ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ, 2023, том 59, № 12, с. 1591-1598
ОБЫКНОВЕННЫЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ
УДК 517.927.6+517.927.4
АНАЛИЗ МНОГОТОЧЕЧНОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ
ДЛЯ НЕЛИНЕЙНОГО МАТРИЧНОГО
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ
© 2023 г. А. Н. Бондарев, В. Н. Лаптинский
Для нелинейного дифференциального матричного уравнения с помощью конструктивного
метода регуляризации по линейной части уравнения с использованием соответствующих
фундаментальных матриц исследована многоточечная краевая задача. По исходным дан-
ным задачи получены достаточные условия её однозначной разрешимости. Предложены
итерационные алгоритмы построения решения, содержащие сравнительно простые вычис-
лительные процедуры. Даны эффективные оценки, характеризующие скорость сходимости
итерационной последовательности к решению, а также оценки области локализации реше-
ния.
DOI: 10.31857/S0374064123120014, EDN: NUPTOT
Рассмотрим многоточечную краевую задачу для дифференциального матричного уравне-
ния
dX
= A(t)X + XB(t) + F (t, X), X ∈ Rn×n, t ∈ I,
(1)
dt
с условием
MiX(ti) = 0,
0=t1 <t2 <...<tk =ω,
(2)
i=1
где A, B ∈ C(I, Rn×n), I = [0, ω]; F ∈ C(Dρ, Rn×n), Dρ = {(t, X) : t ∈ I, ∥X∥ < ρ}; ω > 0,
0 < ρ ∞, Mi - вещественные постоянные n × n-матрицы. Предполагаем, что нелинейная
функция F (t, X) удовлетворяет в области Dρ условию Липшица относительно X (локально)
и что F (t, 0) 0.
Задача (1), (2) изучается на основе применения метода регуляризации [1, с. 70] в смысле
[2, с. 156], при этом используются регуляризаторы различных типов (односторонний и двусто-
ронний), конструируемые по линейной части уравнения. В рассмотренных случаях получены
достаточные условия однозначной разрешимости задачи и алгоритмы построения решения, ос-
нованные на вычислительной схеме классического метода последовательных приближений [3,
с. 605]. Качественными методами эта задача исследовалась в статье [4]. С периодическими
краевыми условиями на основе метода регуляризации она рассматривалась в [5]. Настоящая
статья является обобщением и развитием работ [6, 7].
Задачу (1), (2) будем исследовать в конечномерной банаховой алгебре B(n) непрерывных
матричнозначных функций I → Rn×n с нормой ∥X∥C = max ∥X(t)∥. Сначала применим
t∈I
левостороннюю регуляризацию [1, гл. 1]. При этом для получения соответствующего экви-
валентного интегрального уравнения воспользуемся расщеплением (декомпозицией) матрицы
A(t) в виде
A(t) = A1(t) + A2(t),
(3)
где матрица A1(t) выбирается специальным образом, например, согласно [1, гл. 1]. Доста-
точно эффективным является представление матрицы A(t) = (aij )ni,j=1, в котором в качестве
матрицы A1(t) используется диагональная часть матрицы A(t), т.е.
A1(t) = diag [a11(t),a22(t),... ,ann(t)].
1591
1592
БОНДАРЕВ, ЛАПТИНСКИЙ
Возможны и другие способы расщепления матрицы A(t) [1, гл. 1, 5], в том числе и три-
виальные: A1(t) 0 и A1(t) ≡ A(t) (тогда соответственно A2(t) ≡ A(t) и A2(t) 0). При
выборе декомпозиции матриц целесообразно руководствоваться скоростью сходимости соот-
ветствующих алгоритмов.
