ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2022, том 58, № 9, с.1234-1241
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ
И ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 519.642.2
КОЛЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ ДЛЯ ОДНОГО КЛАССА
ОСОБЫХ ИНТЕГРО-ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ
© 2022 г. Н. С. Габбасов
Исследовано линейное интегро-дифференциальное уравнение с особым дифференциаль-
ным оператором в главной части. Для нахождения его приближённого решения в простран-
стве обобщённых функций предложены и обоснованы специальные варианты обобщённого
метода коллокации.
DOI: 10.31857/S0374064122090072, EDN: CIHAHE
Настоящая работа посвящена отысканию приближённого решения линейного интегро-диф-
ференциального уравнения (ИДУ)
1
Ax ≡ x(p)(t) (t - tj)mj + K(t, s)x(s) ds = y(t),
(1)
j=1
-1
где t ∈ I ≡ [-1, 1], числа tj (-1, 1), mj N (j = 1, q) и p ∈ Z+ являются фиксирован-
ными; K и y - известные непрерывные функции, обладающие определёнными свойствами
“гладкости” точечного характера, а x - искомая функция. Очевидно, что задача о нахожде-
нии решения ИДУ (1) в классе обычных гладких функций является некорректно поставленной.
Следовательно, возникает вопрос о построении основных пространств, обеспечивающих кор-
ректность этой задачи. При рассмотрении этого вопроса вполне естественно учитывать, что
при p = 0 ИДУ (1) представляет собой линейное интегральное уравнение третьего рода (УТР)
(т.е. в этом смысле уравнения являются “родственными”). Последнее встречается в ряде задач
теорий переноса нейтронов, упругости, рассеяния частиц (см., например, [1; 2, с. 121-129] и со-
держащуюся в них библиографию), в теории уравнений с частными производными смешанного
типа [3], а также в теории сингулярных интегральных уравнений с вырождающимся симво-
лом [4]. При этом, как правило, естественными классами решений УТР являются специальные
пространства обобщённых функций типа D или V. Под D (соответственно V ) понимается
пространство обобщённых функций, построенных с помощью функционала “дельта-функция
Дирака” (соответственно функционала “конечная часть интеграла по Адамару”). Подробный
обзор полученных результатов и обширную библиографию по УТР можно найти в моногра-
фии [5, с. 3-11, 168-173] и в диссертации [6, с. 3-6, 106-114].
ИДУ (1) при q = 1, t1 = 0 исследовано в работе [7, с. 25-43], в которой с использованием
известных результатов по УТР построена теория Нётера для такого уравнения в классах глад-
ких и обобщённых функций типа D. В статье [8] разработана полная теория разрешимости
общего ИДУ (1) в некотором пространстве типа D обобщённых функций (фредгольмовость
уравнения, условия разрешимости, алгоритм отыскания точного решения, достаточные усло-
вия непрерывной обратимости оператора A), обоснован прямой проекционный метод прибли-
жённого решения, основанный на применении стандартных полиномов. Следует отметить, что
исследуемые ИДУ точно решаются лишь в очень редких частных случаях. Поэтому особен-
но актуальна разработка эффективных методов их приближённого решения в пространствах
обобщённых функций с соответствующим теоретическим обоснованием.
В данной статье разработаны обобщённые варианты метода коллокации на основе специ-
альных полиномов, приспособленные к приближённому решению ИДУ (1) в пространстве ти-
па D обобщённых функций. Основное внимание уделено обоснованию исследуемых методов в
1234
КОЛЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
1235
смысле [9, гл. 1], т.е. доказаны теоремы существования и единственности решения соответству-
ющего приближённого уравнения, установлены оценки погрешности приближённого решения
и доказана безусловная сходимость последовательности приближённых решений к точному
решению однозначно разрешимого ИДУ (1). Также исследованы вопросы устойчивости и обу-
словленности аппроксимирующих уравнений.
