Дифференциальные инварианты и спектральный метод в прямых и обратных задачах с переменными коэффициентами тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.02 ВАК РФ

На правах рукописи

Меграбов Александр Грайрович

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ИНВАРИАНТЫ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД В ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ ЗАДАЧАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

01.01.02 — дифференциальные уравнения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Новосибирск — 2004

Работа выполнена в Новосибирском государственном университете и в Институте вычислительной математики и математической геофизики Сибирского Отделения Российской Академии наук.

Научный консультант:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

академик РАН, советник РАН, доктор физико-математических наук, профессор Алексеев Анатолий Семенович.

доктор физико-математических наук,

профессор Григорьев Юрий Николаевич,

доктор физико-математических наук, профессор Кабанихин Сергей Игоревич,

доктор физико-математических наук, доцент Чупахин Александр Павлович.

Институт математики и механики Уральского отделения РАН.

Защита состоится ^ 2004 г. в ^ ^ часов на за-

седании диссертационного совета Д 212.174.02 при Новосибирском государственном университете по адресу: 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Новосибирского государственного университета.

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук с^т^''

Н. И. Макаренко

2 ог в 6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена исследованию дифференциальных уравнений (ДУ) в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами), прямых и обратных задач для таких уравнений на основе классического группового анализа, прежде всего, таких его конструкций, как дифференциальные инварианты, групповое расслоение и группа эквивалентности, а также с помощью спектрального метода.

Под термином "классический групповой анализ" понимается групповой анализ ДУ в рамках групп Ли, систематически изложенный в монографии Л. В. Овсянникова "Групповой анализ дифференциальных уравнений" (М., Наука, 1978). Под термином "параметр" понимается величина или функция, входящая вДУ (систему) наряду с независимыми переменными х и решением уравнения и = и(х), в частности, в виде коэффициента (например, в волновом уравнении (иХх+Щу)/п2(х, у) = ии и в уравнении эйконала {{их)2 + (иу)2}/т?(х, у) = 1 параметром является коэффициент с2(х,у) = 1/п2(х,у) или функция п2(х,у)).. Термин "произвольный" означает, что коэффициент (параметр) является произвольной (не фиксированной) функцией своих аргументов конечной гладкости из пространства Ск, а какие-либо другие ограничения на параметр не накладываются. В диссертации переменный коэффициент (параметр) п2(х,у) = и2(х,у) принадлежит классу С2 в рассматриваемой области или окрестности.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ. Среди различных направлений теории ДУ — в частных производных и обыкновенных — в течение 20-го века развивались два важных направления. Это, во-первых, классический групповой анализ ДУ на основе непрерывных групп преобразований (групп Ли), основанный во второй половине 19-го века Софусом Ли и получивший в развитие в СССР и в России прежде всего в работах Л. В. Овсянникова, его учеников и сотрудников. Во-вторых, это теория обратных задач для ДУ. Она возникла и получила импульсы к развитию в пионерских работах Г. Герглотца, Е. Вихерта (1905-1907 гг.) по одномерной обратной кинематической задаче сейсмики, В. А. Амбарцумяна (1929 г.), Г. Борга (1945), В. А. Марченко (1950, 1953), М. Г. Крейна (1951-1954), И. М. Гельфанда, Б. М. Левитана (1951) по обратной задаче Штурма — Лиувилля, П. С. Новикова (1938 г.) по обратной задаче теории потенциала, Ю. М. Березанского (1953) по первым постановкам многомерных обратных задач, А. С. Алексеева, М. М. Лаврентьева, В. Г. Романова, Ю. Е. Аниконова, А. С. Благовещенского (60-е годы) по обратным задачам теории распространения волн и обратным динамическим и кинематическим задачам сейсмики.

В последние три десятилетия групповой анализ и теория обратных задач получили особенно интенсивное развитие: исследовались всё новые типы уравнений и задач, возникающих в различных областях механики, физики, геофизики, естественных наук и технологий; получены многие важные и интересные в теоретическом и прикладном отношениях результаты.

Отметим следующие важные моменты.

1. При традиционном групповом анализе ДУ с переменными коэффициентами с использованием группы, действующей в пространстве {независимые переменные, решение уравнения}, как правило, возникают существенные ограничения на переменные коэффициенты в виде дополнительных дифференциальных уравнений для этих коэффициентов. Дело в том, что допускаемая группа Ли, определяемая в пространстве {независимые переменные х, решение уравнения и(х)}, в общем случае для многих дифференциальных уравнений в частных производных, при произвольных переменных коэффициентах (параметрах) дифференциального уравнения является тривиальной или узкой. Часто лишь в специальных случаях задания коэф-

фициентов (параметров) уравнения, которые выявляются в виде дополнительных ДУ на коэффициенты при решении задачи групповой классификации, допускаемая группа расширяется до достаточно содержательной. Эти ограничения явились серьезным препятствием для проникновения теории групп Ли в общую теорию дифференциальных уравнений, где рассматриваются "произвольные" системы и уравнения, а также послужили существенной причиной тому обстоятельству, что два важных и актуальных направления — групповой анализ дифференциальных уравнений и теория обратных задач — развивались практически независимо и не взаимодействовали между собой. Действительно, в общей теории ДУ и в обратных задачах искомые коэффициенты (параметры), входящие в дифференциальное уравнение (систему) и выражающие характеристики неоднородной физической среды, являются, как правило, произвольными (не фиксированными) гладкими функциями координат из некоторого функционального пространства и никак не обязаны удовлетворять каким-либо дополнительным дифференциальным уравнениям. Поэтому внедрение группового подхода, свободного от упомянутых ограничений на переменные коэффициенты, является актуальной задачей теории дифференциальных уравнений и открывает путь к выявлению новых свойств и возможностей классического группового анализа в математической физике.

Такой подход предложен в данной работе. Он основан на определении, систематическом изучении и использовании дифференциальных инвариантов группы эквивалентности и на преобразованиях, порождаемых этими инвариантами.

2. Обзор и анализ литературы по современному групповому анализу, в том числе монографий Л. В. Овсянникова (1962, 1966, 1978), Н. X. Ибрагимова (1967, 1972, 1983), трехтомного Handbook (1994-1996) под ред. Н. X. Ибрагимова, книг Н. Г. Чеботарева (1940), Л. П. Эйзенхарта (1947), П. Олвера (1989), В. К. Андреева, О. В. Капцова, В. В. Пухначева, А. А. Родионова (1994), В. К. Андреева, В. В. Бублика, В. О. Бытева (2003), а также результатов, содержащихся в трудах периодически проводимых международных конференций МО GRAN (Modern Group Analysis, 1992, 1997, 1999) по современному групповому анализу и других международных конференций по групповому анализу (Киев, 1999, Красноярск, 2002; Москва, 2002), анализ статей Л. В. Овсянникова по программе "ПОДМОДЕЛИ" (1994, 1999) (подмодели описывают классы точных частных решений, приводят к понижению размерности задач и делают их анализ более доступным), работ учеников и последователей Л. В. Овсянникова: А. А. Бучнева (1971), С. В. Головина (2002, 2004), Е. В. Мамонтова (1969, 1999), В. О. Бытева (1972), С. В. Мелешко (1994), В. М. Меньшикова (1972), В. В. Пухначева (1972), С. В. Хабирова (1996, 2002, 2004), А. А. Черевко (1996), Ю. И. Чекурова (1985), Ю. А. Чиркунова (1973), А. П. Чупа-хина (1997, 2004), работ В. И. Фущича (1991), В. И. Фущича, И. А. Егорченко (1992, 1997), Н. Н. Яненко, Ю. И. Шокина (1973), Ю. И. Шокина (1977), В. А. Дородницына (1989), В. А. Байкова, Р. К. Газизова, Н. X. Ибрагимова (1989), И. Ш. Ахатова, Р. К. Газизова, Н. X. Ибрагимова (1989) и других исследований показывают, что такому направлению группового анализа дифференциальных уравнений, как развитие и приложения теории дифференциальных инвариантов групп Ли, посвящено относительно небольшое количество работ. Групповое расслоение было построено ранее также для небольшого числа конкретных уравнений математической физики (некоторых уравнений газовой динамики и гидродинамики). Возможно, это связано с тем, что, в то время как отыскание допускаемой группы и групповая классификация часто носят, в основном, вычислительный характер, вычисление дифференциальных инвариантов, выделение базиса дифференциальных инвариантов и построение группового расслоения требуют дополнительных усилий. Поскольку дифференциальные инварианты и групповое расслоение ДУ занимают важное место в диссертации, приведем краткий обзор известных работ по этим направлениям.

Основы теории дифференциальных инвариантов групп Ли заложены С. Ли (1884) и А. Трессом (1894). Дальнейшее развитие она получила в работах Л. В. Овсянникова (1978) и П. Олвера (1995). Центральным положением этой теории является теорема А. Тресса о существовании конечного базиса дифференциальных инвариантов произвольной группы Ли. Эта теорема была распространена Л. В. Овсянниковым на случай бесконечных групп (1978). Приложения дифференциальных инвариантов в теоретической физике и механике сплошной среды рассмотрены в работах Ю. И. Чекурова (1985), В. И. Фущича, И. А. Егорченко (1992), И. А. Егорченко (1997). Для построения дифференциально-инвариантных решений дифференциальные инварианты применяются в работах С. В. Головина (2002, 2004), С. В. Хаби-рова (2004). Дифференциальные инварианты классических групп изучены в работе Xiaoping Xu (1998). Отметим также новый результат работы А. П. Чупахина (2004) по теории дифференциальных инвариантов, где найдено, что множество операторов инвариантного дифференцирования с помощью линейных преобразований может быть приведено к коммутативной алгебре Ли.

В отличие от упомянутых работ, в работах автора и в диссертации определяются и систематически используются не дифференциальные инварианты группы, допускаемой уравнением в пространстве {независимые переменные, решение уравнения}, а дифференциальные инварианты группы эквивалентности (в общем случае — расширенной), действующей в расширенном пространстве {независимые переменные, решение уравнения, коэффициенты (параметры) уравнения}. Как подчеркивалось выше, такой подход позволяет, прежде всего, избавиться от существенных ограничений на переменные коэффициенты, возникающие при традиционном вычислении допускаемой группы.

Кроме того, в работах автора и в диссертации дифференциальные инварианты группы эквивалентности впервые применяются по ряду новых направлений: для построения группового расслоения широкого класса дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами), для преобразования нелинейных дифференциальных уравнений, для отыскания новых классов нелинейных уравнений, допускающих представление Лакса (в виде L-A-пары), для установления новых фактов в теории прямой кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики), для исследования обратных задач, для отыскания точных частных решений, в качестве источника новых дифференциальных тождеств и для других целей.

Впервые классический групповой анализ систематически применяется — в рамках этого подхода — для исследования обратных задач, а также для обнаружения новых нелинейных эволюционных уравнений, допускающих представление Лакса.

Групповое расслоение можно рассматривать как одно из направлений и приложений теории дифференциальных инвариантов и как некоторое специальное преобразование исходного ДУ, порождаемое действием допускаемой группы. Задача группового расслоения была поставлена Софусом Ли в начале 20-го столетия и была решена его учеником Е. Vessiot в 1904 г. в параметрическом виде. Затем, по выражению Л. В. Овсянникова (1978, с. 310), она была "прочно забыта". Общая теория группового расслоения на основе теории автоморфных систем дана и изложена Л. В. Овсянниковым (1978). Известны следующие результаты по групповому расслоению для конкретных уравнений математической физики. В работе P. Kucharczyk (1969) получено групповое расслоение уравнений "коротких волн" в газовой динамике; в ней использован параметрический метод Е. Vessiot (1904). При этом выяснилось, что параметрический метод приводит к громоздким формулам. В работе Л. В. Овсянникова (Динамика сплошной среды, 1969, вып. 1, с. 24-35) выполнено групповое расслоение пограничного слоя (в плоском стационарном случае) и показано, что оно может быть проведено непосредственно в исходных перемен-

ных, без введения формальных параметров Е. Vessiot, то есть в явном виде. Кроме того, Л. В. Овсянниковым (1969) получен следующий результат: обнаружено, что исходная краевая (прямая) задача для этих уравнений пограничного слоя может быть трансформирована в краевую (прямую) задачу для разрешающей системы группового расслоения. Эта работа Л. В. Овсянникова оказала большое влияние на исследования автора и послужила определенным эталоном (моделью) построения группового расслоения и его использования. В статье Л. В. Верещагиной (1973) результаты работы Л. В. Овсянникова (1969) обобщены на нестационарный пространственный (трехмерный) случай. В работе Л. В. Овсянникова (1993) построено групповое расслоение системы уравнений гидродинамики в трехмерном случае для идеальной несжимаемой жидкости относительно некоторой бесконечной допускаемой группы преобразований. В работах С. В. Головина (2002, 2004) дано групповое расслоение стационарных уравнений газовой динамики и уравнения Кармана — Гудерлея для сверхзвуковых газовых течений.

В работах автора и в диссертации строится в явном виде групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром). Этот класс включает в себя многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики и их обобщения, перечисленные в § 2.5. В отличие от упомянутых выше работ, здесь групповое расслоение строится не относительно группы, действующей в пространстве {независимые переменные решение прямой задачи а относительно группы эквивалент-

ности, действующей в пространстве {независимые переменные х, решение прямой задачи и = и1, параметр о = и2}. При этом впервые обнаружено, что разрешающая система НЕ группового расслоения для широкого класса яиференциальных 'уравнений Е, представляющая собой систему квазилинейных дифференциальных уравнений, допускает представление Лакса.

3. В диссертации рассматриваются на основе классического группового анализа две обратные задачи — обратная кинематическая задача сейсмики (геометрической оптики, обратная задача для нелинейного уравнения эйконала) и обратная задача для волнового уравнения. Выбор уравнения эйконала и волнового уравнения определяется тем, что эти уравнения являются основными классическими математическими моделями в теории прямых и обратных задач распространения волн и сейсми-ки. Нелинейная многомерная обратная кинематическая задача сейсмики (вопросы единственности решения, оценки устойчивости) исследована в работах Ю. Е. Ани-конова (1969, 1972, 1978, 1990), Р. Г. Мухометова (1975, 1977, 1981), Р. Г. Мухоме-това, В. Г. Романова (1978), В. Г. Романова (1973, 1974), С. В. Гольдина (1977), И. Н. Берншейна, М. Л. Гервера (1978, 1980), Г. Л. Бейлькина (1979), Л. Н. Пе-стова (1990, 2003), В. А. Шарафутдинова (1988, 1995), А. Л. Бухгейма (1983, 1988). В этих постановках либо искомый параметр п(х) является аналитической функцией по всем или по части переменных либо поле времен задаваемое на границе области, является функцией более чем п переменных (переопределение), либо функция годографа т(ж,хо) задается на всей границе области (а не на ее части). В работе А. В. Белоносовой, А. С. Алексеева (1967) предложен метод решения двумерной обратной кинематической задачи с помощью сведения ее к задаче Коши для нелинейного трехмерного уравнения относительно некоторой функции т(х\,Х2,г{). Идея введения этой функции, как отмечено в этой статье, принадлежит М. М. Лаврентьеву. В работах А. С. Алексеева, А. В. Белоносовой, В. А. Цецохо, А. С. Белоносова (1998, 2004) методика этой статьи распространена на трехмерный случай. В работе М. Е. Романова, А. С. Алексеева (1977) развит численный метод решения кинематической обратной задачи с помощью метода характеристик. Результаты по обратным задачам для волнового уравнения и, в более

общем плане, — обратным задачам для уравнений второго порядка гиперболического типа — систематизированы в обобщающих монографиях М. М. Лаврентьева, В. Г. Романова, С- П. Шишатского (1980), М. М. Лаврентьева, Л. Я. Савельева (1980), В. Г. Романова (1972, 1973, 1984, 2002), А. Л. Бухгейма (1983, 1988, 1999, 2000), С. И. Кабанихина (1988), С. И. Кабанихина и А. Лоренци (1999), Ю. Е. Ани-конова (1978, 1995), М. И. Белишева, А. С. Благовещенского (1999), а также в аналитических статьях А. С. Алексеева (1967, 2003), А. С. Алексеева, С. И. Кабанихина (2003), С. И. Кабанихина (2003), В. Г. Романова, С. И. Кабанихина (1994). В аспекте численного решения многомерные обратные задачи для гиперболических уравнений рассматривались в работах С. И. Кабанихина и его сотрудников (2003).

Заметим, что, с точки зрения и на основе классического группового анализа обратная кинематическая задача сейсмики, обратная задача для волнового уравнения и, в более общем плане, обратные задачи для дифференциальных уравнений с переменными параметрами (в частности, коэффициентами), ранее, до работ автора, систематически не рассматривались. Именно в этом аспекте данные обратные задачи исследуются в диссертации. Предлагаемый подход к обратным задачам состоит в преобразовании исходного ДУ (системы) с помощью дифференциальных инвариантов группы эквивалентности данного дифференциального уравнения (системы) и связей между этими дифференциальными инвариантами, что в частности, позволяет сводить обратные задачи к прямым и определять некоторые функционалы в локальных обратных задачах (при задании информации на части границы).

4. В теории обратных задач также были и есть неисследованные области и задачи. Например, до работ [1-5] обратные задачи для уравнений смешанного типа и нелинейные дискретные обратные задачи об одновременном определении координат и параметров произвольного множества точечных источников по суммарному полю, заданному в конечном множестве точек, в точной (не асимптотической) постановке не формулировались и не рассматривались. Между тем они возникают в теории распространения волн, в геофизике, акустике и в других областях. Классическая методическая база теории обратных задач и, в частности, спектральный метод, также нуждается в развитии и расширении.

ЦЕЛИ, ЗАДАЧИ И НАПРАВЛЕНИЯ РАБОТЫ уточнялись и дополнялись в ходе исследований и заключаются в следующем. 1. Начать систематическое взаимодействие классического группового анализа ДУ и теории обратных задач; выявить новые, не используемые ранее возможности и свойства конструкций группового анализа, прежде всего, дифференциальных инвариантов, группового расслоения и группы эквивалентности, в приложениях к ДУ математической физики.

2. Выполнение группового анализа ДУ с переменными коэффициентами на основе подхода, свободного от существенных ограничений на эти коэффициенты в виде дополнительных ДУ, которые, как правило, возникают при традиционном групповом анализе с использованием допускаемой группы в пространстве {независимые переменные, решения ДУ} и выявляются в задаче групповой классификации.

3. Систематическое внедрение этого подхода для исследования и решения ряда актуальных проблем для дифференциальных уравнений математической физики с произвольными (гладкими) переменными коэффициентами: прямые и обратные задачи; поиск и исследование новых нелинейных уравнений, допускающих представление Лакса; поиск новых эффективных преобразований линейных и нелинейных ДУ математической физики; отыскание новых точных частных решений ДУ; обнаружение новых дифференциальных тождеств и их использование в прямых и обратных задачах и другие.

4. Постановка и исследование новых, неклассических обратных задач — обратных задач для уравнения смешанного типа, а также дискретных нелинейных обратных задач об одновременном определении координат и параметров произвольного множества точечных источников (излучателей, осцилляторов, точечных масс) по суммарному полю в конечном множестве точек в точной (не асимптотической) постановке; постановка и исследование неклассических прямых задач для уравнения смешанного типа (уравнения Чаплыгина), возникающих в теории распространения волн в неоднородных слоистых средах; распространение спектрального метода на обратные задачи для уравнений смешанного типа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА И ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. Все результаты, приведенные в диссертации, являлись на момент их опубликования новыми. Основные результаты, представляемые автором к защите, состоят в следующем.

I. Выполнен групповой анализ в рамках групп Ли точечных преобразований для широкого класса линейных и нелинейных дифференциальных уравнений (ДУ) в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами), который свободен от существенных ограничений на эти коэффициенты (параметры) в виде дополнительных дифференциальных уравнений, возникающих, как правило, при традиционном групповом анализе с использованием допускаемой группы в пространстве {независимые переменные, решение ДУ} и в задаче групповой классификации при расширении допускаемой группы. Этот класс включает многие классические линейные и нелинейные ДУ математической физики с переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у). В том числе уравнение эйконала, уравнение характеристик волнового уравнения, линейные и нелинейные уравнения: волновые, теплопроводности, эллиптического типа, в том числе уравнения Гельмгольца, Пуассона, и их обобщения вила Ди/п2(х, у) = Р(1, и,т, ии, ((и*)2 + {иу)2)/п2(х, у)), ((их)2 + (иу)2)/п2(х,у) = /(¿, и,и(), где Р, / — произвольные гладкие функции; уравнения минимальной поверхности, заданной средней кривизны и другие.

В предложенном (в 1983 г. [б, 7]) подходе групповой анализ выполняется на основе определения, систематического изучения и применения дифференциальных инвариантов группы эквивалентности данного ДУ, в том числе группового расслоения ДУ относительно группы эквивалентности.

С помощью предложенного подхода получены следующие результаты:

1. Найдена и систематически изучена бесконечная группа О точечных преобразований пространства пяти переменных Ь, х, у, и1, и2 с алгеброй Ли инфинитези-мальных операторов X ее однопараметрических подгрупп вида

где Ф, Ф — произвольные сопряженные гармонические функции. Показано, что эта группа является допускаемой группой (эквивалентности) для широкого класса ДУ в частных производных с переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у), включающего упомянутые классические ДУ математической физики. Исследованы свойства группы С: вычислены в явном виде ее инварианты и универсальные дифференциальные инварианты вплоть до второго порядка и найдены связи между ними, вычислены операторы инвариантного дифференцирования; найден базис дифференциальных инвариантов группы (доказана теорема о базисе). Найдено, что один из дифференциальных инвариантов группы выражается только через коэффициент (параметр) ь?(х,у) и является гауссовой кривизной некоторой поверхности. Это устанавливает связь исследуемой группы с дифференциальной и римановой геометрией.

2. Построено в явном виде групповое расслоение (относительно группы эквивалентности) для широкого класса ДУ с произвольным переменным коэффициентом

(параметром) содержащего многие классические линейные и нелинейные

ДУ математической физики и их обобщения, в том числе упомянутые выше уравнения.

3. Открыт (в 1988 г. [9]) новый класс нелинейных эволюционных дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса — семейство разрешающих систем ЯЕ группового расслоения широкого класса ДУ в частных производных (включающего упомянутые выше ДУ) с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у). Операторы Ь, А пары Лакса всюду построены при этом в явном виде. Найдены преобразования зависимых и независимых переменных, с помощью которых этот класс ДУ трансформируется в это семейство ДЕ.

Этот факт устанавливает новое свойство группового расслоения, расширяет список известных нелинейных дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса, и дает новый подход к поиску таких уравнений.

4. Показано, что ряд нелинейных уравнений математической физики(уравнение эйконала З7 — {(и*)2 + (иу)2}/п2(х,у) = 1 и его обобщение З7 = ^з(и), где <р — произвольная гладкая функция; уравнение характеристик волнового уравнения {(и») +(иу)2}/п2(х,у) = (ш)2) трансформируется в классические скалярные обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе линейные (Штурма — Лиувил-ля). Найдены соответствующие преобразования. Показано, что для этих уравнений разрешающая система ЯЕ группового расслоения (относительно С) может быть представлена в форме квазилинейного скалярного уравнения второго порядка.

Единообразным генератором найденных преобразований в п. 3, 4 является семейство дифференциальных инвариантов рассматриваемой группы и связи между ними, в частности, найденное дифференциальное тождество. Данные дифференциальные замены также порождаются групповым расслоением исходного дифференциального уравнения относительно рассматриваемой группы (эквивалентности) О. Роль новых независимых и (или) зависимых переменных при этих преобразованиях играют в п. 3, 4 дифференциальные инварианты группы (эквивалентности) О.

5. Получены уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) и позволяющие сводить к ним эту задачу. При этом поставлен и исследован ряд не рассматриваемых ранее вопросов в классической прямой кинематической задаче для уравнения эйконала с переменной скоростью распространения волн и обнаружены новые математические факты и связи. В том числе:

построено групповое расслоение уравнения эйконала {тх)2 + (1~у)2}/п2(х,у) = 1 относительно группы эквивалентности (б);

показано, что уравнение эйконала трансформируется в квазилинейное волновое уравнения, которое допускает представление Лакса;

получены оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей; показана возможность трансформации уравнения эйконала в классические скалярные обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе в уравнение Рик-кати и линейное уравнение второго порядка. Найдены дифференциальные комбинации поля времен и показателя преломления, являющиеся дифференциальными инвариантами группы, которые на произвольном луче удовлетворяют этим классическим уравнениям;

показано, что обратные задачи сводятся к некоторым прямым для разрешающего уравнения группового расслоения;

получены новые дифференциальное и интегральное тождества, формулы для определения ряда функционалов в локальных обратных задачах;

найдены величины (дифференциальные комбинации поля времен и показателя преломления), не зависящие от положения точечного источника сигналов.

В классической одномерной обратной кинематической задаче установлено наличие бесконечного множества законов сохранения с функциональным произволом для разрешающей системы, что позволило получить ряд дополнительных формул и новый явный способ решения этой задачи.

6. Ряд аналогичных результатов — групповое расслоение, представление Лакса, преобразование в классические скалярные обыкновенные ДУ, дифференциальные и интегральные тождества, формулы для функционалов в обратных задачах — получен для волнового уравнения Аи/п2(х,у) = ии, уравнения = <р(и), обобщающего уравнение эйконала, уравнения характеристик волнового уравнения З1 = (и«)2 И других ДУ с переменным коэффициентом

Впервые (начиная с 1983 г. классический групповой анализ систематиче-

ски применяется для исследования обратных задач.

7. Найдено новое дифференциальное тождество (3-го порядка), связывающего лапласиан и модуль градиента скалярной функции двух независимых переменных.

8- Предложен (в 1988 г. [8, 10]) подход на основе группового расслоения относительно группы эквивалентности, позволяющий систематически отыскивать новые классы точных частных решений ДУ математической физики с переменным (или постоянным) коэффициентом (параметром). С его помощью найдено несколько семейств новых точных частных решений двумерного волнового уравнения с переменной скоростью распространения волн и эллиптического уравнения, в частности, трехмерного уравнения Лапласа, в том числе — в элементарных функциях. Кроме того, дано описание класса функционально-инвариантных решений двумерного волнового уравнения с переменной скоростью в терминах группового расслоения относительно группы эквивалентности.

9. Сформулирована новая задача группового анализа — обратная задача группового расслоения.

Главным, единообразным и впервые (систематически) применяемым средством исследований по перечисленным направлениям и получения сформулированных результатов являются дифференциальные инварианты группы эквивалентности (в общем случае — расширенной) и порождаемые ими преобразования.

Перечисленные выше результаты выявляют и показывают ряд новых, не используемых ранее свойств и возможностей классического группового анализа, прежде всего, таких общих его конструкций, как дифференциальные инварианты, групповое расслоение и группа эквивалентности.

11. Впервые поставлены и исследованы (получены теоремы единственности, способы решения) неклассические обратные задачи двух видов — обратные задачи для уравнения смешанного (эллиптико-гиперболического) типа (об определении переменного коэффициента К{г) в у р а =10) и дискретные нелинейные обратные задачи (нестационарные,стационарные, статические) об одновременном определении параметров и координат произвольного множества точечных источников (излучателей, осцилляторов, точечных масс) в трехмерном пространстве (для волнового уравнения, уравнения Пуассона) по суммарному полю в конечном множестве точек в точной (не асимптотической) постановке.

Область применения спектрального метода расширена на обратные задачи для уравнений смешанного типа.

Дана постановка, доказаны теоремы единственности и существования, получено интегральное представление решения неклассических прямых задач для уравнения смешанного (эллиптико-гиперболического) типа в неограниченной области (полосе) с условием наклонной производной на одной из границ полосы, возникающих в задаче рассеяния плоских волн на неоднородных слоях.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ. Основой исследований и получения результатов в диссертации служат теория дифференциальных уравнений (обыкновенных и частных производных) и классический групповой анализ ДУ. Особенно большое значение для понимания автором свойств и роли группового расслоения и тематики группового анализа сыграла в диссертации упомянутая работа Л. В. Овсянникова 1969 г. и его монографии. Групповой анализ дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами) без существенных ограничений на коэффициенты (параметры) и распространение группового анализа на обратные задачи выполнены с помощью подхода, предложенного автором и описанного в § 1.3 главы 1. При получении результатов главы 5 также используются: теория аналитических функций комплексного переменного; спектральный метод, результаты Б. М. Левитана и М. Г. Гасымова (1964) для обратной задачи определения регулярного оператора Штурма — Лиувилля по двум спектрам, В. А. Марченко (1950, 1953) и М. Г. Крейна (1951-1954) по обратным спектральным задачам для уравнения Штурма — Лиувилля и уравнения струны; асимптотические формулы Я. Е. Ьагщег'а (1931) для решений линейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка и" 4- {р2<р2(х) — хС2)} = 0> гДе Р ~ комплексный параметр, а функция <р2(х) может обращаться в нуль; теория Г-систем (систем функций Чебышева). Формулы Я. Е. Еагщег'а (1931) в теории уравнений смешанного типа и теория Г-систем в обратных задачах привлекаются впервые. В плане методологии применения спектрального метода к обратным задачам основное влияние на автора оказали работы А. С. Алексеева (1962, 1967) по обратным задачам теории распространения волн и обратным динамическим задачам сейсмики.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА. Результаты получены лично автором за период 1975-2004 гг. и опубликованы (без соавторства) в 28 работах, в том числе в монографии [23], изданной за рубежом на английском языке.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ. Представляется, что предпринятая автором попытка объединения и взаимодействия классического группового анализа и теории обратных задач для дифференциальных уравнений, предложенный групповой подход к исследованию дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами), обнаружение существования представления Лакса у разрешающей системы группового расслоения широкого класса уравнений, получение нового дифференциального тождества, новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики), применение группового расслоения для отыскания точных частных решений и другие результаты глав 1—4, полученные на основе систематического изучения множества дифференциальных инвариантов группы эквивалентности, выявляют новые возможности группового анализа и могут стимулировать дальнейшие исследования в этих направлениях. Решение сформулированной автором (в § 1.3) обратной задачи группового расслоения могло бы привести к появлению нового подхода к решению задач для нелинейных дифференциальных уравнений (систем). Неклассические постановки прямых задач в полосе и первые постановки обратных задач главы 5 для уравнения смешанного типа, имеющего вид уравнения Чаплыгина, возникающие в задаче рассеяния плоских волн на неоднородных слоях в теории упругости и в акустике, возможно, найдут заинтересованных исследователей в области газовой динамики, где также возникает уравнение Чаплыгина, а также, возможно, послужат импульсом к дальнейшему развитию теории обратных задач для уравнений смешанного типа. Новые постановки дискретных обратных задач гл. 5 об определении произвольного множества точечных источников (излучателей, осцилляторов, точечных масс) в трехмерном пространстве возникают во многих ситуациях в геофизике, акустике, биофизике, теории антенн и других технических

и естественнонаучных областях, когда необходимо определить координаты и (или) параметры отдельных источников по суммарному полю (акустическому, упругих или электромагнитных колебаний, гравитационному и др.). Они могут найти применение в этих областях в тех случаях, когда в эксперименте затруднительно или невозможно определить координаты и другие параметры отдельных источников, а можно измерить лишь суммарное поле, генерируемое всем множеством источников.

Тема диссертации утверждена Ученым советом Новосибирского государственного университета (протокол № 2 (204) от 14.05.03). Работа выполнялась также в соответствии с планами научно-исследовательских работ ИВМ и МГ СО РАН по теме "Методы математического моделирования в геофизике" (номер государственной регистрации 01.9.30001319), в рамках интеграционного проекта СО РАН "Геотомография" № 1, проекта Минпромнауки "Ведущие научные школы" (№ 00-15-98544), гранта РФФИ 99-05-64538.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международном семинаре "Обратные задачи геофизики" (Новосибирск, 1996), Международной конференции "Обратные задачи математической физики" , приуроченной к 70-летию акад. А. С. Алексеева и 60-летию член.-корр. РАН В. Г. Романова (Новосибирск, 1998), Международной конференции "Некорректные и обратные задачи", приуроченной к 70-летию акад. М. М. Лаврентьева (Новосибирск, 2002), Международной конференции "Математические методы в геофизике", приуроченной к 75-летию акад. А. С. Алексеева (Новосибирск, 2003); на Всесоюзной математической школе по обратным задачам математической физики (Киев, 1975), Всесоюзной школе-семинаре по геофизической голографии (Томск, 1978), Всесоюзной конференции "Традиционные и новые вопросы сейсмологии" (Душанбе, 1978), Всесоюзной школе-семинаре по теории некорректных задач (Самарканд, 1983), Всесоюзной конференции по нелинейным задачам математики (Звенигород, 1988), на Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в геофизике" (Новосибирск, 1988), на Всесоюзной математической школе-семинаре (г. Находка, 1988), Всесоюзной конференции "Математические методы в механике", приуроченной к 70-летию акад. Л. В. Овсянникова (Новосибирск, 1989), Третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98) (Новосибирск, 1998), Всероссийской конференции "Новые математические модели в механике сплошных сред", приуроченной к 85-летию акад. Л. В. Овсянникова (Новосибирск, 2004), Международной школы-конференции "Анализ и геометрия — 2004", приуроченной к 75-летию акад. Ю. Г. Решетняка (Новосибирск, 2004), Пятом Всероссийском семинаре "Сеточные методы для краевых задач и приложения", посвященном 200-летию Казанского государственного университета (Казань, 2004); на научных семинарах ПОМИ им. В. А. Стеклова под руководством проф. В. М. Бабича (1985, 2004); Отдела вычислительной математики РАН под руководством акад. Г. И. Марчу-ка (Москва, 1985); Института гидродинамики СО РАН им. М. А. Лаврентьева под руководством акад. Л. В. Овсянникова (1984, 2004), акад. В. Н. Монахова (2004); Вычислительного центра СО АН СССР и Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН под руководством акад. М. М. Лаврентьева и акад. А. С. Алексеева (1975-2004 г.), Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН под руководством акад. М. М. Лаврентьева, член.-корр. В. Г. Романова (2004), проф. В. С. Белоносова и д.ф.-м.н. М. В. Фокина, проф. А. М. Блохина, кафедры математической геофизики Новосибирского государственного университета под руководством акад. А. С. Алексеева (2004), кафедры математического анализа МГУ им. М. В. Ломоносова под руководством проф. А. И. Прилепко (2004), Международном семинаре Института вычислительной математики РАН под руководством Е. Е. Тыртышникова (Москва, 2004), Института математики и механики УрО РАН

под руководством чл.-корр. РАН В. В. Васина (Екатеринбург, 2004), Института вычислительного моделирования СО РАН под руководством проф. В. К. Андреева (Красноярск, 2004).

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и 4 приложений. Объем диссертации 276 страниц, включая 4 рисунка и 28 страниц приложений. Список литературы содержит 313 наименований. Текст подготовлен в издательской системе Latex.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении формулируются цели, направления и задачи исследований, перечисляются основные результаты, дается краткая библиография по направлениям, касающимся диссертации.

Первая глава является вводной по отношению по отношению к главам 2—4. Здесь излагается предложенный групповой подход к исследованию ДУ с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) и к обратным задачам на основе дифференциальных инвариантов группы эквивалентности и мотивация его возникновения.

В § 1 поясняется предлагаемый подход к выбору и отысканию группы, допускаемой дифференциальным уравнением (системой) с переменным коэффициентом (параметром), а также иллюстрируется его действие на примерах конкретных уравнений: волнового, Гельмгольца, эйконала (с использованием приложений 1-4). Если мы согласно общей теории вычислим группу. допускаемую уравнением эйконала {(т*)2 + (ту)*}/пг(х, у) = 1 в пространстве (х,у,т), то найдем, что при произвольной функции п(х, у) это ДУ допускает лишь однопараметрическую группу переносов по т. Чтобы это ДУ допускало более широкую группу, необходимо, чтобы п(х, у) удовлетворяла некоторой системе ДУ (утверждение 3.1 приложения 1). Аналогичный результат получим, если г дополнительно зависит от параметра t (например, t — параметр точечного источника сигналов), явно не входящего в уравнение эйконала, и группа отыскивается в пространстве х, у, t, т. Аналогичная ситуация возникает при вычислении группы, допускаемой волновым уравнением Аи/п2(х) = utt (утверждения 1.1, 1.2 прил. 1) и уравнением Гельмгольца Ли + к2п(х) = О (утверждения 1.3, 1.4 прил. 1), где х = (х,у) или х = (x,y,z) в пространстве (х,и), х = (х, t) или х = х (к2 = t): для содержательного расширения допускаемой группы при произвольном п(х) необходимо наложить на коэффициент п(х) существенные ограничения в виде некоторой системы ДУ. Эта ситуация является типичной при групповом анализе ДУ (системы) вида ^[it, а] = 0 относительно решения и(х) с переменными коэффициентами (параметрами) а(х): достаточно содержательная группа Go точечных преобразований пространства (х, и) во многих случаях существует лишь при существенных ограничениях на параметр а(ж) в виде ДУ, что подтверждает опыт решения задачи групповой классификации многих ДУ вида Т[и,а] = 0 с "произвольным элементом" а(х) (С. Ли (1881), JI. В. Овсянников (1959, 1960), G. W. Bluman, S. Kumei (1987), Н. X. Ибрагимов (Handbook, 19941996) и др.).

Чтобы избавиться от таких ограничений на переменные коэффициенты (параметры) ДУ, предложен (в 1983 г. [6, 7]) и применяется следующий подход.

А. Исходное дифференциальное уравнение (система) Ео вида Т\и, а] = 0, где и(х) — решение (прямой задачи), а{х) — параметры, например, коэффициенты (искомые в обратной задаче), х — независимые переменные, J- — (здесь и всюду ниже) некоторый заданный дифференциальный оператор, действующий, вообще говоря, как на и(х), так и на а(х), рассматривается как уравнение (система) Е вида Т\и}, и2] — О (с тем же оператором J7) относительно полностью равноправных зависимых переменных и1 = и, и2 = а.

В. В качестве базовой группы группового анализа выбирается и отыскивается группа Ли О точечных преобразований, допускаемая уравнением Е в пространстве (ж,к1,«2). Она, вообще говоря, содержит группу эквивалентности С?е9 уравнения Ео, определяемую в работах Л. В. Овсянникова (1978, 1994), в качестве подгруппы и является, таким образом, в общем случае ее расширением в пространстве (х,и\и2).