Рассмотрим линейную дифференциальную систему
dU
= A1(t)U, t ∈ I,
(4)
dt
и примем следующие обозначения: U(t) - какая-либо фундаментальная матрица системы (4),
Ui =U(ti), i=1,k, Dρ ={(t,X) : t∈I,
∥X∥ ρ}, H = MiUi, γ =∥H-1∥, mi =∥Mi∥,
i=1
ui = ∥Ui∥, λ1 = max∥U(t)∥, λ2 = max∥U-1(t)∥, α2 = max∥A2(t)∥, β = max ∥B(t)∥,
t∈I
t∈I
t∈I
t∈I
h = max∥F (t, 0)∥, q = q(ρ) = γλ1λ2(α2 + β + L)ω
miui, N = γλ1λ2
miui,
t∈I
i=1
i=1
где 0 < ρ < ρ,
∥ · ∥ - некоторая фиксированная норма в B(n), например, любая из норм,
приведённых в книге [8, с. 21], L = L(ρ) - постоянная Липшица относительно X функции
F (t, X) для области Dρ.
Теорема 1. Если выполнены условия
det H = 0,
(5)
q<1
и Nρ(1 - q),
(6)
то задача (1), (2) однозначно разрешима в области Dρ. Её решение X(t) представимо в виде
предела равномерно сходящейся на отрезке I последовательности {Xp(t)}∞p=0 матричных
функций, определяемых рекуррентным интегральным соотношением
t
Xp(t) = U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)[A2(τ)Xp-1(τ) + Xp-1(τ)B(τ) + F(τ,Xp-1(τ))]dτ,
(7)
i=1
ti
где p ∈ N, а в качестве X0(t) может быть выбрана любая непрерывная функция; при этом
для решения справедлива оценка
N
∥X∥C
(8)
1-q
Кроме того, каждая из функций Xp(t), p ∈ N, определяемая соотношением (7), удовле-
творяет краевому условию (2), т.е. условию
MiXp(ti) = 0, p ∈ N.
(9)
i=1
Доказательство. С помощью регуляризатора типа [1, с. 70] на основании (3), (4) покажем
сначала, что задача (1), (2) при выполнении условия (5) равносильна интегральному урав-
нению
t
X(t) = U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)[A2(τ)X(τ) + X(τ)B(τ) + F(τ,X(τ))]dτ.
(10)
i=1
ti
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023
АНАЛИЗ МНОГОТОЧЕЧНОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ
1593
Для упрощения записи в дальнейшем функцию A2(τ)X(τ) + X(τ)B(τ) + F (τ, X(τ)), стоя-
щую в квадратных скобках в правой части уравнения (10), обозначим через G(τ, X(τ)). Рас-
сматривая уравнение (1) как уравнение (4) с возмущением G(t, X), в силу формулы Лагранжа
вариации произвольных постоянных получим представление
[
t
]
X(t) = U(t) U-1(t1)X(t1) + U-1(s)G(s, X(s)) ds , t ∈ I.
(11)
t1
Подставим в это тождество ti вместо t и умножим затем его слева на матрицу Mi. Тогда,
просуммировав полученные равенства по i от 1 до k, будем иметь
ti
MiX(ti) =
MiUiU-1
(t1)X(t1) +
MiUi U-1(s)G(s,X(s))ds.
i=1
i=1
i=1
t1
В силу краевого условия (2) левая часть этого равенства равна нулю, поэтому, умножив его
слева на H-1, получим
ti
U-1(t1)X(t1) = -H-1
MiUi U-1(s)G(s,X(s))ds.
(12)
i=1
t1
Заменив в равенстве (11) первое слагаемое в квадратных скобках согласно (12) и учитывая
определение матрицы H, приходим к тождеству
[
ti
t
]
X(t) = U(t)
-H-1
MiUi
U-1(s)G(s,X(s))ds + H-1
MiUi U-1(s)G(s,X(s))ds
=
i=1
i=1
t1
t1
t
= U(t)H-1
MiUi
U-1(s)G(s,X(s))ds.
i=1
ti
Итак, если дифференцируемая функция X(t) удовлетворяет уравнению (1) и краевому усло-
вию (2), то она удовлетворяет и интегральному уравнению (10).