1. Пространства основных и обобщённых функций. Пусть C ≡ C(I) - банахово
пространство всех непрерывных на отрезке I функций с обычной max-нормой и m ∈ N. Сле-
дуя работе [10], будем считать, что функция f ∈ C принадлежит классу C{m; 0} ≡ C{m}0(I),
если в точке t = 0 существует тейлоровская производная f{m}(0) порядка m (естественно
считаем, что C{0; 0} ≡ C). Построим основное в наших исследованиях пространство:
Y ≡ C{m,p;0} ≡ {y ∈ C{m;0} : y{i}(0) = 0, i = 0,p - 1},
где число p ∈ Z+ удовлетворяет неравенству p < m.
Введём в пространстве Y норму
∥y∥Y ≡ ∥T y∥C +
|y{i}(0)|,
(2)
i=p
где T
: Y
→ C - “характеристический” оператор класса Y, определяемый следующим
образом:
[
]
(T y)(t) ≡ y(t) -
y{i}(0)ti/i! t-m ≡ H(t) ∈ C (H(0) lim H(t)).
t→0
i=p
Лемма 1 [8]. i) Включение y ∈ Y равносильно выражению
y(t) = tmH(t) +
αiti,
(3)
i=p
причём Ty = H ∈ C с точностью до устранимого разрыва в точке t = 0, а y{i}(0) = αii!
(i = p, m - 1).
ii) Пространство Y по норме (2) полно и нормально вложено в пространство C.
Обозначим через C(p) ≡ C(p)(I) векторное пространство p раз непрерывно дифференци-
руемых на множестве I функций, в котором определим норму
∥z∥(p) ≡ ∥Dz∥C +
|z(i)(-1)| (z ∈ C(p)),
(4)
i=0
где Dz ≡ z(p)(t) ∈ C.
Лемма 2 [8]. Пространство C(p) с нормой (4) полно и нормально вложено в простран-
ство C.
Следствие 1. Обычная норма ∥·∥C(p) в C(p) и норма (4) эквивалентны, т.е. существует
постоянная d 1 такая, что ∥z∥(p) ∥z∥C(p) d∥z∥(p) для любой функции z ∈ C(p), где
p
∥z∥C(p)
∥z(i)C .
i=0
Пусть C(p)-1 ≡ C(p)-1(I) ≡ {z ∈ C(p) : z(i)(-1) = 0 (i = 0, p - 1)} - банахово пространство
гладких функций с нормой ∥z∥(p) ≡ ∥Dz∥C .
Теперь над пространством Y основных функций построим семейство X ≡ D(p)-1{m; 0}
обобщённых функций x(t) вида
x(t) ≡ z(t) +
γiδ{i}(t),
(5)
i=0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022
1236
ГАББАСОВ
где t ∈ I, z ∈ C(p)-1, γi R - произвольные постоянные, а δ и δ{i} - соответственно дельта-
функция Дирака и её “тейлоровские” производные, действующие на пространстве Y основных
функций по следующему правилу:
1
(δ{i}, y)
δ{i}(t)y(t)dt ≡ (-1)iy{i}(0) (y ∈ Y, i = 0,m - p - 1).
(6)
1
Очевидно, что векторное пространство X является банаховым относительно нормы
∥x∥X ≡ ∥z∥(p) +
i|.
(7)
i=0
2. Обобщённый метод коллокации на основе полинома Бернштейна. Пусть задано
ИДУ (1). Для сокращения громоздких выкладок и упрощения формулировок, не ограничивая
при этом общности идей, методов и результатов, всюду в дальнейшем будем считать q = 1,
t1 = 0, т.е. рассмотрим ИДУ вида
(Ax)(t) (V x)(t) + (Kx)(t) = y(t) (t ∈ I),
(8)
1
V ≡ UD, Df ≡ f(p)(t), Ug ≡ tmg(t), Kx ≡ K(t,s)x(s)ds,
-1
где p ∈ N
{0}, m ∈ N, p < m; y ∈ Y ≡ C{m,p;0}; ядро K обладает следующими
свойствами:
K(·,s) ∈ C, K(t,·) ∈ Y, ψi(t) ≡ K{i}s(t,0) ∈ Y (i = 0,m - p - 1),
(9)
а x ∈ X - искомый элемент.
