Журнал вычислительной математики и математической физики, 2019, T. 59, № 2, стр. 247-251
Алгоритм решения задачи Коши для одной бесконечномерной системы нелинейных дифференциальных уравнений
Аг. Х. Ханмамедов 1, 2, 4, *, А. М. Гусейнов 3, М. М. Векилов 1
1 Бакинский гос. ун-т
AZ1148 Баку, ул. З. Халилова, 23, Азербайджан
2 Ин-т матем. и механ. НАН Азербайджана
AZ1141 Баку, ул. Б. Вагабзаде, 9, Азербайджан
3 Гянджинский Гос. Ун-т
AZ2000 Гянджа, пр. Шах Исмаил Хатаи 187, Азербайджан
4 Университет
AZ1007 Гянджа, ул. Дж. Гаджибекли, 71, Азербайджан
* E-mail: agil_khanmamedov@yahoo.com
Поступила в редакцию 21.11.2016
После доработки 30.08.2018
Аннотация
Рассмотрена задача Коши для бесконечномерной системы нелинейных эволюционных уравнений, являющиеся обобщением ленгмюровской цепочки. Установлена глобальная разрешимость задачи в классе быстроубывающих функций. Методом обратной спектральной задачи получен алгоритм для построения решения. Библ. 9.
ВВЕДЕНИЕ
Рассматривается следующая бесконечномерная система нелинейных эволюционных уравнений
(1)
${{\dot {c}}_{n}} = {{c}_{n}}\left( {\alpha \left( {{{c}_{{n + 1}}} - {{c}_{{n - 1}}}} \right) - \beta \left( {\left( {{{c}_{{n + 1}}} - {{c}_{{n - 1}}}} \right)\sum\limits_{k = 0}^2 {{{c}_{{n + k}}}} } \right)} \right),\quad {{c}_{n}} = {{c}_{n}}(t),\quad n \in Z,\quad t \in \left( {0,\infty } \right],\quad \cdot = \frac{d}{{dt}},$Для системы уравнений (1) поставим задачу Коши: требуется найти ее решение $c(t) = {{\left( {{{c}_{n}}(t)} \right)}_{{n \in Z}}}$ по заданному начальному условию
где последовательность ${{\hat {c}}_{n}}$ удовлетворяет условию $\sum\nolimits_{n \in Z}^{} {\left| n \right|\left| {{{{\hat {c}}}_{n}} - 1} \right|} < \infty $. Будем искать решение $c\left( t \right) = {{\left( {{{c}_{n}}(t)} \right)}_{{n \in Z}}}$ задачи (1)–(2) такое, что ${{x}_{n}}(t) = {{c}_{n}}(t) - 1$ суть быстроубывающая функция, т.е. при любом $T > 0$ удовлетворяет неравенству где ${{M}_{1}}(t) = \sum\nolimits_{n \in Z}^{} {\left( {1 + \left| n \right|} \right)\left| {{{x}_{n}}(t)} \right|} $.В данной работе установлена глобальная разрешимость задачи (1), (2) в классе (3). Методом обратной спектральной задачи указан алгоритм нахождения решения задачи (1), (2). Подобные вопросы для различных нелинейных эволюционных уравнений исследовались в работах [1]–[8].
1. ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ СВЕДЕНИЯ
Как следует из работы [1], ассоциированной с (1) линейной задачей, является дискретное уравнение Штурма–Лиувилля
(4)
$\sqrt {{{c}_{{n - 1}}}} {{y}_{{n - 1}}} + \sqrt {{{c}_{n}}} {{y}_{{n + 1}}} = \lambda {{y}_{n}},\quad n \in Z,$(5)
$f_{n}^{ \pm }(z) = \alpha _{n}^{ \pm }{{z}^{{ \pm n}}}\left( {1 + \sum\limits_{ \pm m \geqslant 1} {A_{{nm}}^{ \pm }{{z}^{{ \pm 2m}}}} } \right).$(6)
$f_{n}^{ \mp }(z) = a\left( z \right)\overline {f_{n}^{ \pm }(z)} \pm b({{z}^{{ \pm 1}}})f_{n}^{ \pm }(z),$Положим
Алгоритм 1
Пусть известны данные рассеяния.