С В. Мелешко (1994) предложил аналогичное расширение группы эквивалентности в более общем случае, когда произвольный элемент а может зависеть дополнительно от и.

Применение этого подхода к упомянутым уравнениям: эйконала (при этом записываем его в виде {(г4)2 + (и\)2}/и2 = 0, и2 = 0, т. е. и1 = т^ж), и2 = п2(х)), волновому, Гельмгольца, как показывают вычисления основной допускаемой группы этих ДУ в форме ^[и1 ,и2] = 0 (приложения 2-4), показывает, что в каждом случае ДУ допускает достаточно широкую группу преобразований пространства (х, и1, и2) и (4, х, и1, и2) без каких-либо ограничений на и2 = п2(х) в виде ДУ. Причем для всех упомянутых ДУ основная группа в случае двух "пространственных" переменных х — (х,у) содержит, как следует из утверждений 2.1, 2.2, 3.1, 3.2, 4.1, 4.2 прил. 2-4, бесконечную подгруппу С? с операторами вида (0.1).

Автор считает, что обратные задачи для ДУ представляют собой благоприятное и естественное поле для взаимодействия с теорией группового анализа для ДУ (в частности, с теорией группового расслоения) именно в силу того, что пространство (и1, и2) искомых функций в обратных задачах является более широким, чем в соответствующей прямой задаче (пространство Поэтому проведение и использование группового анализа в рамках группы С как (расширения) группы эквивалентности в пространстве (ж,!»1,«2) является для обратных задач вполне естественным. Однако, как следует из результатов глав 3-4, предлагаемый подход оказывается полезным и для отыскания новых математических связей и свойств в отношении решения и1 прямой задачи. Отметим, что подход, применяемый М. В. Нещадимом (2002) к обратным задачам для уравнения теплопроводности, использует группу, действующую в пространстве что приводит к ограничениям на коэффициент в виде дополнительных ДУ.

В § 2 перечисляются основные применяемые обозначения и термины группового анализа и дается краткое описание задачи группового расслоения.

В § 3 излагается схема предлагаемого и применяемого в гл. 2-4 группового подхода в нескольких вариантах, формулируется обратная задача группового расслоения. После выполнения шагов А, В § 1 схема подхода продолжается следующим образом.

С Определяется и систематически изучается множество дифференциальных инвариантов / найденной группы эквивалентности О, исследуются и используются связи между этими инвариантами, определяется конечный базис дифференциальных инвариантов группы О. В частности, групповое расслоение ДУ строится также относительно этой группы эквивалентности.

Б. ДУ Е записывается в виде Ф(^) = 0, где 3 — универсальный дифференциальный инвариант подходящего порядка к. В £ выделяются две части 3', 3". Далее выполняется и применяется преобразование исходного ДУ (системы) в котором роль новых зависимых переменных играет часть дифференциальных инвариантов 3" группы эквивалентности О, а независимых — также дифференциальные инварианты 3' группы О (и тогда возникает преобразование (х, и1, и2) —» т = 3', У(т) = У(З') = 3") или исходные независимые переменные х. В частности, такое преобразование порождается групповым расслоением относительно О.

Далее исследование ДУ с произвольным переменным коэффициентом (параметром) может развиваться по крайней мере по двум вариантам (оба реализованы в работе).

Е. Первый вариант. Строится групповое расслоение ДУ Е в пространстве (ж, и1, и2) относительно группы в: Е Л(3 и ЯЕ, где автоморфная система Ж? имеет вид системы ДУ вида 3" = У(З') относительно и1 (ж), и2(а;), а разрешающая система ЛЕ есть система ДУ относительно У(т). Далее последовательно интегрируется ЯЕ, Ай и возвращаемся к исходной системе Ео, к и1(а:), и2(а;). На этом пути: 1) получены преобразования широкого класса ДУ Е в ДУ разрешающей системы RE, которая обладает специальным свойством: она допускает представление Лакса; 2) получены преобразования ряда обратных задач (для уравнения эйконала, волнового уравнения) для ДУ Е в прямые задачи для системы ДУ RE с этим специальным свойством; 3) найдено несколько семейств точных частных решений волнового и эллиптического уравнений с переменным или постоянным коэффициентом п2(х,у).

Е. Второй вариант. Групповое расслоение не строится, а используются найденные в п. С связи между дифференциальными инвариантами (в виде дифференциальных тождеств). На этом пути: 1) получено преобразование ряда классических нелинейных ДУ математической физики в классические скалярные обыкновенные ДУ для У(т), в том числе — линейные; 2) найдено новое дифференциальное тождество и на его основе — тождества в переменных х и в 3' для решений широкого класса ДУ в частных производных с переменным параметром и2(х, у), позволяющие определять ряд функционалов в обратных задачах для этих ДУ.

В § 3 сформулирована новая задача группового анализа— обратная задача группового расслоения. В классической (условно прямой) задаче группового расслоения задана система (дифференциальное уравнение) Е и допускаемая ею группа G; требуется получить описание каждого отдельного класса (орбиты) эквивалентных решений и описание всех таких классов (орбит) в терминах дифференциальных уравнений, т. е. построить автоморфную и разрешающую системы группового расслоения Е относительно G.

Обратная задача группового расслоения. Пусть задана (нелинейная) система R дифференциальных уравнений. Требуется выяснить, существует ли такое дифференциальное уравнение (система) Е и такая нетривиальная группа Ли G точечных преобразований, что данная система R является разрешающей системой RE уравнения Е относительно группы G. И, если такая пара (Е, в) существует, то требуется найти ее. Представляется, что решение такой задачи могло бы дать новый подход к решению задач для нелинейных дифференциальных уравнений (систем) с помощью сведения их к задачам для уравнения Е в случае, когда теория последних задач уже разработана или является более простой по сравнению с задачами для Я.

Глава 2 является базовой по отношению к главам 3, 4.

В § 1 вводится в рассмотрение конкретная группа О точечных преобразований пространства переменных х, у, 4, и1, V? (операторами вида (1)). Именно эта группа G рассматривается далее всюду в главах 2-4. Она возникает, как следует из приложений 2-4, в качестве бесконечной подгруппы основной группы, допускаемой волновым уравнением, уравнением Гельмгольца и уравнением эйконала с произвольным переменным коэффициентом и2(х, у) в случае трех независимых переменных ¡, I, у в пространстве пяти преобразуемых переменных 4, х, у, и1, и2. Однако класс дифференциальных уравнений, допускающих данную группу G, как показано в § 2.5, гораздо шире, чем упомянутые классические уравнения.

Лемма 2.1.1. Операторы инвариантного дифференцирования группы О с операторами вида (1) есть А1 = Ое, Аг = {«4Аг+«ыА/}/и2» М — {и^Ас — и£Лу}/ыа.

Теорема 2.1.1. Универсальный дифференциальный инвариант 3 второго порядка группы С с операторами вида (1) есть совокупность инвариантов З1-З1* вида З1 = З2 = и1, З3 = и,1, 3* = Зь = ^ = ^

,7 _ (*4)2 + К)2 8 _ + и^у 9 _ 7 10 _ 7 „ _ 1 Г ЛИ2 7 --¿2-'•>--~2-,3 -А23 ,3 -А33 ,3

(^)2 + ("2,)21 1 АЬЦ2 ;12+< _ . ,12 , 9 ~

(и2)з 2 и2 ' ~ ' , »—

В § 2 устанавливаются важные для дальнейшего тождества и связи между дифференциальными инвариантами группы С (лемма 2.2.2). Они используются далее для доказательства теоремы о базисе (п. 2.3), для построения группового расслоения (п. 2.4), а также для получения нового дифференциального тождества (в гл. 3, 4).

Лемма 2.2.2. Все дифференциальные инварианты 33-315 группы б получаются из одного инварианта З2 = и1 с помощью операторов инвариантного дифференцирования А^ по формулам

З3 = А1З2, З7 = А232, З12 = (2З8 - Аг37)/37, 35 = Аг33, З* = А2З3, З6 = А3З3, З9 = А237,310 = А337,

3^-^(А339~А2310) или 3* = £{а3(£)-А2(£)},

3й = ~у{А23я + А3310 - 237А234 - 2 ^ +^ + 33*3я - 237{3*)2},

(2)

312+' = А<312, ¿ = 1,2,3.

Следствие 2.2.2. Гауссова кривизна К(х,у) поверхности в трехмерном евклидовом пространстве с линейным элементом (римановой метрикой) <1т2 =

п2(х,у)(<1х2 +(1у2), определяемая по формуле К(х,у) = —^ ^ явЛяется

2 х,у)

дифференциальным инвариантом группы <3 (при этом и2 = (тг)2 = п2) и выражается через другие инварианты группы (7 (34,37,39,310) по формуле (2).

Это устанавливает связь исследуемой группы <? с дифференциальной и римановой геометрией.

В § 3 доказала важная теорема 2.3.1 о конечном базисе дифференциальных инвариантов группы С?. Она определяет, какие именно инварианты группы £? образуют ее (конечный) базис дифференциальных инвариантов, и является центральной при построении группового расслоения. Существование этого базиса для произвольной группы Ли следует из общей теоремы Тресса — Овсянникова.

Теорема 2.3.1. Базис дифференциальных инвариантов группы С? с операторами вида (1) образован инвариантами З1 = З2 = и1.

В § 4 формулируется некоторый общий достаточный признак автоморфности системы дифференциальных уравнений относительно допускаемой группы (лемма 2.4.1). С помощью этого признака и теоремы 2.3.1 о базисе построено групповое расслоение относительно группы <3 для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у)

(леммы § 2.4.2-2.4.5, теоремы 2.4.1, 2.4.2). Причем оно построено в явном виде. Этот класс включает в себя многие классические линейные и нелинейные дифференциальные уравнения математической физики с произвольным переменным (или постоянным) параметром и2(х,у), перечисленные в § 2.5.

Лемма 2.4.2. Система AG дифференциальных уравнений относительно функций и1 (х, у, t), и2(х, у, t) вида J4 = h( J{, J2, J3), J4+' = vl{J1, J2, J3), i = 1,2,..., 11, к которым добавлены уравнения относительно функций h,vi,...,vu, выражающие условия совместности уравнений этой системы, является автоморфной системой второго порядка ранга 3 группы G.

Лемма 2.4.3. Условия совместности уравнений системы AG из леммы 2-4-2 при условии и2 = 0 представляют собой объединение системы R квазилинейных уравнений первого порядка вида

, Г —V3Ä2V2 ~ (V4Ä3 — V2Ä2)V3 + V3A3V4 = hV2V3,

\ Ä1V2 - Ä3V1 = 0, Äi.v3 - 2vt, г;з(Лц/4 - Лг^) = v2 + v2,

относительно функций h, v = (vi,v2,v3, U4) от независимых переменных xi = J1 = t, X2 = J2 = и1, хз = J3 = ul и соотношений Ro вида

vs = Ä2V3, ve = Ä3V3, vt =0 при ¿ = 8,9,10,11,

vj = -L-f Ä2Ä2V3 + Ä3Ä3V3 - 2v3Ä2h - + (A3Ü3)2 + ZhÄ2V3 - 2v3h2],

2(г»з)2 l v3 J

которые дают явное выражение остальных функций 1/,(хх,Х2.хз) через пять

"основных" функций Н(х1,х2,хз), г>(х1,х2,хз). Здесь операторы А, определены

* л 9 , 9 , 9 л 9 9 л 9

формулами Аг^-^ + Хз ~ + Vl ^ А2 = v3+ =

Пусть ul(f,x,y), ti2(x, у) — решение дифференциального уравнения (системы) Е вида

F{J\J2,...,J11) = 0, (3)

где Т — произвольная гладкая функция (скалярная или векторная). Уравнение Е допускает группу G. Объединение системы Л, До и условий Jr(xi,x2,x3,h,ы,...,г7) = 0 обозначим через RE. Групповое содержание этих построений поясняет

Теорема 2.4.1. Системы AG и RE, определенные выше, являются соответственно автоморфной и разрешающей системами группового расслоения уравнения (системы) Е вида (3) относительно группы G с операторами (1). Система Е и объединение AG U RE равносильны.

Аналогично в п. 2.4.6 строится групповое расслоение уравнений порядка к > 2, допускающих группу G.

В § 5 перечисляются классические линейные и нелинейные дифференциальные уравнения математической физики с произвольным переменным (или постоянным) коэффициентом (параметром) и2(х,у) вида (3) и их обобщения, допускающие группу G, для которых теорема 2.4.1 дает групповое расслоение. Приведем их в терминах инвариантов J3 группы G, в скобках — дополнительное условие вида J7(txi,x2,x3,h,vi,... ,V7) = 0, используемое при построении системы RE. Всюду и2 = и2(х,у) — произвольный переменный коэффициент (параметр). Это уравнение эйконала {(ti£)2 + (ul)2}/u2(x,y) = 1 или J7 = 1 и его обобщение J7 = ^(м1)

(условие уз т 1 и vj = <р(жг) для RE); уравнение характеристик волнового уравнения {(ul)2 -)- (и 1)2}/и2(х,у) — (uj)2 или J7 = (J3)2 (из = Хз); линейные и нелинейные уравнения теплопроводности вида J3 — tp(Jl, J2, J7) J4 + ip(t,J2,J7) (<p(xi,x2, vs) + ip(xi,x2, V3) = хз), различные уравнения этого вида возникают в теории фильтрации, массопереноса и горения; линейные и нелинейные уравнения эллиптического типа J4 = ip{t, J2, J7), включающие уравнение Лапласа J4 = 0 и Пуассона J4 = 17 = const (ft = 0 и h — rj) и уравнение Гельм-голъца J4 = —t2ul (h = —t2X7.)', линейные и нелинейные волновые уравнения J4 = P{J\J2, J3, j7)j5 + f(j\j2,j3,j7) (h = P(XUX2,X3,V3)V1 + f(xUX2,X3,V3)), включающие волновое уравнение J4 = J6 (h = vi), обобщенное нелинейное волновое уравнение Клейна — Гордона J4 = J5 + /(J2) и нелинейные волновые уравнения квантовой механики (здесь всюду <р, ф, р, f — произвольные гладкие функции); обобщенное уравнение минимальной поверхности J9 — 2J4(l + J7) = О (2h = A2V2, J(1+vs))', обобщенное уравнение поверхности со средней кривизной //(и1) вида J9 — 2J4(1 + J7) = —4Я(72)(1 + J7)3/2, которое в частном случае поверхности постоянной средней кривизны (Н = const) совпадает с уравнением Эйлера для функционала пространственной изопериметрической задачи; такой же вид имеет уравнение равновесия мембраны в случае больших смещений и1, вызванных наг грузкой Н (в последних двух примерах классическое уравнение выделяется условием u2 = 1 и J11 = О (V7 = 0)); уравнение J11 = К для функции и2 = п2(х,у) в метрике поверхности с постоянной гауссовой кривизной К и т. д. Для всех этих уравнений теорема 2.4.1 дает групповое расслоение (системы AG и RE) в явном виде.

Основные результаты главы 3 состоят в обнаружении существования представления Лакса у такого класса нелинейных уравнений, как разрешающие системы группового расслоения, и в получении некоторого дифференциального тождества, связывающего лапласиан и модуль градиента скалярной функции и(х,у). Теоремы и формулы данной главы, как и построенное в гл. 2 групповое расслоение, можно рассматривать как результат изучения и проявления связей (соотношений) между дифференциальными инвариантами группы Ли G с операторами (1).

В § 1 показано, что с помощью некоторых замен зависимых переменных разрешающая система RE группового расслоения для широких классов уравнений может быть приведена к системе более компактной и обладающей некоторыми "хорошими" свойствами (симметрической, полулинейной, содержащей скалярные уравнения с одинаковой главной частью) (леммы 3.1.1-3.1.3).

Лемма 3.1.1. При замене wi = vi, W2 = V2/V3, W3 = -из, u>4 = V4/V3, Н = h/уз система R из леммы 2.4.3 преобразуется в систему Rw более компактного вида:

AiH — A2W4 - A3W2 + Hw4 = 0, (4)

A3W4 — A2W2 — HW2 = 0, (5)

A1W2 — Л3Ш1 + 2W2W4 — 0, (6)

(К,)

(Rv) AiW4 _ A2Wi _ w2 + w2 _ 0) ^

A1W3 — 2IÜ3ÍÜ4 = 0, (8)

3 Л д . 9 , д II д , ' д 1т

где операторы А\ = + х3 ---h wi-z— = А\, А2 = -3--h ги4 -х— = — А2,

at 0x2 ох з ОХ2 ох з из

Аз = W2 т;— = — Аз, а также уравнения (5)-(7), не содержат функции хоз. Урав-0x3 Ь'з

нение (4) является дифференциальным следствием уравнений (5)-(7).

Следствие 3.1.2. При подстановке функции H вида H = f(xi,X2,X3,wi,W3), отвечающей уравнению Au1 /и2(х,у) = F{t,v},u\,u\t, {(«i)2 + (uj)2}/u2(x, y)), в систему R'w вида (4)-(7) получаем систему RE'W, которая является симметрической. Это имеет место, например, для волнового уравнения (Н = Wi/тз), уравнения Гельмгольца, Пуассона, Лапласа, теплопроводности и других уравнений этого вида.

Лемма 3.1.3. Функции U1 — wi/ui2, U2 — l/w2, H, f — из, удовлетворяют системе Пц вида

L*Ul = piU1 + foU2 + PsiU1)2/^2) + 2/U2 - 2HU1, L'U2 = -fiU1 + 72U2 - 2HU2, AqU2 + Ux3 = ipU1 + ipU2,

где L' = é;=VÂ1-JÂ2, * = f-f, Ф = ïf, (h = —Ao<p,

ib2 u}2

¡32 = -Аоф - —, 03 - y, 7i = V2 + ¥>*з> 72 = <РФ + Фхз-

Следствие 3.1.5. Разрешающая система RE группового расслоения уравнения {(ui)2+(t4)2}/u2 = /(i, и ,и}), относительно группы G с операторами (1) может быть представлена в виде системы RElfr уравнений (9)—(11), которая имеет два "хороших" свойства.

1. Оператор L* — линейный, а система REy полулинейна.

2. В двух уравнениях (9), (10) системы ИЕц действует одинаковый линейный оператор V, притом только на одну функцию — или на U1, или на U2. Таким образом, уравнения (9) и (10) имеют одинаковую главную часть.

Эти свойства разрешающей системы REn дают возможность использовать (в гл. 4) для ее интегрирования метод характеристик и находить точные частные решения ряда уравнений.

В § 2 найдено, что разрешающая система RE группового расслоения относительно группы G каждого дифференциального уравнения Е из широкого класса {В}' обладает следующим интересным свойством. Для системы RE существует так называемая пара Лакса, или представление Лакса. Это понятие (представление нелинейных эволюционных уравнений с помощью пар линейных операторов) было введено Лаксом (P. D. Lax) (1968) при анализе метода обратной задачи рассеяния; оно способствовало лучшему пониманию его математической природы, вызвало его существенное развитие и играет важную роль в теории солитонов (Гарднер, Грин, Крускал, Миура (1967), В. Е. Захаров, С. В. Манаков, С. П. Новиков, Л. Д. Пита-евский (1980), В. Е. Захаров, А. Б. Шабат (1979), Л. А. Тахтаджян, Л. Д. Фаддеев (1974, 1986), сб. под ред. Р. Буллаф, Ф. Кодри (1980) и др.).

Будем говорить, что для данного нелинейного эволюционного уравнения (системы) S, содержащего "эволюционную" переменную ("время" t) и "пространственные" переменные, существует представление Лакса, если существуют такие два линейных дифференциальных оператора L и А, действующие на функции от "пространственных" переменных, с коэффициентами, выражающимися через решения данного эволюционного уравнения S, что это уравнение (система) S эквивалентно уравнению [L, d/dt — А] = 0 dL/dt = \A,L\, где \А, L\ = AL — LA — коммутатор. Понятие L-Л-пары играет важную роль в теории солитонов и в методе интегрирования нелинейных уравнений с помощью обратной задачи рассеяния. Одним из основных свойств L-A-пары Лакса является изоспектральный характер эволюции

(9)

(10) (")

оператора Ь: если в начальный момент £ = (о функция ф(Ь,х) (а: — пространственные переменные) удовлетворяет уравнению Ьф = Аф, и ее эволюция по < описывается уравнением {д/дЬ — А)ф = 0, то и при { > имеем Ьф — Аф с тем же значением параметра А. Полученный в § 2 результат

1) устанавливает новое свойство группового расслоения (существование представления Лакса у разрешающей системы НЕ) на примере семейства {Е}' и рассматриваемой группы <7 с операторами вида (1);

2) пополняет список известных нелинейных дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса: получен новый класс дифференциальных уравнений и систем, обладающих представлением Лакса, который порожден конструкцией группового расслоения;

3) дает новый подход к поиску уравнений, допускающих представление Лакса.

Для разрешающей системы ЛЕ группового расслоения любого уравнения Е С

{Е}' представление Лакса построено в явном виде, т.е. получены явные формулы для операторов Ь,А пары Лакса. В класс {Е}' входят, в частности, классические уравнения математической физики, перечисленные в п. 2.5. Это означает, что каждое такое классическое уравнение, будучи преобразованным в разрешающую систему НЕ группового расслоения относительно группы <3 с операторами (1), допускает представление Лакса.

Теорема 3.2.1. Пусть линейные дифференциальные операторы Ь и А, действующие на функции от Х2,Хз, определены равенствами Ь = №3(^2^2 + А3А3 + НАг), А = д/Ш — А\ = — (хз д/дх2 + №1 д/дхз), так что

Для выполнения условия коммутации вида [Ь, д/дЬ — ¿4] = О дЬ/дЬ — [А, Ь]

необходимо и достаточно, чтобы функции ьц, и>2,'Ш4,Н, входящие в определение операторов ЬиА, удовлетворяли системе Пш квазилинейных уравнений вида (5)-(8).

Определим класс {Е}' как объединение уравнений следующих видов: З7 =

Р7{3\3\3\3*137,3\3°137,3*/37), 34 = р^з\з\з3,з6.....310), 35 =

Р5(3\...,3\3«.....3й), З6 = Рй{31,...,35,37,3*,3% 38 = Га(31.....37,310),

где ^ — произвольные гладкие функции. Задавая Уи^и подставляя соответствующие соотношения между функциями Н, ги, в систему Я вида (5)-(8), мы получаем из Я или Яу, конкретную разрешающую систему НЕ = ЯЕШ с соответствующей Ь-.А-парой в терминах функций Н, ил для конкретного дифференциального уравнения Е С {Е}'. Используя замены § 3.1, из формул теоремы 3.2.1 получим операторы Ь, А пары Лакса для систем Н, ЯЕ и Ни, ЯЕц соответственно в терминах функций V,, Л и V, Н. Тем самым имеет место

Теорема 3.2.2. Разрешающая система НЕ группового расслоения любого дифференциального уравнения Е из определенного выше класса {Е}' относительно группы в с операторами (1), построенная по формулам теоремы 2.4-1, лемм 3.1.1, 3.1.3 выше, допускает представление Лакса с Ь-А-парой, построенной по формулам теоремы 3.2.1.

В гл. 4 приводятся операторы Ь, А, дающие представление Лакса для конкретных разрешающих систем ПЕ группового расслоения ряда классических дифференциальных уравнений математической физики.

В § 3 получено новое дифференциальное тождество для скалярной функции и(х, у) двух независимых переменных л,у (теорема 3.3.1). Оно содержит и связывает между собой лапласиан и модуль градиента функции. Это тождество найдено

с помощью установленных (в § 2.2) связей между дифференциальными инвариантами группы G. Из него получены интегральные тождества и интегральные формулы. Эти результаты применяются в гл. 4 по двум направлениям: 1) для определения функционалов в обратных задачах; 2) для преобразования ряда нелинейных уравнений математической физики в классические обыкновенные дифференциальные уравнения и для других преобразований.

Исходное тождество вида (2.2.11) (содержащее гауссову кривизну К{х, у) = J11), преобразованием которого получается данное тождество (в лемме 3.3.1), получено в 1983 г. в [6, 7]. Другие дифференциальные тождества классического вида известны в теории поля и векторном анализе, а также в теории обратных задач (тождество Ю. Е. Аниконова — А. X. Амирова (1983)), А. Н. Пестова (1985). В отличие от последних, полученное тождество имеет не второй, а третий порядок.

Теорема 3.3.1. Пусть и(х,у) — произвольная вещественная скалярная функция скалярных переменных х,у из класса C3(D), определенная в некоторой области D, со свойством g(x,y) = (их)2 + (%)2 = | gradu|2 ф 0 в D. Пусть п(х,у) ■— произвольная вещественная скалярная функция из класса C2(D), и п(х,у) > по > 0 в D. Определим функции f(x,y), h[x,y) равенствами

f(x,y) = g{x, у)/п2(х, у), h(x,y) — Аи/п2(х. у). Справедливо тождество — Д 1пд —

{("*т)х + (""TU = 0 ~ divfgradln Igradul - ¿«¡Ц^} = О,

и равносильное тождеству Д1п//2 — {(uxh/f)x + (uy h/f)y} = n2(x, y)K(x, y), К = K(x,y) = — (1/2)Дlnn2/n2, которое умеет векторную (дивергентную) форму Д lnn(x, у) = div {1(hj f) gradu — gradin/}.

Групповой смысл равенства (2) и вместе с ним — тождеств теоремы 3.3.1 состоит в том, что оно выражает дифференциальный инвариант J11 = К (гауссову кривизну), определяемый только одной функцией и2 = га2, через другие дифференциальные инварианты группы G, определяемые двумя функциями и1, и2. С помощью следствия 2.2.2 получаем связь этих тождеств с дифференциальной и римановой геометрией.

Умножая тождества теоремы 3.3.1 на произвольную гладкую функцию w(x,y) и интегрируя по частям по области D с гладкой границей S, получаем интегральное тождество

I1 Ы2+"ю2 (WxUx + WyUy)dxdy-jwыДЦ(иУ)2 (grad"•v)ds =

d s

= -"!// wAln{(ux)2 + {uy)2}dxdy (12)

d

для двух гладких функций и(х,у), w(x,y), или интегральное тождество

i wA In f + у (wxux + ШуКу) j dx dy —

d

- Jwj(gradu-P)dS = —^JJwAkin2dxdy (13)

s d

для трех гладких функций и(х,у), ы{х,у), п{х,у), где h = Au/ri2, f = {(и*)2 +

К)2}/»2-

В полученных интегральных тождествах можно варьировать следующие элементы: функцию w (выбрать ее произвольно); функцию и (подчинять ее тому или иному дифференциальному уравнению); форму границы S области D (например, так, чтобы выражение (gradw • £>) обращалось в нуль или упрощалось). Выбирая различные функции w, получим из них различные формулы. Например, положим tu s 1; тогда из (12) получаем тождество

Jd = jj Д1п{Ы2 + Ю2}dxdy = 2f Ы2+Ц(Цв)2 (gradix-¿0ds,

d s

a тождество (13) преобразуется к виду

Jd = J J A In n(x, y) dxdy —

s

Пусть функция и = u(x,y,t) удовлетворяет некоторому дифференциальному уравнению, например, вида Р(х:у, t,u,ut,uu, Аи/п2 ,{(их)2 + (иу)2}/п2) = 0, где Т — некоторая функция, t — третья независимая переменная, играющая для полученных тождеств роль параметра. Если в прямой или в обратной (где функция п(ж,у) неизвестна) задаче для уравнения этого вида граничные условия на S таковы, что мы можем вычислить подынтегральную функцию в интеграле в правой части последних равенств, то найдем функционал Jo = Jo{t) в их левой части.

Четвертая глава посвящена приложениям результатов предложенного группового подхода, полученных в гл. 1-3, к конкретным дифференциальным уравнениям математической физики с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и 2{х,у).

В § 1 получены уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) и позволяющие сводить к ним эту задачу.

Пусть с(х, у) = 1 /п{х,у) — скорость распространения сигналов (волн) какой-либо природы в полуплоскости х, у 0, кинематика которых удовлетворяет принципу Ферма. Пусть точечные источники сигналов непрерывно заполняют некоторое множество оси x,t = J1 — параметр источника (его координата х); т = r(t,x,y) -J2 — некоторое решение уравнения эйконала

f = {(тх)2 + (т„)2}/п2(х,у) = 1, п(х,у) > щ > 0, (14)

р = Tt(t,x, у) = J3 = —n(£,0) sin 0о, где во — угол между положительным направлением оси у и касательной к лучу (геодезической) в точке источника. Функция r(t,x, у) есть время пробега сигнала (волны) по лучу 7(t,p), соединяющему точки (t, 0) и (х, у). Величина р постоянна вдоль любого луча f(t,p) и является его параметром. Пусть равенства t = t, х — x(í,r,p), у = y(t,T,p) дают параметрическое представление с параметром г (при этом (хг)2 + (г/т)2 = п~2) луча 7(í,p), выходящего из источника (вершины) x — t с угловым параметром р.

Пусть функции h(t,t,p), v(t,т,р), Ul{t,t,p), U2(t,r,p) определены равенствами

Щ,т,р) = -^-(Ь,х,у) = 3*, уЦ,т,р) = тиЦ,х,у) = 35, (15)

и\1,т,Р) = ьи\ и%т,р) = Р^'^У1 = (16)

1. Построено групповое расслоение уравнения эйконала (14) относительно группы Ли (7 преобразований пространства (х,у, 4, г, п2) с операторами вица (1), где и1 = т, и2 = п.2, 4 -— параметр точечного источника (теорема 4.1.1, п. 4.1.14). Показана возможность трансформации уравнения (14) в квазилинейное волновое уравнение

рУтт + Уте + №тр — 2УтУр = 0, (17)

являющееся разрешающим уравнением ЯЕ группового расслоения. Система З7 = 1, За = v{t,т,т^) является автоморфной системой Ав. Оператор инвариантного дифференцирования А1 дает дифференцирование по параметру точечного источника, Аъ — вдоль луча, Аз — по нормали к лучу.

2. Выявлено скрытое наличие представления Лакса в прямой кинематической задаче (у разрешающего уравнения ЯЕ вида (17) (системы) группового расслоения уравнения эйконала (14) в пространстве (х, у, т, п2)) (теорема 4.1.2). Для уравне-

/лт\ Г Л тт Г д2 д2 1(УТТ д ,

ни я (17) операторы Ь и А пары Лакса имеют вид Ь = —-— — гу т—г — - <-——|-

дт2 др* 2 I гт от

д\ . д д

3. Показана возможность трансформации уравнения эйконала в обыкновенные дифференциальные уравнения классического вида (теорема 4.1.3), в том числе в уравнение Риккати Лт + Л2 = —К(х, у) для функции Л, линейное уравнение второго порядка вида

итт + К(х,у)и = 0, К(х,у) = (И)

для функций I/1, и2, образующих его фундаментальную систему, и уравнение

{у,т} — Уттт — -( ——) = 2К(х,у) для функции v, где {и, т} — шварциан, со-2 V ьт /

держащие параметры Ь,р, где К = К(х,у) = К(]к,т,р) определяется по п(х,у): К(х, у) = —(1/2)А 1пп2/п2 = З11. Их можно рассматривать как дифференциальные уравнения для дифференциальных инвариантов группы (7 на луче (геодезической), представляющие собой дифференциальные комбинации поля времен т(1;,х,у) и показателя преломления п(х,у) вида (15), (16).

Показано также, что функция Г>* = п(х,у)02(Ь,х,у), где В{1,х,у) — геометрическое расхождение лучей, также удовлетворяет уравнению (18) на произвольном луче, при этом £>* = О, И} — 1прит = 0, Б2{Ь,х,у) = а\и2\/п(х,у). Геометрическое расхождение Г>(£,л:,у) является важной характеристикой в теории лучевого метода вычисления волновых полей (А. С- Алексеев, В. М. Бабич (1958), А. С. Алексеев, Б. Я. Гельчинский (1959)) и прямой кинематической задачи. Способы определения геометрического расхождения даны в работах А. В. Белоносовой, С. С. Таджимуха-медовой, А. С. Алексеева (1967), А. В. Белоносовой, В. А. Цецохо (1979), В. А. Це-цохо, А. С. Белоносова (1990), М. М. Попова (1977), В. А. Шарафутдинова (1978).

Применяя теорию таких классических уравнений, мы получаем в качестве следствий, в частности, следующие результаты.

3.1. Оценки для геометрического расхождения лучей D(t,x,y) и функции D* и их производных (две группы оценок).

Теорема 4.1.4. Пусть лучи 7(t,p) заполняют некоторую область П в полуплоскости, х,у ^ 0. Если условие Д Inп(х,у) ^ 0 выполняется на луче j(t,p) или области С1, то в каждой точке (х,у) луча 7(t,p) или П справедливы следующие оценки для геометрического расхождения лучей D{t,x,y) > 0 и его производных:

r[t,x,y) < n(x,y)D2(t,x, у) < k~l sh {т(<,х,у)},1 s? (nZ>2)T < ch {fcr(t, x, y)},

hr(t,x,y) < \K{x,y)\r(t,x,y) (nD2)TT <

< ¿"'^(i.yJIshifcTit.x.y)} ksh{kT(t,x,y)},

где k > 0, k2 = sup K(x,y)\, ko = inf \K(x,y)\ и операции sup, inf выполняются на луче l(t,p) или в области П соответственно.

Во второй группе оценок (п. 4.1.9.2) сравниваются две точки на одном луче.

3.2. Теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей D(t,x,y) (и функции D") и их производных для двух лучей в одной среде п(х, у) и разных средах щ(х, у), а также "глобальная" теорема сравнения для области в двух средах гц(х, у) (теоремы 4.1.5, 4.1.6). В качестве примера приведем теорему сравнения для двух лучей 7(i,pi) и 7(t,p2) в одной и той же среде п(х,у) с параметрами рх, рг и с вершинами в точке источника х = t, у = 0. Рассмотрим один и тот же интервал О ^ т ^ г на лучах 71, 72 и обозначим (i = 1,2)

Ki(T)=K(t,T,Pi) = K(x,y), DUt) = D*{t,r,pi) = n{x,y)D{t,x,y),

где x = x(t,T,pi), у = y(t, T,pi) — уравнения луча 7(t,p>), D(t,x,y) есть геометрическое расхождение лучей с вершинами в точке х = £.

Теорема 4.1.5. Пусть А 1пп(х,у) ^ 0 и |Ai(r)| < |АГ2(т)J при 0 < г < г. Тогда

jm Г}»

«Р« 0<Г<Г, m = 0,1,2.

3.3. Связь с уравнением Якоби: длина f = п(х,у){($1)2 + (i2)2}1''2 в метрике dr2 = n2(x,y)(dx2 + dy2) вектора £ = (£1,£2), являющегося решением уравнения Якоби, может быть представлена в виде f = ci(t,p)U1(t,r,p) + C2(t,p)U2(t,r,р); если € — якобиево векторное поле вдоль луча 7(t,p), то ci = 0.

4. В обратных кинематических задачах функция п(х, у) неизвестна и подлежат определению п{х, у) или некоторые функционалы. В качестве дополнительной информации в них задается функция годографа Г: г = ro(t,x) = r(t,x,0) при тех или иных значениях переменных t, х. В качестве достаточного условия регулярности семейства лучей в той или иной области принимается Д 1пп(х, у) ^ 0.

Пусть 7(i,p) — луч, соединяющий точки t и х прямой у = 0, для пегор = roi(t,x); DtlX — область формы лунки в полуплоскости х,у ^ 0, ограниченная отрезком [i,x] прямой у = 0 и лучом 7(t,p), Dt,X1|I — лучевая трубка, ограниченная лучами 7(t,pi), 7(t,p) и отрезком [xi,x] оси у = 0, xi ^ t, при этом pi = Tot(i,xi). Пусть семейство лучей регулярно в Dt.x, т.е. через каждую ее точку проходит только один луч из источника t = const. Тогда соответствие между точками t, х, у и t, т,

Р в Dt,x взаимно однозначное, за исключением точек источника х = t, у = 0. Пусть Г: т = <p(t,p) и Д^р — образы годографа Г и области Dt,x в пространстве £, т,р. Объединение областей Dtj:r и Д4|р (Р = тоt(t,T)) при t G [0,Т] обозначим через и Дх-

Показано, что обратная задача с заданием то(4,ж) при t € [0,Т], а; 6 [i,T] об определении п(х,у) в £>г сводится к прямой краевой задаче в области Дт переменных t, т, р с известной границей об определении: решения v уравнения (17) с заданными значениями на Г и условиями при т = 0, либо решения U1, U2 или v\, t>2 эквивалентных систем, либо решения других систем, содержащих уравнение (18).

5. Ряд интегральных формул в локальных обратных кинематических задаг чах. Эти формулы дают явное выражение некоторых функционалов (интегралов вдоль произвольного луча, по двумерной области формы лунки или лучевой трубки и т. д.) от функций п(х,у) или от п(х,у) и r(t,x,y) в терминах данных обратной кинематической задачи (в терминах функции годографа рефрагированных волн То (£, х) = r(t, х, 0)) как в исходных независимых переменных x,y,t, так и в (групповых) независимых переменных t, т, р.

Полагая в формулах § 3.3 теоремы 3.3.1 и в тождествах § 3.3 и = т, / н 1, д(х, у) = п2(х, у), h(x,y) = Дт/п2(х,у), находим, что имеет место

Теорема 4.1.11. Пусть r(t,x,y) — произвольное решение уравнения (14) при некотором t из класса C3(D), п(х,у) С C2{D), D — некоторая область в плоскости х, у с гладкой границей S. Тогда при данном t в D: 1) справедливы эквивалентные дифференциальные тождества Д 1пп(х, у) = (тх Ат/п2)х + (ту Ат/п2)у, Aih + h2 — —К(х,у); 2) для любой функции w(t,x,y) С C2(D) имеют место тождества

J J {шД In п(х, у) + ДтЛгш} dx dy = J w (grad т • ¡7) dS, J J Pnwdxdy = J jtf^^ — A2 w J (grad r-v) dS,

где Pnw = {wA lnn(z, y) — n2 A2A2W}, A2111 = (rxwx + tywv)/n2 — dw/dr, и — единичная внешняя нормаль к S.

