f(0,0)} + α(0),
ϕ(l) = β(0), ψ(l) = β(0).
(5.8)
При этом справедливо и обратное утверждение: классическое решение задачи (5.7) является
непрерывным решением нелинейного интегрального уравнения (5.1).
Легко видеть, что условия (5.8) будут выполнены для любого λ ∈ (0, 1], если, например,
ϕ(0) = 0, ϕ(0) = F [ψ(0)] + α(0),
ψ(0) = F[ψ(0)]′′(0) - g(0) + f(0,0)} + α(0),
ϕ(l) = β(0), ψ(l) = β(0).
(5.9)
Замечание 5.1. Легко можно проверить, что аналогичные (2.9), (2.12) и (4.1) условия,
которые были достаточны при получении априорной оценки (4.2) для классического решения
задачи (1.1)-(1.4), также будут выполнены и для функций λg(s) и λF (s/λ), s ∈ R. Дейст-
вительно, в силу (2.9), (2.12), (4.1) и λ ∈ (0, 1] имеем
s
sλF(s/λ) = λ2
F (s/λ)2M1 -M1;
λ
{λF (s/λ)}′s = F(s/λ) = -1, s ∈ R;
s
s
λg(s1) ds1 = λ g(s1) ds1 -M2λs2 - M3λ -M2s2 - M3.
0
0
Таким образом, при выполнении условий (1.5), (2.9), (2.12), (4.1) и (5.9), согласно сказанно-
му выше, при λ ∈ (0, 1] непрерывное решение нелинейного интегрального уравнения (5.1)
является классическим решением задачи (5.7) и в силу леммы 4.1 удовлетворяет следующей
априорной оценке:
∥uλC(DT )c1λ∥f∥C(DT )+c2λ∥ϕ∥C1([0,l])+c3λ∥ψ∥C([0,l])+c4λ∥α∥C1([0,T ])+
+ c5λ∥β∥C1([0,T]) + c6λ∥g∥C([-λ∥ϕ∥C([0,l]),λ∥ϕ∥C([0,l])]) + c7 c1∥f∥C(DT) +
+c2∥ϕ∥C1([0,l]) + c3∥ψ∥C([0,l]) + c4∥α∥C1([0,T]) + c5∥β∥C1([0,T]) +
+ c6∥g∥C([-∥ϕ∥C([0,l]),∥ϕ∥C([0,l])]) + c7,
(5.10)
где ci, i = 1, 7, - те же постоянные, что и в лемме 4.1, которые были определены в (4.28).
Замечание 5.2. Согласно приведённым выше рассуждениям для непрерывного решения
интегрального уравнения (5.1) справедлива априорная оценка (5.10) при λ ∈ (0, 1], которая
справедлива и при λ = 0, поскольку в этом случае uλ = u0 = 0.
Таким образом, для решения u = uλ уравнения (5.1) с непрерывным компактным опера-
тором A при любом λ ∈ [0, 1] имеет место априорная оценка (5.10), в которой постоянные
ci, i = 1,7, не зависят от λ. Поэтому согласно теореме Лере-Шаудера [8, с. 375] уравнение
(5.1) при λ = 1 имеет хотя бы одно решение u ∈ C(DT ), которое в силу приведённых вы-
ше рассуждений является также и классическим решением задачи (1.1)-(1.4) при выполнении
условий (1.5), (2.9), (2.12), (4.1) и (5.9).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
603
Тем самым доказана
Теорема 5.1. Пусть T l, имеют место условия (1.5), (2.9), (2.12), (4.1) и (5.9). Тогда
задача (1.1)-(1.4) имеет хотя бы одно классическое решение класса C2(DT ).
6. Единственность решения задачи (1.1)-(1.4) класса C2(DT ).
Теорема 6.1. Задача (1.1)-(1.4) не может иметь более одного решения класса C2(DT ),
если наряду с (1.5) дополнительно потребовать, чтобы выполнялось
F(s) 0 для любых s ∈ R.
(6.1)
Доказательство. Действительно, допустим, что задача (1.1)-(1.4) имеет два возможных
различных решения u1 и u2 класса C2(DT ). Тогда для их разности v := u2 - u1
будут
справедливы следующие тождества:
vtt - vxx + g(x,t)v = 0, (x,t) ∈ DT ,
(6.2)
v(x, 0) = 0, vt(x, 0) = 0,
0xl,
(6.3)
vx(0,t)
F (t)vt(0, t),
0tT,
(6.4)
vx(l,t) = 0,
0tT.