Приближённое решение ИДУ (8) будем искать в виде
xn ≡ xn(t;{cj}) ≡ gn(t) +
ci+n+1δ{i}(t),
(10)
i=0
(
)
n
gn ≡ Jzn, zn(t) 2-n
ci
(t + 1)i(1 - t)n-i (n ∈ N),
(11)
i
i=0
где
t
Jz ≡ (Jp-1z)(t) ((p - 1)!)-1 (t - s)p-1z(s)ds,
-1
(
)
n
≡ n!/(i!(n - i)!) (i = 0,n) - биномиальные коэффициенты. Неизвестные параметры cj =
i
= c(n)j (j = 0,n + m - p) найдём согласно нашему методу из квадратной системы линейных
алгебраических уравнений (СЛАУ) (n + m - p + 1)-го порядка:
ck = (Ty - TKxn)(νk) (k = 0,n), ρ{i}n(0) = 0 (i = p,m - 1),
(12)
где ρn(t) ≡ ρAn(t) (Axn - y)(t) - невязка приближённого решения, а узлы коллокации νk =
= ν(n)k ∈ I вычисляются по формуле
νk = -1 + 2k/n (k = 0,n).
(13)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022
КОЛЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
1237
Прежде чем перейти к обоснованию предложенного метода (10)-(13), следуя работе [11],
примем следующие полезные для оформления результатов соглашения. Во-первых, стандарт-
ное утверждение “при всех n ∈ N (n n0) СЛАУ (12) имеет единственное решение {c∗j},
и последовательность приближённых решений x∗n ≡ xn(t; {c∗j}) сходится к точному решению
x = A-1y уравнения (8) по норме пространства X ” заменим простой фразой “метод (10)-(12)
обоснованно применим к уравнению (8)”. Во-вторых, для погрешности приближённого реше-
ния введём специальное обозначение Δx∗n ≡ ∥x∗n - xX ; оценка этой величины определяет
скорость сходимости приближённых решений x∗n к точному решению x уравнения (8).
Для вычислительного алгоритма (8)-(13) справедлива
Теорема 1. Если однородное ИДУ Ax = 0 имеет в пространстве X лишь нулевое реше-
ние (например, в условиях теоремы 2 [8]), то прямой метод (10)-(12) обоснованно применим
к уравнению (8), причём
Δx∗n = O{ωt(hn) +
ω(fi; Δn) + ω(T y; Δn)},
(14)
i=0
где ω(f; Δ) - модуль непрерывности функции f ∈ C с шагом Δ
(0 < Δ 2), а ωt(h; Δ) -
частный модуль непрерывности функции h по переменной t; h ≡ TtK, fi ≡ T ψi (i =
= 0, m - p - 1), Δn ≡ n-1/2.
Доказательство. Очевидно, что ИДУ (8) можно представить в виде линейного оператор-
ного уравнения
Ax ≡ V x + Kx = y (x ∈ X ≡ D(p)-1{m; 0}, y ∈ Y ≡ C{m, p; 0}),
в котором оператор A : X → Y непрерывно обратим.
Систему (10)-(12) требуется записать также в операторной форме. С этой целью постро-
им соответствующие конечномерные подпространства. Именно, через Xn ⊂ X обозначим
(n + m - p + 1)-мерное подпространство элементов вида (10), а за Yn ⊂ Y примем класс
span {ti}n+mp. Далее введём линейный оператор Γn Γn+m-p+1 : Y → Yn согласно прави-
лу
ti
Γny ≡ Γn+m-p+1(y;t) (UBnTy)(t) +
y{i}(0)
,
(15)
i!
i=p
где Bn : C → Πn span {ti}n0 представляет собой оператор Бернштейна [12, с. 22] по системе
узлов (13).
Покажем теперь, что система (10)-(12) равносильна линейному уравнению
Anxn ≡ V xn + ΓnKxn = Γny (xn ∈ Xn, Γny ∈ Yn).