Получены аналогичные тождества в переменных f, т, р = Tt, а также выражение интеграла по произвольному лучу р PnwD2(t, х, у) dS через годограф To(i, х) (теорема 4.1.10). Выбирая различные D и w, получим разные формулы. Например, полагая D = Dt,xi,x> w = 1, получим (при xi — t имеем лунку Dt,x)

J3(t,xi,x) = II Alnn(x,2/)dxdy = — I \—тту\ dx, и аналогичные фор-

мулы при w = т, w = f(rt) с произвольной гладкой / и т. д. В обратных задачах с заданием годографа To(t, х) в различных вариантах: при t = const, в интервале [xi, х] по х; в интервалах [t, t + е] not, [х — е,х] по х; в интервалах [t,t+e] по t, [xi,x] по х, xi ^ {, где е > 0 сколь угодно мало; в интервалах [i,Т] по t, [xi,x] по х, xj > t, найдем семейства функционалов вида JfDAlnndx dy, f^ A In nD2 dxdy и т. д., зависящие от одного параметра х (или р) или от двух параметров t,x (или t,p). Другая формула для JJ Д Inndxdy ранее получена Ю. Е. Аниконовым (1969).

6. Получена замкнутая система нелинейных уравнений для функций х = x(t,r,p), у = y(t,r,p), описывающих лучи (геодезические), которая, в отличие от известных уравнений луча, не содержит характеристики среды п(х,у), неизвестной в обратных задачах.

7. Получены замкнутые скалярные квазилинейные уравнения для величин п и (А1пп)/п = —К как функций новых независимых лучевых переменных t,r,p = rt (являющихся инваригштами группы G).

8. Найдены (в прямой задаче) величины, инвариантные относительно положения точечного источника сигналов (т. е. не зависящие от переменной t): дивергенция divT и поток JJs(f ■ dS) вектора Т = gradx y т(х, у, t) через про-

п (*> у)

извольную гладкую фиксированную (на плоскости х,у) границу S. Показано, что divT = Д1пп(ж,г/) = —п2(х.у)К(х,у) для любого решения т € C3(D) уравнения (14).

9. В классической одномерной кинематической задаче получены следующие результаты.

A. Показано, что эта задача может быть описана уравнением pvTr + vvrp ~ 2vrvp = 0, или {мт + tttirjr — 3uTur = 0, v(r,p) = и(т, г), г = р2/2 или А{р — v2/vT} = 0, где А = —(рд/дт + v д/др) — один из операторов L-A-пары Лакса для уравнения (с.4), и что эквивалентная система vT = —(С/2)-2, pU2 + (vU2)p = 0 имеет бесконечное множество законов сохранения с функциональным произволом.

B. Получен ряд явных интегральных формул для функционалов от параметра п(у) в дополнение к формулам, упомянутым в п. 5 данного раздела.

C. Найден способ решения классической одномерной обратной кинематической задачи, отличный от известных методов Герглотца — Вихерта — Чибисова и других подходов.

Результаты п. 1-3, 5-10 представляют собой постановки и решение ряда не рассматриваемых ранее вопросов для классической прямой кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики).

В § 2 построено групповое расслоение относительно группы G, получено представление Лакса для разрешающей системы этого группового расслоения, найдено преобразование на основе ДИ JJ группы G в классические ОДУ, в том числе линейные (аналогичные ОДУ теоремы 4.1.3), для уравнения характеристик волнового уравнения {(их)2 + (иу)2}/п2(х,у) = (ut)2 и уравнения {(и*)2 + (иу)2}/п2(х,у) = tp{u), где 4>{и) — произвольная дважды дифференцируемая функция, обобщающего уравнение эйконала. Эти результаты представляют собой распространение и обобщение аналогичных результатов, полученных в § 4.1 для уравнения эйконала, как в исходных независимых переменных, так и в групповых (лучевых) переменных t, т = и, р = и%. Кроме того, найдены дифференциальные преобразования, переводящие решения некоторых квазилинейных уравнений эллиптического типа, а также гармонические функции, в гармонические функции (теоремы 4.2.5, 4.2.6).

Теорема 4.2.6. Пусть функция и[х, у) удовлетворяет условиям теоремы 3.3.1 и, кроме того, g (их)2 + («у)2 ф 0 в D. Функция <р(х,у), построенная по функции и(х,у) с помощью формулы <р(х,у) = In у/(их)2 + К)2 = In [gradu[, является гармонической функцией в D тогда и только тогда, когда функция и(х, у) удовлетворяет в D уравнению (их Ди/д)х + (щ Ди/р)у = 0, или div{Au gradu/|gradit|2} = 0. В частности, tp — гармоническая, если и — гармоническая.

В § 3 рассматривается двумерное волновое уравнение с произвольной гладкой переменной скоростью распространения волн с{х, у) — 1 /п(х,у) вида

—-_P^fttfUt| пЦху) Jutt + F\t,u,iit, пЦху) ), (19) где Р, F — произвольные заданные гладкие функции, Р > Ро = const > 0.

Построено групповое расслоение этого уравнения в пространстве х, у, t, и1, и2 = 1/с2 относительно группы G с операторами (1). Получено представление Лакса для разрешающей системы этого группового расслоения (теоремы 4.3.1, 4.3.2). С помощью результатов § 3.1 показано, что разрешающая система RE этого группового расслоения может быть приведена как к симметрической гиперболической системе RE'W квазилинейных уравнений первого порядка, так и к системе REu, содержащей полулинейные уравнения (теорема 4.3.2).

Показано, что с помощью дифференциальной замены независимых и зависимых переменных, порождаемой групповоым расслоением, обратная задача для волнового уравнения Ди/п2(х,у) = utt об определении гладкого решения {и1 = uq(x, у, t),u2(x, у)} уравнения в некоторой области D значений t > 0, у ^ О, —оо < х < оо, удовлетворяющего условиям uj = ujt = 0 при t = О, «J = ipo(x,t), Uoy = (x,t) при y — 0 (считаем, что uj С C3(D), и2 С C2(D) и функции <ро, Фо заданы) может быть сведена к эквивалентной неклассической прямой задаче для квазилинейной разрешающей системы RE (RE'W, REu и др.)- В частности, к задаче об определении ^эешения симметрической гиперболической системы RE'W вида

Mw) -zr+B(x3,w) -г--hC(w) -г— = f(w), где го = (wi,w2, И4,гуз), матрицы А, В,

at 0x2 ох з

С симметрические, а матрица А положительно определена ( А, В, С, f явно заданы), удовлетворяющего начальным условия Wi = 0, wi = 1, W4 = 0, гиз = и2(хз,хг)//92 при t = 0 и граничным условиям на поверхности Г вида wt |г = f,(t,хз), г = 1,2,3,4, где W3 = 1/гоз, а поверхность Г и все функции /, заданы.

В итоге обратная задача с неизвестным параметром и2(х.у), где оператор задачи явно не задан, преобразуется в некоторую прямую задачу, где оператор системы RE дифференциальных уравнений явно задан и, кроме того, эта система имеет особое свойство: она допускает представление Лакса.

Как отмечено А. С. Алексеевым (2003) "Существенная трудность решения многомерных обратных задач состоит в отсутствии явного оператора задачи, усложняющем проблему его дискретной аппроксимации. В прямых даже нелинейных задачах схемы их дискретизации, а также критерии аппроксимации и устойчивости алгоритмов счета довольно глубоко разработаны, позволяя оценивать условия сходимости алгоритмов. Поэтому перспективной представляется возможность вместо обратных задач численно решать в каком-то смысле эквивалентные прямые... Для численного решения полученных нелинейных прямых задач, возможно, существуют схемы дискретизации, допускающие применение сеточных методов."

Кроме того, показано, что с помощью дифференциальных и интегральных тождеств § 3.3 можно определять некоторые функционалы в обратных задачах для волнового уравнения вида (19), уравнения теплопроводности Ди/п2(х,у) = Р(х, у, u)ut + F(t, х, у) и других дифференциальных уравнений математической физики вида (3). Например, функционалы Jo(t) = ffD wA ln{(ttx)2 + (uy)2} dx dy при w = 1, w = и и т. д. для ограниченной области D с гладкой границей S, для области D = Dt, охваченной волновым процессом в момент t, для области D — Dt,p формы лунки, ограниченной частью S и кривой St,p — векторной линией поля gradu в момент t и т. д.

В § 4, во-первых, дано описание класса функционально-инвариантных (ф.-и.) решений двумерного волнового уравнения с переменной (или постоянной) скоростью распространения волн с(х,у) в терминах построенного (теорема 4.4.1) группово-

„ Au1 , (ul)2 + {uly)2 2,

го расслоения системы Ьо вида —j-,-г = ute, -—-г2— = (ut) , и (х, у) =

и (3-Ï У) и fât У)

1 /с(х,у), определяющей ф.-и. решения, относительно группы G с операторами (1).

Получено новое доказательство известной формулы Смирнова—Соболева, основанное на групповом расслоении. Обнаружено (теорема 4.4.1), что система Ео в классе всех существенно двумерных решений (со свойством 3 = д {^¡и1 ,и\)(д (£, х, у) = ихи1у ~ иуи1х Ф 0) равносильна (эквивалентна) системе Авд, получаемой из Ео заменой волнового уравнения на обыкновенное дифференциальное уравнение вида и}£ = v1(t,ul,u¡), где функция У1(Ь,т,р) = р2{1р/2(т) + д(т)р - /т(г)//(г)}, /(г) £ С1, д(т) 6 С — произвольные функции; АС3 — автоморфная система группового расслоения Ео. Найдены формулы (теорема 4.4.2), по которым для ф.-и. решения (и1,и2) с данным набором параметров {¿(и1),т(и1),п(и1),А;(и1)} Смирнова — Соболева определяются параметры его /,д орбиты или соответствующей автоморф-ной системы.

Во-вторых, в § 4 излагается следующий предложенный (1988 г. [8, 10]) подход на основе группового расслоения в пространстве х, и1 = и, и2 = п2. К исходному уравнению, допускающему группу в (с операторами (0.1)), присоединяются, как и в случае ф.-и. решений, уравнения, инвариантные относительно той же группы б, например, вида вида Л = /(4, и1,и£), .7й = 0. Строится групповое расслоение полученной системы Е относительно <3 (используются результаты § 2.4 и форма ЯЕц § 3.1). Интегрирование системы Е сводится к последовательному интегрированию разрешающей системы ЯЕ и автоморфной системы АС» этого группового расслоения. Всюду в рассматриваемых примерах удается получить общее решение систем НЕ и АС» в явном виде. С помощью данного подхода найдено несколько семейств новых точных частных (инвариантно-групповых) решений двумерного волнового уравнения Ди/гс2(х, у) = ии, примыкающих к ф.-и. решениям, и эллиптического уравнения Ди/п2 (х,у) + и2г = 0, в частности, трехмерного уравнения Лапласа, в том числе — в элементарных функциях (теоремы 4.4.3-4.4.5). В частности, в случае связей З7 = }{и})у.\ + (и')2, Зп = 0, / = (ей1 + Ь)-1, а^О, точные решения дает

Теорема 4.4.4. Уравнение Аи1/и2(х, у) = и\г для коэффициентов и2{х,у), определенных формулой и2 = 2аА[(<рх)2 + (V»)2]» аА<р ф О, имеет явные точные решения и1 (ж, у, V) вида иг(х,у,«) = {-В/2 + (В2/4 + С)1'2}1'2, В = &а2Щх,у) -Ц/а-Ь2, С = 8а4А<р2(х.у)/а, а = 2(1/А—2а) Ф 0, где <р(х,у), \р{х,у) — произвольные сопряженные гармонические функции, а, Ь, А — произвольные постоянные со свойствами аА ф 0, а Ф 0. При этом данное уравнение может иметь как гиперболический тип (при аА > 0, и2 > 0, случай волнового уравнения), так и эллиптический тип (при а А < 0, и2 < 0). В частности, для коэффициента и2 = — 1 имеем явное решение и1 (х, у, 4) = {х+у+[(х+у)2+212}1/2}1/2 = {х+г/+[2Я2-(х-у)2]1/2}1/2 уравнения Лапласа Ди1 + и^ = 0. При В.2 —» 0, где Я2 = х2 + у2 + Ь2, частные производные порядка п (п = 0,1,2) этих решений и1 волнового уравнения и уравнения Лапласа имеют порядок Я1/,2_п. Все эти решения иг(х,у,1) являются "глобальными" {во всем пространстве х,у,€).

В главе 5 рассматриваются некоторые неклассические постановки: прямые и обратные задачи для уравнения смешанного типа (§ 1-7); дискретные обратные задачи об определении параметров и координат произвольного множества точечных источников (§ 8-11).

В § 1 дается корректная формулировка неклассической прямой краевой 5.1.1 задачи для уравнения смешанного типа вида (20) в неограниченной области (полосе) с условием наклонной производной на одной из границ полосы. Для нее доказана теорема единственности 5.1.1 в классе коэффициентов К (г) е С([0,/г]) П С([Л, Н]). Коэффициент К (г) в уравнении (20) при переходе из области гиперболичности в

область эллиптичности может изменяться как непрерывно, обращаясь в нуль, так и испытывать скачок (обращаясь в нуль только с одной из сторон или вовсе не обращаясь в нуль).

Краевая (прямая) задача 5.1.1. Пусть в интервале 0 < г ^ H задана вещественная функция K(z), непрерывная в каждом из интервалов [О, Щ, [h,H] (h < H < оо), причем К(г) < 0 при г € [0, h) и K(z) > 0 при z е (Л, Я]. Допускается любое из условий K(h + 0) Ф К (h — 0), К (h + 0) = К (h — 0) = 0 и любое сочетание (по два из четырех) условий K(h + 0) = 0, K(h + 0) ф 0, К (h — 0) = 0, K(h — 0) Ф 0. Пусть х(£) — заданная на прямой —оо < £ < оо вещественная непрерывная ограниченная функция, причем либо сохраняет знак на всей прямой, либо = 0. Заданы также вещественная функция /(<;) при —оо < 4 < оо и числа h, Я. Требуется определить функцию u(z,£), удовлетворяющую уравнению

в полосе 0 < z < Л, —оо <(<ооив полосе h < z < H, — оо < £ < оо, граничным условиям и условиям склеивания (для —оо < £ < оо): иг(Н,£) = 0, u(h + 0,£) = u(h — 0,£), uz(h+0,Ç) = Uz(h — 0,£), uz(P,£) — -- /(£) и условиям гладкости

и убывания: производные и*, щ, игг, U((, uz( непрерывны u(z,£) 6 С2 в каждой из полос 0 < z ^ Л, —оо <£<ooiih^z^H, —оо < £ < оо; при Ç —» ±оо каждая из производных иг,щ —* 0 равномерно относительно z в интервале [0, Я]; при £ —► оо или Ç —» —оо и некотором значении z € [0, II] функция w(z,£) стремится к нулю, limu(z,£) = 0.

В теории краевых (прямых) задач для уравнений смешанного типа уравнение (20) известно как уравнение Чаплыгина для функции тока. Оно возникает и играет важную роль в газовой динамике околозвуковых течений. В этой теории для уравнения Чаплыгина известны такие постановки, как задача Трикоми, задача Франкля и другие задачи (в ограниченной области). Они исследованы Ф. Трикоми, Ф. И. Франклем (1945-1973), М. А. Лаврентьевым, А. В. Бицадзе (1950), JT. В. Овсянниковым (1960), А. В. Бицадзе (1956, 1959, 1981), M. М. Смирновым (1970), К. И. Бабенко (1953), В. Н. Враговым (1983,1985), М. Проттером, С. Морален (1954), Кузьминым (1990), А. Н. Тереховым (1985), С. Н. Глазатовым (2003) и другими исследователями. При этом на коэффициент K(z), как правило, накладываются условия вида К(0) = 0, K'(z) > 0, К'(0) = 1 и другие ограничения на производную K'(z) [188, 228].

Рассматриваемые в диссертации постановки прямых задач для уравнения (20) впервые исследованы в [1, 2] и наиболее полно освещены в монографии. Они возникав ют в другой области — в теории распространения волн, именно, в задаче рассеяния плоских наклонно падающих волн (упругих типа SH или акустических) на неоднородных слоях с переменной скоростью v(z) волн в слое. Как показано в работах А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова (1972), А. Г. Меграбова (1975), эта задача рассеяния (прямая) в переменных х, у, z, t сводится к двумерной задаче в независимых переменных z,£, причем в последней задаче уравнение может иметь гиперболический, эллиптический и смешанный тип в зависимости от изменения характеристики среды v(z) (скорости распространения волн) и угла падения во плоских волн.

В § 2 получено интегральное представление решения u(z, £) прямой задачи (теорема 5.2.1, с доказательством теоремы существования) в виде интеграла Фурье по Ç через фундаментальные системы решений двух уравнений Штурма — Лиувил-ля. Коэффициенты их строятся по значениям К (г) соответственно в области гиперболичности и эллиптичности уравнения (20). Рассматривается частный случай K(h + 0) ф 0, K(h — 0) ф 0, когда коэффициент K(z) в (20) всюду отличен от нуля и

испытывает скачок при переходе через точку z — h. На К(z) накладываются только условия гладкости: K(z) € С2([0, Л]) ПС2([Л, Н]). Других ограничений на K(z) нет.

В § 3 для иллюстрации этого представления рассматриваем случай уравнения

В § 4 найдено интегральное представление и теорема существования решения прямой задачи (теорема 5.2.1) в общем случае, когда допускается обращение в нуль коэффициента K(z) в точке z = h с одной или с обеих сторон. Причем функция K(z) может обращаться в нуль с произвольной вещественной степенью, вообще говоря, различной с разных сторон точки z — h. Доказательство, дающее обоснование найденному представлению решения прямой задачи в общем случае поведения K(z), значительно (примерно на порядок) превосходит по своему объему соответствующее доказательство § 5.2 для частного случая K(h-1-0) Ф 0, К (h—0) ф 0. Оно существенно использует асимптотические формулы, полученные американским математиком Р. Е. Лангером (Rudolf Б. Langer) (1931), для решений линейного обыкновенного ДУ второго порядка. При этом на K(z) накладываются только условия гладкости: функция K(z) допускает представление \K(z)\ = (h — z)ultf(z), 0 ^ z ^ h, K{z) = (z — /i)"27-|(г), h < z < H, где vi и U2 — произвольные неотрицательные числа, a функции rf (г), т2(г) положительны и имеют непрерывную вторую производную соответственно на интервалах [О, Л] и [Л, Н]. Ограничений типа K'(z) > 0 и другие, формулируемые в задачах газовой динамики для уравнения вида (20), здесь не требуем.

В § 4, § 5, § 6 сформулированы и исследованы первые постановки обратных задач для уравнений смешанного типа, поскольку до работ [1, 2] какие-либо обратные задачи для уравнений смешанного типа в теории обратных задач для дифференциальных уравнений не рассматривались. Даются формулировка, доказательство теоремы единственности и способ решения ряда обратных задач об определении переменного коэффициента K{z) в уравнении (20) (во всем интервале [0, Н] или на его части). В качестве данных в обратных задачах задается непосредственно решение прямой задачи на одной из границ полосы или на прямой z = h, при переходе через которую уравнение (20) меняет тип. Метод решения и доказательства теории единственности всех обратных задач является спектрально-аналитическим и заключается в приведении их к известной обратной спектральной задаче определения регулярного оператора Штурма — Лиувилля по двум спектрам или по спектральной функции регулярной струны с неотрицательной плотностью (теоремы и методы В. А. Марченко, М. Г. Крейна, И. М. Гельфанда — Б. М. Левитана, М. Г. Гасы-мова — Б. М. Левитана). Эта методика существенно использует найденное в § 2, 5 представление решения прямой задачи. В § б рассмотрены дополнительные прямые и обратные задачи с другими граничными условиями, другой информацией в обратных задачах и случай, когда области гиперболичности и эллиптичности меняются местами.

Таким образом, впервые спектральный метод распространен на обратные задачи для уравнений смешанного типа. Для уравнений гиперболического типа спектральный метод разработан и применялся в работах В. А. Марченко (1951, 1953, 1978), М. Г. Крейна (1951-1954), М. Л. Гервера (1970, 1971) по обратным задачам для струны, в работах А. С. Алексеева (1962, 1967), А. С. Алексеева, А. Г. Мегра-бова (1972, 1974, 1977), А. С. Алексеева, В. С. Белоносова (1999, 2003) по обратным задачам для волнового уравнения и обратным динамическим задачам сейсмики; в обратных задачах для уравнений эллиптического типа — в работах А. Г. Мегра-бова (1972-1975).

Позднее М. И. Белишев (1978) рассмотрел более общий случай в прямой и обратной задаче рассеяния плоских волн на неоднородном полупространстве и в со-

ответствующей задаче для уравнения смешанного типа, когда коэффициент К(г) может неоднократно менять знак. Однако на К (г) при этом накладывается ограничение (отсутствующее в нашем подходе): К(г) не должен обращаться в нуль, так что К(1) должен испытывать скачок при перемене знака. Заметим также, что, в отличие от этой работы, в [1, 2, 4, 23] и в задачах главы 5 рассеивающей средой является не неоднородное полупространство, а неоднородный слой со свободной или закрепленной границей. М. И. Белишев (1983, 1987) исследовал также стационарную обратную спектральную задачу на полуоси для обыкновенного ДУ струны со знакопеременной плотностью.

В § 7 дается физическая интерпретация и поясняется происхождение рассмотренных прямых и обратных задач в связи с задачей рассеяния плоских волн на неоднородных слоях (со свободной или закрепленной границей г = Н) — упругих волн типа ЗИ или акустических волн. Обратные задачи при этом соответствуют задачам определения характеристик среды внутри неоднородного слоя по заданным колебаниям точки той или иной границы слоя или по заданным формам падающей и отраженной волн.

В § 8-11 сформулированы и исследованы дискретные обратные задачи об определении произвольного множества точечных источников по суммарному полю. Они возникают в связи со следующим вопросом, поставленным в [3-5]. Пусть в полупространстве 2 > 0 со свободной границей г = 0 или во всем пространстве х, у, г, заполненном средой с некоторой скоростью V распространения волн, в произвольных точках расположено N точечных источников (излучателей, осцилля-

торов), возбуждающих в среде суммарное поле колебаний и(ж, у, г, 4), удовлетворяющее волновому уравнению. Каждый источник имеет свою форму импульса и может включаться и выключаться в произвольные (неизвестные) моменты времени и притом неоднократно. Число источников ЛГ, их координаты и формы импульсов неизвестны. Спрашивается, существует ли такое множество Е точек на границе 2 = 0 полупространства (а в случае пространства — на произвольной плоскости г = 0, по одну сторону от которой находятся все источники), что задание поля и на множестве Е позволяет однозначно определить в нестационарном случае — число Ы, координаты и форму импульса каждого источника, а в стационарном — число Ы, координаты, амплитуду А], фазу^ и частоту каждого источника. Число N может быть сколь угодно большим.

Рассматриваем также статическую обратную задачу об определении числа, координат и масс ГП] точечных источников ньютонова потенциала. Причем допускается, что массы т^ могут иметь разный знак.

Во всех трех вариантах — нестационарном, стационарном и статическом — различаем два случая. В случае 1 число N неизвестно, но задано такое натуральное число п, что N ^ п. Во случае 2 неизвестно и№,ип.

В § 8 приводится форма решения прямой задачи — суммарного поля и, порождаемого произвольным множеством точечных источников, — которое используется

в обратных задачах и при 2 = 0 имеет вид и(х, у, 0, £) = -— > —-—/ '

К0]\Х,у)

, = А,ехр(г^), 0 <

А< оо, 27г, и(х,у,0) = У —т, в нестационарном, стационарном и

Яоз(х,у)

статическом случаях; Яо¡{х,у) = {(х - х^2 + (у — у^)2 + г2}1^2 — расстояние между точкой (ж, у) на плоскости наблюдения г = 0 и точкой М,-.

В § 9 доказана основная лемма 5.9.2, дающая оценку количества нулей обобщенного полинома Fn(x) = акФк(х), фк{х) = {(х — ¡г*)2 + на оси

—оо < х < оо. Лемма получена с помощью применения результатов из теории че-бышевских систем функций (Т-систем). Получена теорема единственности 5.9.1 для обобщенных полиномов Fn(x) указанного вида об определении его параметров N, Хк, г к по конечному набору его значений.

В § 10 дана постановка дискретных обратных задач об определении параметров произвольного множества точечных источников. Доказано, что во всех трех вариантах — нестационарном, стационарном, и статическом — множество Е существует, и приведены примеры таких множеств. То есть, доказаны теоремы единственности поставленных обратных задач. Для нестационарной задачи предложен некоторый способ ее решения.

В случае 2 множество Е представляет собой, в частности, произвольную сколь угодно малую плоскую область или некоторое счетное множество точек. Поле и, заданное на счетном множестве точек, является в случае 2, ВИДИМО, минимальной информацией, обеспечивающей единственность решения обратных задач, поскольку число N источников неизвестно и может быть сколь угодно большим.

В случае 1 доказываем, что множество Е представляет собой множество, состоящее из конечного числа точек плоскости наблюдения, зависящего от п. В частности, в качестве Е можно взять следующее множество, состоящее из {(С|„ + 1)/(2п)} точек: берем на упомянутой плоскости (С|п + 1) произвольных прямых и на каждой прямой берем /(2п) произвольных точек. 3 д eCSJJS. — число сочетаний из и по т, /(n) = n[n(n2 — 1)/2 + 1]. В некоторых случаях число точек во множестве Е можно уменьшить до 3/(2п), 2/(2п) или до /(2п).

В § 10 получены также оценки количества нулей суммарного поля u(x,y,z) и

Рассматриваемые в § 10 дискретные обратные задачи представляет собой задачи определения правой части специального вида, отвечающей произвольному набору точечных излучателей или точечных масс, в волновом уравнении или в уравнении Пуассона. Эти задачи по постановке примыкают к обратным задачам теории потенциала (работы П. С. Новикова (1983), М. М. Лаврентьева (1962), В. Н. Страхова (1971), А. И. Прилепко (1973), Л. Н. Сретенского (1938, 232), В. К. Иванова (1963), И. М. Рапопорта (1941), В. Г. Чередниченко (1996)) и к работам М. М. Лаврентьева, В. Г. Васильева, В. Г. Романова (1969), А. С. Алексеева, А. Г. Меграбо-ва (1977), Г. В. Алексеева (1979, 1984, 1990), В. М. Исакова (1977), А. С. Запреева,

B. А. Цецохо (1976), В. Б. Кардакова (1976), А. Л. Бухгейма (1983), N. Bleistein, J. К. Cohen (1977), А. И. Прилепко, И. А. Васина (1985). В отличие от постановок § 8-11, где суммарное поле задается в конечном (или счетном) множестве точек в точной (не асимптотической) постановке, в других работах по обратным задачам с источниками либо источники объемные или поверхностные и поле задается на континууме, либо это линейные задачи в рамках синтеза антенн с известной геометрией источников, либо поле задается в дальней зоне (асимптотические постановки).

Позже обратные задачи определения точечных источников в асимпотической постановке в рамках теории антенн были рассмотрены в работах А. Л. Бухгейма,

C. М. Зеркаля, В. Т. Конева, Г. С. Сабитовой (1985, 1995).

В § 11 обсуждаются возможные области применения данных постановок дискретных обратных задач — в геофизике, акустике, биоакустике и в тех проблемах биофизики, где источниками излучений являются живые клетки или организмы. Представляется, что сформулированные постановки обратных задач могут найти применение во многих областях естественных и технических наук, поскольку в них часто возникают ситуации, когда появляется необходимость определения парамет-

ров отдельных точечных источников (излучателей) из произвольного множества по суммарному полю, генерируемому этим множеством.

Методологический результат второй части главы 5 состоит в привлечении теории чебышевских систем (Т-систем) к исследованию обратных задач для ДУ.

В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертации.

В приложении 1 приводятся ограничения на переменный коэффициент (параметр) в виде дифференциальных уравнений, которые необходимы в силу определяющих уравнений алгебры Ли основной группы, допускаемой уравнениями: волновым, Гельмгольца, эйконала, при вычислении группы в пространстве (х, и1 = и).

В приложении 2 вычислена основная группа, допускаемая волновым уравнением Ли = с~'гии с переменной скоростью распространения волн с(х, у) и с(х, у, г) в пространствах (х, у, г, 4,и1 = и,и2 = 1/с2) и (ж,у, и1, и2).

В приложении 3 вычислена основная группа, допускаемая уравнением Гельмгольца Аи 4- к2п2и = 0 с переменным коэффициентом п2(х,у) и п2(г. у, г) в пространствах (х, 2/,{ = к2,и1 = и,и2 =п2), (ж,у,и1,и2), (х.у,^,«1,«2).

В приложении 4 вычислена основная группа, допускаемая уравнением эйконала {(т*)2 + {ту)г}/п2(х,у) = 1 в пространствах (х, у, и1 = т,и2 = п2) и

Автор глубоко признателен своему учителю академику Анатолию Семеновичу Алексееву за внимание и неизменную поддержку на всех этапах работы. Особую благодарность автор выражает к.ф.-м.н. Владимиру Ивановичу Бутенко.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Меграбов А. Г. Обратные задачи для уравнений смешанного типа / Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1975. Вып. 6, ч. 1. С. 122-144.

2. Меграбов А. Г. Некоторые обратные задачи для уравнения смешанного типа // Докл. АН СССР. 1977. Т. 234, № 2. С. 305-307.

3. Меграбов А. Г. Обратные задачи определения произвольного множества точечных источников // Докл. АН СССР. 1977. Т. 235, № 5. С. 1063-1065.

4. Меграбов А. Г. Обратные задачи для уравнения смешанного типа / Методы функционального анализа в задачах математической физики: Тр. Всесоюзн. мат. шк. по обратным задачам. Киев: Ин-т математики АН УССР, 1978. С. 23-29.

5. Меграбов А. Г. Об определении множества точечных источников // Докл. АН СССР. 1978. Т. 242, № 6. С. 1303-1306.

6. Меграбов А. Г. Об одном подходе к обратным задачам, основанном на групповом расслоении / Обратные задачи и интерпретация геофизических наблюдений. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1983. С. 52-81.

7. Меграбов А. Г. О некотором подходе к обратным задачам для дифференциальных уравнений // Докл. АН СССР. 1984. Т. 275, № 3. С. 583586.

8. Меграбов А. Г. Метод группового расслоения. Определение точных инвариантно-групповых решений / Математические проблемы геофизики: численные исследования геофизических задач. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1988. С. 3-26.

9. Меграбов А. Г. Метод группового расслоения. Кинематическая задача и некоторые уравнения с парой Лакса / Математические проблемы геофизики: численные исследования геофизических задач. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1988. С. 27438.

10. Меграбов А. Г. Об определении точных инвариантно-групповых решений с помощью метода группового расслоения // Докл. АН СССР. 1989. Т. 308, № 1. С. 84-87.

11. Меграбов А. Г. О некоторых применениях и свойствах группового расслоения / Математические методы в механике: Тр. конф., приуроченной к 70-летию акад. Л. В. Овсянникова. Новосибирск, 1989. С. 29.

12. Меграбов А. Г. Некоторые уравнения, формулы и групповые свойства в кинематической задаче сейсмики / Обратные задачи геофизики: Тр. Междунар. семинара. Новосибирск, 1996. С. 130-133.

13. Меграбов А. Г. Уравнения с парой Лакса, уравнение Риккати и линейное уравнение в кинематической задаче сейсмики // Труды ИВ-МиМГ СО РАН. Сер. мат. модел. в геофизике. 1998. Вып. 5. С. 26-51.

14. Меграбов А. Г. Групповое расслоение и представление Лакса // Докл. РАН. 2003. Т. 390, № 3. С. 325-329.

15. Меграбов А. Г. О некоторых результатах группового подхода в кинематической задаче сейсмики (геометрической оптики) // Докл. РАН.

2003. Т. 390, № 4. С. 457-461.

16. Меграбов А. Г. Об одном дифференциальном тождестве и его следствиях для уравнений теории распространения волн //Тр. Междунар. конф. "Математические методы в геофизике" (ММГ-2003), приуроченной к 75-летию акад. А. С. Алексеева. Новосибирск, 2003. Ч. 1. С. 131-136.

17. Меграбов А. Г. Об одном дифференциальном тождестве // Докл. РАН. 2004. Т. 395, № 2.

18. Меграбов А. Г. О преобразованиях некоторых нелинейных дифференциальных уравнений с помощью группового подхода // Докл. РАН.

2004. Т. 394, № 6.

19. Меграбов А. Г. Об одном дифференциальном тождестве, полученном с помощью группового подхода, и его интегральных следствиях // Обратные задачи и информ. техн. 2003. Т. 2, № 1. С. 80-95. Английский перевод: J. Inv. Ill-Posed Problems. 2004. V. 12, N 3.

20. Меграбов А. Г. Изучение дифференциальных инвариантов группы эквивалентности как источник новых преобразований, формул и дифференциальных тождеств / Тезисы Всеросс. конф. "Новые математические модели в механики сплошных сред: построение и изучение", приуроченной к 85-летию акад. Л. В. Овсянникова. Новосибирск, 2004.

21. Megrabov A. G. The group bundle, the Lax representation and kinematic seismic problem // J. Inv. Ill-Posed Problems. 1998. V. 5, N 6. P. 549-564.

22. Megrabov A. G. Some results of the group approach in the kinematic seismic problem // Bull, of the Novosibirsk Computer Center. Ser. Math. Modelling in Geophysics. 2000. V. 6. P. 65-89.

23. Megrabov A. G. Forward and inverse problems for hyperbolic, elliptic and mixed type equations. Utrecht; Boston: VSP, 2003. 203 p.

МЕГРАБОВ Александр Грайрович

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЕ ИНВАРИАНТЫ И СПЕКТРАЛЬНЫЙ МЕТОД В ПРЯМЫХ И ОБРАТНЫХ ЗАДАЧАХ С ПЕРЕМЕННЫМИ КОЭФФИЦИЕНТАМИ

01.01.02 - дифференциальные уравнения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Формат бумаги 60 х 84 1/16 Объем 2.0 п.л., 2.0 уч.-изд.л. Тираж 100 экз. Заказ №

Издательский центр ИВТ СО РАН Новосибирск-90, пр. Лаврентьева, 6

РНБ Русский фонд

2005-4 20286

Основные обозначения.

Введение.

Глава 1. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу дифференциальных уравнений Т[и, а] = 0 с переменными коэффициентами (параметрами) а(х): введение равноправия и(х) и а(х), вычисление группы в расширенном пространстве (ж, и1 = и, и2 = а), изучение и применение ее дифференциальных инвариантов.

§ 1.1. Предлагаемый подход к выбору и отысканию допускаемой группы при групповом анализе дифференциальных уравнений J-[u, а] = 0 с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) а(х): введение равноправия и и а и вычисление допускаемой группы в пространстве (х, и1 = и, и2 = а).

§ 1.2. Основные применяемые обозначения и термины группового анализа. Задача группового расслоения (краткое описание).

§ 1.3. Общая схема предлагаемого группового подхода и логическая структура диссертации в гл. 1-4. Обратная задача группового расслоения.

Глава 2. Рассматриваемая группа G и ее свойства. Построение группового расслоения (в явном виде) для широкого класса дифференциальных уравнений с переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у).

§ 2.1. Группа G. Ее инварианты, дифференциальные инварианты первого и второго порядка, операторы инвариантного дифференцирования.

§ 2.2. Основные тождества и связи между дифференциальными инвариантами группы G. Связь группы G с дифференциальной геометрией.

§ 2.3. Теорема о базисе дифференциальных инвариантов группы G.

§ 2.4. Групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным параметром и2(х,у).

§ 2.5. Примеры классических линейных и нелинейных уравнений математической физики с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у), допускающих группу G, для которых теоремы п. 2.4.1, 2.4.2 дают групповое расслоение.

Глава 3. Разрешающие системы группового расслоения как новый класс дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса. Некоторое новое дифференциальное тождество как результат выполненного группового анализа.

§ 3.1. Различные формы системы R и разрешающей системы RE.

§ 3.2. Разрешающие системы группового расслоения как новый класс дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса. Построение пары

Лакса в явном виде.

§ 3.3. Некоторое новое дифференциальное тождество как результат применяемого группового подхода и следствия из него.

Диссертационная работа посвящена исследованию дифференциальных уравнений в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами), прямых и обратных задач для таких уравнений в классических и новых постановках на основе классического группового анализа, прежде всего, таких его конструкций, как дифференциальные инварианты и групповое расслоение, а также с помощью спектрального метода.

Поясним термины, используемые в приведенном выше предложении и диссертации.

Под термином "классический групповой анализ" понимается групповой анализ дифференциальных уравнений в рамках групп Ли точечных преобразований, систематически изложенный в монографии JI. В. Овсянникова "Групповой анализ дифференциальных уравнений" (М., Наука, 1978).

Под термином "параметр" понимается величина или функция, входящая в дифференциальное уравнение (систему) наряду с независимыми переменными х и решением уравнения и = и(х), в частности, в виде коэффициента (например, в волновом уравнении (ихх + иуу)/п'2(х, у) = utt и в уравнении эйконала {(их)2 + (иу)2}/п2(х,у) = 1 параметром является коэффициент (?{х,у) = 1 /п2(х,у) и функция тг2(х,у)).

Термин "переменный" означает, что этот коэффициент (параметр) в общем случае зависит от независимых переменных х, производные по которым содержатся в уравнении (в более общем случае параметр может зависеть от решения и(х) и его производных).

Термин "произвольный" означает, что коэффициент (параметр) является произвольной (не фиксированной) функцией своих аргументов конечной гладкости из пространства Ск, а какие-либо другие ограничения на параметр не накладываются. В диссертации переменный коэффициент (параметр) п2{х,у) = и2(х, у) принадлежит классу С2 в рассматриваемой области или окрестности.

АКТУАЛЬНОСТЬ ИССЛЕДОВАНИЙ

Среди различных направлений теории дифференциальных уравнений — в частных производных и обыкновенных — в течение 20-го века развивались два важных направления. Это, во-первых, классический групповой анализ дифференциальных уравнений на основе непрерывных групп (групп Ли), основанный во второй половине 19-го века Софусом Ли и получивший в развитие в СССР и в России прежде всего в работах Л. В. Овсянникова, его учеников и сотрудников.