Установим обратное: всякое дифференцируемое решение интегрального уравнения (10) яв-
ляется решением задачи (1), (2). Для этого сначала, продифференцировав обе части уравнения
(10), получим равенство
dX(t)
=A1(t)X(t) + U(t)H-1
MiUiU-1(t)G(t,X(t)) = A1(t)X(t) + G(t,X(t)),
dt
i=1
которое, поменяв переменную t на τ, запишем в виде
dX(τ)
G(τ, X(τ)) =
- A1(τ)X(τ).
(13)
Заменив теперь в уравнении (10) выражение в квадратных скобках равной ему правой частью
равенства (13), будем иметь
t
X(t) = U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)[dX(τ) - A1(τ)X(τ)],
i=1
ti
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023
1594
БОНДАРЕВ, ЛАПТИНСКИЙ
т.е.
t
t
X(t) = U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)dX(τ) - U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)A1(τ)X(τ)dτ.
(14)
i=1
i=1
ti
ti
Выполнив в первой сумме в (14) интегрирование по частям, получим последовательно
[
t
]
X(t) = U(t)H-1
MiUi U-1(τ)X(τ)|t +t
U-1(τ)A1(τ)X(τ)
-
i
i=1
ti
t
- U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)A1(τ)X(τ) =
i=1
ti
[
t
]
= U(t)H-1
MiUi U-1(τ)X(t) - U-1(ti)X(ti) +
U-1(τ)A1(τ)X(τ)
-
i=1
ti
t
- U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)A1(τ)X(τ) =
i=1
ti
= U(t)H-1
MiUi[U-1(t)X(t) - U-1(ti)X(ti)] = X(t) + U(t)H-1
MiX(ti).
i=1
i=1
Отсюда имеем соотношение
U (t)H-1
MiX(ti) = 0,
i=1
а значит, и краевое условие (9).
Запишем уравнение (10) в операторном виде
X = L(X),
(15)
где L - оператор, определяемый правой частью (10). Этот оператор действует из C(I, Rn×n) в
C1(I,Rn×n). Рассмотрим его на шаре
Dρ = {X(t) : ∥X∥C ρ} и установим, что из условий (6)
следует выполнение принципа сжимающих отображений Каччопполи-Банаха (см., например,
[3, с. 605]).
Сначала установим, что L(X) ∈Dρ, если X ∈Dρ. Выполнив соответствующие оценки,
получим
 ∫
t
L(X) ∥U(t)∥∥H-1
∥Mi∥∥Ui
∥U-1(τ)[∥A2(τ)∥∥X(τ) + ∥X(τ)∥∥B(τ) +
i=1
ti
+ ∥F (τ, X(τ)) - F (τ, 0) + ∥F (τ, 0)] ≤ γλ1λ2[(α2 + β + L)ρ + h]ω
miui = + N.
i=1
На основании условий (6) справедлива оценка
L(X)C ρ.
(16)
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023
АНАЛИЗ МНОГОТОЧЕЧНОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ
1595
˜
Далее из (15) для любых
X ∈Dρ и
X ∈D
ρ имеем
ω
L
X) - L( X)∥U(t)∥∥H-1
∥Mi∥∥Ui
∥U-1(τ)[(∥A2(τ) + ∥B(τ))∥X(τ) -X(τ) +
i=1
0
+ ∥F (τ, X(τ)) - F (τ, X(τ))] γλ1λ2(α2 + β + L)ω
miui∥X -X∥C = q∥X˜ -X∥C,
i=1
т.е.
L(X) - L(X)C q∥ X -X∥C .
(17)
Таким образом, на шаре
Dρ при выполнении условий (6) справедливы неравенства (16) и
(17), означающие, что к уравнению (15) применим принцип сжимающих отображений. На ос-
новании этого заключаем, что решение X = X(t) данного уравнения на шаре
Dρ существует
и единственно. Другими словами, задача (1), (2) однозначно разрешима в области Dρ; при
этом на основании (5), (6) справедлива оценка (8).