(16)
Пусть x∗n ≡ xn(t; {c∗j}) - решение уравнения (16), т.е. V x∗n + Γnτ∗n = 0 (τ∗n ≡ Kx∗n - y).
В силу равенств (10), (11) и (15) последнее означает, что
ti
(U(z∗n + BnT τ∗n))(t) +
(τ∗n){i}(0)
0.
(17)
i!
i=p
На основании (3) очевидно, что тождество (17) эквивалентно системе
z∗n(t) (Bn(Ty - TKx∗n))(t), (τ∗n){i}(0) = 0 (i = p,m - 1).
(18)
В левой и правой частях первого равенства системы (18) находятся полиномы Бернштейна
некоторых функций соответственно со значениями c∗k и (T y - T Kx∗n) в узлах (νk) (k = 0, n)
из (13). Далее, с учётом (8) и V x∗n = Uz∗n, имеем
(ρ∗n){i}(0) = (τ∗n){i}(0) (i = p, m - 1, ρ∗n ≡ Ax∗n - y).
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022
1238
ГАББАСОВ
Следовательно, система (18) принимает вид
c∗k = (Ty - TKx∗n)(νk) (k = 0,n), (ρ∗n){i}(0) = 0 (i = p,m - 1).
(19)
Итак, СЛАУ (12) имеет решение {c∗j}n+m-p0, т.е. решение уравнения (16) является реше-
нием системы (10)-(12).
С целью получения обратного утверждения соответствующие равенства в узлах в (19)
умножаем на выражения
(
)
n
2-n
(t + 1)i(1 - t)n-i (i = 0, n)
i
соответственно и затем почленно складываем, что приводит к системе (18). Далее достаточно
провести изложенные выше рассуждения в обратном порядке.
Таким образом, для доказательства теоремы 1 достаточно установить существование, един-
ственность и сходимость решений уравнений (16). Для этих целей понадобится аппроксима-
тивное свойство оператора Γn, которое устанавливает
Лемма 3. Для любой функции y ∈ Y справедлива оценка
∥y - Γny∥Y d1ω(T y; Δn)
(здесь и далее di (i = 1, 3) - некоторые константы, значения которых не зависят от на-
турального числа n).
Справедливость леммы 3 следует из представления (3), определений (15), (2) и оценки [12,
с. 245]:
∥f - Bnf∥C d1ω(f; Δn) (f ∈ C).
(20)
Покажем теперь “близость” операторов A и An на подпространстве Xn. Использовав
уравнения (8) и (16), представления (3) и (15), норму (2), для произвольного элемента xn
∈ Xn находим, что
∥Axn - AnxnY = ∥Kxn - ΓnKxnY = ∥T Kxn - BnT KxnC .
(21)
На основании (8), (5) и (6) имеем
(Kx)(t) = (Kz)(t) +
(-1)iγiψi(t).
i=0
Следовательно,
(Kxn)(t) = (Kgn)(t) +
(-1)ici+n+1ψi(t),
i=0
и тогда справедливо равенство
1
TKxn = h(t,s)gn(s)ds +
(-1)ici+n+1fi(t).
(22)
i=0
1
В силу (22), (20), леммы 2 и определения (7) последовательно выводим промежуточную
оценку
∫
1
∥T Kxn - BnT KxnC max
h - Btnh)(t,s)gn(s)ds +
(-1)ici+n+1(fi - Bnfi)(t)
(
≤
t∈I
i
1
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022
КОЛЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
1239
2d1∥gnC ωt(h; Δn) +
d1|ci+n+1(fin)
i
2d1∥gn(p)ωt(h; Δn) + d1∥xnX
ω(fi; Δn)
i
[
]
d2 ωt(hn) + ω(fin) ∥xnX (d22d1).
(23)
i
Из (21) и (23) следует искомая оценка “близости” операторов A и An :
[
]
εn ≡ ∥A - AnXn→Y d2 ωt(hn) + ω(fin) .
(24)
i
Из теоремы 7 [9, с. 19] на основании оценки (24) и леммы 3 вытекает утверждение теоремы 1
с оценкой погрешности (14).