Во-вторых, это теория обратных задач для дифференциальных уравнений. Она возникла и получила первые импульсы к развитию в пионерских работах Г. Герглотца [279, 280], Е. Вихерта [311] (1905-1907 гг.) по одномерной обратной кинематической задаче сейсмики, В. А. Амбарцумяна [266] (1929 г.) по обратной задаче Штурма — Лиувилля, П. С. Новикова [185] (1938 г.) по обратной задаче теории потенциала, Ю. М. Березанского [37-39] (1953) по первым постановкам многомерных обратных задач, А. С. Алексеева [2, 3], М. М. Лаврентьева [122-124, 126], В. Г. Романова [211, 212], Ю. Е. Аниконова [18, 21] (60-е годы) по обратным задачам теории распространения волн и обратным динамическим и кинематическим задачам сейсмики*.

Как отмечено в монографии К. Шадана, П. Сабатье [259], предвестником теории обратных задач можно

В дальнейшем теория обратных задач получила продвижение по названным и другим направлениям.

В последние три десятилетия групповой анализ и теория обратных задач получили особенно интенсивное развитие: исследовались всё новые типы уравнений и задач, возникающих в различных областях механики, физики, геофизики, естественных наук и технологий; получены многие важные и интересные в теоретическом и прикладном отношениях результаты. Здесь мы не приводим библиографию; это сделано ниже в разделах "Результаты.", "Разработка.".

В данном разделе важно отметить следующее: оба направления — групповой анализ и теория обратных задач — развивались практически независимо и не взаимодействовали между собой. Главной причиной такой ситуации, возможно, послужило следующее обстоятельство. В обратных задачах искомые коэффициенты (параметры), входящие в дифференциальное уравнение (систему) и выражающие характеристики неоднородной физической среды, являются, как правило, произвольными (не фиксированными) гладкими функциями координат из некоторого функционального пространства. В то же время допускаемая группа Ли, традиционно определяемая в пространстве {независимые переменные х, решение прямой задачи и(х)}, в общем случае для многих уравнений в частных производных, как отмечено в [57, 189], при произвольных переменных коэффициентах (параметрах) уравнения является тривиальной или узкой. Часто лишь в специальных случаях задания коэффициентов (параметров) уравнения, которые выявляются при решении задачи групповой классификации, допускаемая группа расширяется до достаточно содержательной. Кроме того, как отмечено JI. В. Овсянниковым в [189, с. 4], теория Ли "является локальной теорией, изучающей в основном структуру семейства решений в окрестности некоторой точки, и не способна непосредственно исследовать конкретные задачи с произвольными дополнительными условиями" .

В то же время, теория обратных задач даже в таких продвинутых направлениях, как кинематическая задача сейсмики и волновое уравнение, еще не достигла полного и замкнутого описания и содержит ряд нерешенных вопросов. Подробнее высказанные утверждения раскрываются ниже в разделах "Расширение ." и "Разработка .". Кроме того, в теории обратных задач были и есть неисследованные области и задачи. Например, до работ [150-153] обратные задачи для уравнений смешанного типа и об определении произвольного множества точечных источников не формулировались и не рассматривались. Между тем они возникают в теории распространения волн, в геофизике, акустике и в других областях. Методическая база теории обратных задач также нуждается в развитии и расширении.

Актуальность исследований, в связи с вышесказанным, определяется необходимостью: выявления новых, не используемых ранее возможностей и свойств конструкций группового анализа в приложениях к прямым и обратным задачам математической физики; разработки новых подходов к исследованию дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами) и к обратным задачам, в частности, основанных на классическом групповом анализе; постановки и исследования новых обратных задач для дифференциальных уравнений.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является получение результатов в следующих направлениях.

1. Начать систематическое взаимодействие классического группового анализа дифференциальных уравнений в рамках групп Ли точечных преобразований и теории обратных для дифференциальных уравнений; считать постановку Рэлеем в 1877 г. [235] вопроса о том, можно ли найти распределение плотности неоднородной струны, зная частоту колебаний. выполнение группового анализа и, прежде всего, на основе теории дифференциальных инвариантов и группового расслоения, для широкого класса линейных и нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) без существенных ограничений на эти параметры в виде дифференциальных уравнений (часто возникающих в задаче групповой классификации при расширении допускаемой группы); распространение классического группового анализа на класс обратных задач; выявление новых свойств и возможностей конструкций классического группового анализа, постановка новых задач группового анализа.

2. Построение и систематическое внедрение группового подхода, привлечение редко применяемых и новых инструментов — группового расслоения и изучения связей между дифференциальными инвариантами группы эквивалентности — для: исследования прямых и обратных задач для классических уравнений математической физики с переменными коэффициентами (параметрами), прежде всего, уравнения эйконала и волнового уравнения; постановки и исследования не рассматриваемых ранее вопросов в классических прямых задачах, прежде всего, в прямой кинематической задаче сейсмики (геометрической оптики); отыскания новых эффективных преобразований линейных и нелинейных дифференциальных уравнений математической физики с произвольными переменными коэффициентами (параметрами); отыскания новых точных частных решений классических дифференциальных уравнений с переменным (или постоянным) коэффициентом (параметром), в том числе в элементарных функциях.

3. Постановка и исследование новых обратных задач — обратных задач для уравнения смешанного типа, а также обратных задач об определении произвольного множества точечных источников (излучателей, осцилляторов, точечных масс); постановка и исследование новых неклассических прямых задач — для уравнения смешанного типа (уравнения Чаплыгина), возникающих в теории распространения волн в неоднородных средах; распространение спектрального метода на обратные задачи для уравнений смешанного типа.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

I. Выполнен групповой анализ в рамках групп Ли точечных преобразований и, прежде всего, на основе таких общих его конструкций, как дифференциальные инварианты и групповое расслоение, для широкого класса линейных и нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) без существенных ограничений на эти коэффициенты (параметры) в виде дифференциальных уравнений (часто возникающих при расширении допускаемой группы в задаче групповой классификации); предпринята попытка систематического распространения классического группового анализа на класс обратных задач.

Предложен (в 1983 г. [156-158])и внедрен групповой подход, основанный на следующих основных моментах.

A. Исходное дифференциальное уравнение (система) Eq вида F[u, а] = 0, где и(х) — решение (прямой задачи), а(х) — параметры, например, коэффициенты (искомые в обратной задаче), х — независимые переменные, Т— (здесь и всюду ниже в диссертации) некоторый заданный дифференциальный оператор, действующий, вообще говоря, как на и(х), так и на а(х), рассматривается как уравнение (система) Е вида F[ul ,и2\ = 0 (с тем же оператором J7) относительно полностью равноправных зависимых переменных и1 = и, и2 — а.

B. В качестве базовой группы группового анализа выбирается и отыскивается группа Ли G точечных преобразований, допускаемая уравнением Е в пространстве (ж, и1, и2). Она, вообще говоря, содержит группу эквивалентности Geq уравнения Eq, определяемую в работах Л. В. Овсянникова [192, 194], в качестве подгруппы и является, таким образом, в общем случае ее расширением в пространстве (х, и1, и2).

C. Определяется и систематически изучается множество дифференциальных инвариантов группы G, т. е. (в общем случае — расширенной) группы эквивалентности уравнения Ео, исследуются и используются связи между этими инвариантами.

В частности, групповое расслоение строится также относительно этой группы эквивалентности, т. е. групповое расслоение системы Е относительно группы G в расширенном пространстве (ж, и1,и2).

D. Применяется преобразование исходного дифференциального уравнения (системы), в котором роль новых зависимых переменных играют дифференциальные инварианты группы G, а независимых — также дифференциальные инварианты группы G или исходные независимые переменные х. В частности, такое преобразование порождается групповым расслоением уравнения Е относительно G.

Таким образом, центральное место в подходе занимают дифференциальные инварианты группы G, которую можно рассматривать либо как группу точечных преобразований, допускаемую системой !F[ul,u2\ = 0 в обычном смысле в пространстве (х, и1, и2), либо как группу эквивалентности уравнения J-[u, а] = 0, но расширенной в пространстве (х,и,а) по сравнению с определением, данным в [192, 194], поскольку преобразования такой расширенной группы эквивалентности, вообще говоря, имеют вид х' = f(x,u,a), и' = д(х,и,а), а' = h(x,u,a) в отличие от преобразований группы эквивалентности х' = f(x, u), и' = д(х,и), а' = h(x,u,a), определяемой в [192, 194]. При этом допускается, d d д что все координаты т?1, т? инфинитезимального оператора X = £* т-— + л1 ——- + т?2 -7—— ох1 ои1 ovr зависят от всех переменных х, и1, и2, в отличие от определения группы эквивалентности в [192, 194], где от "произвольного элемента" (параметра) и2 = а(х) зависит только компонента Т}2.

Данный подход позволяет избавиться от ограничений (в виде дифференциальных уравнений) на переменные коэффициенты (параметры) а(х), возникающих при вычислении допускаемой группы в пространстве (х,и). С помощью предложенного подхода получены следующие результаты.

1. Найдена и систематически изучена бесконечная группа G точечных преобразований пространства пяти переменных t,х, у, it1, it2 с алгеброй Ли инфинитезимальных операторов X ее однопараметрических подгрупп вида

X = Ф(х, у) ^ + Ф(х, у) - 2Фх(х, у)и2 А (0.1) где Ф, Ф — произвольные сопряженные гармонические функции (приложения 2-4, § 2.1-2.3). Исследованы свойства группы G: вычислены ее инварианты и универсальные инварианты вплоть до второго порядка (§ 2.1) и найдены связи между ними (§ 2.2), вычислены операторы инвариантного дифференцирования (§ 2.1); найден базис дифференциальных инвариантов группы G (§ 2.3).

При этом обнаружено, что один из дифференциальных инвариантов группы G (J11 = 1 Д1пп2 п2(х,у) — и2(х,у)) выражается только через параметр и2(х,у) и является гауссовой кривизной К(х,у) поверхности в трехмерном евклидовом пространстве с линейным элементом (римановой метрикой) dr2 = n2(x,y)(dx2 + dy2). Это устанавливает связь исследуемой группы G с дифференциальной и римановой геометрией. (Публикации в [157, 158, 292]).

2. Построено в явном виде групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) (§ 2.4, 3.1, § 4.1-4.4), описанного в § 2.5 и содержащего многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики и их обобщения (публикации в [157, 158, 162-167, 173, 292, 293]).

3. Впервые обнаружено (публикация 1988 г. [160]), что разрешающая система RE группового расслоения для широкого класса диференциальных уравнений Е (описанных в § 2.5), представляющая собой систему квазилинейных дифференциальных уравнений, допускает представление Лакса. Операторы L, А пары Лакса всюду построены при этом в явном виде (§ 3.2, § 4.1-4.3).

Этот факт устанавливает новое свойство группового расслоения, расширяет список известных нелинейных дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса, и дает новый подход к поиску таких уравнений. (Публикации в [160, 162-167, 292, 293]).

4. Найдено новое дифференциальное тождество (§ 3.3), связывающее лапласиан и модуль градиента скалярной функции и(х, у), вида (д = (их)2 + (иу)2 = | gradu|2) <°-2> имеющее векторную (дивергентную) форму div i grad In | grad ul — Аи. U } = 0 I IgraditpJ и равносильное тождеству

AlnJ7- {(uxjt)x+ = n2(x,y)K(x,y), содержащему упомянутую гауссову кривизну К(х, у) и дифференциальные инварианты J4 = Аи/тг2, J7 = {{uxf + {иу)2}/п2 группы G (и = и1, тг2 = и2). (Тождество, содержащее гауссову кривизну К(х,у) = J11, получено в 1983 г. в [157, 158]).

Из него получены интегральные тождества, позволяющие определять некоторые функционалы в обратных задачах (§ 4.1, 4.3). С его помощью также получены преобразования ряда нелинейных уравнений математической физики в обыкновенные дифференциальные уравнения классического вида (§ 4.1, 4.2, публикации [157, 158, 169-173, 292]).

5. Найдены новые эффективные преобразования зависимых и независимых переменных. Они переводят решения ряда классических линейных и нелинейных дифференциальных уравнений с произвольным переменным или постоянным коэффициентом (параметром) и2(х, у) в решения других дифференциальных уравнений, в некотором смысле более простых, например, классических обыкновенных дифференциальных уравнений, или обладающих интересными специальными свойствами, например, допускающих представление Лакса (§ 3.2, § 4.1-4.3). Это семейство включает в себя волновое уравнение Аи1 /и2(х,у) = u\v уравнение эйконала J7 = {(и*)2 + (у}у)2)}/и2{х,у) = 1 и его обобщение J7 — (р(и) (ср — произвольная гладкая функция), уравнение характеристик волнового уравнения J7 = (и})2 и другие, описанные в § 2.5. (Публикации в [160, 162-173, 292, 293]),

6. Впервые (начиная с 1983 г. [157, 158]) классический групповой анализ систематически применяется к обратным задачам. На примере двумерной обратной кинематической задачи (§ 4.1) и обратной задачи для двумерного волнового уравнения (§4.3) показано, что обратные задачи для исходного дифференциального уравнения Т\и, а] = 0 с произвольным переменным коэффициентом (параметром) а(х) с помощью данного подхода могут быть трансформированы в неклассические прямые задачи для разрешающей системы группового расслоения этого уравнения в форме Т[и1 ,и2\ = 0 относительно допускаемой группы G в пространстве (х,и1 = и,и2 = а) (группы эквивалентности уравнения J-[u,a] = 0). (Публикации в [157, 158, 160, 162-173, 292, 293]).

Получены также интегральные формулы для определения ряда функционалов в обратных задачах для широкого класса уравнений, включающего волновое уравнение, уравнение эйконала и другие (§ 3.3, § 4.1, 4.3, публикации [163-166, 168-170, 172, 173, 292, 293]).

7. Получены уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) и позволяющие сводить к ним эту задачу (§ 4.1, публикации в [160' 162-166, 168-173, 292, 293]). При этом поставлен и исследован ряд не рассматриваемых ранее вопросов в классической прямой кинематической задаче для уравнения эйконала {(тх) + (ту)2}/п2(х,у) = 1, и обнаружены новые математические факты и связи. В том числе: выявлено скрытое наличие представления Лакса (для разрешающего уравнения (системы) группового расслоения уравнения эйконала в пространстве (t,x,y,r,n2)); получены оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей, а также новый способ его вычисления; показана возможность трансформации уравнения эйконала в классические скалярные обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе уравнения Риккати hT + h2 = тг, ч тг г- / Nrr 1 A In п2(х, у)

К[х, у) и линеиное уравнение второго порядка итт+К{х, у)и = 0, где К = — -

2 п*{х,у) и является одним из дифференциальных инвариантов группы G с операторами (0.1) при и1 = т, и2 = п2 и упомянутой гауссовой кривизной. Найдены дифференциальные комбинации поля времен r(x,y,t) и показателя преломления п(х,у), являющиеся дифференциальными инвариантами группы G, которые на произвольном луче удовлетворяют этим классическим уравнениям; получена замкнутая система уравнений для функций x(t, т, р), y(t, т, р), описывающих лучи (геодезические), которая, в отличие от известных уравнений луча, не содержит характеристики среды п(х,у), неизвестной в обратных задачах; найдены (в прямой задаче) величины, инвариантные относительно положения точечного источника сигналов (т. е. не зависящие от переменной t): дивергенция divT и поток JJS(T • dS) вектора через произвольную гладкую фиксированную (на плоскости х, у) границу S. Показано, что divf = Д1пп(а;,2/) = -п2{х,у)К(х,у)] в одномерной кинематической задаче доказано существование бесконечного множества законов сохранения с функциональным произволом, получен ряд явных формул и новый способ решения обратной задачи.

Ряд аналогичных результатов получен для волнового уравнения, уравнения {(их)2 + (иу)2}/п2(х,у) = <р{и), обобщающего уравнения эйконала, уравнения характеристик волнового уравнения {(их)2 + (иу)2}/п2(х,у) = (ut)2 (§ 4.2, 4.3, публикации [167-172]).

8. Предложен подход, сочетающий групповое расслоение в пространстве (ж, и1, и2) и метод дифференциальных связей и позволяющий систематически отыскивать новые классы точных частных решений дифференциальных уравнений математической физики с переменным (или постоянным) коэффициентом (параметром) и2(х). С его помощью найдено несколько семейств новых точных частных решений двумерного волнового уравнения

Ди/п?(х,у) = ии и эллиптического уравнения Аи/п?(х,у) + uzz = 0, в частности, трехмерного уравнения Лапласа, в том числе — в элементарных функциях.

Кроме того, дано описание класса функционально-инвариантных решений двумерного волнового уравнения в терминах группового расслоения (публикации в [159, 161]).

9. Сформулирована (в [158], § 1.3) новая задача группового анализа — обратная задача группового расслоения.

Главным, единообразным и впервые (систематически) применяемым средством исследований по перечисленным направлениям и получения сформулированных результатов являются дифференциальные инварианты группы эквивалентности (в общем случае — расширенной).

Перечисленные выше результаты выявляют и показывают ряд новых, не используемых ранее свойств и возможностей классического группового анализа, в том числе таких общих его конструкций, как дифференциальные инварианты, групповое расслоение и группа эквивалентности.

Класс дифференциальных уравнений, к которым применим данный групповой подход и для которого в диссертации построено групповое раслоение, достаточно широк и включает в себя, как показано в § 2.5, многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики, содержащие переменный коэффициент (параметр) и2(х,у), а также обобщения этих классических уравнений. Причем всюду в данной работе групповое расслоение строится в явном виде.

II. Впервые поставлены и исследованы (получены теоремы единственности, способы решения) неклассические обратные задачи двух видов — обратные задачи для уравнения смешанного (эллиптико-гиперболического) типа (об определении коэффициента K(z) в уравнении K(z)utf + uzz = 0) и дискретные обратные задачи (нестационарные,стационарные, статические) об определении параметров и координат произвольного множества точечных источников в трехмерном пространстве (для волнового уравнения, уравнения Пуассона).

Область применения спектрального метода расширена на обратные задачи для уравнений смешанного типа.

Дана постановка, доказаны теоремы единственности и существования, получено интегральное представление решения неклассических прямых задач для уравнения смешанного (эллиптико-гиперболического) типа K{z)u^ + uzz = 0 в неограниченной области (полосе) с условием наклонной производной на одной из границ полосы. (Публикации в [150-155, 294]).

РЕЗУЛЬТАТЫ ПО ОСНОВНЫМ НАПРАВЛЕНИЯМ ИССЛЕДОВАНИЙ И КРАТКИЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ ОБЗОР

Направления исследований сформулированы выше в п. 1-3 раздела "Цель работы". Полученные результаты в наиболее развернутом виде сформулированы в начале каждой главы, а также систематически изложены в разделе "Научная новизна" и в заключении. В данном разделе результаты приводятся по каждому направлению в п. 1-8.

Что касается библиографического обзора, то в настоящее время литература по групповому анализу и обратным задачам для дифференциальных уравнениий содержит сотни наименований. Поэтому указываем лишь на работы, близкие по тематике к диссертации или результаты которых используются в ней.

1. Расширение области применения группового анализа дифференциальных уравнений, выявление новых свойств и возможностей его конструкций, постановка новых задач группового анализа

Обзор и анализ литературы по современному групповому анализу, в том числе обобщающих монографий Л. В. Овсянникова [189, 190, 192], Н. X. Ибрагимова [97-99], трехтомного Handbook [281-283] под ред. Н. X. Ибрагимова, книг Н. Г. Чеботарева [251], Л. П. Эйзенхар-та [262], П. Олвера [197], В. К. Андреева , О. В. Капцова, В. В. Пухначева, А. А. Родионова [16], В. К. Андреева, В. В. Бублика, В. О. Бытева [15], а также результатов, содержащихся в трудах периодически проводимых международных конференций MOGRAN (Modern Group Analysis, 1992, 1997, 1999) по современному групповому анализу [295-297] и других международных конференций по групповому анализу (Киев, 1999 [308]; Красноярск, 2002 [225]; Москва, 2002 [299]), анализ статьи JI. В. Овсянникова по программе "ПОДМОДЕЛИ" [194, 195] (подмодели описывают классы точных частных решений, приводят к понижению размерности задач и делают их анализ более доступным), работ учеников и последователей Л. В. Овсянникова: А. А. Бучнева [66], С. В. Головина [277, 278], Е. В. Мамонтова [135, 136], В. О. Бы-тева [67], С. В. Мелешко [174], В. М. Меньшикова [175], В. В. Пухначева [205], С. В. Хаби-рова [249, 286, 287], А. А. Черевко [253], Ю. И. Чекурова [252], Ю. А. Чиркунова [255], А. П. Чупахина [258, 274], работ В. И. Фущича [248], В. И. Фущича, И. А. Егорченко [275, 313], Н. Н. Яненко, Ю. И. Шокина [263], Ю. И. Шокина [261], В. А. Дородницына [88], В. А. Бай-кова, Р. К. Газизова, Н. X. Ибрагимова [27], И. Ш. Ахатова, Р. К. Газизова, Н. X. Ибрагимова [24] и других исследований показывают, что в групповом анализе дифференциальных уравнений рассматриваются следующие основные задачи.

1. Отыскание основной (наиболее широкой) группы Ли G, допускаемой данной системой (уравнением).

2. Использование известной группы G, допускаемой системой, для построения классов частных решений этой системы, в том числе инвариантных и частично-инвариантных в смысле Л. В. Овсянникова [189, 192].

3. Групповая классификация уравнений (систем) вида J-\u,a\ = 0, содержащих""произвольный элемент" (параметр) а(х) (х — независимые переменные, и(х) — решение уравнения (прямой задачи)). Вычисление группы эквивалентности Geq таких уравнений и использование ее для групповой классификации.

4. Обобщения непрерывных групп точечных преобразований, в том числе вычисление групп Ли-Беклунда [99].

5. Адаптация группового анализа к конечно-разностным уравнениям.

6. Развитие и приложения теории дифференциальных инвариантов групп Ли, вычисление дифференциальных инвариантов допускаемой группы G, выделение базиса дифференциальных инвариантов и построение группового расслоения системы относительно G.

Заметим, что подавляющее большинство исследований посвящено задачам 1-5. Вычислены допускаемые группы точечных преобразований и выполнена групповая классификация для многих дифференциальных уравнений в частных производных; результаты этих исследований систематизированы в частности, в [97-99, 189, 192, 197, 225, 281-283, 295-297, 299, 308]. Открыты и изучены различные важные и интересные классы частных решений уравнений газовой динамики, гидродинамики и других уравнений математической физики [15, 16, 22, 97-99, 189, 192-197, 281-283, 295-297, 299, 308].

Что касается последнего направления, то следует отметить, что ему посвящено относительно небольшое количество работ. Групповое расслоение было построено ранее также для небольшого числа конкретных уравнений математической физики. Возможно, это связано с тем, что, в то время как отыскание допускаемой группы и групповая классификация часто носят, в основном, вычислительный характер, вычисление дифференциальных инвариантов, выделение базиса дифференциальных инвариантов и построение группового расслоения требуют дополнительных усилий.

Поскольку дифференциальные инварианты и групповое расслоение занимают важное место в диссертации, приведем краткий обзор известных работ по теории дифференциальных инвариантов и по групповому расслоению дифференциальных уравнений, используя, в частности, работы Л. В. Овсянникова [192, 301], Л. В. Овсянникова, Н. X. Ибрагимова [196], А. П. Чупахина [274] и С. В. Головина [278].

Основы теории дифференциальных инвариантов групп Ли непрерывных преобразований заложены С. Ли [291] и А. Трессом [309]. Дальнейшее развитие она получила в работах

Jl. В. Овсянникова [192] и П. Олвера [300]. Центральным положением этой теории является теорема А. Тресса о существовании конечного базиса дифференциальных инвариантов произвольной группы Ли. Эта теорема была распространена Л. В. Овсянниковым на случай бесконечных групп [192]. Приложения дифференциальных инвариантов в теоретической физике и механике сплошной среды рассмотрены в [252, 275, 313]. Для построения дифференциально-инвариантных решений дифференциальные инварианты применяются в [277, 278, 285]. Дифференциальные инварианты классических групп изучены в [312].

Отметим также новый результат работы А. П. Чупахина [274] по теории дифференциальных инвариантов, где найдено, что множество операторов инвариантного дифференцирования с помощью линейных преобразований может быть приведено к коммутативной алгебре Ли. В § 3.1 этот результат А. П. Чупахина применен к рассматриваемой группе G.

В работах автора [156-173, 292, 293] и в главах 1-4 диссертации дифференциальные инварианты (группы эквивалентности) применяются для построения группового расслоения широкого класса дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами), для преобразования нелинейных дифференциальных уравнений, для установления новых фактов в теории прямой и обратной кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики), для сведения обратных задач к прямым, для отыскания точных частных решений, в качестве источника новых дифференциальных тождеств и для других целей, перечисленных выше в разделах "Цели исследований" и "Научная новизна". Группа эквивалентности (в общем случае — расширенная) и ее дифференциальные инварианты являются, таким образом, главным, единообразным и впервые применяемым средством исследования по перечисленным разнообразным направлениям.

Групповое расслоение можно рассматривать как одно из направлений и приложений теории дифференциальных инвариантов и как некоторое специальное преобразование исходного дифференциального уравнения [192], порождаемое действием допускаемой группы.

Действие группы G, допускаемой исходным дифференциальным уравнением Е, на множестве SE всех решений и уравнения Е приводит к разбиению (расслоению) этого множества на классы Gu эквивалентных решений (орбиты). Говорят, что решения iti и щ эквивалентны относительно G, если U\ переводится в и2 с помощью некоторого преобразования из G.

Существование этого расслоения приводит к следующей задаче группового расслоения . Дана система (уравнение) Е и допускаемая его группа G\ требуется получить описание каждого отдельного класса Gu (орбиты) и множества SE/G всех классов эквивалентности (орбит) решений на языке дифференциальных уравнений. Эта задача была поставлена Со-фусом Ли в начале 20-го столетия и была решена его учеником Е. Vessiot в 1904 г. [310] в параметрическом виде. Затем, по выражению Л. В. Овсянникова [192, с. 310], она была "прочно забыта". Общая теория построения группового расслоения на основе теории авто-морфных систем дана и изложена Л. В. Овсянниковым в [192].

Известны следующие результаты по групповому расслоению для конкретных уравнений математической физики.

В работе P. Kucharczyk [119] получено групповое расслоение уравнений "коротких волн" в газовой динамике; в ней использован параметрический метод Е. Vessiot [310]. При этом выяснилось, что параметрический метод приводит к громоздким формулам. В работе Л. В. Овсянникова [191] выполнено групповое расслоение пограничного слоя (в плоском стационарном случае) и показано, что оно может быть проведено непосредственно в исходных переменных, без введения формальных параметров Е. Vessiot, то есть в явном виде. Кроме того, Л. В. Овсянниковым в [191] получен следующий результат: обнаружено, что исходная краевая (прямая) задача для этих уравнений пограничного слоя может быть трансформирована в краевую (прямую) задачу для разрешающей системы группового расслоения.

Эта работа Л. В. Овсянникова оказала большое влияние на исследования автора и послу Другое название группового расслоения — разложение Ли — Вессио [99]. жила определенным эталоном (моделью) построения группового расслоения и его использования. В диссертации групповое расслоение всюду выполняется также в явном виде.

В статье JT. В. Верещагиной [68] результаты работы Л. В. Овсянникова [191] обобщены на нестационарный пространственный (трехмерный) случай и выполнено групповое расслоение, также в явном виде, уравнений пространственного нестационарного пограничного слоя. В работе Л. В. Овсянникова [301] построено групповое расслоение системы уравнений гидродинамики в трехмерном случае для идеальной несжимаемой жидкости относительно некоторой бесконечной допускаемой группы преобразований. В недавних работах С. В. Головина [277, 278] дано групповое расслоение стационарных уравнений газовой динамики и уравнения Кармана — Гудерлея для сверхзвуковых газовых течений.

В работах автора [157-160, 292] и в гл. 2-4 диссертации построено в явном виде групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у). Этот класс включает в себя многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики и их обобщения, перечисленные в § 2.5. В отличие от упомянутых выше работ, здесь групповое расслоение строится не относительно группы, действующей в пространстве {независимые переменные х, решение прямой задачи и = и1}, а относительно группы эквивалентности, действующей в пространстве {независимые переменные х, решение прямой задачи и = и1, параметр а = и2}.

Автор считает, что возможности такого красивого и мощного инструмента, как теория группового анализа дифференциальных уравнений, используются далеко не в полную силу, и резерв возможностей этого аппарата для теории дифференциальных уравнений огромен. Одной из причин такой ситуации и, видимо, основной причиной (отмеченной в [57, 189]), является то обстоятельство, что дифференциальное уравнение более или менее общего вида (например, с переменными параметрами, в частности, с переменными коэффициентами в линейном уравнении), как правило, допускает лишь тривиальную или узкую группу. Например, групповой анализ общего линейного дифференциального уравнения второго порядка с переменными коэффициентами, выполненный Л. В. Овсянниковым [186, 189, 192], показывает, что это уравнение допускает нетривиальную группу лишь в специальных случаях, когда коэффициенты уравнения удовлетворяют некоторым соотношениям (дифференциальным уравнениям). Иллюстрацией этому утверждению служат также результаты вычислений в приложении 1 диссертации для ряда уравнений с переменным коэффициентом (параметром). Аналогично, весь опыт групповой классификации различных уравнений показывает, что дифференциальное уравнение вида J-\u, а] = 0 с переменными коэффициентами (параметрами) а(х) допускает содержательную группу, как правило, при существенных ограничениях на эти параметры а(х), обычно в виде дифференциальных уравнений.

В качестве базовой группы группового анализа при этом используется, как правило, группа, допускаемая уравнением JF[u, а] = 0 в пространстве х, и.

Между тем во многих важных задачах, например, в обратных задачах математической физики, переменные параметры уравнения, например, коэффициенты, характеризующие свойства среды, являются произвольными гладкими функциями из некоторого функционального пространства и не обязаны удовлетворять каким-либо дополнительным дифференциальным уравнениям или другим существенным ограничениям. Поэтому важен поиск таких подходов, которые позволили бы распространить классический групповой анализ на различные классы уравнений и задач без каких либо существенных ограничений на переменные коэффициенты (параметры) уравнения.

В диссертации в главах 1-4 формулируется и излагается групповой подход, предложенный в 1983 г. в [157, 158], развиваемый в [159-173, 292, 293] и описанный в виде схемы в § 1.3 главы 1, который позволяет систематически распространять конструкции классического группового анализа и, прежде всего, дифференциальные инварианты и групповое расслоение

1) на класс дифференциальных уравнений в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) без существенных ограничений на них в виде дифференциальных уравнений;

2) на класс обратных задач.

Рассматривается случай трех независимых переменных х,у, t.

Результаты, полученные с помощью этого подхода (и его схема), кратко сформулированы выше в разделе "Научная новизна", а более детально излагаются ниже в рамках каждого направления исследований. Они выявляют ряд новых свойств и возможностей классического группового анализа, прежде всего, таких его общих конструкций, как дифференциальные инварианты, групповое расслоение и группа эквивалентности (вообще говоря, расширенная в пространстве х, и1 = и, и2 = а).

Сформулирована (§ 1.3) новая задача группового анализа, обозначенная в п. 9 раздела "Научная новизна", — обратная задача группового расслоения (§ 1.3). В классической (условно прямой) задаче группового расслоения задана система (дифференциальное уравнение) Е и допускаемая ею группа G; требуется получить описание каждого отдельного класса (орбиты) эквивалентных решений и описание всех таких классов (орбит) в терминах дифференциальных уравнений, т. е. построить автоморфную и разрешающую системы группового расслоения Е относительно G.

Обратная задача группового расслоения. Пусть задана (нелинейная) система R дифференциальных уравнений. Требуется выяснить, существует ли такое дифференциальное уравнение (система) Е и такая нетривиальная группа Ли G точечных преобразований, что данная система R является разрешающей системой RE уравнения Е относительно группы G. И, если такая пара (Е, G) существует, то требуется найти ее. Представляется, что решение такой задачи могло бы дать новый подход к решению задач для нелинейных дифференциальных уравнений (систем) с помощью сведения их к задачам для уравнения Е в случае, когда теория последних задач уже разработана или является более простой по сравнению с задачами для R.

2. Разработка группового подхода к обратным задачам для дифференциальных уравнений

Обратные задачи математической физики — это актуальное и важное направление в теории дифференциальных уравнений в частных производных и в различных современных технологиях, таких, как геофизика, оптика, томография, дистанционное обнаружение (remote sensing), неразрушаюшая диагностика материалов и других. Это относительно новое направление, зародившееся в начале 20-го века и получившее интенсивное развитие во второй его половине, особенно в последние три десятилетия.

В диссертации рассматриваются с точки зрения группового анализа две классические обратные задачи — обратная кинематическая задача сейсмики (геометрической оптики, обратная задача для нелинейного уравнения эйконала Ат/п2(х,у) = 1) и обратная задача для волнового уравнения (Л.т/п2(х,у) = ии), обе в двумерном варианте. Выбор уравнения эйконала и волнового уравнения определяется тем, что эти уравнения являются основными классическими математическими моделями в теории прямых и обратных задач распространения волн и сейсмики. Поэтому мы ограничимся библиографическим обзором по этим двум задачам.

Обратная кинематическая задача сейсмики (геометрической оптики) исторически явилась первой постановкой обратной задачи математической физики. Она была впервые рассмотрена немецкими геофизиками Г. Герглотцем [279, 280] и Е. Вихертом [311] в 1905-1907 гг. в одномерном случае, и далее исследована Г. А. Гамбурцевым [71] и С. В. Чибисовым [254]. В случае немонотонного изменения скорости с (у) = 1 /п(у) с глубиной у одномерная обратная кинематическая задача не имеет единственного решения. Характер этой неоднозначности был исследован М. Л. Гервером и В. М. Маркушевичем в [77, 78] (сюда также примыкают работы [73, 138-140]). В одномерном случае они исследовали вопросы существования решения обратной задачи, а также задачу с внутренними источниками [79, 80]. Решение одномерной обратной кинематической задачи сыграло важную роль в развитии сейсмологии [3, 21, 129, 216, 218].

Многомерная обратная кинематическая задача (на плоскости, в трехмерном и п-мер-ном пространстве) в линеаризованной постановке исследована в работах М. М. Лаврентьева, В. Г. Романова [126, 127], А. С. Алексеева, М. М. Лаврентьева, Р. Г. Мухометова,

B. Г. Романова [8], А. С. Алексеева, М. М. Лаврентьева, Р. Г. Мухометова [9], В. Г. Романова [211, 212, 216, 218], Р. Г. Мухометова [176-178], И. Н. Бернштейна, М. Л. Гервера [42, 43],

A. Л. Бухгейма [58].

Нелинейная многомерная обратная кинематическая задача сейсмики (вопросы единственности решения, оценки устойчивости) исследованы в работах Ю. Е. Аниконова [18-22], Р. Г. Мухометова [177-179], Р. Г. Мухометова, В. Г. Романова [180], В. Г. Романова [213-215],

C. В. Гольдина [83], И. Н. Берншейна, М. Л. Гервера [42, 43], Г. Л. Бейлькина [28], Л. Н. Пе-стова [22, 199], В. А. Шарафутдинова, А. Л. Бухгейма [60, 61]. В этих постановках либо искомый параметр тг(х) является аналитической функцией по всем или по части переменных х = (xi,. ,хп), либо поле времен т(х, хо), задаваемое на границе области, является функцией более чем п переменных (переопределение), либо функция годографа т(х,хо) задается на всей границе области (а не на ее части). В работе А. В. Белоносовой, А. С. Алексеева [33] предложен метод решения двумерной обратной кинематической задачи с помощью сведения ее к задаче Коши для нелинейного трехмерного уравнения относительно некоторой функции r(xi, х2, zi). Идея введения этой функции, как отмечено в [33], принадлежит М. М. Лаврентьеву. В работе М. Е. Романова, А. С. Алексеева [222] развит численный метод решения этой задачи с помощью метода характеристик. В работах А. С. Алексеева, А. В. Белоносовой,

B. А. Цецохо, А. С. Белоносова [34, 265] методика статьи [33] распространена на трехмерный случай.

Обратные задачи для волнового уравнения и, в более общем плане, — обратные задачи для уравнений второго порядка гиперболического типа — также являются одним из наиболее разработанных направлений в теории обратных задач.

Первые и фундаментальные результаты по одномерной обратной задаче для одномерного волнового уравнения — уравнения колебаний неоднородной струны — и сопряженным с ней обратным спектральным задачам для уравнения Штурма — Лиувилля и теории рассеяния были получены в работах В. А. Амбарцумяна [266], Г. Борга [270], В. А. Марченко[141-143], М. Г. Крейна [112-116], И. М. Гельфанда и Б. М. Левитана [74], Л. А. Чудова [256], Л. Д. Фад-деева [243], А. С. Алексеева [2]. Соответствующий одномерный оператор Штурма — Лиувилля в упомянутых постановках является самосопряженным. Дальнейшее продвижение и развитие теория одномерной обратной задачи для струны и волнового уравнения в пространстве получила в работах А. С. Алексеева [3], В. Г. Романова [209-212], А. С. Благовещенского [48-51], А. С. Благовещенского, А. А. Буздина [52], М. Л. Гервера [75, 76], М. И. Белишева [30], С. И. Кабанихина [102], И. С. Каца, М. Г. Крейна [109], А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [10], А. С. Алексеева, В. С. Белоносова [264].

А. С. Алексеевым [2, 3] был введен в круг систематических исследований новый класс обратных задач теории распространения волн, в том числе для волнового уравнения, — обратные динамические задачи сейсмики. Первые постановки обратных динамических задач для гиперболических уравнений и систем, наряду с работами А. С. Алексеева [2, 3], были сформулированы также М. М. Лаврентьевым, В. Г. Романовым [123, 124, 126]. Одним из важных в прикладном отношении классом одномерных обратных задач для волнового уравнения, акустического уравнения и системы линейной теории упругости являются обратные задачи рассеяния плоских волн на неоднородных слоях. Они исследованы в работах А. С. Алексеева [2, 3], А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [10, 11], А. Г. Меграбова [144-149, 294], А. С. Благовещенского, К. Э. Воеводского [53], А. С. Благовещенского [51], В. И. Добринского, В. А. Горбунова [86], М. И. Белишева [29], М. И. Белишева, А. С. Благовещенского [32]. В работе А. Г. Меграбова [148] (см. также [294]) предложен и опробован в численном варианте способ одновременного восстановления плотности и скорости в неоднородном слое как функций глубины по семейству плоских волн, отраженных от слоя под различными углами. В работах А. С. Алексеева [2, 3], А. С. Алексеева, В. И. Добринско-го [5], А. С. Алексеева, В. И. Добринского, Ю. П. Непрочнова, Г. А. Семенова [6], О. Ф. Ан-тоненко [23], Н. М. Бородаевой [54] изучены вопросы численного решения и практического использования обратных динамических задач сейсмики.