Решение уравнения (10) будем строить с помощью классического метода последовательных
приближений [3, с. 605] в виде (7). В качестве начального приближения принимаем произволь-
ную функцию X0(t) ∈ C(I, Rn×n). Очевидно, алгоритм (7) определяет последовательность
{Xp(t)}∞p=0 ⊂ C(I, Rn×n), при этом {Xp(t)}∞p=1 ⊂ C1(I, Rn×n).
Доказательство того, что функции X1(t), X2(t), . . . удовлетворяют краевому условию (9)
аналогично доказательству эквивалентности интегрального уравнения (10) задаче (1), (2).
Изучим вопрос сходимости этой последовательности. Следуя известному приёму, этот во-
прос заменим эквивалентным вопросом о сходимости ряда
X0(t) + (X1(t) - X0(t)) + ... + (Xp(t) - Xp-1(t)) + ...
(18)
Докажем равномерную по t ∈ I сходимость ряда (18). Для этого построим сходящийся чис-
ловой ряд, который мажорирует на отрезке I матричный функциональный ряд (18).
Из (7) имеем
Xp+1(t) - Xp(t) = L(Xp) - L(Xp-1), p ∈ N,
(19)
где, согласно определению оператора L,
t
L(Y ) = U(t)H-1
MiUi
U-1(τ)[A2(τ)Y (τ) + Y (τ)B(τ) + F(τ,Y (τ))]dτ.
i=1
ti
Выполнив оценки по норме в (19) и использовав соотношение (17), получим
∥Xp+1 - XpC q∥Xp - Xp-1C , p ∈ N,
откуда следует окончательная оценка
∥Xp - Xp-1C qp∥X1 - X0C , p ∈ N,
(20)
при этом ∥X1 - X0C =L(X0) - X0C .
Используя (20), несложно доказать, что последовательность {Xr}∞r=0 сходится равномерно
по t ∈ I к решению уравнения (10), при этом справедливо неравенство
r
q
∥X - XrC
∥X1 - X0C , r ∈ N
{0}.
(21)
1-q
Вследствие (20), (21) имеем оценку области локализации решения X(t), определяемую
согласно алгоритму (7):
∥X1 - X0C
∥X∥C ∥X0C +
(22)
1-q
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023
1596
БОНДАРЕВ, ЛАПТИНСКИЙ
Покажем, что из (22) при X0(t) 0 следует оценка (8), при этом ∥X1 - X0C = ∥X1C =
=L(0)C . Так как
ω
L(0) ∥U(t)∥∥H-1
∥Mi∥∥Ui
∥U-1(τ)F (τ, 0)∥ dτ γλ1λ2ωh
miui = N,
i=1
i=1
0
то неравенство (22) влечёт за собой оценку (8). Теорема доказана.
Далее проведём аналогичный анализ на основе правосторонней регуляризации задачи (1),
(2), используя расщепление матрицы B(t) в виде
B(t) = B1(t) + B2(t),
где матрицы B1(t), B2(t) выбираются указанными выше способами.
Наряду с принятыми выше обозначениями, будем использовать также следующие: V (t) -
фундаментальная матрица линейного дифференциального уравнения
dV
= V B1(t), t ∈ I,
dt
Vi = V (ti), vi = ∥Vi∥, α = max∥A(t)∥, β2 = max∥B2(t)∥,
t∈I
t∈I
μ1 = max∥V (t)∥, μ2 = max ∥V-1(t)∥,
t∈I
t∈I
k
Φ - линейный оператор, задаваемый равенством ΦY ≡
MiY Vi (см. [4]) и
i=1
γ = Φ-1∥,
q= q(ρ) = γμ1μ2(α + β2 + L)ω mivi,
Ń=γμ1μ2hω mivi.