Следствие 2. Если существуют ограниченные производные h(r)t, f(r)i, (T y)(r) (r 2),
то в условиях теоремы 1 верна оценка Δx∗n = O(1/n).
3. Обобщённый метод коллокации на базе интерполяционного полинома Эрми-
та-Фейера. Приближённое решение задачи (8), (9) будем искать в виде
( {2n-1
})m-p-1
xn(t) ≡ J
citi
(t) +
ci+2nδ{i}(t),
(25)
i=0
i=0
где cj
= c(n)j (j = 0,2n + m - p - 1) - подлежащие определению коэффициенты, которые
находим из квадратной СЛАУ (2n + m - p)-го порядка:
(T ρn)(λk) = 0, (T Uxn) (λk) = 0 (k = 1, n), ρ{i}n(0) = 0 (i = p, m - 1),
(26)
гдеk} - система узлов Чебышёва первого рода.
Пусть Fn ≡ F2n+m-p : Y → Yn span {ti}2n+m-1p - линейный оператор, сопоставляющий
любой функции y ∈ Y полином Fny, однозначно определяемый условиями
(T Fny - T y)(λk) = 0, (T Fny)(λk) = 0 (k = 1, n),
(Fny - y){i}(0) = 0 (i = p, m - 1).
На основании рассуждений, приведённых в работе [5, с. 29], несложно получить представление
ti
Fny ≡ F2n+m-p(y; t) (UΦnT y)(t) +
y{i}(0)
,
(27)
i!
i=p
где Φn : C → Π2n-1 - оператор Эрмита-Фейера [12, с. 549] по системеk} (k = 1, n).
Лемма 4. Если функции y ∈ Y и T y принадлежат классу Lip α
(0 < α 1), то
справедлива оценка
∥y - Fny∥Y d3n-α/2.
Доказательство следует из леммы 1, представлений (27), (2) и оценки (см., например, [13])
∥f - Φnf∥C d3n-α/2 (f ∈ Lip α,
0 < α 1).
Для вычислительной схемы (8), (9), (25), (26) справедлива
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022
1240
ГАББАСОВ
Теорема 2. Если Ker A = {0} в пространстве X, а функции h (по t), fi (i =
= 0, m - p - 1), T y принадлежат классу Lip α (0 < α 1), то метод (25), (26) обоснованно
применим к уравнению (8), и при этом Δx∗n = O(n-α/2).
Для доказательства данной теоремы достаточно повторить рассуждения, проведённые при
доказательстве теоремы 1, с учётом того, что в этом случае система (25), (26) эквивалентна
следующему операторному уравнению:
Anxn ≡ FnAxn = Fny (xn ∈Xn, Fny
Yn),
где
Xn - подпространство всех образований xn вида (25) таких, что (TUxn)(λk) = 0 (k =
= 1, n), а
Yn состоит из всех полиномов yn ∈ Yn, обладающих свойством (Tyn)(λk) = 0
(k = 1, n).
4. Замечания.
1. В силу определения нормы в D(p)-1{m; 0} нетрудно заметить, что из сходимости после-
довательности (x∗n) к x = A-1y в метрике D(p)-1{m; 0} следует обычная сходимость в прост-
ранстве обобщённых функций, т.е. слабая сходимость.
2. При приближении решений операторных уравнений Ax = y возникает естественный
вопрос о скорости сходимости невязки ρ∗n(t) (Ax∗n - y)(t) исследуемого метода. Один из
результатов в этом направлении легко получить из теорем 1 и 2, а именно, из них вытекают
соответствующие простые следствия: 1) если исходные данные (h, fi, T y) уравнения (8) при-
надлежат классу C(r) (r = 2, 3, . . .), то в условиях теоремы 1 справедлива оценка ∥ρ∗nY =
= O(n-1); 2) если же исходные данные принадлежат классу Lip α
(0 < α 1), то при
выполнении условий теоремы 2 верна оценка ∥ρ∗nY = O(n-α/2).