Первые постановки многомерных обратных задач для волнового уравнения сформулированы и исследованы М. М. Лаврентьевым [123, 124], М. М. Лаврентьевым, В. Г. Романовым [126], А. С. Алексеевым [3]. В дальнейшем важные результаты по многомерным обратным задачам для волнового уравнения и близким к нему гиперболических уравнений были получены в работах В. Г. Романова [211, 218-221], А. С. Алексеева, Г. М. Цибульчика [13, 14],

A. Л. Бухгейма [60, 61], А. Л. Бухгейма, М. В. Клибанова [63], А. Л. Бухгейма, В. Г. Яхно [65], М. И. Белишева [31], М. И. Белишева, А. С. Благовещенского [32], С. И. Кабанихина [103], Ю. Е. Аниконова [21], В. Г. Хайдукова, В. И. Костина, В. А. Чеверды [287], В. Г. Романова, Д. И. Глушковой [82], В. Г. Романова, М. Ямамото [306] и в других. Систематическое исследование многомерных обратных задач для гиперболических уравнений и систем проведено

B. Г. Романовым [211-221, 304].

Следует заметить, что многие постановки многомерных обратных задач либо являются переопределенными, т. е. размерность задаваемой информации (число независимых переменных) больше, чем размерность искомых коэффициентов (параметров), либо начальные данные известны внутри области определения коэффициентов (параметров) [60, 63, 65]. В. Г. Романовым в [221] предложен новый метод получения теорем единственности и оценок устойчивости решения обратных задач для гиперболических уравнений с минимальной по размерности информации.

Эти и более поздние результаты по многомерным обратным задачам для волновых и гиперболических уравнений систематизированы в обобщающих монографиях М. М. Лаврентьева, В. Г. Романова, С. П. Шишатского [128], М. М. Лаврентьева, Л. Я. Савельева [129],

B. Г. Романова [211, 212, 218, 304], А. Л. Бухгейма [60, 61, 271, 272], С. И. Кабанихина [103],

C. И. Кабанихина и А. Лоренци [284], Ю. Е. Аниконова [21, 267], М. И. Белишева, А. С. Благовещенского [32], а также в аналитических статьях А. С. Алексеева [3, 4], А. С. Алексеева, С. И. Кабанихина [7], С. И. Кабанихина [104], В. Г. Романова, С. И. Кабанихина [305].

В аспекте численного решения многомерные обратные задачи для гиперболических уравнений рассматривались в работах С. И. Кабанихина и его сотрудников [104].

В настоящее время обратные задачи получили распространение во многих областях математической физики и в различных технологиях; здесь получены важные в теоретическом и прикладном отношениях результаты, часть которых упомянута выше. Вместе с тем даже в таких продвинутых направлениях, как кинематическая задача сейсмики и волновое уравнение, теория обратных задач еще не достигла полного и замкнутого описания и содержит ряд нерешенных вопросов. Например, в обратной кинематической задаче уже в двумерном случае до сих пор не доказана теорема единственности для общего случая конечной гладкости скорости распространения волн с(х,у) при задании функции годографа не на всей границе области, а на части границы (например, для области формы лунки). Для динамических обратных задач, как отмечено А. С. Алексевым [4], также не достигнута эквивалентность прямых и обратных задач как в развитии теории, так и в плане численных методов решения.

Эти трудности в теории обратных задач обусловлены, прежде всего, следующими обстоятельствами.

Во-первых, обратная задача является, как правило, нелинейной даже в том случае, если исходное дифференциальное уравнение а] = 0 относительно решения и(х) (прямой задачи) является линейным. Во-вторых, неодномерные обратные задачи в общем случае являются некорректными в классическом смысле. Но, возможно, наиболее важным является то обстоятельство, что, в то время как оператор прямой задачи явно задан, оператор обратной задачи в явном виде не определен.

Общих методов исследования и решения обратных задач относительно немного. Прежде всего, это спектрально-аналитический метод, заключающийся (для одномерных задач) в сведении данной обратной задачи к обратной спектральной задаче Штурма — Лиувилля [74, 112-116, 141-143]. Начиная с работы А. С. Алексеева [2], теория спектральных обратных задач интенсивно применялась в геофизике. Согласно классификации, предложенной С. И. Ка-банихиным в [104], можно выделить следующие методы исследования обратных задач: метод операторных уравнений Вольтерра, оптимизационный метод, метод Ньютона-Канторовича, динамический вариант метода Гельфанда — Левитана, метод граничных управлений, метод обращения разностной системы, проекционный метод. Как следует из сравнительного анализа этих методов, проведенного в работах А. С. Алексеева [3, 4], А. С. Алексеева, С. И. Ка-банихина [7], С. И. Кабанихина [104], каждый из этих методов имеет свои сильные стороны и области применения. Существуют также другие методики и подходы, применяемые лишь при определенных ограничениях на свойства искомых коэффициентов (параметров).

Заметим, что, с точки зрения классического группового анализа обратная кинематическая задача сейсмики, обратная задача для волнового уравнения и, в более общем плане, обратные задачи для дифференциальных уравнений с переменными параметрами (в частности, коэффициентами), ранее систематически не рассматривались. Именно с этой точки зрения данные обратные задачи исследуются в диссертации в гл. 4.

Из приведенного краткого обзора результатов, методов теории обратных задач и их свойств следует, что в настоящее время важным и актуальным является поиск и разработка новых подходов к исследованию обратных задач.

В работах [157, 158] (1983 г.) и в диссертации на основе классического группового анализа предложен подход к исследованию дифференциальных уравнений с произвольными переменным коэффициентами (параметрами) и соответствующих обратных задач. Этот подход состоит в определении, систематическом изучении и использовании дифференциальных инвариантов группы эквивалентности (вообще говоря, расширенной по уравнению с определением этой группы в [192, 194]) данного дифференциального уравнения (системы) и связей между этими дифференциальными инвариантами. Он реализован в двух вариантах.

Первый вариант предложенного группового подхода

В первом варианте строится и используется групповое расслоение исходного дифференциального уравнения относительно упомянутой группы эквивалентности. При этом групповое расслоение порождает некоторую дифференциальную замену зависимых и независимых переменных. Показано (§ 4.1, 4.3), что исходная обратная (или прямая) краевая задача для исходного уравнения Е может быть сведена к некоторой прямой задаче для системы RE квазилинейных дифференциальных уравнений (или скалярного уравнения). Такая трансформация имеет место как для обратной кинематической задачи (для нелинейного уравнения эйконала вида (0.3)) (§ 4.1), так и для обратной задачи с волновым уравнением (§ 4.3). Эта система RE является разрешающей системой группового расслоения и определяется всюду в работе в явном виде. Данный вариант группового подхода представляет собой распространение упомянутого результата Л. В. Овсянникова из работы [191] на класс обратных задач. Этот результат состоит в обнаружении факта, что прямая краевая задача для уравнений плоского стационарного пограничного слоя может быть сведена к краевой (прямой) задаче для разрешающей системы. Отличие от работы [191] и других работ по групповому расслоению [68, 119, 277, 278, 301] заключается также в том, что группа Ли, относительно которой выполняется групповое расслоение, является не группой, допускаемой уравнением Т[и, а] = 0 в пространстве (х,и), а расширенной группой эквивалентности этого уравнения (допускаемой группой для уравнения = 0 в пространстве ж, и1 = и,и2 = а).

Как отмечено А. С. Алексеевым [4] (и выше), "существенная трудность решения многомерных обратных задач состоит в отсутствии явного оператора задачи (в отличие от прямых задач, где оператор явно задан), усложняющим проблему его дискретной аппроксимации. В прямых даже сильно нелинейных задачах схемы их дискретизации, а также критерии аппроксимации оператора и устойчивости алгоритмов счета довольно глубоко разработаны, позволяя оценивать условия сходимости алгоритмов. Поэтому заманчивым представляется возможность вместо обратных задач . решать в каком-то смысле эквивалентные прямые задачи". Описанный первый вариант группового подхода представляет собой попытку реализации такой возможности. При этом в получаемой (неклассической) прямой задаче для разрешающей системы RE оператор задан явно, так как система RE определяется в явной форме. Итак, предлагаемый групповой подход в первом варианте представляет собой трансформацию обратных задач к неклассическим прямым задачам. Как отмечено А. С. Алексеевым [4], "для численного решения этих задач, возможно, существуют схемы дискретизации, допускающие применение сеточных методов".

Подходы, основанные на связи (парности, двойственности по терминологии А. С. Алексеева [4]) прямых и обратных задач, в математической физике и теоретической геофизике известны. Во-первых, такой подход реализован в рамках конкретной задачи — двумерной обратной кинематической задачи сейсмики — в работе А. В. Белоносовой, А. С. Алексеева [33], где эта обратная задача преобразуется к задаче Коши для неклассического нелинейного уравнения. Во-вторых , это метод обратной задачи теории рассеяния для интегрирования нелинейных эволюционных уравнений [87, 89, 96, 134, 237, 276, 289, 307]. Например, задача Коши для нелинейного уравнения Кортевега-де Фриза редуцируется к одномерной обратной задаче для уравнения Штурма — Лиувилля или для одномерного волнового уравнения [276, 307]. Однако направленность применения этой "парности" в предлагаемом подходе обратная: обратные задачи сводятся к неклассическим прямым. Кроме того, отличие состоит также в том, что в методе обратной задачи рассеяния механизм двойственности прямой и обратной задачи соответствует представлению Лакса для оператора исходной прямой задачи, а в применяемом групповом подходе "парность" или двойственность порождается групповым расслоением. Впрочем, как отмечено в § 1.3, схему излагаемого подхода можно обратить, и для исследования той или иной задачи для системы RE использовать теорию соответствующей (прямой или обратной) задачи для исходного уравнения (системы) Е. Кроме того, в силу обнаруженного (§ 3.2) наличия представления Лакса у разрешающей системы RE группового расслоения уравнений Е из широкого класса, можно применять также и "парность" исходной (прямой или обратной) задачи для уравнения Е и некоторой задачи для дифференциальных операторов L, А, дающих представление Лакса системы RE. Однако эти направления, как и обратная задача группового расслоения, в диссертации только намечены в качестве целей дальнейших исследований.

Второй вариант предложенного группового подхода

Он основан на использовании нового полученного дифференциального тождества вида (0.2) (§ 3.3), выражающего некоторую связь (описываемую формулой (2.2.11)) между дифференциальными инвариантами рассматриваемой группы G. Причем оно применяется в двух вариантах.

Во-первых, это тождество применяется непосредственно, что приводит к интегральному тождеству и из него — к получению семейства интегральных формул (§ 3.3, § 4.1-4.3) для определения различных функционалов в обратных задачах для различных линейных и нелинейных уравнений математической физики (эйконала, волнового, теплопроводности и др.).

Во-вторых, показано, что с помощью сочетания этого тождества и (только) замены переменных, индуцированной групповым расслоением (но не используя полностью разрешающую и автоморфную системы этого расслоения), решения ряда классических нелинейных уравнений математической физики (эйконала J7 = {(их)2 + (иу)2)}/п2(х,у) = 1 и его обобщение J7 = <р{и) где </? — произвольная гладкая функция; уравнения характеристик волнового уравнения J7 = (щ)2) могут быть преобразованы в решения обыкновенных дифференциальных уравнений классического вида (зависящих от параметров, но дифференцирование в них ведется только по одной переменной г или t), в том числе уравнения Риккати и линейного уравнения второго порядка (п. 4.1.3). Отсюда также получаем, что обратная задача для уравнения эйконала (кинематическая задача) может быть сведена к прямой задаче для нелинейных систем, содержащих обыкновенные дифференциальные уравнения (п. 4.1.11, 4.1.12).

Таким образом, второй вариант применения полученного дифференциального тождества дает второй вид преобразования исходных нелинейных уравнений в частных производных — в классические обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе — линейные. (Первый упомянутый выше вид — преобразование исходных уравнений в квазилинейное разрешающее уравнение (систему RE).

Оба варианта применения полученного тождества даны в работе (гл. 4) как в независимых переменных группового расслоения, так и в исходных независимых переменных х, у, t.

В работе М. В. Нещадима [184] найдена группа Ли, допускаемая уравнением теплопроводности p(x,y,z)ut = ихх + иуу + ихх, выполненный групповой анализ применяется к исследованию обратных и краевых задач для этого уравнения. При этом используемая группа преобразований отыскивается в пространстве (х, и = it1), что приводит к ограничениям на коэффициент р в виде дифференциальных уравнений.

3. Отыскание новых эффективных преобразований линейных и нелинейных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром)

Одним из общих и эффективных методов исследования и интегрирования линейных и нелинейных дифференциальных уравнений — обыкновенных и в частных производных — является идея преобразования, или замены независимых и (или) зависимых переменных. Например, как известно, иногда подходящая замена переменных позволяет проинтегрировать исходное обыкновенное дифференциальное уравнение в явном виде или в квадратурах [106, 223, 233]. В теории нелинейных уравнений в частных производных существует ряд преобразований [40, 41, 121, 201, 307]: точечные преобразования, преобразования Лежандра, преобразования годографа, Мизеса, Моленбрука — Чаплыгина, преобразования Беклунда, дифференциальные подстановки, конформные и квазиконформные преобразования и другие. Каждый вид преобразований имеет свою область применения. Поиск новых эффективных преобразований является важной задачей при интегрировании нелинейных дифференциальных уравнений.

Новое преобразование является эффективным тогда, когда с его помощью исходное уравнение преобразуется к другому уравнению, либо в некотором смысле более простому или классическому, либо обладающему интересными специальными свойствами.

Как показано в главе 4 и уже отмечено выше, найдены преобразования зависимых переменных v}(x,у, t), и2{х,у) и независимых переменных x,y,t, с помощью которых:

1) широкий класс дифференциальных уравнений математической физики с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2[х,у) трансформируется (§ 2.4) в семейство систем квазилинейных дифференциальных уравнений (являющихся соответствующими разрешающими системами RE группового расслоения), каждая из которых, как доказано в § 3.2, допускает представление Лакса в виде L-A пары. В случае уравнения эйконала J7 = {(ux)2 + (иу)2}/п2(х, у) = 1; его обобщения J7 = (р(и) (у> — произвольная гладкая функция); уравнения характеристик волнового уравнения J7 = (щ)2 система RE может быть представлена в форме скалярного уравнения второго порядка вида (п. 4.1.2, § 4.2);

2) ряд нелинейных уравнений математической физики (уравнение эйконала J7 = {(их)2 + (иу)2}/п2(х,у) = 1 и его обобщение J7 = tp(u)\ уравнение характеристик волнового уравнения {(их)2 + (иу)2}/п2(х,у) = (ut)2) трансформируется в классические обыкновенные дифференциальные уравнения, в том числе линейные (п. 4.1.3, § 4.2). Кроме того, найдены дифференциальные преобразования, переводящие решения некоторых квазилинейных уравнений эллиптического типа и гармонические функции в гармонические функции (§ 4.2).

Эти преобразования переменных являются дифференциальными заменами вида (t,x,y,u\u2) (t,r,p,V(t,T,p)), где t,r = и1, р = uj илир = [(и\)2+ {и\)2]/и2(х,у) — новые независимые переменные (инварианты нулевого и первого порядка группы G, допускаемой исходным уравнением в пространстве (х,у, t,v},v?)), V(t,r,p) — скалярная или векторная функция, представляющая собой один или несколько дифференциальных инвариантов первого и второго порядка группы G или их алгебраические комбинации (новые зависимые переменные). Единообразным генератором этих найденных преобразований является семейство дифференциальных инвариантов рассматриваемой группы G и связи между ними, в частности, дифференциальное тождество (0.2), полученное в § 3.3. Данные дифференциальные замены также порождаются групповым расслоением исходного дифференциального уравнения, записанным в формуле Т[и1 ,и2] = 0, относительно группы G (§ 2.4). Эта методика проводится в работе (глава 4) достаточно систематически.

4. Новое описание двумерной кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) на основе предложенного группового подхода. Результаты для волнового уравнения и других уравнений математической физики

Кинематическая задача рассмотрена в работе наиболее подробно, поэтому более детально изложим полученные для нее результаты. Получены (§ 4.1) уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи и позволяющие сводить к ним эту задачу. В том числе получены следующие результаты.

1. Построено групповое расслоение уравнения эйконала , (0,) п2(х, у) относительно вычисленной (в приложении 4) группы Ли G преобразований пространства (x,y,t,T,n2), показана возможность трансформации уравнения (0.3) в квазилинейное волновое уравнение pvTT + Vrt + Wrp - 2vTvp = 0, (0.4) являющееся разрешающим уравнением группового расслоения.

2. Выявлено скрытое наличие представления Лакса в прямой кинематической задаче (у разрешающего уравнения (системы) группового расслоения уравнения эйконала (0.3) в пространстве (x,y,t,r,n2)).

3. Показана возможность трансформации уравнения эйконала в обыкновенные дифференциальные уравнения классического вида, в том числе в уравнение Риккати hT+h2 = —К(х, у) и линейное уравнение второго порядка вида

UTT + KU = 0, (0.5) содержащего параметры т,р, где К = К(х,у) = K(t,r,p) определяется по п(х,у): К(х,у) =

1 A Inn2 . .

-5—. Величина К ух, у), входящая в эти классические уравнения, является гауссовой

2 пг кривизной некоторой поверхности с линейным элементом dr2 = n2(x,y)(dx2 + dy2), что дает связь уравнения (0.5) с дифференциальной и римановой геометрией. Найдены дифференциальные комбинации поля времен r(x,y,t) и показателя преломления п{х,у)1 которые в качестве переменных v,h,U = U1, U = U2, на произвольном луче удовлетворяют этим уравнениям и получаются преобразованием t,r,p —> t,x,y(p = rt) из дифференциальных инвариантов Ji группы G:

Ат v{t,r,p) = rtt = -Л h{t,T,p) = — = J4,

Tl*

U1 = t/2(*,T,p) = j"1 = (Jeri

4. Получены оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей D(t,x,y), являющегося важной характеристикой в теории прямой кинематической задачи и в лучевом методе определения волнового поля [1, 26, 35], а также способ вычисления этой величины D в прямой задаче, основанный на решении задачи Коши для уравнений (0.5).

Другие способы определения геометрического расхождения даны в работах А. В. Белоно-совой, С. С. Та д жимухамедовой, А. С. Алексеева [35], А. В. Белоносовой, В. А. Цецохо [36], В. А. Цецохо, А. С. Белоносова [250], М. М. Попова [202].

5. Показано, что обратная кинематическая задача может быть сведена либо к прямой задаче для разрешающего уравнения (0.4), либо к другим квазилинейным системам, содержащим уравнение (0.5).

6. Получены интегральные формулы для определения некоторых функционалов от параметра п(х,у) или от функций т,п(х,у) в локальных обратных задачах как в исходных независимых переменных x,y,t, так и в (групповых) независимых переменных t,T,p.

7. Получена замкнутая система нелинейных уравнений (в нескольких вариантах) для функций х = x(t,T,p), у — y(t, т,р), определяющих произвольный луч. В отличие от известной системы уравнений луча

Г хтт + (я2 - у2)(1пп)х + 2хтут(1птг)у = 0, | Утт + 2гг2/т(1пгг)х - (я2 - у2)(Inn),, = 0, эти системы для х, у не содержат функции п(х, у), которая неизвестна в обратной задаче. В частности, получена система xtVP — UtXp xtyp - ytxp рхт - -Ур-о i 2 ' РУт = Хр-2 i 2

Ц + Щ- Ц + yj

8. Получены замкнутые скалярные квазилинейные уравнения для величин п и (Д In п)/тг2 = —К как функций новых независимых лучевых переменных t,T,p = rt (являющихся инвариантами группы G).

9. Найдены (в прямой задаче) величины, инвариантные относительно положения точечного источника сигналов (т. е. не зависящие от переменной t): дивергенция divT и поток JJS(T • dS) вектора через произвольную гладкую фиксированную (на плоскости х, у) границу S. Показано, что divT = Д In п(х, у) = -п2(х, у)К(х, у).

10. В классической одномерной кинематической задаче получены следующие результаты.

A. Показано, что эта задача может быть описана уравнением pvTT + vvTp — 2vTvp = 0, или {ит + иит}т — 3итит = 0, ь(т,р) = гг(т,г), г = р2/2 или А{р2 — v2/vT} = 0, где А = — (рд/дт + vdjdp) — один из операторов L-A-пары Лакса для уравнения (0.4), и что эквивалентная система vT = —(С/2)-2, pU2 + (vU2)p = 0 имеет бесконечное множество законов сохранения с функциональным произволом.

B. Получен ряд явных интегральных формул для функционалов от параметра п(у) в дополнение к формулам, упомянутым в п. 6 данного раздела.

C. Найден способ решения классической одномерной обратной кинематической задачи, отличный от известных методов Герглотца — Вихерта — Чибисова и других подходов [33, 78-80, 141, 216, 218].

Результаты п. 1-4, 7-10. представляют собой постановки и решение ряда не рассматриваемых ранее вопросов для классической прямой кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики), в частности, оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения.

Результаты, аналогичные сформулированным в п. 1, 2, 5, 6 раздела "Новое описание .", получены также для волнового уравнения (ихх + иуу)/п2(х, у) = utt (§ 4.3). Результаты, аналогичные п. 1, 2, 3 этого раздела получены для уравнения {(их)2 + {иу)2}/п2(х, у) = tp(u), обобщающего уравнение эйконала (0.3) , и для уравнения характеристик волнового уравнения {(ur)2 + (иу)2}/п2(х,у) = (ut)2 (§ 4.2). Они уже упомянуты выше в разделах 2 и 3.

5. Поиск новых точных частных решений дифференциальных уравнений

Важную роль в математической физике играют явные точные частные решения дифференциальных уравнений, например, классические фундаментальные решения для уравнений Лапласа, Гельмольца, волнового уравнения. Точные решения применяются также в качестве тестов при численном решении задач. Одним из эффективных и универсальных методов их отыскания является групповой анализ. На основе группового анализа в работах Л. В. Овсянникова [189, 192], Н. X. Ибрагимова [99], В. К. Андреева, О. В. Капцова,

B. В. Пухначева, А. А. Родионова [16], В. К. Андреева, В. В. Бублика, В. О. Бытева [15],

C. В. Головина [278], Е. В. Мамонтова [136], С. В. Мелешко [174], Е. В. Меньшикова [175], В. В. Пухначева [205], С. В. Хабирова [249, 285, 286], А. А. Черевко [253], А. П. Чупахина [258] и других найдены важные и интересные классы частных решений для различных уравнений математической физики. Точные частные решения нелинейных уравнений в частных производных систематизированы в монографии А. Д. Полянина, В. Ф. Зайцева [201], в трехтомном Handbook [281-283], статье Л. В. Овсянникова [195]. В частности, групповой анализ позволяет находить инвариантные решения, а также введенные Л. В. Овсянниковым [189, 192] частично-инвариантные решения. Однако эти решения существуют не всегда, а только при наличии определенных групповых свойств. Поэтому представляет интерес поиск новых точных частных решений дифференциальных уравнений и новых вариантов применения группового анализа для их отыскания.

В диссертации (§ 4.4) предложен подход для определения точных частных решений, основанный на систематическом построении и применении группового расслоения. Ранее для этой цели оно систематически не применялось. При этом групповое расслоение строится для системы ED, объединяющей исходное уравнение Е и дополнительные дифференциальные связи D, инвариантные относительно той же группы G в пространстве х, и1, и2, что и исходное уравнение Е. Так что G является группой эквивалентности и для Е, для ED\ относительно G и строится групповое расслоение ED. Во всех рассматриваемых случаях удается последовательно получить общее решение разрешающей и автоморфной системы группового расслоения в явном виде.

Таких связей D, однако, можно добавлять бесконечно много, используя вычисленные дифференциальные инварианты. Выбор вида дифференциальных связей, удобных для интегрирования ED в явной форме, "подсказывается" разрешающей системой группового расслоения.

С помощью предложенного подхода получены следующие результаты.

1. Найдено несколько семейств точных частных решений волнового уравнения (ихх + иуу)/п2(х,у) = иа и эллиптического уравнения (ихх + иуу)/п2(х} у) + uzz = 0 с переменным параметром п2(х,у), в том числе в элементарных функциях. В частности, найдены точные частные решения трехмерного уравнения Лапласа вида u(x,y,z) = {х + у+ [(х

2. Дано описание класса функционально-инвариантных (ф.-и.) решений двумерного волнового уравнения в терминах группового расслоения, содержащее, в частности, следующие результаты.

А. Построено групповое расслоение системы = (0-6) и2(х,у) определяющей ф.-и. решения волнового уравнения (0.6), в пространстве (t,x,y, и1, и2).

B. Показано, что система (0.6), (0.7) в классе всех существенно двумерных решений (со свойством д (tjU1 ,и})/д (t,x, у) = ulxu\y — ulyu\x ^ 0) эквивалентна системе, получаемой из системы (0.6), (0.7) заменой волнового уравнения (0.6) на обыкновенное дифференциальное уравнение вида ult = v(t,u\ul), где функция v(t,r,p) определена явной формулой v = p2{tpf2(r) + д(т)р — 2/г(т)//(т)}, /(г), д(т) — произвольные гладкие функции. Причем получены явные формулы, выражающие /(т), д(т) через параметры {1{и),т(и),п(и),к(и)} формулы Смирнова — Соболева [226, 229] для ф.-и. решений.

C. Дано новое доказательство формулы Смирнова — Соболева [226, 229] для ф.-и. решений волнового уравнения на основе группового расслоения.

Найденные точные решения не являются инвариантными или частично-инвариантными относительно группы G в смысле определений, данных в работах Л. В. Овсянникова [189, 192].

Таким образом, показано, что с помощью группового расслоения можно расширить класс точных решений, получаемых на основе группового анализа. Т. е. можно строить новые инвариантно-групповые (по терминологии Л. В. Овсянникова [189]) решения дифференциальных уравнений математической физики с переменным или постоянным коэффициентом (параметром), сочетая метод группового расслоения и метод дифференциальных связей (в общем виде изложенный в книге А. Ф. Сидорова, В. П. Шапеева, Н. Н. Яненко [224]).

6. Постановка и исследование новых обратных задач

Наряду с необходимостью развития методов решения уже поставленных ранее задач, в некоторых областях теории дифференциальных уравнений в частных производных, например для уравнений смешанного типа, отсутствовали какие-либо работы по обратным задачам. Между тем обратные задачи для уравнений смешанного типа возникают, например в общем случае в обратной задаче рассеяния плоских волн на неоднородных слоях, как показано автором в [150, 151, 153].

В этих работах 1975-1977 гг. впервые рассмотрены обратные задачи для уравнения смешанного (эллиптико-гиперболического) типа; соответствующие результаты излагаются в монографии [294] и в § 5.1-5.7 диссертации.

Отсутствовали и постановки некоторых важных обратных задач, представляющих интерес одновременно в различных прикладных областях. Таковыми, например, являются задачи определения физических характеристик и координат произвольного множества тачечных источников (излучателей, осциляторов, точечных масс), впервые сформулированные и исследованные в 1977-1978 гг. в [152, 154, 155]. Эти задачи, как показано автором в [152, 154, 155, 294], естественным образом возникают в геофизике, биофизике, акустике, теории групповых источников (антенны) и других областях.

Итак, в диссертации сформулированы и исследованы два вида новых (неклассических) обратных задач:

1) первые постановки обратных задач для уравнений смешанного типа;

2) первые постановки дискретных обратных задач об определении произвольного множества точечных источников.

Обратные задачи для уравнения смешанного типа

Рассматривается уравнение смешанного (эллиптическо-гиперболического) типа, имеющее вид ° . «"» в полосе П : 0 < z < Н, -оо < f < оо, (0.9) где

K(z)< 0 при ze[0,h), tf(z)>0 при ze(h,H\, '

K(z) £ С2([0, /i]) n C2([h, Я]), (0.11)

0 < h < Н < оо. Изучается и другой случай, когда области гиперболичности и эллиптичности меняются местами. Предварительно (§ 5.1) корректно формулируется прямая задача, которая также является новой неклассической постановкой и подробнее обсуждается в следующем разделе введения.

При этом допускается любое сочетание (из четырех по два) условий

K(h + 0) = 0, K{h + 0) yt 0, K(h - 0) = 0, K(h - 0) ф 0.

То есть, коэффициент K(z) в уравнении (0.8) при переходе из области гиперболичности в область эллиптичности может изменяться как непрерывно (обращаясь в нуль на линии перехода с произвольной вещественной степенью, не обязательно одинаковой с обеих сторон), так и испытывать скачок (обращаясь в нуль только с одной из сторон или вовсе не обращаясь в нуль).

В § 5.4-5.6 даны формулировка, доказательство теорем единственности и способ решения ряда обратных задач об определении переменного коэффициента K(z) в уравнении (0.8). В качестве данных в обратных задачах задается непосредственно решение прямой задачи на одной из границ полосы или на прямой z = h, при переходе через которую уравнение (0.8) меняет тип. Метод решения и доказательства теорем единственности всех обратных задач является спектрально-аналитическим и подробнее обсуждается ниже в разделе "Расширение .". Он существенно использует найденное (в § 5.2, 5.5) интегральное представление решения прямой задачи для уравнения (0.8).

Обратная задача рассеяния плоских волн на неоднородных слоях для гиперболического случая наклонного падения плоской волны, когда уравнение в редуцированной прямой задаче имеет гиперболический тип, изучена в работах А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [10, 11], А. Г. Меграбова [145,147,148], А. С. Благовещенского [51], А. С. Благовещенского, К. Э. Воеводского [53], В. И. Добринского, В. А. Горбунова [86]. К гиперболическому случаю относится и обратная задача для случая нормального падения плоской волны. Она известна в геофизике как один из вариантов одномерной динамической задачи сейсмики и является наиболее изученной в математическом и прикладном отношениях; соответствующие ссылки уже приведены выше в разделе "Разработка .". Обратная задача рассеяния плоских волн на неоднородных слоях в эллиптическом случае, когда уравнение в редуцированной прямой задаче имеет эллиптический тип, исследована в работах А. Г. Меграбова [144, 146-149, 294]. Обратная задача рассеяния плоских волн на неоднородных слоях для случая уравнения смешанного типа (в редуцированной прямой задаче) впервые рассмотрена в [150,151] и излагается в § 5.7; она и порождает постановки обратных задач § 5.4-5.6 для уравнения (0.8).

Позднее М. И. Белишев [29] рассмотрел более общий случай в прямой и обратной задаче рассеяния плоских волн на неоднородном полупространстве и в соответствующей задаче для уравнения смешанного типа, когда коэффициент K(z) может неоднократно менять знак. Однако на K(z) при этом накладывается ограничение (отсутствующее в нашем подходе): K(z) не должен обращаться в нуль, так что K(z) должен испытывать скачок при перемене знака*. Заметим также, что, в отличие от [29], в [150, 151, 153, 294] и в задачах главы 5 рассеивающей средой является не неоднородное полупространство, а неоднородный слой со свободной или закрепленной границей.

Обратные задачи об определении множества точечных источников

Эти постановки дискретных обратных задач введены в теорию обратных задач в 1977 г. в работах [152, 154, 155]. Они возникают в связи со следующим вопросом, поставленным в [152, 155]. Пусть в полупространстве x,y,z, заполненном средой с некоторой скоростью распространения волн, произвольным образом расположено N точечных источников (излучателей, осцилляторов), возбуждающих в среде суммарное поле колебаний u(x,y,z,t), удовлетворяющее волновому уравнению. Каждый источник имеет свою форму импульса и может включаться и выключаться в произвольные (неизвестные) моменты времени и притом неоднократно. Число источников N, их координаты и формы импульсов неизвестны. Спрашивается, существует ли такое множество Е точек на границе полупространства (а в случае пространства — на произвольной плоскости, по одну сторону от которой находятся все источники), что задание поля и на множестве Е позволяет однозначно определить в нестационарном случае — число N, координаты и форму импульса каждого источника, а в стационарном — число N, координаты, амплитуду, фазу и частоту каждого источника. Число источников N может быть сколь угодно большим.

Мы рассматриваем также статическую обратную задачу об определении числа, координат и масс точечных источников ньютонова потенциала. Причем допускается, что массы могут иметь разный знак.

В § 5.10 дана точная постановка этих дискретных обратных задач. Доказано, что во всех трех вариантах — нестационарном, стационарном и статическом — множество Е существует, и приведены примеры таких множеств. То есть, доказаны теоремы единственности поставленных обратных задач.

В частности,в случае, когда задано такое натуральное число п, что N ^ п, доказано, что множество Е представляет собой множество, построенное из конечного числа точек на плоскости наблюдения, зависящего от п, и построены примеры таких множеств простой конструкции.

Кроме того, для нестационарной задачи предложен способ решения, основанный на аналитическом продолжении поля и по одной из пространственных переменных (п. 5.10.6). Получены также оценки количества нулей суммарного поля и(х, у, z, t) и и(х, у, z) на плоскости наблюдения z — 0 (п. 5.10.5).

Как следует из сравнения содержания § 5.2 и § 5.5, доказательство в общем случае поведения K(z) в точке z = h, когда допускается его обращение в нуль, значительно (примерно на порядок) превосходит по своему объему доказательство § 5.2 для частного случая K(h — 0) Ф 0, K(h — 0) ф 0.

Методологический результат этой части диссертации (§ 5.8—5.11) состоит в привлечении теории [108, 207] чебышевских систем функций (Г-систем) к исследованию обратных задач для дифференциальных уравнений.

Рассматриваемые в п. 5.10 дискретные обратные задачи представляют собой задачи определения правой части специального вида, отвечающей произвольному набору точечных излучателей или точечных масс, в волновом уравнении или в уравнении Пуассона. Эти задачи по постановке примыкают к обратным задачам теории потенциала, поставленными и исследованными в работах П. С. Новикова [185], М. М. Лаврентьева [122], В. Н. Страхова [234],

A. И. Прилепко [203], Л. Н. Сретенского [231, 232], В. К. Иванова [100], И. М. Рапопорта [206],

B. Г. Чередниченко [273] и к работам А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [12], М. М. Лаврентьева, В. Г. Васильева, В. Г. Романова [127], В. М. Исакова [101], А. С. Запреева, В. А. Цецо-хо [95], В. Б. Кардакова [107], А. Л. Бухгейма [60], N. Bleistein, J. К. Cohen [268].

Позже обратные задачи определения точечных источников в асимпотической постановке в рамках теории антенн были рассмотрены в работах А. Л. Бухгейма, С. М. Зеркаля,

B. Т. Конева, Г. С. Сабитовой [62, 64].

Возможные области приложений исследованных дискретных обратных задач рассмотрены в § 5.11.

В полном объеме результаты по данному направлению (обратные задачи для уравнения смешанного типа, об определении множества точечных источников) опубликованы в монографии [294].

7. Постановка и исследование неклассических прямых задач

В теории краевых (прямых) задач для уравнений смешанного типа [46, 228] уравнение (0.8) известно как уравнение Чаплыгина для функции тока. Оно возникает и играет важную роль в газовой динамике околозвуковых течений [44, 193, 228]. В этой теории для уравнения Чаплыгина известны такие постановки, как задача Трикоми, задача Франкля и другие задачи (в ограниченной области). Они исследованы Ф. Трикоми, Ф. И. Франклем [245-247], М. А. Лаврентьевым, А. В. Бицадзе [120], Л. В. Овсянниковым [188], А. В. Бицадзе [45-47], М. М. Смирновым [228], К. И. Бабенко [25], В. Н. Враговым [69, 70], М. Проттером [303],

C. Моравец [298], Кузьминым [117], А. Н. Тереховым [238], С. Н. Глазатовым [81] и другими исследователями. Соответствующая библиография приведена в монографиях М. М. Смирнова [228], А. В. Бицадзе [46]. При этом на коэффициент K(z), как правило, накладываются условия вида К(0) = 0, K'(z) > 0, К'(0) = 1 и другие ограничения на производную K\z) [188, 228].

Рассматриваемые в диссертации постановки прямых задач для уравнения (0.8) впервые исследованы в [150, 151] и наиболее полно освещены в монографии [294]. Они возникают в другой области — в теории распространения волн, именно, в задаче рассеяния плоских наклонно падающих волн (упругих типа SH или акустических) на неоднородных слоях с переменной скоростью v(z) волн в слое. Эта прямая задача оказалась источником разнообразных подстановок по следующей причине. Как показано в работах А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [11], А. Г. Меграбова [150, 294], эта задача рассеяния (прямая) в переменных x,y,z,t сводится к двумерной задаче в независимых переменных z, причем в последней задаче уравнение может иметь гиперболический, эллиптический и смешанный тип в зависимости от изменения характеристики среды v(z) (скорости распространения волн) и угла падения во плоских волн. Прямая задача для гиперболического случая наклонного падения плоских волн и в эллиптическом случае (случае полного внутреннего отражения) поставлена и изучена в работах А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [10, 11], А. Г. Меграбова [144-149, 294].

Прямая задача рассеяния плоских волн на неоднородных слоях для случая уравнения смешанного типа до работ [150, 151] не рассматривалась. Она может представлять определенный интерес для теории краевых (прямых) задач для уравнений смешанного типа, поскольку порождает новые постановки краевых прямых задач для уравнения смешанного типа вида (0.8) с переменным коэффициентом K(z).

Случай уравнения смешанного типа, имеющего вид (0.8), при этом возникает, когда в одной части слоя v(z) < i>o sin Oq (т. е. кажущаяся скорость меньше скорости v(z) в слое, это "докритическое" падение плоской волны), а в другой части слоя v(z) > vq/ sin Oq (т. е. кажущаяся скорость меньше скорости в слое, это "закритическое" падение плоской волны, . sin2 0О 1 отвечающее случаю полного внутреннего отражения). При этом K(z) = —^---(0 ^ vo v iz) z^H), vo — скорость волн в однородном полупространстве, откуда падает плоская волна.