i=1
i=1
Теорема 2. Если оператор Φ однозначно обратим и выполнены условия q < 1,
Ń ρ(1-
− q), то задача (1), (2) однозначно разрешима в области Dρ. Её решение X(t) представимо
в виде предела равномерно сходящейся на отрезке I последовательности {Xp(t)}∞p=0 мат-
ричных функций, определяемых рекуррентным интегральным соотношением
(
t
})
{∑k
Xp(t)= Φ-1
Mi
[A(τ)Xp-1(τ) + Xp-1(τ)B2(τ) + F (τ, Xp-1(τ))]V-1(τ) dτVi
V (t), (23)
i=1
ti
где p ∈ N, а в качестве X0(t) может быть выбрана любая непрерывная функция; при этом
для решения справедлива оценка
Ń
∥X∥C
1-q
Кроме того, каждая из функций Xp(t), p ∈ N, определяемая соотношением (23), удовле-
творяет краевому условию (9).
Для доказательства теоремы 2 достаточно воспользоваться регуляризатором типа [1, с. 70]
при получении эквивалентной интегральной задачи
(
{∑k
t
})
X(t) = Φ-1
Mi
[A(τ)X(τ) + X(τ)B2(τ) + F (τ, X(τ))]V-1(τ) dτVi
V (t),
(24)
i=1
ti
а затем выполнить соответствующие выкладки в рамках применения принципа сжимающих
отображений. Выкладки, связанные с обоснованием сходимости и скорости сходимости алго-
ритма (23), проводятся аналогично.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023
АНАЛИЗ МНОГОТОЧЕЧНОЙ КРАЕВОЙ ЗАДАЧИ
1597
В работе [4] задача (1), (2) рассмотрена качественными методами с использованием фун-
даментальных матриц, определяемых слагаемыми линейной части уравнения (1).
Метод регуляризации [1, с. 70] позволяет выполнить более эффективный анализ задачи
(1), (2) на основе двойного расщепления коэффициентов уравнения (1), а именно:
A(t) = A1(t) + A2(t), B(t) = B1(t) + B2(t),
где матрицы Ai(t) и Bi(t) (i = 1, 2) выбираются описанными выше способами.
Наряду с обозначениями, принятыми для теорем 1 и 2, будем использовать следующие:
k
Ψ - линейный оператор, задаваемый равенством ΨY ≡
MiUiY Vi [4] и
i=1
γ=Ψ-1∥,
q= q(ρ)= γλ1λ2μ1μ2(α2 + β2 + L)ω miuivi,
i=1
˜
q0 =γλ1λ2μ1μ2
miuivi,
N =γλ1λ2μ1μ2
miuivi.
i=1
i=1
˜
Теорема 3. Если оператор Ψ однозначно обратим и выполнены условияq < 1,
Nρ(1-
−q), то задача (1), (2) однозначно разрешима в области Dρ. Её решение X(t) представимо
в виде предела равномерно сходящейся на отрезке I последовательности {Xp(t)}∞p=0 мат-
ричных функций, определяемых рекуррентным интегральным соотношением
{∑k
t
Xp(t) = U(t-1
MiUi
U-1(τ)[A2(τ)Xp-1(τ) + Xp-1(τ)B2(τ) +
i=1
ti
}
+ F(τ,Xp-1(τ))]V -1(τ)dτVi V (t),
(25)
где p ∈ N, а в качестве X0(t) может быть выбрана любая непрерывная функция; при этом
для решения справедлива оценка
˜
N
∥X∥C
1-q
Кроме того, каждая из функций Xp(t), p ∈ N, определяемая соотношением (25), удовле-
творяет краевому условию (9).
Доказательство теоремы 3 аналогично доказательству теорем 1 и 2. При этом вместо
интегральных уравнений (10) и (24) получается следующее эквивалентное задаче (1), (2) ин-
тегральное уравнение:
t
}
{∑k
X(t)=U(t-1
MiUi
U-1(τ)[A2(τ)X(τ)+X(τ)B2(τ)+F(τ,X(τ))]V-1(τ) dτVi V (t). (26)
i=1
ti
Соответствующие оценки для алгоритма (25) выполняются так же, как и в случае теорем 1
и 2.