3. При p = 0 исследуемое ИДУ (8) является интегральным уравнением третьего рода с
оператором
A : D{m;0} → C{m;0},
а прямой метод (10)-(13) - специальным для УТР вариантом обобщённого метода коллокации.
Следовательно, теорема 1 содержит в себе известные результаты [5, с. 98-100] по обоснованию
специального варианта метода коллокации для решения УТР в классе D{m; 0} обобщённых
функций.
4. Если m = p = 0, то ИДУ (8) преобразуется в интегральное уравнение Фредгольма
второго рода в пространстве C. При этом вычислительный алгоритм (10)-(13) становится
известным вариантом метода коллокации (см. [14]), причём T y ≡ y и h ≡ K. Поэтому в
данном случае оценка теоремы 1 совпадает с соответствующей уравнению второго рода в C
оценкой статьи [14].
5. Суть предыдущих замечаний 3, 4 остаётся в силе и в случае прямого метода (25), (26).
6. Так как в условиях теорем 1 и 2 соответствующие аппроксимирующие операторы An
обладают свойством вида
∥A-1n = O(1) (A-1n : Yn → Xn, n n1),
то очевидно [9, с. 23, 24], что предложенные в данной работе прямые методы для ИДУ (8)
устойчивы относительно малых возмущений исходных данных. Последнее позволяет найти
численное решение исследуемых уравнений на ЭВМ с любой наперёд заданной степенью точ-
ности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Bart G.R., Warnock R.L. Linear integral equations of the third-kind// SIAM J. Math. Anal. 1973. V. 4.
№ 4. P. 609-622.
2. Кейз К.М., Цвайфель П.Ф. Линейная теория переноса. М., 1972.
3. Бжихатлов Х.Г. Об одной краевой задаче со смещением // Дифференц. уравнения. 1973. Т. 9. № 1.
С. 162-165.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022
КОЛЛОКАЦИОННЫЕ МЕТОДЫ
1241
4. Расламбеков С.Н. Сингулярное интегральное уравнение первого рода в исключительном случае в
классах обобщённых функций // Изв. вузов. Математика. 1983. № 10. С. 51-56.
5. Габбасов Н.С. Методы решения интегральных уравнений Фредгольма в пространствах обобщённых
функций. Казань, 2006.
6. Замалиев Р.Р. О прямых методах решения интегральных уравнений третьего рода с особенностями
в ядре: дис
канд. физ.-мат. наук. Казань, 2012.
7. Абдурахман. Интегральное уравнение третьего рода с особым дифференциальным оператором в
главной части: дис
канд. физ.-мат. наук. Ростов-на-Дону, 2003.
8. Габбасов Н.С. Об одном классе интегро-дифференциальных уравнений в особом случае // Диффе-
ренц. уравнения. 2021. Т. 57. № 7. С. 889-899.
9. Габдулхаев Б.Г. Оптимальные аппроксимации решений линейных задач. Казань, 1980.
10. Прессдорф З. Сингулярное интегральное уравнение с символом, обращающимся в нуль в конечном
числе точек // Мат. исследования. 1972. Т. 7. № 1. C. 116-132.
11. Габбасов Н.С. Прямые методы решения интегро-дифференциальных уравнений в особом случае
// Дифференц. уравнения. 2016. Т. 52. № 7. С. 904-916.
12. Натансон И.П. Конструктивная теория функций. М.; Л., 1949.
13. Петерсен И. О сходимости приближенных методов интерполяционного типа для обыкновенных
дифференциальных уравнений // Изв. АН ЭстССР. Сер. физ.-мат. и техн. наук. 1961. № 1. С. 3-12.
14. Каспшицкая М.Ф., Тукалевская Н.И. К вопросу о сходимости метода коллокации // Укр. мат.
журн. 1967. Т. 19. № 4. С. 48-56.
Набережночелнинский институт Казанского
Поступила в редакцию 29.12.2021 г.
(Приволжского) федерального университета
После доработки 29.12.2021 г.
Принята к публикации 05.07.2022 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 58
№9
2022