Возникающие при этом неклассические краевые (прямые) задачи для уравнения (0.8) в неограниченной области — в полосе П вида (0.9) — с условием наклонной (косой) произвольной на одной из ее границ сформулированы и исследованы в § 5.1, 5.2, 5.5. Доказана теорема единственности, существования и найдено интегральное представление для решения этих прямых задач. Никаких иных условий на K(z) и ее производную, кроме (0.10) и условия гладкости (0.11), не накладываются, в отличие от задач газовой динамики для уравнения (0.8).

8. Расширение области применения спектрального метода

Прямые и обратные задачи для уравнения смешанного типа (0.8) исследованы в работе с помощью следующего подхода. Сначала, используя метод неполного разделения переменных, находим интегральное представление в виде интеграла Фурье для решения прямой задачи. Затем, используя это представление, поставленные обратные задачи об определении коэффициента K(z) в уравнении смешанного типа (0.8) приводим к известным обратным спектральным задачам для уравнения Штурма — Лиувилля или для уравнения колебаний струны. Во-первых, это задача об определении регулярного оператора Штурма — Лиувилля по двум спектрам, исследованная в работах Г. Борга [270], Л. А. Чудова [262], В. А. Марченко [142], Б. М. Левитана [130], М. Г. Гасымова, Б. М. Левитана [72], М. Г. Крейна [113]. Во-вторых, это задача об определении плотности неоднородной струны по спектральной или главной переходной функции. Она исследована в работах В. А. Амбарцумяна [266], М. Г. Крейна [112-116], В. А. Марченко [141-143], И. М. Гельфанда, Б. М, Левитана [74], И. С. Каца, М. Г. Крейна [109].

Подход, заключающийся в сведении обратных задач для уравнений в частных производных к спектральным обратным задачам для уравнения Штурма — Лиувилля и уравнения струны, применялся ранее в работах В. А. Марченко [143], М. Г. Крейна [113-116], М. Л. Гервера [75, 76] по обратным задачам для струны, в работах А. С. Алексеева [2, 3], А. С. Алексеева, В. С. Белоносова [264] по обратным задачам для волнового уравнения, уравнений теории упругости и обратным динамическим задачам сейсмики. В названных работах, как и в обратных спектральных задачах, соответствующий одномерный оператор является самосопряженным. Следуя А. С. Алексееву [2, 3], А. С. Благовещенскому [50], данный подход будем называть спектральным методом.

В работах А. С. Алексеева, А. Г. Меграбова [10-12, 144-149, 294] область применения спектрального метода расширилась по двум направлениям:

1) на прямые и обратные задачи для струны с условием демпфера на одном конце (т. е. на этот конец действует сила, пропорциональная скорости его движения), где, в отличие от упомянутых в данном разделе работ, соответствующий одномерный оператор не является самосопряженным оператором Штурма — Лиувилля;

2) на обратные задачи для уравнений эллиптического типа. Оба эти класса задач возникают в задаче рассеяния плоских волн на неоднородных слоях в зависимости от угла падения плоской волны и характеристик неоднородного слоя.

Спектральный метод широко и эффективно применяется в теории обратных задач, особенно в одномерных обратных задачах [2, 3, 76, 143, 218, 259, 264]. Несмотря на это, возможности его не исчерпаны, и важным является его распространение на новые классы уравнений и задач.

В данной работе (§ 5.2-5.7) область применения спектрального метода расширена на прямые и обратные задачи для уравнений смешанного типа с переменным коэффициентом, что можно рассматривать как некоторый методологический результат. В качестве модели применения спектрального метода к обратным задачам для автора послужили работы А. С. Алексеева [2, 3] по обратным задачам теории распространения волн.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Теоретической основой исследований и получения результатов в главах 1-4 диссертации служат теория дифференциальных уравнений (обыкновенных и частных производных) и классический групповой анализ дифференциальных уравнений. Используются классические методы вычисления непрерывной группы G точечных преобразований, допускаемой данным дифференциальным уравнением, отыскания инвариантов и дифференциальных инвариантов данной группы G, операторов инвариантного дифференцирования, понятия базиса дифференциальных инвариантов, автоморфной и разрешающей систем группового расслоения. Эта теория и ее результаты изложены в работах Софуса Ли [290, 291], Е. Vessiot [310], A. Tresse [309], Л. В. Овсянникова [186, 187, 187-196], Н. X. Ибрагимова [97-99], их учеников и сотрудников [15, 16, 24, 27, 66, 67, 135, 136, 174, 175, 205, 249, 252, 253, 255, 258, 274, 277, 278, 286, 287], П. Олвера [197] и других исследователей [225, 248, 251, 261-263, 275, 281-283, 295-297, 299, 308, 312, 313]. Особенно большое значение для понимания автором свойств и роли группового расслоения и тематики группового анализа сыграла в диссертации работа Л. В. Овсянникова [191] и его монография [192]. Групповой анализ дифференциальных уравнений с переменивши коэффициентами (параметрами) без существенных ограничений на коэффициенты (параметры) и распространение группового анализа на обратные задачи выполнены с помощью подхода, предложенного автором и описанного в § 1.3 главы 1.

При получении результатов главы 5 используются: теория дифференциальных уравнений (в частных производных и обыкновенных); теория аналитических функций комплексного переменного; спектральный метод, особенно результаты Б. М. Левитана и М. Г. Гасымова [72] для обратной задачи определения регулярного оператора Штурма — Лиувилля по двум спектрам, В. А. Марченко [141, 142] и М. Г. Крейна [112-116] по обратным спектральным задачам для уравнения Штурма — Лиувилля и уравнения струны; асимптотические формулы R. Е. Langer'a [288] для решений линейного обыкновенного дифференциального уравнения второго порядка и" + {р2<р2(х) — х(х)} = 0, где р — комплексный параметр, а функция <р2(х) может обращаться в нуль; теория Т-систем (систем функций Чебышева) [108, 207]. Формулы R. Е. Langer'a [288] в теории уравнений смешанного типа и теория Т-систем в обратных задачах привлекаются впервые.

В плане методологии применения спектрального метода к обратным задачам основное влияние на автора оказали работы А. С. Алексеева [2, 3] по обратным задачам теории распространения волн и обратным динамическим задачам сейсмики.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД АВТОРА

Всего по теме диссертации автором лично опубликовано 27 работ, в том числе одна монография, изданная за рубежом на английском языке. Он является автором сформулированных в диссертации результатов, инициатором и исполнителем предлагаемого расширения областей применения группового анализа и спектрально-аналитического метода. Им предложен излагаемый в главе 1 и применяемый в главах 2-4 групповой подход к исследованию дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами). Ему также принадлежат неклассические постановки прямых задач и первые постановки обратных задач для уравнения смешанного типа и обратных задач об определении произвольного множества точечных источников, сформулированные в главе 5.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Представляется, что предпринятая автором попытка объединения и взаимодействия классического группового анализа и теории обратных задач для дифференциальных уравнений, предложенный групповой подход к исследованию дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами), обнаружение существования представления Лакса у разрешающей системы группового расслоения широкого класса уравнений, получение нового дифференциального тождества, новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики), применение группового расслоения для отыскания точных частных решений и другие результаты глав 1-4, полученные на основе систематического изучения множества дифференциальных инвариантов группы эквивалентности, выявляют новые возможности группового анализа и могут стимулировать дальнейшие исследования в этих направлениях. Решение сформулированной автором (в § 1.3) обратной задачи группового расслоения могло бы привести к появлению нового подхода к решению задач для нелинейных дифференциальных уравнений (систем). Неклассические постановки прямых задач в полосе и первые постановки обратных задач главы 5 для уравнения смешанного типа, имеющего вид уравнения Чаплыгина, возникающие в задаче рассеяния плоских волн на неоднородных слоях в теории упругости и в акустике, возможно, найдут заинтересованных исследователей в области газовой динамики, где также возникает уравнение Чаплыгина [44, 193, 228], а также, возможно, послужат импульсом к дальнейшему развитию теории обратных задач для уравнений смешанного типа. Новые постановки дискретных обратных задач гл. 5 об определении произвольного множества точечных источников (излучателей, осцилляторов, точечных масс) в трехмерном пространстве возникают во многих ситуациях в геофизике, акустике, биофизике, теории антенн и других технических и естественнонаучных областях, когда необходимо определить координаты и (или) параметры отдельных источников по суммарному полю (акустическому, упругих или электромагнитных колебаний, гравитационному и др.). Они могут найти применение в этих областях в тех случаях, когда в эксперименте затруднительно или невозможно определить координаты и другие параметры отдельных источников, а можно измерить лишь суммарное поле, генерируемое всем множеством источников.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Международном семинаре "Обратные задачи геофизики" (Новосибирск, 1996), Международной конференции "Обратные задачи математической физики", приуроченной к 70-летию акад. А. С. Алексеева и 60-летию член.-корр. РАН В. Г. Романова (Новосибирск, 1998), Международной конференции "Некорректные и обратные задачи", приуроченной к 70-летию акад. М. М. Лаврентьева (Новосибирск, 2002), Международной конференции "Математические методы в геофизике", приуроченной к 75-летию акад. А. С. Алексеева (Новосибирск, 2003); на Всесоюзной математической школе по обратным задачам математической физики (Киев, 1975), Всесоюзной школе-семинаре по геофизической голографии (Томск, 1978), Всесоюзной конференции "Традиционные и новые вопросы сейсмологии" (Душанбе, 1978), Всесоюзной школе-семинаре по теории некорректных задач (Самарканд, 1983), Всесоюзной конференции по нелинейным задачам математики (Звенигород, 1988), на Всесоюзной конференции "Математическое моделирование в геофизике" (Новосибирск, 1988), на Всесоюзной математической школе-семинаре (г. Находка, 1988), Всесоюзной конференции "Математические методы в механике", приуроченной к 70-летию акад. Л. В. Овсянникова (Новосибирск, 1989), Третьем Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98) (Новосибирск, 1998), Всероссийской конференции "Новые математические модели в механике сплошных сред", приуроченной к 85-летию акад. Л. В. Овсянникова (Новосибирск, 2004); на научных семинарах ЛОМИ им. В. А. Стеклова под руководством д.ф.-м.н. В. М. Бабича; Отдела вычислительной математики под руководством акад. Г. И. Марчука; Института гидродинамики СО

РАН им. М. А. Лаврентьева под руководством акад. Л. В. Овсянникова и член.-корр. РАН Плотникова; Вычислительного центра СО АН СССР и Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН под руководством акад. М. М. Лаврентьева и акад. А. С. Алексеева, Института математики им. С. Л. Соболева СО РАН под руководством акад. М. М. Лаврентьева и член.-корр. В. Г. Романова, кафедры математической геофизики Новосибирского государственного университета под руководством акад. А. С. Алексеева.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Основные результаты диссертации опубликованы в работах [150-173, 292-294], в том числе в монографии [294].

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ

Диссертация состоит их введения, 5 глав, заключения и 4 приложений. Объем диссертации 276 страницы, включая 4 рисунка и 28 страниц приложений. Список литературы содержит 313 наименований. Текст подготовлен в издательской системе Latex.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В плане полученных результатов и методов исследования содержание уже изложено выше в разделах "Научная новизна", "Результаты .", "Методы .". Поэтому в данном разделе кратко изложим содержание по главам и параграфам.

Во введении формулируются цели, направления и задачи исследований, подход автора к их решению, перечисляются основные полученные результаты, дается краткая библиография по направлениям, касающимся диссертации.

В первой главе, играющей роль развернутого поясняющего введения по отношению к главам 2-4, излагается предложенный подход к исследованию дифференциальных уравнений с переменными коэффициентами (параметрами) и к обратным задачам на основе классического группового анализа и мотивация его возникновения.

В первом параграфе поясняется методология выбора и отыскания группы, допускаемой дифференциальным уравнением (системой) с переменным коэффициентом (параметром), а также иллюстрируется ее действие на примерах конкретных уравнений: волнового, Гельм-гольца, эйконала (с использованием приложений 1-4).

Во втором параграфе перечисляются основные применяемые обозначения и термины группового анализа и дается краткое описание задачи группового расслоения.

В третьем параграфе излагается схема предлагаемого и применяемого в гл. 2-4 группового подхода в нескольких вариантах, формулируется обратная задача группового расслоения.

Вторая глава является базовой по отношению к главам 3, 4, поскольку получение теорем и формул в главах 3, 4 основано на результатах главы 2.

В первом параграфе вводится в рассмотрение конкретная группа G точечных преобразований пространства переменных х, у, t, и1, и2. Именно эта группа G рассматривается далее всюду в главах 2-4. Изучаются свойства группы G: определяются ее инварианты первого и второго порядка и операторы инвариантного дифференцирования, которые даются теоремой 2.1.1 и леммой 2.1.1.

Во втором параграфе устанавливаются важные для дальнейшего тождества и связи между дифференциальными инвариантами группы G (леммы 2.2.1-2.2.3). Они используются далее для доказательства теоремы о базисе (§ 2.3), для построения группового расслоения (§ 2.4), а также для получения и применения нового дифференциального тождества (в § 3.3, гл. 4).

В третьем параграфе доказана важная теорема 2.3.1 о конечном базисе дифференциальных инвариантов группы G. Она определяет, какие именно инварианты группы G образуют ее (конечный) базис дифференциальных инвариантов, и является центральной при построении группового расслоения.

В четвертом параграфе формулируется некоторый общий достаточный признак автоморфности системы дифференциальных уравнений относительно допускаемой группы (лемма 2.4.1). С помощью этого признака и теоремы 2.3.1 о базисе построено групповое расслоение относительно группы G для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2(х,у) (леммы § 2.4.2-2.4.5, теоремы 2.4.1, 2.4.2). Причем оно построено в явном виде.

В пятом параграфе перечисляются классические линейные и нелинейные дифференциальные уравнения математической физики с произвольным переменным (или постоянным) коэффициентом (параметром) и2(х,у) и их обобщения, которые содержатся в этом классе уравнений.

В третьей главе доказано новое свойство группового расслоения и получено новое дифференциальное тождество в качестве результатов группового анализа, выполненного в главе 2.

В первом параграфе показано, что с помощью некоторых замен зависимых переменных разрешающая система RE группового расслоения для широких классов уравнений может быть приведена к системе более компактной и обладающей некоторыми "хорошими" свойствами (симметрической, полулинейной, содержащей скалярные уравнения с одинаковой главной частью) (леммы 3.1.1-3.1.3).

Во втором параграфе доказано, что разрешающая система RE группового расслоения каждого дифференциального уравнения Е из широкого класса {Е}' (содержащего перечисленные в § 2.5 уравнения математической физики) обладает следующим свойством. Для системы RE существует так называемая пара Лакса, или представление Лакса (леммы 3.2.1, 3.2.2, теоремы 3.2.1, 3.2.2). Представление Лакса построено в явном виде, т. е. получены явные формулы для операторов L, А пары Лакса.

В третьем параграфе получено новое дифференциальное тождество для скалярной функции и{х, у) (теорема 3.3.1). Оно содержит и связывает между собой лапласиан и модуль градиента функции. Это тождество найдено с помощью установленных (в § 2.2) связей между дифференциальными инвариантами группы G. Из него получены интегральные тождества и интегральные формулы. Эти результаты применяются в гл. 4 по двум направлениям: 1) для определения функционалов в обратных задачах; 2) для преобразования ряда нелинейных уравнений математической физики в другие, более простые или обладающие специальными интересными свойствами.

Четвертая глава посвящена приложениям результатов предложенного группового подхода к конкретным дифференциальным уравнениям математической физики с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и2{х,у).

В первом параграфе получены уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) и позволяющие сводить к ним эту задачу. При этом поставлены и исследованы не рассматриваемые ранее вопросы в классической прямой кинематической задаче. В том числе, построено групповое расслоение уравнения эйконала (0.3) в пространстве (t, х, у, г, п2), выявлено скрытое наличие представления Лакса (теоремы 4.1.1, 4.1.2, п. 4.1.14), получены оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей (теоремы 4.1.4-4.1.6), показана возможность преобразования уравнения эйконала (0.3) в классические обыкновенные дифференциальные уравнения (теорема 4.1.3) и другие результаты. Показана возможность трансформации обратной кинематической задачи к прямой задаче для разрешающей системы группового расслоения и для других систем, получены формулы для определения различных функционалов в обратных задачах (п. 4.1.12, теоремы 4.1.10, 4.1.11), ряд результатов в одномерной прямой и обратной кинематической задаче (леммы 4.1.2, 4.1.3, теоремы 4.1.12, п. 4.1.13).

Во втором параграфе рассматривается ряд нелинейных уравнений в частных производных: уравнение характеристик волнового уравнение {(иг)2 + (иу)2}/п2(х,у) = (ut)2, уравнение {(их)2 + Ю2}/п2(х, у) = <р(и), обобщающее уравнение эйконала. Построено групповое расслоение этих уравнений в пространстве (x,y,t,u,n2), доказано существование представления Лакса у разрешающей системы (теоремы 4.2.2, 4.2.4). Доказана возможность преобразования этих уравнений в классические обыкновенные дифференциальные уравнения (теоремы 4.2.1, 4.2.3). Эти преобразования порождаются множеством дифференциальных инвариантов группы G. Данные результаты представляют собой распространение и обобщение аналогичных результатов, полученных в § 4.1 для уравнения эйконала, как в исходных независимых переменных, так и в групповых (лучевых) переменных t, т = и, р = ut. Кроме того, найдены дифференциальные преобразования, переводящие решения некоторых квазилинейных уравнений эллиптического типа, а также гармонические функции, в гармонические функции (теоремы 4.2.5, 4.2.6).

В третьем параграфе рассматривается двумерное волновое уравнение с переменной скоростью распространения волн с(х, у) (линейное и нелинейное). Построено его групповое расслоение, найдено представление Лакса для разрешающей системы (теоремы 4.3.1, 4.3.3). Разрешающая система приведена к симметрической или полулинейной форме (теорема 4.3.2.). Показано, что обратная задача для (линейного) волнового уравнения может быть преобразована в прямую задачу для разрешающей (квазилинейной) системы (первого порядка), оператор которой явно задан (теорема 4.3.4). Получены формулы для определения различных функционалов в локальных обратных задачах для линейного и нелинейного волнового уравнения (п. 4.3.5).

В четвертом параграфе найдено несколько семейств новых точных частных решений двумерного волнового уравнения Аи/п2(х, у) = utt и эллиптического уравнения Аи/п2(х, у)+ uzz = 0, в частности, уравнения Лапласа, в том числе в элементарных функциях (теоремы 4.4.3-4.4.5). Они найдены с помощью предложенного подхода, сочетающего групповое расслоение в пространстве (x,y,t,ul = и, и2 = п2) и метод дифференциальных связей. Кроме того, дано описание класса функционально-инвариантных решений двумерного волнового уравнения в терминах группового расслоения (теоремы 4.4.1, 4.4.2, лемма 4.4.1).

В пятой главе рассматриваются некоторые неклассические постановки: прямые и обратные задачи для уравнения смешанного типа; дискретные обратные задачи об определении параметров и координат произвольного множества точечных источников.

В первом параграфе дается корректная формулировка неклассической прямой задачи для уравнения смешанного типа вида (0.8) в неограниченной области (полосе (0.9)) с условием наклонной производной на одной из границ полосы. Для нее доказана теорема единственности 5.1.1 в классе K{z) С C([0,/i]) П С([Л, Я]).

Во втором параграфе получено интегральное представление решения u(z, £) прямой задачи (с доказательством теоремы существования) в виде интеграла Фурье через фундаментальные системы решений двух уравнений Штурма — Лиувилля (теорема 5.2.1). Рассматривается частный случай K(h+0) ф 0, K(h—0) ф 0, когда коэффициент K(z) всюду отличен от нуля и испытывает скачок при переходе через точку z = h.

В третьем параграфе для иллюстрации этого представления рассматривается случай уравнения Лаврентьева — Бицадзе, когда K{z) = sgn (z — h) — ±1.

В четвертом параграфе сформулированы и исследованы постановки обратных задач для уравнения смешанного типа в случае K{h + 0) ф 0, K(h — 0) ф 0, доказаны теоремы единственности и дан способ решения этих задач.

В пятом параграфе доказана теорема 5.5.1 об интегральном представлении решения прямой задачи в общем случае, когда допускается обращение в нуль коэффициента K{z) в точке z = h с одной или с обеих сторон. Доказательство существенно использует асимптотические формулы R.E. Langer'a [288]. Найденное представление одновременно дает доказательство существования решения прямой задачи в общем случае. Даны формулировка, доказательство теорем единственности и способ решения обратных задач в общем случае поведения K{z) в точке z = h.

В шестом параграфе рассмотрены дополнительные прямые и обратные задачи с другими граничными условиями, другой информацией в обратных задачах и случай, когда области гиперболичности и эллиптичности меняются местами.

В седьмом параграфе дается физическая интерпретация и поясняется происхождение рассмотренных в § 5.1-5.6 прямых и обратных задач для уравнения смешанного типа.

Во второй части пятой главы (§ 5.8—5.11) рассматриваются дискретные обратные задачи об определении произвольного множества точечных источников по суммарному полю.

В восьмом параграфе приводится форма решения прямой задачи — суммарного поля, порождаемого произвольным множеством точечных источников — которое используется в обратных задачах. Даются некоторые вспомогательные геометрические построения.

В девятом параграфе доказана основная лемма 5.9.2, дающая оценку количества нулей обобщенного полинома Fn{x) = Ylk=x , фк(х) = {(я — £fc)2 + г2}1/2, на оси —оо < х < со. Лемма получена с помощью применения результатов из теории чебышевских систем функций (Т-систем). Получена теорема единственности для обобщенных полиномов Fpj(x) указанного вида об определении его параметров N, Хк, Гк (теорема 5.9.1).

В десятом параграфе дана постановка дискретных обратных задач об определении координат и параметров произвольного множества точечных источников в трехмерном пространстве в трех вариантах — нестационарном, стационарном и статическом. Доказаны теоремы единственности обратных задач, для нестационарной задачи предложен некоторый способ ее решения. Также получены оценки количества нулей суммарного поля и(х, у, z, t) и и(х, у, z) на плоскости наблюдения z — 0.

В одиннадцатом параграфе обсуждаются возможные области применения данных постановок дискретных обратных задач.

В заключении кратко сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложении 1 приводятся ограничения на переменный коэффициент (параметр) в виде дифференциальных уравнений, которые необходимы в силу определяющих уравнений алгебры Ли основной группы, допускаемой уравнениями: волновым, Гельмгольца, эйконала, при вычислении группы в пространстве (ж, it1 = и).

В приложении 2 вычислена основная группа, допускаемая волновым уравнением с переменной скоростью распространения волн с(х,у) и c(x,y,z) в пространствах (х, у, z, t, и1 = и,и2 = 1 /с2) и (х,у, t,v},U2).

В приложении 3 вычислена основная группа, допускаемая уравнением Гельмгольца с переменным коэффициентом п2(х,у) и n2(z,y,z) в пространствах (x,y,t = к2, и1 = и, и2 = п2), (х,у,и\и2), (x,y,z,u\u2).

В приложении 4 вычислена основная группа, допускаемая уравнением эйконала {(тх)2 + (ту)2}/п2(х, у) = 1 в пространствах (х,у,их = т,и2 = п2) и (x,y,t,ul = г, и2 = п2).

Диссертационная работа выполнена в Новосибирском государственном университете и в Институте вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения РАН.

в диссертационной работе получены следующие основные результаты.I . Выполнен групповой анализ в рамках групп Ли точечных преобразований и, прежде всего, на основе таких его общих конструкций, как дифференциальные инварианты и группо вое расслоение, для широкого класса линейных и нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) без существенных ограничений на эти коэффициенты (параметры) в виде дифференциальных уравнений; предпринята попытка систематического распространения классического группо вого анализа на класс обратных задач.Предложен и внедрен групповой подход, основанный на следующих основных моментах.A. Исходное дифференциальное уравнение (система) Ео вида F[u,a] = О, где и(х) — решение (прямой задачи), а(х) — параметры (например, коэффициенты, искомые в обрат ной задаче), х — независимые переменные, F — некоторый заданный дифференциальный оператор, действующий, вообще говоря, как на и{х), так и на а{х), рассматривается как уравнение (система) Е вида F[u^,u^] = О (с тем же оператором F) относительно полностью равноправных зависимых переменных и^ = и,и^ = а.B. В качестве базовой группы группового анализа выбирается и отыскивается группа Ли G точечных преобразований, допускаемая уравнением Е в пространстве {х, и^, и^). Она, вообще говоря, содержит группу эквивалентности G^g уравнения £"0,определяемую в работах Л. В. Овсянникова [192, 194], в качестве подгруппы и является, таким образом, в общем случае ее расширением в пространстве (ж,и^,«^). C. Определяется и систематически рхзучается множество дифференциальных инвариан тов группы G, т. е. (в общем случае — расширенной) группы эквивалентности уравнения Ео, исследуются и используются связи между этими инвариантами.В частности, групповое расслоение строится также относительно этой группы эквива лентности, т. е. групповое расслоение системы Е относительно группы G в расширенном пространстве (х,и^,и^).Таким образом, центральное место в подходе занимают дифференциальные инвариан ты группы G, которую можно рассматривать либо как группу точечных преобразова ний, допускаемую системой F[u^,u^] = О в обычном смысле в пространстве {х,и^,и^), либо как группу эквивалентности уравнения F[u, а] = О, но расширенную в простран стве {х,и,а) по сравнению с определением, данным в [192, 194], поскольку преобразования такой расширенной группы эквивалентности, вообще говоря, имеют вид х' = f{x,u,a), и' = д{х,и,а), а' — h{x,u,a) в отличие от преобразований группы эквивалентности х' = f(x,u), и' = д{х,и), а' = h(x,u,a) определяемой в [192, 194].Данный подход позволяет избавиться от ограничений (в виде дифференциальных урав нений) на переменные коэффициенты (параметры) а{х), возникающих при вычислении до пускаемой группы в пространстве (ж, и). С помощью предложенного подхода получены сле дующие результаты.1. Найдена и систематически изучена бесконечная группа G точечных преобразований пространства пяти переменных t,x,y,u^,u^ с алгеброй Ли инфинитезимальных операто# Заключение 229 ров X ее однопараметрических подгрупп вида X = Ф(х,у) - + Щх,у) - - 2Ф,{х,у)и' —, (1) где Ф, Ф — произвольные сопряженные гармонические функции (приложения 2-4, § 2.1-2.3).Исследованы свойства группы G: вычислены ее инварианты и универсальные инварианты вплоть до второго порядка (§ 2.1) и найдены связи между ними (§ 2.2), вычислены операторы инвариантного дифференцирования (§ 2.1); найден базис дифференциальных инвариантов группы G (§ 2.3).При этом обнаружено, что один из дифференциальных инвариантов группы G ( j " = —— —, п^(ж,у) = и^{х,у)) выражается только через параметр и^(х,у) и является гаус 2 п^ совой кривизной К{х,у) поверхности в трехмерном евклидовом пространстве с линейным элементом (римановой метрикой) dr^ = n^(a;,y)(dx^ + dy"^). Это устанавливает связь иссле дуемой группы G с дифференциальной и римановой геометрией.2. Построено в явном виде групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) (§ 2.4, 3.1, § 4.1-4.4), описанного в § 2.5 и содержащего многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики и их обобщения.3. Впервые обнаружено, что разрешающая система RE группового расслоения для широ кого класса диференцигшьных уравнений Е (описанных в § 2.5), представляющая собой си стему квазилинейных дифференциальных уравнений, допускает представление Лакса. Опе раторы L, А пары Лакса всюду построены при этом в явном виде (§ 3.2, § 4.1-4.3).Этот факт устанавливает новое свойство группового расслоения, расширяет список из вестных нелинейных дифференциальных уравнений, допускающ^к представление Лакса, и дает новый подход к поиску таких уравнений.4. Найдено новое дифференциальное тождество (§ 3.3), связывающее лапласиан и модуль градиента скалярной функции и{х,у), вида {д = (ux)^ -f- (uy)^ = \ gradup) iAlns-{(„.^)^+(u,^)j=0, (2) имеющее векторную (дивергентную) форму ,. г ,, , , , . gradu 1 div < gradm grad u\ — Au- ;—- ^ = 0 L gradi trJ и равносильное тождеству •A\nJ^-{(u,—'^^+(uy—')J=n\x,y)K{x,y), содержащему упомянутую гауссову кривизну К{х, у) и дифференциальные инварианты J"* = Из него получены интегральные тождества, позволяющие определять некоторые функ ционалы в обратных задачах (§ 4.1, 4.3). С его помощью также получены преобразования ряда нелинейных уравнений математической физики в обыкновенные дифференциальные уравнения классического вида (§ 4.1, 4.2).Заключение 230

5. Найдены новые эффективные преобразования зависимых переменных и^[х, у, t), и'^{х, у) и независимых переменных х, у, t, с помощью которых:

1) широкий класс дифференциальных уравнений математической физики с произволь ным переменным коэффициентом (параметром) и^{х,у) трансформируется (§ 2.4) в семей ство систем квазилинейных дифференциальных уравнений (являющихся соответствующими разрешающими системами RE группового расслоения), каждая из которых, как доказано в § 3.2, допускает представление Лакса в виде L-A пары. В случае уравнения эйконала, его обобщения J^ = ip{u) и уравнения характеристик волнового уравнения J^ = (щУ система RE может быть представлена в форме скалярного уравнения второго порядка (п. 4.1.2, § 4.2);

2) ряд нелинейных уравнений математической физики(уравнение эйконала J^ = {(•Ux)^ + Эти преобразования переменных являются дифференциальными заменами вида {t,x,y,u^,u^) -+ {t,T,p,V{t,T,p)), где t, т = и\ р = и} или р = [{и^У + {ul)^]/u'^{x,y) — новые независимые переменные (инварианты нулевого и первого порядка группы G, допуска емой исходным уравнением в пространстве (х, y,t,u^,u^)), V{t,т,р) — скалярная или вектор ная функция, представляющая собой один или несколько дифференциальных инвариантов первого и второго порядка rpjnnbi G или их алгебраические комбинации. Единообразным генератором этих найденных преобразований является семейство дифференциальных инва риантов рассматриваемой группы G и связи между ними, в частности, дифференциальное тождество (2), полученное в § 3.3. Данные дифференциальные замены также порождаются групповым расслоением исходного дифференциального уравнения, записанным в формуле J^[v},v^] = О, относительно группы О (§ 2.4).6. Впервые (начиная с 1983 г. [157, 158]) классический групповой анализ систематически применяется к обратным задачам. На примере двумерной обратной кинематР1ческой задачи (§ 4.1) и обратной задачи для двумерного волнового уравнения (§4.3) показано, что обратные задачи для исходного дифференциального уравнения Т[и^ а] = О с произвольным переменным коэффициентом (параметром) а{х) с помощью данного подхода могут быть трансформиро ваны в неклассические прямые задачи для разрешающей системы группового расслоения этого уравнения в форме .F[u^,гi^] = О относительно допускаемой группы G в пространстве (ж, у} = и,и^ = а) (группы эквивалентности уравнения Т[и, а] = 0).Получены также интегральные формулы для определения ряда функционалов в обрат ных задачах для широкого класса дифференциальных уравнений, включающего волновое уравнение, уравнение эйконала и другие (§ 3.3, § 4.1, 4.3).Л 7. Получены уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной ^ (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) и позволяю щие сводить к ним эту задачу (§ 4.1). При этом поставлен и исследован ряд не рассматрива емых ранее вопросов в классической прямой кинематической задаче для уравнения эйконала Ы!+М^1 (3)

п^{х,у)

и обнаружены новые математические факты и связи. В том числе получены следующие результаты.7.1. Построено групповое расслоение уравнения эйконала (3) относительно группы Ли G t — параметр точечного источника. Показана возможность трансформации уравнения (3) в квазилинейное волновое уравнение pvrr + Vrt + Wrp - 2vrVp = о, (4) являющееся разрешающим уравнением группового расслоения.Заключение 231

7.2. Выявлено скрытое наличие представления Лакса в прямой кинематической задаче (у ^ \ разрешающего уравнения (системы) группового расслоения уравнения эйконала (3) в про ^ странстве (а;,у, i, г, п^)).7.3. Показана возможность трансформации уравнения эйконала в обыкновенные диффе ренциальные уравнения классического вида, в том числе в уравнение Риккати hr + h"^ =

—К{х,у) и линейное уравнение второго порядка вида Urr + isTf/ = О, (5) содержащего параметры t,p, где К = К{х,у) = K{t,T,p) определяется по п{х,у): К{х,у) = —(1/2)А In г?(п^. Величина К{х, у), входящая в эти классические уравнения, является гаус совой кривизной некоторой поверхности с линейным элементом (римановой метрики) dr^ — n'^{x,y){dx^ +dy'^), что дает связь уравнения (5) с дифференциальной и римановой геомет рией. Найдены дифференциальные комбинации поля времен т{х, у, t) и показателя прелом ления п{х,у), которые в качестве переменных v,h,U — U^ и U = U'^ на произвольном луче удовлетворяют этим уравнениям и получаются преобразованием t,T,p —> t,x,y(p = Tt) из дифференциальных инвариантов J^ группы G: Ш^' А т ^ v{t,r,p) = Ttt = J\ h{t,T,p) = — = J\

7.4. Получены оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей D{t, X, у), являющегося важной характеристикой в теории лучевого метода и прямой кинема тическот! задачи, а также способ вычисления этой величины D в прямой задаче, основанный на решении задачи Коши для уравнения (5).7.5. Показано, что обратная кинематическая задача может быть сведена к прямой задаче либо для разрешающего уравнения (4), либо для других квазилинейных систем, содержащим уравнение (5).7.6. Получены интегральные формулы для определения некоторых функционалов от па раметра п{х,у) или от функций т,п{х,у) в локальньЕХ обратных задачах как в исходных независимых переменных x,y,t, так и в (групповых) независимых переменных t,T,p.7.7. Получена замкнутая система нелинейных уравнений для функций х = x{t,r,p), у = y{t,T,p), описывающих лучи (геодезические), которая, в отличие от известных уравнений луча, не содержит характеристики среды п{х,у), неизвестной в обратных задачах.Mil 7.8. Получены замкнутые скалярные квазилинейные уравнения для величин п и (Д1п п)/п^ = —К как функций новых независимых лучевых переменных t,T,p = Tt (яв ляющихся инвариантами группы G).7.9. Найдены (в прямой задаче) величины, инвариантные относительно положения то чечного источника сигналов (т. е. не зависящие от переменной t): дивергенция d ivT и поток fjg{f • dS) вектора f^^r{x,y,t)

п^{х,у) '^ через произвольную гладкую фиксированную (на плоскости х, у) границу S. Показано, что divT = А In п(а;, у) = —v?{x,y)K{x,y).7.10. В класспческой одномерной кинематической задаче получены следующие результа » Заключение 232 A. Показано, что эта задача может быть описана уравнением рьтт + vv-rp — 2УтУр = О, или

vd/др) — один из операторов L-Л-пары Лакса для уравнения (4), и что эквивалентная система VT = — (С/'^ ) ,^ рЩ + {vU^)p = О имеет бесконечное множество законов сохранения с функциональным произволом.B. Получен ряд явных интегральных формул для функционалов от параметра п{у) в дополнение к формулам, упомянутым в п. 7.6 данного раздела.C. Найден способ решения классической одномерной обратной кинематической задачи, отличный от известных методов Герглотца — Вихерта — Чибисова и других подходов.Результаты п. 7.1-7.4, 7.7-7.10 представляют собой постановки и решение ряда не рас сматриваемых ранее вопросов для классической прямой кинематической задачи сеисмики (геометрической оптики), в частности, оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения.Ряд аналогичных результатов получен для волнового уравнения, уравнения {(u^)^ +

{иуУ}/п'^(х,у) = ip{u), обобщающего уравнение эйконала, уравнения характеристик вол нового уравнения {{uxY + {Uy)'^}/n^{x,y) = {щ)^ (§ 4.2, 4.3).8. Предложен подход, сочетающий групповое расслоение в пространстве (ж,и^,и^) и ме тод дифференциальных связей, позволяющих систематически отыскивать новые классы точ ных частных решений дифференциальных уравнений математической физики с переменным (или постоянным) коэффициентом (параметром) и^(ж). С его помощью найдено несколько се мейств новых точных частных решений двумерного волнового уравнения A/ri^lx, y)—Uu = О, и эллиптического уравнения Au/v?[x,y) + Uzz = О, в частности, трехмерного уравнения Ла пласа, в том числе — в элементарных функциях.Кроме того, дано описание класса функционально-инвариантных решений двумерного волнового уравнения в терминах группового расслоения.9. Сформулирована (§ 1.3) новая задача группового анализа — обратная задача группо вого расслоения.Перечисленные выше результаты выявляют и показывают ряд новых, не используемых ранее свойств и возможностей классического группового анализа, в том числе таких общих его конструкций, как дифференциальные инварианты, групповое расслоение и группа экви валентности.Класс дифференциальных уравнений, к которым применим данный групповой подход и для которого в диссертации построено групповое раслоение, достаточно широк и включает в себя, как показано в § 2.5 главы 2, многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики, содержащие переменный параметр и^{х, у), а также обобщения этих классических уравнений. Причем всюду в данной работе групповое расслоение строится в явном виде.I I . Впервые поставлены и исследованы (получены теоремы единственности, способы ре шения) неклассические обратные задачи двух видов — обратные задачи для уравнения сме шанного (эллиптико-гиперболического) типа (об определении коэффициента K{z) в урав нении К{2)щ^ + u^z = 0) и дискретные обратные задачи (нестационарные,стационарные,

статические) об определении параметров и координат произвольного множества точечных источников в трехмерном пространстве (для волнового уравнения, уравнения Пуассона).Область применения спектрального метода расширена на обратные задачи для уравне ний смешанного типа.Дана постановка, доказаны теоремы ед1шственности и существования, получено инте гральное представление решения неклассических прямых задач для уравнения смешанного

(эллиптико-гиперболического) типа K{^z)u^^ + Uzz = О в неограниченной области (полосе) с условием наклонной производной на одной из границ полосы.

1. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу дифференциальных уравнений J-[u, а] О с переменными коэффициентами (параметрами) а (ж): введение

2. Перечисляются основные применяемые обозначения и термины группового анализа в рамках локальных групп Ли точечных преобразований и дается краткое описание задачи группового расслоения.

3. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу 37 §1.

4. Предлагаемый подход к выбору и отысканию допускаемой группы при групповом анализе дифференциальных уравнений J[u, а]— О с произвольными переменными коэффициентами (параметрами) а(х): введение

5. Групповая классификация линейных дифференциальных уравнений в частных производных с двзгмя независимыми переменными, полученная Ли [290] и Л. В. Овсянниковым [188]. В частности, это касается групповой классификации уравнений с нормальной гиперболической формой, уравнения Чаплыгина К{а)фдв+фист О (Л. В. Овсянников [188]) и одномерного линейного волнового уравнения Uu—c?ix)uxx О (G. W. Bluman, S. Kumei [269]).

6. Групповая классификация нелинейных уравнений теплопроводности (Л. В. Овсянников [187]), уравнений газовой динамики (Л. В. Овсянников [189, 192, 196]).

7. Примеры групповой классификации многих линейных и нелинейных уравнений математической физики, систематизированные, в частности, в книгах Л. В. Овсянникова [189, 192], в трехтомной монографии [281-283] под ред. Н. X. Ибрагимова, содержащиеся в трудах международных конференций MOGRAN по современному групповому анализу [295-297] и в других работах. Поясним также сказанное, используя результаты Л. В. Овсянникова [189, 192] и приложения 1-

8. Общее линейное однородное дифференциальное уравнение второго порядка с искомой функцией и{х) независимых переменных х (х,х,..., ж"), если ввести обозначения для производных Щ -:г-7) ди дx JA: ди дх дх

9. Рассмотрим волновое уравнение Т и, щ, Uyy 7 у utt 0. (1.1.8) Как показано в п. 1.2 приложения 1 (см. утверждение 1.2), из системы (1.1.3)-(1.1.6) следует, что в случае произвольно заданной функции с{х,у) уравнение (1.1.8), помимо группы Т преобразований В1ща (1.1.1), допускает в пространстве x,y,t,u и лищь группу переносов по t. Для того, чтобы уравнение (1.1.8) допускало более щирокую группу, необходимо, чтобы функция с{х, у) удовлетворяла системе дифференциальных уравнений

10. Очевидно, что при произвольной гладкой функции c{x,y,z) уравнения (1.1.13) не выполняются, а могут выполняться только в частных случаях задания с(х, у, z), например, при с const. Например, как известно, уравнение (1.1.12) при с const допускает 16-параметрическую группу Gie с основной алгеброй Ли Li6, описанной в [192, с. 391; 282, с. 83]. П р и м е р 1.1.

11. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу Пример 1.1.

12. Основные применяемые обозначения и термины группового анализа. Задача группового расслоения (краткое описание) 1.2.

13. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу 1.2.

14. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу 46 Равносильность представления (1.2.2) проявляется следующим образом. По любому решению (р системы RE можно найти решение AG-системы, которое является решением исходного уравнений Е. Обратно, для любого решения и е SE найдется функция ip, являющаяся решением системы RE, и с найденной у? данное решение и SE является решением AGсистемы. 1.

15. Общая схема предлагаемого группового подхода и логическая структура диссертации в гл. 1-

16. Обратная задача группового расслоения Приведем схему предлагаемого группового подхода и одновременно сопоставим ее с содержанием диссертации в

17. Отыскание инвариантов J группы G сводится [196, с. 10; 192, с. 35, 230] к интегрировак нию системы линейных дифференциальных уравнений первого порядка относительно одной функции J J-(z) вида fc к XJ{z) 0 к к (для любого оператора X группы G). Число уравнений в системе равно г1 (рангу группы G), к ЧИСЛО независимых переменных Uk dimZfc. Определение векторов Л для операторов инвариантного дифференцированпя Ai носит аналогичный характер [192, с. 315, 324].

18. Общая схема предлагаемого подхода к групповому анализу 49 уравнения математической физики, перечисленные в п. 2.5 гл.

19. Причем всюду групповое расслоение выполнено в явном виде непосредственно в исходных переменных х, и, без введение

20. Рассматриваемая группа G и ее свойства. Построение группового расслоения (в явном виде) для широкого класса дифференциальных уравнений с переменным коэффициентом (параметром) и{х, у) Содержание

21. Основные результаты главы 2 сформулированы в теоремах 2.1.1, 2.3.1, 2.4.1, 2.4.2, леммах 2.2.1, 2.2.2, 2.4.2. 2.

22. Здесь вводится в рассмотрение конкретная группа G точечных преобразований пространства переменных х, у, t, и, и. Именно эта группа G рассматривается далее всюду в

23. Устанавливаются важные для дальнейшего тождества и связи между дифференциальными инвариантами группы G. Они используются далее для доказательства теоремы о базисе (п. 2.3), для построения группового расслоения (п. 2.4), а также для получения и применения нового дифференциального тождества (в гл. 3, 4). 2.

24. Доказывается важная теорема о (конечном) базисе дифференциальных инвариантов группы G. Сзтцествование этого базиса для произвольной группы Ли следует из обшей теоремы Тресса Овсянникова [192, 24; 309]. Доказанная теорема 2.3.1 о базисе определяет, какие именно инварианты группы G образуют ее (конечный) базис дифференциальных инвариантов. На теорему 2.3.1 о базисе приходится основной объем доказательств в данной главе. Она является центральной при построении группового расслоения. 2.

25. Формулируется некоторый обший достаточный признак автоморфности системы дифференциальных уравнений относительно допускаемой группы. С помощью этого признака на основе доказанной в п. 2.3 теоремы о базисе построено групповое расслоение относительно группы G для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным

26. Рассматриваемая группа G нее свойства 55 Т е о р е м а 2.1.

29. Инварианты второго порядка можно вычислить аналогично, определяя все функционально независимые решения системы линейных дифференциальных уравнений первого порядка, получаемой при приравнивании нулю коэфф1Щиентов при различных производственных (с учетом равенств (2.1.2)) от Ф, Ф в выражении X J{z) 0.

30. Поскольку dimZ2 23, Г2 8, то 2 23 8 15, и набор J2 содержит 15 (не более) скалярных функционально независимых инвариантов. Теорема 2.1.1 доказана. 2.

31. Основные тождества и связи между дифференциальными инвариантами группы G. Связь группы G с дифференциальной геометрией 2.2.

32. Основные тождества Действие операторов полного дифференцирования D, Dy, Dt на функцию <f{z) от кок ординат вектора z: ф ф{х,и,и,и].,...) эквивалентно действию операторов д/дх, х д/ду, {x,y,t). d/dz на сложную функцию от x,y,t вида (р{х) ф[х,у}{х),у?{х),и\{х),...),

33. Связь с дифференциальной геометрией Обозначим через G и G" сужение группы G соответственно на пространство х, у, и, v? и ГС, у, и. Группы G и G" имеют то же выражение для инфинитезимальных операторов X вида (2.1.1), что и группа G. Из формулы и 1 Д1пи2 теоремы 2.1.1 и из известной формулы [90, с. ИЗ; 200, с. 159] дифференциальной геометрии для гауссовой кривизны получаем

34. Рассматриваемая группа G и ее свойства 60 Следствие 2.2.

35. Гауссова кривизна К{х,у) поверхности в трехмерном евклидовом пространстве с линейным элементом (римановой метрикой) dr n{x,y){dx dy"), определяемая по формуле К{х, у) 1 Д1пп(х,у) Yi является дифференциальным инвариантом группы G, G и G" (при этом и? (п) п") и выражается через другие инварианты группы G и G{J, J, J, J) no формуле (2.2.11). 2.

36. Теорема о базисе дифференциальных инвариантов группы G Формулы леммы 2.2.2 наводят на мысль о том, что базис дифференциальных инвариантов группы G может быть образован двумя инвариантами J t, J и. Следующая теорема утверждает, что это действительно так. Она играет в дальнейшем главную роль при построении автоморфной ЛС-системы группового расслоения и несет основную для наших целей информацию о свойствах группы G. Теорема 2.3.

37. Имеет место Л е м м а 2.3.

38. Рассматриваемая грзшпа G и ее свойства 65 где V у и ранг этой м а т р и ц ы равен dim Y Поэтому в силу известной т е о р е м ы матек+1 матического анализа [244, т 1, с. 480] среди инвариантов J {X D) J существует ровно fe+i fc dim Y функционально независимых инвариантов J а остальные инварианты в ы р а ж а ю т ся через них с помощью функциональных операций. Лемма 2.3.1 доказана. Лемма 2.3.1 содержит индукцию по к, поэтому справедливо Следствие 2.3.

39. Пусть выполнены условия леммы 2.3.

40. Тогда из набора инвариантов J с помощью операторов инвариантного дифференцирования {Х-D) моокно построить к ровно dimy функционально независимых инвариантов группы G любого порядка fi к. Сформулируем вторую вспомогательную лемму. Л е м м а 2.3.

41. Кроме того, набор J имеет свойство Pk+ifc+i

43. Пусть выполнены условия леммы 2.3.

44. Тогда с помощью операторов инвариантного дифференцирования Ai (А; D) из набора J можно получить ровно к d i m l 7) функционально независимых инвариантов группы G любого порядка ц к. Продолжим доказательство теоремы 2.3.

46. Итак, все условия леммы 2.3.1 для нашего набора J вида (2.3.7) выполнены. Поэтому для любого А 2 в силу следствия 2.3.1 из набора J можно получить ровно dim Ul dim и функционально независимых скалярных инвариантов группе G порядка к с к помощью операторов инвариантного дифференцирования Л». По известным [192, с. 48, 311] формулам для dimZfc и dimYit можно найти, что dimUl dimZ dim_ Cf+fc Сз_1 Cl+fc.i (имеем в этих формулах m 1, п 3). Используем лемму 2.3.

48. Рассматриваемая группа G и ее свойства 70 где многоточием обозначены слагаемые с производными порядка

55. Рассматриваемая группа G и ее свойства так что det52;j u 2 2 V г д е д {ulf {ul)Поэтому матрицы Якоби dJvidJ 71 имеют ранг 8 dim С/3

56. Кроме того, переменные v?xxyi хуз/) соответствующие исключаемым столбцам матрицы ду, J при получении 5 J, являются смешанными производными и отличны от их lyyj ttt Итак, набор J вида (2.3.8), состоящий из 8 инвариантов порядка 3 и принадлежащий множеству {(Л D) J}, удовлетворяет всем условиям леммы 2.3.2 при п 3, 1, fc 3, 7

57. Рассматриваемая группа G и ее свойства 2.

58. Групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным параметром и{х,у) 2.4.

59. Условие 1 леммы 2.4.1 южнo заменить следующим условием: при к X набор инвариантов {J, (Л D) J где J универсальный инвариант к-то порядка, содержит универсальный 1швариант J группы G. Замечание 2.4.

60. Доказательство леммы 2.4.1 содержит также следующие утверждение. Следствие 2.4,

61. Пусть выполнены условия леммы 2.4-

62. Тогда при любом к к автоморфная система AGk порядка к и ранга р имеет вид системы (2.4.4), (2.4.5), где вторая часть уравнений (2.4.5) представляет собой дифференциальные следствия уравнений первой части (2.4.4), т. е. следствия системы AG. 2.4.

63. Автоморфная система второго порядка ранга 3 группы G Л е м м а 2.4.

64. Система дифференциальных уравнений относительно функций u{x,y,t) вида Jh{j\j\j), j+==Vi{J\j\j), г 1,2,...,11 u{x,y,t), (2.4.6) (2.4.7)

65. Условия совместности уравнений системы AG Приведем их при условии и

66. Аналогичньп/! образом условия совместности можно вывести и при и О, но нам они далее не потребуются. Л е м м а 2.4.

67. Условия совместности уравнений системы AG вида (2.4.8)-(2.4.16) при условии Uf О представляют собой объединение системы R квазилинейных уравнений первого порядка вида V3A2V2 {V4A3 V2A2)v3 V3A3V4 hv2V3j AiV2-A3Vi=0, (2.4.17) (2.4.18) (2.4.19) (2.4.20) (R) A1V3 2i;4, V3{AiV4 A2V1) y vl,

69. Рассматриваемая группа G и ее свойства 77 З а м е ч а н и е 2.4.

70. Ниже используем также уравнение первого порядка вида vlAih Уз{АзУ2 A2Vi) {V4A2 У2АЗ)УЗ hvVi, (2.4.38) являющееся дифференциальным следствием уравнений системы R. Для его вывода следует применить оператор Ai к уравнению (2.4.17), оператор Лг к уравнению (2.4.18) и у\шожить *Это свойство аналогично тому, что для системы и f{x,y,u), Uy д[х,у,и) условие совместности /у /uff 5i 9uf [227, с. 59] представляет собой незамкнутую систему относительно двух функций д.

71. Рассматриваемая группа G и ее свойства 78 полученное равенство на з, оператор (—Лз) к (2.4.20); затем все полученные равенства надо сложить и использовать тождества (2.2.2)-(2.2.4). Уравнение (2.4.38) можно получить также из равенства {ffAJ JAJ А2J") J 2 J А з J JJJ которое следует из тождества (2.2.5) при J J uj. 2.4.

72. Рассматриваемая rpjTina С и ее свойства 80 Таким образом, автоморфная система AG вида (2.4.41)-(2.4.49) получается из системы AG вида (2.4.8)-(2.4.16) заменой всюду символа uj J на J и уравнения (2.4.11) на уравнение (2.4.42). Соответственно роль леммы 2.4.3 теперь играет Л е м м а 2.4.

73. Автоморфная сист,ема группового расслоения уравнения (2.4.58) относительно группы G с операторами (2.1.1) имеет место тот же вид (2.4.8)-(2.4.15), что и для уравнения (2.4.39), а разрешающая система RE получается из разрешающей системы RE группового расслоения уравнения (2.4.39), определенной в теореме 2.4-1, заменой условия (2.4.40) на условие (2.4.59). Аналогичным образом получается групповое расслоение для уравнения любого порядка k>Z> х

74. Аналогично с помощью леммы 2.4.4 и теоремы 2.4.2 получаем групповое расслоение уравнений порядка kZ при выборе J {J, J, J). 0. (2.4.59)

75. Рассматриваемая группа G и ее свойства 82 §2.

76. Уравнение эйконала Дополнительное условие: гз 1.

77. Уравнение характеристик волнового уравнения х) \y) 1\2 т7 т32 1 или J 1. и Щ| {и;У или J {jy Дополнительное условие: vz х\.

78. Линейное и нелинейное уравнение теплопроводности вида u] [t,u\ или J гр[Ы J (2.5.2) где (/р, некоторые функции. Различные уравнения этого вида возникают т а к ж е в теории массопереноса и горения [201, гл. 2]. Дополнительное условие: (f{xi,X2,vz)h+i){xi,X2,V3) Хз (если J {J,J,J)) и ip{xi,Х2,хз)Н {xi,Х2,Хз) W (если J {J,J,J)).

79. Уравнение Буссинеска щ —(uux) —(uuy) ОХ ay пли J jJ f, J 0

80. Рассматриваемая группа (7 и ее свойства S3 (Ji О в силу и 1), возникающее в нелинейных задачах теории фильтрацрш и теплопроводности [201, гл. 2]. Это частный случай уравнения (2.5.2). Дополнительные условия: X2h из Хз, Vj 0.

81. Уравнение Лапласа и Пуассона Аи 0 или J О (имеем и 1, J 0), или J Г]. т] const Дополнительное условие: /i О, и О и /i ту

82. Уравнение Гельмгольца -еи Дополнительное условие: h (xl)X2. ипя J -{jfj\

83. Линейное волновое уравнение и,, V? или J —J Дополнительное условие: h vi.

85. Нелинейные волновые уравнения квантовой механики [133, с. 20, 52] u l {uy f(t,u,ul Hj Это частные случаи общего уравнения (2.5.3).

86. Обобщенное уравнение минимальной поверхности J 2 J(l J)

87. Дополнительное условие: h Л2г;з/(2(1 из)). Классическое уравнение минимальной поверхности вида [40, с. 58] (1 ul)Uxx 2Ua:UyUxy (1 u\)Uyy О (2.5.4)

88. Рассматриваемая группа G и ее свойства 84 также записывается в виде (2.5.4) и выделяется условием 1, отсюда J О, что приводит к еще одному дополнительному условию Vr

89. Последнее классическое уравнение возникает также в газовой динамике двумерных течений как результат преобразования уравнения для потенциала скорости по формуле, предложенной А. Чаплыгиным (см. [44, с. 35]).

90. Такой же вид имеет уравнение равновесия мембраны в случае больших смещений и и, вызванных нагрузкой внешней нагрузкой Н [40, с. 38].

91. Уравнение колебаний мембраны в случае больших смещений и и имеет вид [40, с. 37] dxXl ui uJ dyil ul up fJio dt fio где /xo натяжение, внешняя сила, р плотность мембраны. Оно также может быть записано в врще J 2(1 J)J 2 {pj Ро и отвечает случаю u 1, т. е. J О {vj 0).

92. Уравнение 1 Д1пп2 К const 2 п2 рши J к для функции и v?{x,y) в метрике dr n{x,y){dx dy) поверхности в постоянной кривизной К. Дополнительное условие: VT К. Для всех перечисленных дифференциальных уравнений теорема 2.4.1, а также теорема 2.4.2 дает групповое расслоение (системы AG и RE) в явном виде. Группу G допускают также следующие уравнения третьего и четвертого порядка.

93. Стационарные и нестационарные уравнения движения идеальной несжимаемой жидкости для функции тока: Uy{u)x tii(Au)j, О n(Au)i Uy(Au)x Ux{u)y О, или Лз7 0 J* f{J) и AiJ* A3J 0.

94. Рассматриваемая группа С? и ее свойства 85 Имеем: и и, и 1, J

95. Дополнительные условия: h /(аг), Aih Ah О, а также 7 0.

96. Стационарные и нестационарные уравнения Навье Стокса для функции тока Uy{Au)x— Ux{u)y vAu и или AзJ lLJ {Аи)г Uy{Au)x Ux{Au)y и AiJ AJ uLJ\ uAAu, где операторы Ai, L определены формулами (2.2.1), (2.2.14). Имеем также и и, v? 1, J

97. Дополнительные условия: Ah uLh, Vj О N Aih Ash i/Lh, vj 0, где L (г;з)"{г;з(Л2Л2 A3A3) {АУЗ Аг A3V3 Аз) изЛЛз}. Аналоги уравнений п. 14, 15 в общем случае v?{x,y) const имеют точно ту же запись в терминах J- и Л; и те же дополнительные условия, но без J О (без vj 0). Принимая во внимание содержание

98. Разрешающие системы группового расслоения как новый класс дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса. Некоторое новое дифференциальное тождество как результат выполненного группового анализа Содержание

99. Разрешающие системы группового расслоения 87 3.

100. Различные формы системы R и разрешающей системы RE 3.1.

101. Разреп1аюш:ие системы группового расслоения 90 Поэтому системы Д и R эквивалентны (при гУг т 0) для решений H,Wi, которые при некотором t to обращают в нуль левуто часть (3.1.2). Последние условие может выполняться, например, в силу начальных условий при t to для функции v}{x,y,t). Это имеет место, например, для волнового уравнения J J, рассматриваемого в п. 4.3 гл.

102. Системы Ru, REy Л е м м а 3,1.2, При замене U зависимых переменных вида г/1 Zm V2 W2 тт4 t2 "i Wo V3 Vz, (3.1.22) Vz V2 W2 система R или Ry, приводится к более компактной и "более линейной" системе Ru вида (3.1.23) (3.1.24) (3.1.25) (3.1.26) где ЛоС/ С/ (1 {Uf)/U HU\ {Ru) UAQWZ Uwz, 2wzU\ AQ ot -.+XZ-—- 0x2 (3.1.27) вытекает, Из уравнений (3.1.23)-(3.1.25) в качест,ве дифференциального следствия уравнение Л Я Я з 2 С 1 з

103. Уравнения (3.1.23)-(3.1.25) имеют линейную главную часть, т. е. являются ми. (3.1.28) полулинейны104. Разрешающие системы группового расслоения 91 11 Д о к а з а т е л ь с т в о леммы 3.1.2 получается из леммы 3.1.1 непосредственным вычислением при замене (3.1.22). Разрешающую систему RE, записанную в терминах функций Н, ws, будем обозначать через REu- Исходное дифференциальное уравнение (система) Е вида, (3.1.12) дает дополнительное условие {xuX2,xз,H,U\U,wз,U,W5,W6,W7) 0, (3.1.29) где .F некоторая заданная функция. Из теоремы 2.4.1 и леммы 3.1.2 вытекает Следствие 3.1.

105. Замечание 3.1.1. В силу уравнений (2.4.8)-(2.4.12) автоморфной системы AG и равенств (3.1.1), (3.1.22) функции tf;j(i,г,p),f/(t, г,р) (г 1,2,4), Я(,г,р), гиз(*,г,р) f{t,r,p)

107. Системы Ry и REy Подставим выражение для через и, С/, w получаемое из уравнения (3.1.26), в уравнения (3.1.23)-(3.1.25). Тогда исключим в системе Ru функцию U п получим, что имеет место Л е м м а 3.1.

108. Разрешающие системы группового расслоения 93 Следствие З Л 5 Разрешающая система RE группового расслоения уравнения (ЗЛ.ЗО) относительно группы G с операторами (2ЛЛ) мо-жет быть представлена в виде системы КЕц уравнений (3Л.37)-(3Л.39), которая имеет два "хороших" свойства.

109. Оператор L* линейный, а система КЕц полулинейна. 2. В двух уравнениях (ЗЛ.37)-(ЗЛ.38) системы КЕц действует одинаковый линейный оператор L*, притом только на одну функцию или на U, или на U. Таким образом, уравнения (ЗЛ.37) и (ЗЛ.38) имеют одинаковую главную часть. Эти свойства разрешающей системы RE дают возможность использовать (в гл. 4) для ее интегрирования метод характеристик и находить точные частные решения ряда уравнений. 3.1.

110. Интересно, что матрицу Т [Т/], состоящую из п элементов (п dimX), можно получить [274] всего лишь из некоторых п элементов 5* со свойством [Л.?] 7

111. Применим этот результат к нашей группе G с операторами (2.1.1) и рассмотрим, как операторы Л* коммутативной алгебры связаны с групповым расслоением. Л е м м а 3.1,

112. Разрешающие системы группового расслоения где d e t T 3 3 ф

113. Имеют место равенства А А\Л- щА! uttA\, Лз J M j M Лз ЗА\, 94 откуда получаем выражения для операторов Л,* через Л, вида А*-А.-А. I tJ-»J\, (3.1.45) А1 \А,--М\ Л 1ЛЗ Отсюда с учетом (2.1.4) получаем (3.1.42). При замене (3.1.43) в силу (2.4.24), (2.4.9)(2.4.12), (3.1.45) имеем: если (p{t,x,y) <f{t,Х2,хз), то A*ip А*(р, где операторы Л* имеют вид (3.1.44). Лемма доказана. Следствие 3.1,

114. Чтобы получить запись систем R, RE, R, RE и т.. д. в терминах операторов А, надо всюду в них символы dvi/dxj, dwi/dxj и т. д. заменить на AjVi, AjWi и т. д. Так что фактически (в частных производных д/дх{) уравнение сист,ем R, RE (и т.. д.) группового расслоения не изменяются при использовании операторов инвариантного дифференцирования Al вместо Ai для построение систем R, RE (и т. д.). §3.

115. Разрешающие системы группового расслоения как новый класс дифференциальных уравнений, допускающих представление Лакса. Построение пары Лакса в явном виде Л е м м а 3.2.

116. Таким образом, операторы L, А, В дают так называемую L-Л-В-триаду для системы (3.1.2)-(3.1.4). Это понятие введено В. Манаковым [137] и обобщает понятие L-Л-пары Лакса, или представления Лакса. Из леммы 3.2.1 в силу уравнения (3.1.5) следует Теорема 3.2.

117. Пусть RE разрешающая система группового расслоения уравнения Е из класса {Е} и L, А соответствующая L-A-napa Лакса для системы RE, построенная по формулам (3.2.1)-(3.2.3). Пусть в начальный момент, t to функция ф{1,Х1,Х2) удовлетворяет уравнению Ьф \ф с некоторым значением параметра А, и ее эволюция во "времени" t описывается нием (-—Л] 0 или А1ф 0. (3.2.5) уравне|Й1\ Тогда и при t to функция ф удовлетворяет уравнению (3.2.5) с тем оке значением Л.

118. Система двух уравнений (3.1.2), (3.1.3) относительно функций Wi, W2, W4 является необходимым и достаточным условием для выполнения равенст,ва [Лх,Ь,]= -A,L, dt dLi =—±-[A,L,] dt BL,, где матричные линейные операторы Ai, А, Li имеют вид \-Аз Ш 4 \-W2 W2\ WiJ A2J B_D дх2 А.= dxi дхз l/di у о О d/dxij в оператор умноокения на матрицу В. Операторы Ai, А2, A3, А определены формулами (3.1.6), (3.2.2). 3.

119. Некоторое новое дифференциальное тождество как результат применяемого группового подхода и следствия из него 3.3.

120. Основное тождество Теорема 3.3.

121. Пусть и{х,у) произвольная вещественная скалярная функция скалярных переменных X, у из класса C{D), определенная в некоторой области D, со свойством 9{х, у) {uxf (гtJ,) grad up 7 О в D. Пусть п{х,у) произвольная вещественная скалярная функция из класса C{D), п{х,у) По О в D. Определим функции f{x,y), h{x,y) равенствами и п2(гг,у) п{х,у)

122. Функции и ш п могут также зависеть от третьей независимой переменной t, которая явным образом не входит в тождества (3.3.1)-(3.3.5) и играет для них роль параметра. Из тождеств (3.3.3) и (3.3.5), в частности, следует, что, если функция и зависит от третьей переменной t, а функция п не зависит от t, т. е. и u{x,y,t), п п{х,у), то выражения в левой части (3.3.3) и (3.3.5) также не зависят от t.

123. Тождество (3.3.1) или (3.3.2) содержит одну скалярную функцию и{х,у), а тождество (3.3.3) или (3.3.5) две скалярные функции и{х, у) и п{х, у). Заметим также, что, в то время как выражения в левой части тождеств (3.3.1) и (3.3.5) определяются двумя функциями и{х,у) (или u{x,y,t)) и п{х,у), выражения в правой части этих тождеств определяются только одной функцией п{х,у).

124. Тождество (3.3.3) можно записать в виде Alnn{x,y)=(u-+(uy- --Alnf. (3.3.6) 4. Из тождества (3.3.1) следует, что векторное поле, образованное вектором Т gradln I gradtti Au является соленоидальным. —-jr-, I grad u p

125. Разрешающие системы группового расслоения 100 ТЩ 3.3.

127. Приложения результатов группового подхода, полученных в гл. 1-3, к конкретным дифференциальным уравнениям математической физики с произвольным переменным коэффициентом (параметром) и{х, у) Содержание

128. Новый способ вычисления геометрического расхождения лучей D{t,x,y) в прямой кинематической задаче.

129. Связь полученных классических уравнений с дифференциальной и римановой геометрией.

130. Связь уравнения (4.0.2) с уравнением колебаний струны.

131. Связь (4.0.2) с уравнением Якоби.

132. Связь между поведением функции п{х,у) {К{х,у)) и свойствами лучей (и D{t,x,y), и\ и\ V).

133. Оценки для геометрического расхождения лучей D{t,x,y) и функции D* и их производных (две группы оценок).

134. Приложения результатов группового подхода 106 (ЛЦк} 4.

135. Определять функционалы от параметра и{х) или от и{х), и{х) в локальных обратных задачах.

136. Сводить обратную задачу для исходного уравнения с произвольным переменным параметром u(ж) к некоторой прямой задаче для разрешающей системы RE группового расслоения. В отношении прямых задач этот факт установлен впервые Л. В. Овсянниковым [191].

137. Находить точные частные решения дифференциальных уравнений математической физики с переменным или постоянным параметром, сочетая метод группового расслоения и метод дифференциальных связей. При этом вид дифференциальных связей, удобных для интегрирования в явном виде, "подсказывается" разрешающей системой группового расслоения. Результаты данной главы опубликованы в [156-173, 292, 293]. §4.

138. Уравнение эйконала и кинематическая задача сейсмики (геометрической оптики). Новое описание с помощью группового подхода 4.1.

139. Основные величины и операторы Пусть с{х, у) 1/п{х, у) скорость распространения сигналов (волн) какой-либо природы в полуплоскости ж, у О, кинематика которых удовлетворяет принципу Ферма. Пусть

140. Приложения результатов группового подхода 4.1.

141. Квазилинейные уравнения и пара Лакса 110 Теорема 4.1.

142. Пусть в некот,орой окрестности Cl т,очки M{t,x,y) функция т[1,х,у) удовлетворяет уравнению (4.1.1) и принадлежит классу С{0,), функция п{х,у) С C{Q), и в точке М якобиан J d{t,T,p)/d{t,x,y) TxTty TyTtx ф

143. Одномерный случай соответствует, таким образом, частному классу таких решений с параметрами ц О, /3 1. 4.1.

144. Уравнение Риккати и линейное уравнение Оказывается, что вдоль любого луча 7()Р) введенные выше функции h, U, С/, v как функции г являются решениями обыкновенных дифференциальных уравнений классического вида. Именно, имеет место Теорема 4.1.

145. Вычисление геометрического расхождения лучей Следствие 4.1.

146. Связь с дифференциальной и римановой геометрией Как отмечено в следствии 2.2.2, в силу известной формулы дифференциальной геометрии [90, с. 113] функция К{х,у) в уравнениях теоремы 4.1.2, определяемая по формуле (4.1.28), является гауссовой кривизной поверхности в трехмерном евклидовом пространстве с линейным элементом dr" п{х, y){dx+dy). Это устанавливает связь уравнений (4.1.25)-(4.1.27) с дифференциальной и римановой геометрией. 4.1.

147. Связь с уравнением колебаний струны С уравнением (4.1.26) можно ассоциировать уравнение колебаний неоднородной струны pzz {k/V{z)}P 0) где роль скорости распространения волн играет величина V{z) —Vr (f7)", z —u(i,r,p) const, которое при замене г j{UY dz, W Uip переходит в уравнение Штурма Лиувилля WrT {k g{t,T,p)}W О, VJXQ д —{г;,т}/2 и обратно. Последнее уравнение при А О совпадает с (4.1.26). —К{х,у),

148. Приложения результатов группового подхода 4.1.

149. Приложения результатов группового подхода Следствие 4.1.

150. Величина моокет быть представлена в виде 115 1=1 YCi{t,p)U%T,p). Следствие 4.1.

151. ЕслиЕ, —якобиево векторное поле вдоль лучау{1,р) с сопряженными точками (f,0) и {хо,уо), то c{t,p)U{t,T,p) -a-c{t,p)n{x,y)D{t,x,y), фокусируются. где Ci, с некоторые функции, и D{t,xo,yo) О, т. е. в точке {хо,уо) лучи 4.1.

152. Связь между поведением п{х,у) и свойствами лучей и функций D, U, U", v Из известных теорем сравнения [106, 223, 233] для уравнения вида (4.1.26) получаем связь между поведением п{х,у), т.е. К{х,у), и свойствами лучей (нулями функций U{t,T,p) и D{t,x,y)) и функций D, и, С/, v. Пусть лучи jitjp) заполняют некоторую область Г2 в полуплоскости х, у

153. Рассмотрим два случая. 4.1.8.

154. Первый случай Если К{х,у) О, т. е., Alnn(i,y)0 (4.1.32) на любом луче y{t,p) С П, то каждое нетривиальное решение U уравнения (4.1.26) имеет не более одного нуля на любом луче 7(*)Р)- Поэтому в силу (4.1.19) функция U{t,T,p) при любых t const, р const имеет нуль только при т О и U О при г т

155. Отсюда получаем следующее утверждение как следствие уравнения (4.1.26) и формулы (4.1.31). Предложение 4.1.

156. Если условие (4.1.32) выполняется на лучеу{Ь,р) или в области., то функции и, V не имеют нулей и U const О {такоке имеем Щ О, U. 0), v{t,T,p) Ttt{t,x,y) const О всюду {при г 0) на луче y{t,p) или в VL. Предложение 4.1.

157. Если условие (4.1.32) выполняется на луче {t,p), то функции D* n{x,y)D{t,x,y), \и\, {rtt{t,x,y)} {v{t,T,p)} U/U возрастающие и D*, \и\, \и\, \и\ неубывающие функции т при т О на 7()Р) и Более точные оценки для D, U, U и их производных получены в следующем

158. Приложения результатов группового подхода 4.1.8.

159. Если Д1пп(х,у) п{х,у) -{У ф,р) ("-33) {где т <p{t,p) есть функция годографа) на луче j{t,p) или в области Q, то геометрическое расхож.дение лучей D{t,x,y) О всюду на ){t,p) или в fi, кроме точек источника x t,y 0 (£)(i,t,0) 0). Условие (4.1.33) является обобщением известного [212] достаточного условия (4.1.32) положительности D (регулярности семейства лучей в некоторой области П), так как значения Д1пп(х, у) могут быть отрицательньши при условии (4.1.33). 4.1.

160. Оценки для геометрического расхождения лучей D{t,x,y) и функций С/\ U Пусть функции V{t,T,p) и V{t,T,p) определены равенствами V —aU, V" —aU. Тогда V, V образуют фундаментальную систему решений уравнения (4.1.26) с начальными условиями V 1, V 0,V О, V 1 при т

161. Равенство (4.1.31) дает V D* nD. 4.1.9.

162. Первая группа оценок Используя известную теорему сравнения для (4.1.26) и V, V [106, п. 24.3, 25.5], мы получим первую группу оценок в форме следующего утверждения. Т е о р е м а 4.1.

163. Пусть лучи j{t,p) заполняют, некоторую область О. в полуплоскости х,у

164. Вторая группа оценок i Во второй группе оценок сравниваются две точки на одном луче. Представляя уравнение (4.1.26) в виде системы первого порядка UT U, UT —KU и используя теорему об оценках для их решений U, U [106, п. 8.4], получаем вторую группу оценок для функций D{t,x,y), V, V", U, U на произвольном луче y{t,p).

165. Приложения результатов группового подхода Предложение 4.1.

166. Обозначим 117 Sjit,x,y) T!{t,r,p) \V%r,pW \V:it,T,p)\, {n{x,y)D{t,x,y)y {[n(x,y)D\t,x,y)]ry, \K{x,y)\, Ml max{l,sup \K{x,y)\}, M 1 sup гдег,] 1,

167. Тогда для любых двух точек {x, у) и{хо,уо) одного итого же лучаy{tp) и для любых двух значений т r{t, х,у) и т{Ь, хо, уо) переменной т на луче y{t,p) справедливы оценки Y:\t,r,p) Y!\,t,p)e-K 3 3 Sj{t,X, у) Sj{t, Хо,yo)eMt,y)-(t,.o,yo)\ для i,j 1,2. В частности, при О, т.. е., XQ t,yo О, получаем оценки Y!\r,t,p)e\ Sj{t,x,y)e-y\ j l,

168. Аналогичные оценки имеют место для функций U —aV и U —а V —anD. Напомним, что (г. г, j Л,). D{t,x,y) 4.1.

169. Теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей и функций и, и Результаты этого

170. Сравнение двух лучей в одной среде Пусть 7: 7(*)Pi) и 72 l{t,P2) —два луча в одной и той же среде п{х, у) с параметрами Pi, Р2 и с вершинами в точке источника х t, у

171. Рассмотрим один и тот же интервал О г f на лучах 7ii 72 и обозначим (г 1,2) Ki{T) K{t,T,pi) K{x,y), D:{r) D*{t,T,pi) n{x,y)Dit,x,y), где x x{t,T,pi), у y{t,T,pi) уравнения луча 7(i,Pi), D{t,x,y) расхождение лучей с вершинами в точке х t. Теорема 4.1.

172. Пусть А\пп{х,у) "d7 0 и \KI{T)\ есть геометрическое [ЛгСт)! при О г f. Тогда m 0,1,2. (4.1.35) Orf, Заметим, что в (4.1.35) точки со значением т const на 7i и 72 лежат на фронте волны г const. Аналогично можем рассмотреть два луча с разными вершинами ti, to.

173. Приложения результатов группового подхода 4.1.10.

174. Пусть A\nni{x,y) О и |/sri(r)l [ЙгСт)! при О г г. Тогда неравенство вида (4.1.35) справедливо при О г т, m 0,1,2. 4.1.10.

175. Сравнение двух пересекающихся лучей в разных средах Пусть 71 7i(>Pi) и 72 72(*,Р2) два луча с одной вершиной t в среде ni{x,y) П2{х,у) соответственно и 7i, 72 пересекаются в точке {хо,уо). Обозначим (г 1,2) Ф Ki(T)Ki{t,T,pi) D*{r) D:{t,T,pi) Ki(x,y), ni{x,y)D]{t,x,y), где X Xi{t,T,pi), у yi{t,T,Pi), и Ki{x,y), Di{t,x,y), Xi{t,T,p), yi{t,T,p) определены в п. 4.1.10.

176. Используя предложение 4.1.3 (п. 4.1.8.1), получим Предложение 4.1.

177. Пусть А1п.Пг{х,у) О r i ri(t,a:o,yo) Т2{,о,Уо), 2deri{t,x,y) поле времен т{1,х,у) для ni{x,y), г 1,

178. Приложения результатов группового подхода 119 4.1.10.

179. Сравнение функций U, U", V\ V Пусть Ui{r), V/{T) решения уравнения Urr Ki{T)Ui 0 (z,j 1,2) с начальными условиями при г О вида F l, К;. 0, F 0, Vl где Oj {n?(f,0) pY"

180. Функции Лг(г) могут соответствовать двум лучам в одной или в разных средах ni{x,y) и соответственно определяются по формулам п. 4.1.9.1, 4.1.9.2. Из известных теорем сравнения для уравнений вида (4.1.26) следует Предложение 4.1.