(6.5)
Здесь
1
g(x, t) := g[u1(x, t) + τ(u2(x, t) - u1(x, t))] dτ,
(6.6)
0
1
F (t) := F[u1t(0, t) + τ(u2t(0, t) - u1t(0, t))] dτ.
(6.7)
0
Умножив обе части равенства (6.2) на 2vt и проинтегрировав по области Dτ , 0T,
с учётом (6.3), (6.5) аналогично тому, как из (4.3) было получено (4.6), будем иметь
0=2
vxvt dt + (v2x + v2t)dx + 2
g(x, t)vvt dx dt.
(6.8)
Γ1
ωτ
Dτ
В силу (6.1), (6.4) и (6.7) имеем
vxvt dt =
F (t)v2t dt 0.
(6.9)
Γ1
Γ1
Согласно (6.9) из (6.8) получим
w(τ) := (v2x + v2t) dx -2
g(x, t)vvt dx dt.
(6.10)
ωτ
Dτ
С учётом (1.5) для непрерывной в DT функции g из (6.6) существует такое M = const 0,
что
|g(x, t)| M для всех точек (x, t) ∈ DT .
(6.11)
Далее, поскольку в силу (6.3) следует
t
v(x, t) = vt(x, t) dt,
0tτ,
0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
604
ДЖОХАДЗЕ
то
(∫ t
)2
t
τ
v2(x,t) =
vt(x, t) dt
t v2t (x,t)dtτ v2t (x,t)dt
0
0
0
и, тем самым, справедливы неравенства
τ
v2 dxdt τ2 v2t
dx dt T2
w(t) dt,
(6.12)
Dτ
Dτ
0
где
w определена в левой части (6.10).
Теперь в силу (6.11), (6.12) и очевидного неравенства 2vvt v2 + v2t из (6.10) получим
τ
w(τ) M(1 + T2)
w(t) dt.
0
Отсюда в силу леммы Гронуолла следует, что
w(τ) = 0,
0 < τ T, и с учётом (6.3) имеем
v = u2 - u1 = 0. Теорема 6.1 доказана.
Из теорем 5.1 и 6.1 вытекает теорема существования и единственности классического ре-
шения задачи (1.1)-(1.4).
Теорема 6.2. Пусть T l и выполнены условия (1.5), (2.9), (2.12), (4.1), (5.9) и (6.1).
Тогда задача (1.1)-(1.4) имеет единственное классическое решение u ∈ C2(DT ).
7. Случаи нарушения разрешимости задачи (1.1)-(1.4).
7.1. Ниже, использовав метод пробных функций [9, с. 10-12], покажем, что нарушение
условия (4.1), вообще говоря, может стать причиной отсутствия глобальной разрешимости
задачи (1.1)-(1.4).
Действительно, пусть
g(s) λ|s|p, λ > 0, p > 1, s ∈ R.
(7.1)
Легко видеть, что при выполнении неравенства (7.1) условие (4.1) будет нарушено.
Умножив обе части уравнения (1.1) на пробную функцию χ ∈ C2(DT ) такую, что
χ|DT > 0, χ|∂DT = χt|∂DT = χx|∂DT = 0,
(7.2)
после интегрирования по частям получим
uχ dx dt + g(u)χ dx dt = fχ dx dt,
(7.3)
DT
DT
DT
где u ∈ C2(DT ) - классическое решение задачи (1.1)-(1.4).
В силу (7.1)-(7.3) имеем
λ
|u|pχ dx dt
|uχ| dx dt + fχ dx dt.
(7.4)
DT
DT
DT
Если в неравенстве Юнга с параметром ε > 0
ε
1
1
1
ab
ap +
bp,
a, b 0,
+
= 1, p > 1,
p
pεp-1
p
p
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
СМЕШАННАЯ ЗАДАЧА С НЕЛИНЕЙНЫМ ГРАНИЧНЫМ УСЛОВИЕМ
605
|χ|
p
возьмём a = |u|χ1/p, b =
, то с учётом того, что
= p - 1, получим
χ1/p
p
p
|χ|
ε
1
|χ|
|uχ| = |u|χ1/p
|u|pχ +
(7.5)
χ1/p
p
pεp-1 χp-1
В силу (7.4) и (7.5) будем иметь
(
)∫
ε
1
|χ|p
λ-
|u|pχ dx dt
dx dt + fχ dx dt,
p
pεp-1
χp-1
DT
DT
DT
откуда при ε < λp получим
p
|χ|p
p
|u|pχ dx dt
dx dt +
fχdxdt.