Шаг 1. Построим функцию
(7)
$F_{n}^{ + } = \sum\limits_{k = 1}^N {m_{k}^{ + }} z_{k}^{n} + \frac{1}{{2\pi i}}\int\limits_{\left| z \right| = 1} {{{r}^{ + }}(z){{z}^{{n - 1}}}dz} .$Шаг 2. Найдем $A_{{nm}}^{ + }$ из уравнения типа Марченко
(8)
$F_{{2n + 2m}}^{ + } + A_{{nm}}^{ + } + \sum\limits_{k \geqslant 1} {A_{{nk}}^{ + }F_{{2n + 2m + 2k}}^{ + } = 0,\quad n \in Z,\quad m \geqslant 1} ,$Шаг 3. Вычисляем ${{c}_{n}}$ по формулам
2. РАЗРЕШИМОСТЬ ЗАДАЧИ (1), (2)
Исследуем глобальную разрешимость задачи (1), (2).
Теорема 1. Решение задачи (1)–(2) существует и единственно в классе (3), если ${{M}_{1}}\left( 0 \right) < \infty $.
Доказательство. Заметим прежде всего, что задача (1)–(2) эквивалентна задаче
(11)
${{\dot {x}}_{n}} = ({{x}_{n}} + 1)({{x}_{{n + 1}}} - {{x}_{{n - 1}}})\left\{ {\alpha - 3\beta - \beta \sum\limits_{k = 0}^2 {{{x}_{{n + k}}}} } \right\},$Перепишем задачу (11)–(12) в виде операторного уравнения
где $x(t) = {{\left( {{{x}_{n}}(t)} \right)}_{{n \in Z}}}$, $F$ есть оператор, порожденный правой частью системы (11). Так как правая часть системы (11) суть многочлен от переменной $x = {{\left( {{{x}_{n}}} \right)}_{{n \in Z}}}$, то при каждом $T > 0$ оператор $F$ непрерывно дифференцируемо отображает пространство $C\left( {\left[ {0,T} \right];B} \right)$ в себя. Поэтому принцип сжатых отображений применим к последнему уравнению. В результате получаем, что в некотором сегменте $\left[ {0,\delta } \right]$ задача (11)–(12) имеет решение $x(t) = {{\left( {{{x}_{n}}(t)} \right)}_{{n \in Z}}}$ с конечной нормой ${{\left\| {x(t)} \right\|}_{{C\left( {\left[ {0,\delta } \right]:B} \right)}}} < \infty $. Докажем, что это решение продолжаемо на каждый конечный отрезок $\left[ {0,T} \right]$. Допустим противное. Тогда существует точка ${{t}_{0}} < T$ такая, что задача (11)–(12) имеет непрерывное на интервале $\left[ {0,T} \right)$ решение $x(t) = {{\left( {{{x}_{n}}(t)} \right)}_{{n \in Z}}}$, но $\mathop {\overline {\lim } }\limits_{t \to {{t}_{0}}} {{\left\| {x(t)} \right\|}_{B}} = + \infty $.Пользуясь (11), имеем
(13)
${{x}_{n}}(t) = {{x}_{n}}(0) + \int\limits_0^t {\left( {{{x}_{n}}(\tau ) + 1} \right)\left( {{{x}_{{n + 1}}}(\tau ) - {{x}_{{n - 1}}}(\tau )} \right)\left\{ {\alpha - 3\beta - \beta \sum\limits_{k = 0}^2 {{{x}_{{n + k}}}(\tau )} } \right\}d\tau ,\quad t \in \left[ {0,{{t}_{0}}} \right)} .$Вводим также семейство операторов $A = A(t)$, действующее в пространстве ${{\ell }_{2}}$ по формуле
3. АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ (1), (2)
Предположим теперь, что коэффициент ${{c}_{n}} = {{c}_{n}}(t)$ в уравнении (4) зависит от времени и удовлетворяет системе уравнений (1). Установим, каким образом тогда меняются данные рассеяния во времени.
Теорема 2. Если в уравнении (4) с коэффициентом ${{c}_{n}} = {{c}_{n}}(t)$, где ${{c}_{n}}(t)$ является решением системы уравнений (1), то эволюция правых данных рассеяния описывается формулами
(15)
$\begin{gathered} {{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,t} \right) = {{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,0} \right)\exp \left\{ {\beta ({{z}^{{ - 4}}} - {{z}^{4}})t + \left( {4\beta - \alpha } \right)({{z}^{{ - 2}}} - {{z}^{2}})t} \right\},\quad {{z}_{k}}(t) = {{z}_{k}}(0) = {{z}_{k}}, \\ m_{k}^{ + }(t) = m_{k}^{ + }(0)\exp \left\{ {\beta (z_{k}^{{ - 4}} - z_{k}^{4})t + \left( {4\beta - \alpha } \right)(z_{k}^{{ - 2}} - z_{k}^{2})t} \right\},\quad k = 1,\;...,\;N. \\ \end{gathered} $Доказательство. Из соотношения (14) следует, что оператор $B = \frac{d}{{dt}} + A$ переводит решения уравнения (4) с параметром $t$ в решения того же уравнения. Используя (5), обычным образом (см. [2], [4], [5]) можно обосновать, что при $n \to \pm \infty $
Пользуясь теперь соотношениями (15), получаем следующий алгоритм решения задачи (1), (2) методом обратной спектральной задачи.