Следствие (ср. [4]). Пусть оператор Ψ однозначно обратим и выполнены условия q0 < 1,
˜
Nρ(1 - q0). Тогда задача (1), (2) однозначно разрешима; её решение X(t) представимо в
виде предела равномерно сходящейся последовательности матричных функций, определяемых
рекуррентным интегральным соотношением вида (25) и удовлетворяющих условию (9); при
этом справедлива оценка
˜
N
∥X∥C
1-q0
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023
1598
БОНДАРЕВ, ЛАПТИНСКИЙ
В силу произвольности расщепления матриц A(t), B(t) полагаем A2(t) 0, B2(t) 0.
Тогда U(t) и V (t) - фундаментальные матрицы уравнений dU/dt = A(t)U(t) и dV/dt =
= V (t)B(t) соответственно. При таком расщеплении из интегрального уравнения (26) следует
уравнение (ср. [4])
t
}
{∑k
X(t) = U(t-1
MiUi
U-1(τ)F(τ,X(τ))V-1(τ) dτVi V (t).
(27)
i=1
ti
Разумеется, в конструкции оператора Ψ в (27) участвуют соответствующие матрицы U(t)
и V (t).
Замечание. В работе [4] данная задача рассмотрена в области I × Rn×n. Исследование
в этой области её однозначной разрешимости существенно не отличается от линейного слу-
чая, рассмотренного в [6, 7]: в основном всё сводится к оценкам коэффициентов сжатия со-
ответствующих интегральных операторов, полученных различными методами, при этом в [4]
громоздкими и сложными. Методика, используемая в [6, 7] и в предлагаемой работе, вполне
конструктивная, поскольку позволяет получить сравнительно простые условия однозначной
разрешимости и несложные алгоритмы построения решения задачи (1), (2) для области бо-
лее общей конфигурации. Если в настоящей статье условия разрешимости содержат оценки
нормы фундаментальных матриц линейных слагаемых в (1), то в [6, 7] соответствующие усло-
вия представлены явно в терминах задачи в рассматриваемых случаях вырождения краевых
условий, характеризующих связь между матрицами Mi.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лаптинский В.Н. Конструктивный анализ управляемых колебательных систем. Минск, 1998.
2. Забрейко П.П., Кошелев А.И., Красносельский М.А., Михлин С.Г., Раковщик Л.С., Стецен-
ко В.Я. Интегральные уравнения. М., 1968.
3. Канторович Л.В., Акилов Г.П. Функциональный анализ. М., 1977.
4. Murty K.N., Howell G.W., Sivasundaram S. Two (multi) point nonlinear Lyapunov systems - existence
and uniqueness // J. Math. Anal. and Appl. 1992. V. 167. P. 505-515.
5. Лаптинский В.Н. О периодических решениях нелинейных матричных дифференциальных уравне-
ний // Весцi АН Беларусi. Сер. фiз.-мат. навук. 1997. № 4. С. 14-18.
6. Бондарев А.Н., Лаптинский В.Н. Многоточечная краевая задача для уравнения Ляпунова в случае
сильного вырождения краевых условий // Дифференц. уравнения. 2011. Т. 47. № 6. С. 776-784.
7. Бондарев А.Н., Лаптинский В.Н. Многоточечная краевая задача для уравнения Ляпунова в случае
слабого вырождения краевых условий // Дифференц. уравнения. 2019. Т. 55. № 3. С. 423-427.
8. Демидович Б.П. Лекции по математической теории устойчивости. М., 1967.
Белорусско-Российский университет,
Поступила в редакцию 27.06.2023 г.
г. Могилёв
После доработки 27.06.2023 г.
Принята к публикации 11.10.2023 г.
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ том 59
№ 12
2023