(7.6)
(λp - ε)pεp-1
χp-1
λp - ε
DT
DT
DT
С учётом того, что p = p/(p - 1), p = p/(p - 1) и
p
1
min
=
,
0<ε<λp (λp - ε)pεp-1
λp
которое достигается при ε = λ, из (7.6) следует, что
1
|χ|p
p
|u|pχ dx dt
dx dt +
fχdxdt.
(7.7)
λp
χp-1
λ
DT
DT
DT
Ниже будем считать, что наряду с (7.2) выполнено условие
|χ|p
κ0 :=
dx dt < +∞.
(7.8)
χp-1
DT
Простая проверка показывает, что в качестве функции χ, удовлетворяющей условиям (7.2)
и (7.8), можно взять, например, функцию
χ(x, t) = [xt(l - x)(T - t)]n, (x, t) ∈ DT ,
при достаточно большом натуральном n.
Положив
f = -μf0, f00, f00, μ = const > 0,
(7.9)
с учётом (7.8) неравенство (7.7) запишем в виде
κ0
μp
|u|pχ dx dt
-
f0χdxdt.
(7.10)
λp
λ
DT
DT
В силу требований, наложенных на функции χ и f0, будем иметь
0
|u|pχ dx dt,
f0χdxdt > 0.
(7.11)
DT
DT
3
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022
606
ДЖОХАДЗЕ
Поэтому в предположении, что задача (1.1)-(1.4) имеет классическое решение u(x, t) и
(∫
)-1
κ0
μ > μ0 :=
f0χdxdt
,
(7.12)
λp-1p
DT
придём к противоречию, поскольку в силу (7.11) левая часть (7.10) будет неотрицательной, а
правая часть - отрицательной.
Таким образом, справедлива следующая
Теорема 7.1. Пусть выполнены условия (7.1), (7.9) и (7.12). Тогда задача (1.1)-(1.4) не
имеет классического решения в области DT .
7.2. Наряду с теоремой 7.1 о несуществовании решения задачи (1.1)-(1.4) в фиксированной
области DT , как показывают примеры, возможен также случай, когда эта задача не является
даже локально разрешимой, а также когда задача (1.1)-(1.4) имеет взрывное решение.
Действительно, в случае, когда g = 0, f = 0, F (s) = arctg s - s, s ∈ R, а (t) +
+ ψ(t) - α(t)| > π/2, t ∈ [0,l], задача (1.1)-(1.4) не разрешима даже локально. При этом если
(t) + ψ(t) - α(t)| < π/2 в случае 0 t < t0 l и(t0) + ψ(t0) - α(t0)| = π/2, то решение
этой задачи существует в промежутке [0, t0), причём в силу формул (2.5), (2.7), (2.8) и (2.16)
выполняется
lim
t→t0-0
∥u∥C1(Dt)=∞.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Tихонов A.H., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М., 1977.
2. Харибегашвили С.С., Джохадзе О.М. О глобальных и взрывных решениях смешанной задачи с
нелинейным граничным условием для одномерного полулинейного волнового уравнения // Мат. сб.
2014. Т. 205. № 4. С. 121-148.
3. Kharibegashvili S., Shavlakadze N., Jokhadze O. On the solvability of a mixed problem with a nonlinear
boundary condition for a one-dimensional semilinear wave equation // J. of Contemporary Math. Anal.
2018. V. 53. № 5. P. 247-259.
4. Харибегашвили С.С., Джохадзе О.М. О разрешимости смешанной задачи с нелинейным граничным
условием для одномерного полулинейного волнового уравнения // Мат. заметки. Вып. 108. № 1.
С. 137-152.
5. Колмановский В.Б., Носов В.Р. Устойчивость и периодические режимы регулируемых систем с
последействием. М., 1981.
6. Бицадзе А.В. Уравнения математической физики. М., 1982.
7. Гильбарг Д., Трудингер Н.С. Эллиптические уравнения с частными производными второго порядка.
М., 1989.
8. Треногин В.А. Функциональный анализ. М., 1993.
9. Митидиери Э., Похожаев С.И. Априорные оценки и отсутствие решений нелинейных уравнений и
неравенств в частных производных // Тр. МИАН. 2001. Т. 234. C. 3-383.
Тбилисский государственный университет
Поступила в редакцию 13.01.2022 г.
имени И.А. Джавахишвили,
После доработки 13.01.2022 г.
Математический институт имени А.М. Размадзе,
Принята к публикации 21.04.2022 г.
г. Тбилиси, Грузия
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№5
2022