Алгоритм 2
Дано начальное условие ${{c}_{n}}(0) = {{\hat {c}}_{n}}$.
Шаг 1. Строим данные рассеяния $\left\{ {{{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,0} \right);{{z}_{k}}(0);m_{k}^{ + }(0),\quad k = 1,\;...,\;N} \right\}$.
Шаг 2. Вычисляем совокупность $\left\{ {{{r}^{ + }}\left( {z,t} \right);{{z}_{k}}(t);m_{k}^{ + }(t),\quad k = 1,\;...,\;N} \right\}$ по формулам (15).
Шаг 3. Решая по совокупности $\left\{ {{{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,t} \right);{{z}_{k}}(t);m_{k}^{ + }(t),\quad k = 1,\;...,\;N} \right\}$ обратную спектральную задачу с помощью алгоритма 1, где в (7) вместо ${{r}^{ + }}\left( z \right),\,\,m_{k}^{ + }$ следует подставить ${{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,t} \right),\;m_{k}^{ + }(t)$, строим решение.
В заключение приведем пример, когда можно построить явное решение задачи (1)–(2). Рассмотрим начальное условие ${{c}_{n}}(0) = {{\hat {c}}_{n}}$, соответствующее данным рассеяния $\left\{ {{{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,0} \right) \equiv 0;\;{{z}_{1}}(0) = } \right.$ $\left. { = {{z}_{0}},\;0 < z_{0}^{2} < 1;\;m_{1}^{ + }(0) = m,\;m > 0} \right\}$. Если величина ${{r}^{ + }}\left( {z,t} \right)$ равна нулю в начальный момент времени, она остается равной нулю на всех временах. По формулам (15) определим совокупность $\left\{ {{{r}^{ + }}{\kern 1pt} \left( {z,t} \right) \equiv 0;{{z}_{1}}(t) = {{z}_{0}},\;0 < z_{0}^{2} < 1;\;m_{1}^{ + }(t)} \right\}$. Применим алгоритм 1. С этой целью строим
где $\omega = \beta (z_{0}^{{ - 4}} - z_{0}^{4}) + \left( {4\beta - \alpha } \right)(z_{0}^{{ - 2}} - z_{0}^{2})$. В этом случае уравнение (8) с параметром $t$ сводится к линейному алгебраическому уравнению и решается явно. Ищем решение уравнения (8) с параметром $t$ в виде Подставляя (16), (17) в уравнение (8), получаемАвторы выражают благодарность рецензенту за полезные замечания, которые способствовали улучшению содержания работы.
Список литературы
Богоявленский О.И. Некоторые конструкции интегрируемых динамических систем// Изв. АН СССР. Сер. матем. 1987. Т. 51. № 4. С. 737–767.
Манаков C.B. О полной интегрируемости и стохастизации в дискретных динамических системах // Ж. эксперим. и теор. физ. 1974. Т. 67. № 2. С. 543–555.
Березанский Ю.М. Интегрирование нелинейных разностных уравнений методом обратной спектральнойзадачи // Докл. АН СССР. 1985. Т. 281. № КС. 16–19.
Teschl G. Jacobi operators and completely integrable nonlinear lattices // Math. Surv. and Monographs, 72. Amer. Math. Soc. Providence, RI, 2000.
Ханмамедов Аг.Х. Метод интегрирования задачи Коши для ленгмюровской цепочки с расходящимсяначальным условием // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2005. Т. 45. № 9. С. 1639–1650.
Верещагин B.Л. Интегрируемая краевая задача для цепочки Вольтерра на полуоси / / Матем. заметки. 2006. Т. 80. № 5. С. 696–700.
Махмудова М.Г., Ханмамедов Аг.Х. Асимптотически периодическое решение задачи Коши для ленгмюровской цепочки // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2015. Т. 55. № 12. С. 1639–1650.
Осипов А.С. Дискретный аналог уравнения Кортевега-де Фриза: интегрирование методом обратной задачи // Матем. заметки. 1994. Т. 56. № 6. С. 141–144.
Крейн C.Г. Линейные дифференциальные уравнения в банаховом пространстве. М.: Наука, 1967.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал вычислительной математики и математической физики