181. Пусть Ki О {i 1,2) и \К2\ \Ki\ на некотором О г г. Тогда при О г г отрезке Vi>V, VlVl, a-i j l,2; miull cci lulliuli c/.fW \ui\\u!\, a2 \ul\>\ul\; Oi2 ("Ш.> ww>H"i?il*ww{b||} при T 0. в двух последних неравенствах можно подставить V/ вместо Uf и D* TiiDf вместо C/f, г 1,

182. Если \К2{т)\ \KI{T)\ хотя бы в одной точке г го G [О,г], то всюду имеем ст,рогое неравенство при т TQ {при г г о 0 т б последнем неравенстве) и 12 -rjj hi, т.е., In 1 j О при г го О, где Ы{т) hi{t,r,p) ATi{t,x,y)/n{x,y). Д* niDf или V вместо U, г 1,2. В последнем неравенстве моо/сно подставить 4.1.

183. Уравнения для функций x{t,T,p), y{t,T,p), n{t,T,p), и другие 4.1.11.

184. Приложения результатов группового подхода 120 Т е о р е м а 4.1.

185. Приложения результатов группового подхода 121 f 4.1.11.

186. Уравнение для функции n{t,T,p) Функция п{х,у) является произвольной, так что в переменных х, у замкнутое дифференциальное уравнение для нее отсутствует (помимо щ 0 Однако оказывается, что в независимых переменных i r p т существует замкнутое скалярное дифференциальное уравнение для n(t,T,p) п{х,у), не содержащее других функций, кроме п. Именно, справедлива Теорема 4.1.

187. Уравнения для функции А1пп/п как функции t, т,р Аналогично получается Теорема 4.1.

188. Функция f{t,r,p) ч А1пп(х,у) -К{х,у) „2(-, J) L\nn{t,T,p) есть решение замкнутого скалярного уравнение четвертого порядка вида Mjf-A{A}frff, где операторы Af, Mj определены согласно (4.1.41), (4.1.48), которое представимо в виде {fp/F}rr Каждая из функций lnn{t,T,p), ffp/F, F {AfUY\ (4.1.53) f{t,T,p) удовлетворяет т,акоке уравнению (4.1.42).

189. Приложения результатов группового подхода 4.1.11.

190. Системы для функций f f/, х, у, К 122 Комбинируя уравнения (4.1.15), (4.1.16) и (4.1.26) для U, U, можно получить замкнутые системы, в некотором смысле более простые, чем уравнения (4.1.11)-(4.1.13) и уравнения п. 4.1.11.1-4.1.11.

191. Точка (f,0) развертывается в отрезок [—n(i,0),p] прямой t const, г 0.

192. Приложения результатов группового подхода 123 Пусть {t,p) (это отрезок [0,ip{t,p)] прямой t const, р const), Г г (p{t,p) и Atp образы соответственно луча {t,p), годографа Г и области Dtx в пространстве t, т, р. Имеем (p{t,p) TQ{t,x), где р Tot{t,x). Область Atp ограничена отрезком [—n{t,Q),p] прямой t const, т о, лучом y{t,p), описанньпу! выше, и кривой годографа г (p{t,p). Соответствие между лучами 7()Р) и 7(t,p) взаимно однозначное для регулярного семейства лучей в А_д,. 4.1.12.

193. Интегральные формулы в переменных t, т, р к локальные обратные задачи Наряду с областью Dt,x формы лунки мы будем ниже рассматривать также лучевую трубку Dt,xux ограниченную лучами 7(i)Pi)i liiV) и отрезком {xi,x\ оси у О, Xi t, при этом р\ rot(t, xi), р rot(i, х). Область Dt,xi,x можно представить как разность двух лунок Djj; и Dt,xi- Образ А,11,х в пространстве t, т, р обозначим через Д{,р1,р. Теорема 4.1.

194. Пусть семейство лучей l{t,p) регулярно в Dt,xi п{х,у) С C{Dtx), и решение т{1,х,у) уравнения (4.1.1) принадлеокит классу C{Dtx {х t, у 0}); г(4, i, 0) 0; функции U, U", h, v определены согласно (4.1.4), (4.1.5), D(t,x,y) геометрическое расхождение лучей с вершиной t х. Тогда для произвольного луча y{t,p), произвольной област,и Dt, произвольной лучевой трубки Dtxi,x и любой дважды непрерывно дифференцируемой функции W{t, х, у) w{t, т,р)

195. Интегральные формулы в исходных переменных t, х, у и локальные обратные задачи Полагая в формулах теоремы 3.3.1 и в (3.3.11), (3.3.14), (3.3.15) и т, f 1, д{х,у) п?{х,у), h{x,y) Ar/n(x,y), находим, что имеет место Теорема 4.1.

196. Хотя функция поля времен г зависит от t: г т{Ь,х,у), дивергенция векторного поляТ (Дг/п) gradr не зависит от t, т. е. инвариантна относительно положения точечного источника волн. {Точечные источники могут располагат,ься произвольным образом в плоскости (х,у)).

197. Приложения результатов группового подхода 127 Пусть Dtxi,x область в виде лучевой трубки, определенная в п. 4.1.12.

198. Тогда, поскольку на любом луче y(t,p) имеем {gvadr-u) О, тождества (4.1.69) и (4.1.70) принимают соответственно вид Ji{t,xi,x)= I {wA\nn{x,y) ATA2w}dxdy=\у\ (4.1.71) J2(t,Xi,x) {wAlnn{x,y)— nA2A2w}dxdy [A2W ги)ту\ dx. (4.1.72) Выбирая в (4.1.71), (4.1.72) различные w, получим разные формулы. Положим, например, в (4.1.69) го 1 и в (4.1.70) w т, w (р{п), где (р произвольная гладкая функция, и учтем, что ЛгГ 1, Л2Г4

199. Тогда получим формулы Jz{t,xi,x)= 11 Alnn{x,y)dxdy (4.1.73) {—У] Ji{t,xi,x)= T{t,x,y)A\nn{x,y)dxdy= (l т—JTyj dx, (4.1.74) J5{t,Xi,x)= ip{Tt{t,x,y))Alnn{x,y)dxdy \f{n)-Ty} dx. (4.1.75) Зал1етим, что в частном случае xi t, лучевая трубка Dt,xi,x представляет собой лунку Д,х, определенную в п. 4.1.12.

200. Приложения результатов группового подхода Это равенство представляет собой соотношение между потоками векторных полей N grad In п{х, у) я Дг Т grad г 128 через произвольную гладкую границу S области D. Поток в левой части (4.1.76), как и равная ему величина JJ> А In п(х, у) dxdy, также является интегральной характеристикой свойств среды (скалярного поля п{х,у)) в области D. Поскольку п{х,у) не зависит от t, из (4.1.76) вытекает Следствие 4.1.

201. Одномерная обратная задача В одномерном случае п п{у) имеем г т{х t,y), отсюда р Tt —Тх —nosino (где По п(0) v{t,T,p) Тхх, Vt О, С/ {{тТху ТуТхх)/п}, Ut О, Xt 1, yt

202. Поэтому в обратной задаче можно считать, что источник фиксирован в точке х О, у

203. Приложения результатов группового подхода 130 Теорема 4.1.

204. Групповое содержание

205. Приложения результатов группового подхода §4.

206. Преобразования некоторых нелинейных дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) к классическим обыкновенным дифференциальным уравнениям с помощью группового подхода. Групповое расслоение и представление Лакса 131 4.2.

207. Уравнение характеристик волнового уравнения Пусть функции v{x, у, t), и{х, у, t), и(х, у, i), h{x, у, t), s{x, у, t) определены равенствами 7,2 А- 7/2 77 v uu J U vU\ через некоторые две функции u{x,y,t), и UyUtx НхЩу 4б (4-2-1) (4.2.2) h =j 5=— п{х,у){> UQ 0). Т е о р е м а 4.2.

208. Пуст,ь в некоторой окрестпности П точки M{x,y,t) фт/нкцил u{x,y,t) удовлетворяет условием теоремы 3.3.1 и уравнению (4.0.3) и в точке М якобиан J d{t,u,ut)/d{t,x,y) UxUty UyUtx ф

209. Приложения результатов группового подхода 132 С л е д с т в и е 4.2.

210. Пусть функция и{х, у, t) удовлетворяет уравнению (4.0.3) и другим условиям теоремы 4-2.

211. Уравнение {{нхУ {uyY}Jn{x,y) (р{и) обобщение уравнения эйконала Т е о р е м а 4.2.

212. Приложения результатов группового подхода 134 Следствие 4.2.

213. Пусть функции и{х, у, t) удовлетворяет уравнению (4.0.4) и другим условием теоремы 4--

214. Пусть функции v, U, U, h определены равенствами (4.2.1), (4.2.6). Тогда имеет мест.о утверждение, получаемое из теоремы 4-2.3 заменой всюду символов R на R, Лг на А2, и на т, щ на р, v, U, U, U", h на v, U, U, U", h соответственно, где R ip-lM, 2 57 2 ф и получаем уравнения (4.1.25)- В случае 1 (уравнение эйконала) имеем А djdr (4.1.27). Теорема 4.2.

215. Пусть функции u{x,y,t), п{х,у) удовлетворяют уравнению (4.0.4) и другим условиям теоремы 4-2.3, и функции v, U", h определены равенствами (4.2.1), (4.2.6). Тогда в некоторой окрестности точки М{1,т,р) функция v{t,T,p) удовлетворяет квазилинейному уравнению PQv О, (4.2.13) где а функции V, и удовлетворяют эквивалентной Qv -(С/2)-2, системе (4.2.14) Uf pU; {vU% =pU\ uh A2UyU ipr/

216. Приложения результатов группового подхода 4.2.

217. Преобразование решений нелинейных эллиптических уравнений в гармонические функции 135 Из тождества (3.3.1) и теоремы 3.3.1 следует Теорема 4.2.

218. Пусть функция и{х, у) удовлетворяет Au au{ul ul}, уравнению (4.2.15) где ОС, (5 некоторые вещест,венные числа (—оо а схз, —со (3 со), и удовлетворяет условиям теоремы 3.3.1 в некоторой области D. {Если /3 О, записываем (4.2.15) в виде иАи ад). Тогда в D функция д удовлетворяет уравнению {дд {д у)}/2 ади{аи Ч-/3)

219. Пусть и{х,у) гармоническая функция в некоторой области D. Тогда функция д{х,у) и и" удовлетворяет уравнению дАд {gl д)

221. Приложения результатов группового подхода §4.

222. Приложения результатов группового подхода 137 Таким образом, функции h{t, Х2, хз), Vi{t, хг, хз) получаются из дифференцигшьных комбинаций функций и, и в левых частях равенств (4.3.7) при подстановке (4.3.6). Эти комбинации J и величины t, u щ являются дифференциальными инвариантами (и инвариантами) группы G с операторами (2.1.1), как следует из теоремы 2.1.

223. Уравнение (4.3.2) допускает группу G. Теорема 4.3.

224. Групповое расслоение волнового уравнение (4.3.2) относительно группы G с операторами (2.1.1) при условии (4.3.3) имеет автоморфную систему AG вида (4.3.7) и разрешающую систему RE, содержащую четыре уравнения относительно функций Vi{t,X2,X3) (г 1,2,3,4), вида г;зЛзг;2 (43 и22)з V3A3V4 {P(t,X2,X3,V3)Vi F(t,X2,X3,V3)}v2V3 О, AiV2 A3V1 о, AiV3 2v4 О, (4.3.8) (4.3.9) (4.3.10) (4.3.11) (эквивалентны). V3{AiV4 A2Vi) {vj-\-vl)

225. Предстаапение Лакса Представление Лакса для разрешающей системы группового расслоения волнового уравнения (4.3.17) и (4.3.2) дает

226. Приложения результатов группового подхода 141 Т е о р е м а 4.3.

227. Обратная задача и ее сведение к прямой задаче для разрешающей системы с помощью группового расслоения Исходная обратная задача 4.3.

228. Найти гладкое решение {и uo{x,y,t),u{x,y)} уравнения (4.3.17) в некоторой области D значений i О, у О, —оо а; оо, удовлетворяющее условиям ul uli 0 при t 0, ul (po{x,t), uly il.o{x,t) при (4.3.31) (4.3.32) у

229. Считаем, что UQ С C{D), и С C{D) и функции щ, -фо заданы. Будем говорить, что в некоторой окрестности 17 или в области D значений х, у, t выполнены условия А, если в этой окрестности или области выполнены следующие три условия.

230. Существует взаимно однозначное соответствие при отображении {t,x,y) {Ь,Х2,хз) вида (4.3.4). В локальном случае случае окрестности Q точки М для выполнения этого условия достаточно потребовать условия (4.3.5). В "глобальном" случае случае области D, при рассмотрении "в целом" условие взаимно однозначного соответствия надо формулировать явно. Ниже оно обеспечивается с помощью перехода (4.3.33) при достаточно большом значении параметра этого перехода р const.

231. Имеем (гi) (uj) const О всюду в Q или в D. Это условие обеспечивает замену hi,Vi H,Wi или (h,Vi) H,U по формулам (3.1.1), (3.1.22) и положительную определенность матрицы А при d/dt в системе RE!,,, RE, REy.

232. Имеем и]и\ и].и]у т О V2 у О, W2 j О, U" оо всюду в il или в D. Это условие вводится по следующим причинам.

233. Приложения результатов группового подхода 143 Т е о р е м а 4.3.

234. Системы НЕ и НЕ, НЕц и НЕц эквивалентны, если: 1) W2 Q (и 00 в рассматриваемой области, что выполнено при условиях А; 2) если при t О б силу соответствующих начальных условий имеем {лев. ч. (4.3.23)} А3Ш4 А2Ш2 Ш1Ш2Шз

235. Доказательство этой леммы следует непосредственно из равенств (3.1.11) или (3.1.19), связывающих левые части уравнений систем НЕ и НЕ. Например, (3.1.19) при условии (4.3.18) принимает вид Л1{лев. ч. (4.3.23)} (—А3Ш1 ЗгУ4){лев. ч. (4.3.23)} ц;2{лев. ч. (4.3.19)}.

236. Приложения результатов группового подхода 144 Таким образом, уравнения (4.3.19) и (4.3.23) эквивалентны при условиях леммы 4.3.1, а остальные уравнения (4.3.20)-(4.3.22) у систем RE, RE совпадают. Отсюда следует лемма. Условия леммы 4.3.1 в силу (4.3.34) выполнены при условиях теоремы 4.3.

237. Определяется решение краевой задачи для разрешающей системы, например, решение одной из задач, сформулированных в теореме 4.3.2. Т. е. определяется орбита решений, эквивалентных относительно группы G, содержащая искомое решение {и,и}. 2. Это решение {wi} или {С/*,гУз} подставляется в систему AG вида (4.3.14) и определяется решение {u,v?} системы AG при исходных начальных и граничных условиях. Т. е. определяется искомое решение {и,и} исходного уравнения (4.3.17) внутри найденной орбиты.

238. Приложения результатов грзтшового подхода 4.3.

239. Приложения результатов группового подхода 146 дискретизации, допускающие применение сеточных методов, как отмечено А. Алексеевым [4]. 4.3.

240. Приложения результатов группового подхода §4.

241. Определение точных инвариантно-групповых решений с помощью метода группового расслоения 4.4.

242. Описание функционально-инвариантных решений волнового уравнения с помощью группового расслоения Рассмотрим систему EQ вида (4-4.3) M±iV_(„i)2. (4.4.4) Решение u{x,y,i) называется ф.-и. решением волнового уравнения (4.4.3) (при данной функции v?{x,y) 0), если Р{и) есть решение этого уравнения при любой функции Р. Чтобы функция v} была ф.-и. решением уравнения (4.4.3), необходимо и достаточно, чтобы функции и, V? удовлетворяли системе EQ.

243. Приложения результатов группового подхода 148 Т е о р е м а 4.4.

244. Отсюда следует утверждение леммы 4.4.1 и теоремы 4.4.

245. Лемму 4.4.1 можно доказать и по-другому: определяя непосредственно общее решение системы AGQ В явном виде и подставляя его в остальные уравнения системы AGQ. Имеет место

246. Приложения результатов группового подхода 4.4.

247. Приложения результатов группового подхода (4.4.24). Рассмотрим подсистему AGfi системы AGti вида f i -4-1 152 i„i„i 2 Щ (AG;,) JO {a2tui 7) tg {aiu at +13), /о const. (4.4.28) (4.4.29) (i.) {ty? /otui 1, Аналогично лемме 4.4.1 доказывается Л е м м а 4.4.

248. Разрешающая система RE2t получается присодинением дополнительноо условия fy О к системе REu- Для функций Y, F снова имеем систему (4.4.21), (4.4.22) и условие -р-|/ох1 /o/oxixi ifoxi) -pjj (4.4.32)

249. Приложения результатов группового подхода 154 вытекающее из формулы (2.4.23) в силу vj

250. Подставляя это выражение в уравнение (4.4.21), получим г rf JOxiXi L \JOxi) р, /Oiinxi Jjoxi /о 7 f§ и, откуда goxixi CQQQ О, где до 1//о, С ±и; произвольная постоянная. Отсюда о определяем, что системы Е2 и E2t (т. е. Ei и Ец в случае J 0) имеют решение только для функций /o(ti) вида {Si) {S2) (Зз) fo {au b)-\ афО; fo [asm{шu) bcos{u}u)], fo [aexp{uJu) bexp{-uju)], а Ь V О, t т 0; а Ь 7 О, о;

251. Ограничимся рассмотрением случаев (i) и (г). С л у ч а й [Si). Подстановка формулы (4.4.32) и выражения /о (acci b) в уравнение (4.4.22) дает для функции F{(pi,(p2) уравнения с

252. Кроме того, частные производные любого порядка этих решений по х, у, t также являются решениями уравнения Лапласа, имеюшими особенности на прямой (х хо) {у уо) О, t to

253. Аналогичные замечания справедливы и в отношении решений вида (4.4.36) волнового уравнения и их частных производных по X, у, t. В итоге доказана Т е о р е м а 4.4.

254. Приложения результатов группового подхода 157 Т е о р е м а 4.4.

255. Здесь получено интегральное представление решения u{z, прямой задачи в виде интеграла Фурье по через фундаментальные системы решений двух уравнений Штурма Лиувилля. Коэффициенты их строятся по значенр1ям K{z) соответственно в области гиперболичности и эллиптичности уравнения (5.0.1). При этом рассматривается частный слзгчай K{h 0) 7 О, K{h 0) 7 О, когда коэффициент K{z) в (5.0.1) всюду отличен от нуля и.

256. Некоторые неклассические постановки 159 следовательно, испытывает конечный скачок при переходе через точку z h. На K{z) накладываются только условия (5.0.3) и условия гладкости (5.0.4). Других ограничений на K(z) нет. Построенное представление одновременно дает доказательство существования прямой задачи, поставленной в 5.1. 5.3. Для иллюстрации этого представления рассматриваем случай уравнения Лаврентьева Бицадзе, когда K{z) sgn (z /i) 1 5.

257. Среди сформулированных в 5.8-5.11 утверждений наиболее важными результатами являются лемма 5.9.2, теоремы единственности 5.9.1, 5.10.3, 5.10.

258. Представляется, однако, что главным результатом 5.8-5.11 являются сформулированные постановки дискретных обратных задач и введение

259. Приводится форма решения прямой задачи суммарного поля, порождаемого произвольным множеством точечных источников, которое используется в обратных задачах. Даются некоторые вспомогательные геометрические построения. 5.

260. Здесь доказана основная лемма 5.9.2, дающая оценку количества нулей обобщенного полинома Fn{x) Y12=i fcVfc()) iki) {{x XkY т}/", на оси —со х оо. Лемма получена с помощью применения результатов из теории чебышевских систем функций (Тсистем). Получена теорема единственности для обобщенных полиномов Fi{x) указанного вида об определении его параметров iV, Xk, Гк§ 5.

261. Некоторые неклассические постановки 161 Исследование обратных задач в 5.10 основано на применении результатов 5.9 и некоторых геометрических построений, а в случае 2 для нестационарной задачи в п. 5.10.6 предложен способ решения, основанный на аналитическом продолжении поля и по одной из пространственных переменных. В п. 5.10.5 получены также оценки количества нулей суммарного поля и{х, у, z) и и{х, у, Z, t) на плоскости наблюдения z

262. Рассматриваемые в 5.10 дискретные обратные задачи представляет собой задачи определения правой части специального вида, отвечающей произвольному набору точечных излучателей или точечных масс, в волновом уравнении или в уравнении Пуассона. Эти задачи по постановке примыкают к обратным задачам теории потенциала (см. [100, 122, 185, 203, 206, 231, 232, 234, 273]) и к работам [12, 60, 95, 101, 107, 127, 268]. 5.

263. Формулировка и теорема единственности прямой задачи К р а е в а я (прямая) з а д а ч а 5.1.

264. Пусть в интервале О z Н задана вещественная функция K{z), непрерывная в каждом из интервалов [О,/г], [h,H] {h Н оо), причем K{z) О при Z 6 [О, h) и K{z) О при z G {h, Н]. Допускается любое из условий K{h 0) 7 K{h 0), K{h 0) K{h 0) О и любое сочетание (по два из четырех) условий K{h 0) 0, K{h 0)iO, K{h-0) 0, K{h-0)тО. (5.1.1) Щ1- Пусть х() заданная на прямой —оо оо вещественная непрерывная ограниченная функция, причем либо х() сохраняет знак на всей прямой, либо >с{)

265. Заданы также вещественная функция f{) при —оо оо и числа h, Н. Требуется определить функцию u[z,E), удовлетворяющую уравнению в полосе О Z /i, —00 00 и в полосе h z Н, —оо оо, граничным условиям и условиям склеивания (для оо оо): ди lim 0 г—»/»+0 0, lim u 2 0 г—tn—О (5.1.3) (5.1.4) (5.1.5) Иш lim

266. Имеет место Теорема 5.1.

267. Предположим, что существует некоторые два pememis прямой задачи (5.1.2)-(5.1.8). Тогда они могут отличаться только на произвольную постоянную. Следовательно, прямая задача 5.1.1 может иметь только одно решение. Д о к а з а т е л ь с т в о Всюду ниже в 5.1 условимся обозначать через u{z,) решение однородной (при 0) прямой задачи 5.1.

268. Некоторые неклассические постановки области Z?"*") и S (границе области D)*. Или 163 JAB Pd+ Pd+ JEA+BF Qdz+ Qdz+ JFE Pd 0, (5.1.11) Pd 0. JBA JAC+DB JCD Складывая последние два равенства и учитывая условия (5.1.3)-(5.1.6), получим J-a 2>iul{0,Od= JEC+DF {Kul-ul)dz. Поэтому в силу условия (5.1.8) для любого наперед заданного е О найдется такое значение а, что I /"2x1.2(0,0 d <е. >J —а Пусть х{) не меняет знак при —оо оо. Тогда из последнего неравенства следует, что при 2 0, —00 00 г*г

269. Представление решения прямой задачи 5.1.

270. Случай K{h -hO)jO.K{h-Q)jO Теорема 5.2.

271. Пусть в условиях прямой задачи 5.1.1 х() const лг 6 (—оо,оо) причем к ф и K(h 0) 7 О, K{h 0) 7 О (тогда, очевидно, при переходе через точку Z h функция K{z) испытывает конечный скачок). Введем полоокителъные функции V{z) и V {z) по формулам j-l/Vz), 0z<h,

272. Функции А\{к) и А2{к), определенные формулами (5.2.4)-(5.2.6), не обращаются в нуль одновременно при любом значении к. Д о к а з а т е л ь с т в о Допустим, что при некотором значении к имеем Ai{k) А2{к)

273. Тогда равны нулю и функции фh{xh,k)Al{k) и (ph{xh,k)A2{k). значении к имеем: фн{хн, k)Ai{k) ph{xK, к)А2{к). Следовательно, при таком (5.2.23)

274. Тогда н{к)А,{к) отсюда г1Фе(5)=0. Фн{к)А2{к), Так как 5i ф О, то $e(s)

275. Следовательно, в рассматриваемой точке к одновременно должны вьшолняться два равенства: Фе(5) О, Однако это противоречит тождеству (е(а;я,5)Фе(5) е(а:я,5)Фе(5) <Ре{хн, s)i{xH, s) ije{xH, з)р{хн, s) 1. Фе(5)

276. Некоторые неклассические постановки 169 Л е м м а 5.2.

277. Некоторые неклассические постановки 173 5.

278. Действительно, \А{к)\= Al{k) Al HkAl{k) {hik)} x 1, (5.3.5) kAl A;{sinh {hik) cosh A; cosh (2/iiA;) k cosh{hik) И(А;)|2 >{A\ kAl} x2A;2cosh(2/iiA;) xA;cosh(/iiA;), если если х

279. Отсюда получаем неравенство (5.3.5).

280. Некоторые неклассические постановки Из (5.3.2) и (5.3.5), поскольку при h z Н 175 получаем: \Ue{z,k)\ тк)\ \kcosh{k{H |со5Ь(А;(Я-г))/е=/2К2 z))/A{k)\ \ф{к)\\ cosh {к{Н 2))/e=i/2|/min(l, |х|) 2 т а х 1 1 х \ф{к)\, т. е. оценку вида (5.3.4) при hzH,n

281. Аналогично, поскольку при О z /i 14(2, А:)| Isinh{hik)\ cosh{hik)\ е, то \Uh{z,k)\ \ф{к)\ \kA4{z,k)/A{k)\ 2max(l, 1/\х\) \ф{к)\, т. е. получаем оценку вида (5.3.4) при О z h, п

282. Аналогично получим оценки (5.3.4) для п 1,

283. Очевидно, оценки типа (5.3.4), полученные выше независимо от доказательства теоремы 5.2.1, совпадают с оценками леммы 5.2.2 для функций We, Wh в случае L-B. Из формул (5.3.3) и оценки (5.3.5) непосредственно следует, что функция А{к) на оси —со А со имеет при х т О только один нуль (первого порядка) в точке к

284. Этот же факт доказан в 2 в общем случае. Что касается оценок устойчивости вида (5.2.36) для случая L-B, то в силу неравенств (5.3.4) мы можем положить в них С 2 т а х 1 1 х 5.

285. Обратные задачи. Случай K{h 0) О, K{h 5.4.

286. Обратная задача с данными на границе z Н Обратная задача 5.4.

287. Пусть выполнены все условия т,еоремы 5.2.1 и пуст,ь при —оо оо заданы функция f{) из условия (5.1.6) и значения и{Н,) решения u{z,) прямой задачи 5.1.1 с неизвестными числами Н,х и неизвестной в интервале [h, Н] функцией K{z){V {z)). Заданы также число h и функция K{z){V{z)) определить числа Н,х и функцию K(z) при h z Н. в интервале [О,/г]. Требуется 0) О Р е ш е н и е обратной задачи 5.1.

288. Обратные задачи с данными на границе z h Обратная задача 5.4.

289. Пусть выполнены все условия теоремы 5.2.1 и пусть при —оо со заданы функция и одна из функций u{h,), du/dz\2=h, где u{z,) решение прямой задачи 5.1.1 с неизвестными числами Н,х и неизвестной в интервале [h,H] функцией K{z). Заданы также число h и функция K{z) (V{z)) в интервале [0,h]. Требуется определить числа Н,к и функцию K{z) при h z Н. Решение обратной задачи 5.4.

290. Обратные задачи с данными на границе z 0 О б р а т н а я задача 5.4.

291. Некоторые неклассические постановки 179 на некотором отрезке вещественной оси плоскости к и числа Р, я P/v{0). Построив функции tphixhtk), iph(.Xh,k), h{k), Фл(А:), определим по формуле Si Sa Фн{к) R{k)<ifHik) fhioch, к) К{к)фн{хн, к) ТП{3) функцию Sfms) на некотором отрезке мнимой оси плоскости s. Далее следуем методике решения обратных задач 5.1.1 и 5.1.

292. ОбратНс1Я з а д а ч а 5.4.

293. Пусть выполнены все условие теоремы 5.2.1 и пусть при —оо О заданы значения и{0,) и ди/дг\!:=о решения u{z,) прямой задачи 5.1.1 с С неизвестными числами Н, х, неизвест,ной в интервале [h, Н] функцией K{z) и неизвестной при —оо оо функцией О Задано также число h и функция K{z) в интервале [О, /г]. Требуется определить число Н и функцию K{z) при h z Н. Эту задачу мы решаем аналогично обратной задачи 5.4.4. Из самого способа репхения обратных задач 5.4.1-5.4.5 следует F, Теорема 5.4.

294. Каокдая из обратных задач 5.4-1-5.4-5 имеет единственное решение. 5.

295. Интегралы в равенствах (5.5.2) и в равенстве dz J-00 Ozh (5.5.9) dz есть интегралы Фурье (т. е. справедливы формулы их обращения).

296. Некоторые неклассические постановки Представляя решение {Ue{zi,k),Uh{z,k)} v Ueiz2, к) Cl{k)(Pe(z2, 182 в виде к) C2{k)фe{z2,k), UH{z,k) Di{k)H{z,k) В2{к)фн{г,к) и определяя С\{к), С2{к), Di{k), D2{k) из условий (5.5.14)-(5.5.17), получим для функций UejUh формулы (5.5.4), (5.5.5). Имеет место Лемма 5.5.

297. Функции Ai{k), А2{к), определенные формулами (5.5.5), не обращаются одновременно в нуль при любом значении к е (—оо,оо). Д о к а з а т е л ь с т в о Допустим, что при некотором к имеем: Ai{k) А2{к)

298. Тогда равны нулю и функции Ai{k)h{h,k) и A2{k)(ph{h,k). Следовательно, при таком значении к: Ах{к)фн{К к) A2{k)h{h, к) 0. Но в силу тождества (5.5.18) (5.5.19) т> А1{к)фн{к,к) А2{к)М,к) -ф{Нигк)

299. Следовательно, равенство (5.5.19) невозможно, если число s ik пе является нулем of функции Jhus). Пусть S ik нуль функции {hi,s). Тогда в этой точке к имеем: Ai{k) ph{Kk)ip{huik), Допусти, что Ai{k) А2{к)

300. Тогда Ai{k)f{h,k)-A2{k)if{h,k)=0. Но в силу тождества (5.5.18) Аг{кЖ{к,к) A2{k)<p,,{h,k) <p,{huik) 0. А2{к) iJh{h,k)fp{hi,ik). Итак, (pg{hi,ik)

301. Следовательно, в рассматриваемой точке к одновременно должны выполняться два равенства: (f(hi,s) О и %p(hi,s) 0. Но это противоречит тождеству ФеРе реФе 1- Лсмма доквзана. Поскольку число я и функции Ai{k), А2{к) вещественные при —оо А оо, то из леммы 5.5.1 получаем Следствие 5.5.

303. Если функция ш{х) вовсе не обращается в нуль на J, то это соответствует слзаю i О, 1л=1/2. В работе [288] Rudolf Е. Langer получил следующие оценки для некоторых частных решений ui{x,p), U2{x,p) Зфавнения (5.5.21), образующих фундаментальную систему. Пусть ui(x,p) и U2{x,p) решения уравнения (5.5.21) при начальных условиях «i(0,p) 2Ф(0)/Г(1 i ui(0,p) О, U2{0,p) О, Й2(0,р) 2-Ф{0)/{iГ{l)), где uj{x,p) [uj{x,p) -—--uj{x,p)j-j-, J 1,2, (5.5.24) 304. Асимптотические формулы для функций <f{x,p) и ф{х,р) (5.5.25) о{) +о{-)]. Пусть (/j(x, р) и (ж, р) решения уравнения (5.5.21) при начальных условиях V;(0,p) l, ¥(0,р) 0, V(0,p) 0, (0,р) 1. U2{x,p): (5.5.27) Выразим функции ip{x, p),jj{x,р),р{х,р),ф{х,р) r(l-/i) через функции щ{х,р), Т{р)Ч>{0) 2ф(о) п г М р (.Я) 2 г г р (5.5.28) Г 1 х ipf 2Ф(0)Ф(х) T(PW(0) г 2Г-Ф"() Г(/г)Ф(0) 1 Ф(х) Г(1 р) Ф(а;)

305. Введем следующие функции (при О z h): (5.5.43) ph Wh{z)dz, Ф{г)= Wh{z)dz, (5.5.44) Ф:(г) {Фl{z)y/-/{wн{z)y/\ Очевидно, что при Ozh, zi h z Фг{z,) Фгiz), 4fi{zi) 4f,{z) ii{zi,k) i{z,k), и (5.5.45) Uh,k) i{0,k), Ф1(0) Фг(/1), *i(/i) *i(0). Учитывая, что, в силу равенств (5.5.39), (5.5.40), рн{к,к) -ф{0,к}=ф[{к,к), фн{Н,к) -ф{0,к) ф1{Н,к), <p{h,k) -ф{0,к) ф[{к,к), {h,k) ф{0,к) ф,{Кк), и, вводя постоянные СМ Г(1 //)/2 Cф{l) Г(/z)/2- (5.5.46) из формул (5.5.30) получаем следующее утверждение.

306. Некоторые неклассические постановки 191 В итоге получаем следующую оценку для функции А{к). Существуют такие числа iV О и fco О, что при вещественных значениях к, —оо к <оо и при 6(0)) \2{H,s)\ N, \к\ ко справедливо неравенство \А{к)\ Q|P(A;)|{[Ci|A;p]2 [CslArpf (5.5.54) где Q некоторая положительная постоянная, не зависящая от к, а числа СьСг и функция Р{к) определены формулами (5.5.51), (5.5.52), (5.5.53). 5.5.

307. Оценки для функций ye{z2,k), Ue{z2,k) Заметим, что функция Уе{2,к), определенная формулой (5.5.35), удовлетворяет уравнению y"-kk{z2)y 0, 0Z2hi (5.5.55) и начальным условиям yeihi,k) l, y{hi,k) 0 (штрих обозначает дифференцирование по гг). Мы имеем: K{z2)

308. Обратные задачи в общем случае ц fp, Формулировки обратных задач 5.4.1-5.4.5 для общего случая в точности те же самые, что и в 5.4 для случая K{h 0) yi О, K{h 0) 7

310. Аналогично теореме 5.2.1 имеет место Т е о р е м а 5.6.

312. Пусть выполнены все условия теоремы 5.2.1 относительно прямой задачи 5.1.

313. Некоторые неклассические постановки Т е о р е м а 5.6.

315. Одновременное задание информации о решении прямых задач 5.1.1 и 5.1.2 Задавал совместно данные о решении прямых задач 5.1.1 и 5.1.2, можно сформулировать обратные задачи об определении коэффициента K{z) всюду в интервале [О, Н]. Рассмотрим, например, следующую постановку. О б р а т н а я задача 5.6.

316. Требуется определить числа Н, h, X и функцию K{z) в каждом из интервалов [0,h], [h,H]. Сначала определим спектры задач (I), (II) 5.4 и по ним числа хн, H h, хп функцию V (xi) при О i i хя, затем спектры задач -у" q{x)y Ay, cos (у(О) sin у(О) О, -у" q{x)y Ху, О X х/г, cos ву{хн) sin 9у{хн) 0; О X x/i, W у(0) О, cos ву{хн) sin ey(xh) О, (ctg (f й о ctg в -а) (квадраты нулей функций Фн{к) и Фд(А;)) и все искомые величины и доказываем единственность решения обратной задачи 5.6.1. 5.6.

317. Обратные задачи в случае (5.6.1) формулируются и рассматриваются аналогично 5.4-5.6. 5.

318. Физическое содержание

319. Стационарный случай Пусть N,v,fi {Л{?}, Rj{x,y,z) объекты, определенные в п. 5.8.1; kj произвольные (не обязательно вещественные) числа; Ф произвольные комплексные числа (<I>j Ф 0): _Ф Ле О /Ij 00, О Oj 27Г 1,2,..., N). Функции у,.-, О 5 Е bt Ф. j е щ е-М, (5.8.10) I JL „(.,,,М) Е Ф Л Ц -iikj/v)Rj{x,y,z) Д(,,) е-М (5.8.11) являются решениями стационарного аналога прямой задачи предыдущего

320. Некоторые неклассические постановки 5.8.

321. Статический случай 202 Рассмотрим также функцию N где р 0 или р 1. В обоих случаях где 1 р. В случае р О функция и{х, у, z) представляет собой (с точностью до постоянного множителя) суммарный ньютонов потенциал множества точечных масс величиной rrij в точке Mj. Подчеркнем, однако, что в нашем исследовании массы rrij в выражениях (5.8.13), (5.8.14) могут быть как положительными, так и отрицательными. 5.8.

322. Некоторые вспомогательные геометрические определения Приводимые ниже построения одинаковы для нестационарной, стационарной и статической задач и для обоих случаев 1 и

323. Обозначим плоскость z О через S. Пусть И <Z S некоторая прямая. Проведем через каждую точку Mj G /х плоскость, нормальную к прямой П, и построим полуокружность Оп в этой плоскости с центром на прямой П, проходящую через данную точку М,- и лежащую в полупространстве z

324. Построим для каждой из них семейства Oni,t и On2,ii- Множество всех точек пересечения этих двух семейств обозначим через /ii,2: /ii,2 Спь/* П Ou2,l Очевидно, множество pi конечно и содержит не более N точек. Поскольку через каждую точку Mj Е р проходит по крайней мере одна полуокружность из каждого семейства, множество р12 непусто и содержит множество р: ц с /1,

325. Если П П, то на каокдой полуокруэюности Ojn леокит, только одна точка Mj Е fi и aj{t) (Pj{t), Ч/j Ф, Cj щ. §5.

326. Некоторые неклассические постановки 204 к 1,2, ...,п, является ТМ-системой порядка (п 1) на отрезке [а,Ь]. (Штрих здесь обозначает дифференцирование по х). Доказательство можно найти в [108, гл. XI]. Системы функций, удовлетворяющих такого рода W-условию, рассматривал Г. Полна [Polya G.] в мемуаре [302], посвященном изучению интегралов соответствзтощих линейных дифференциальных уравнений, для которых (5.9.1) служит фундаментальной системой. 5.9.

327. Число нулей определителя Вронского для нашей системы функций Рассмотрим систему Л функций Vf {{х Xkf г}-/2 Wk{x)- 0), Wk{x) {х- Xkf rl, -c SfcG (-00,00), тА О, fc l,2,...,iV, (5.9.2) где среди пар чисел (xfc, Тк) нет одинаковых. Можно показать, что система функций {фк{х)} линейно независима в любом интервале (а, Ъ) оси х. Имеет место Л е м м а 5.9.

328. Pn,k{x)Wk t/;.P;.(x)}. гvW{-{rг -1/2 -(п+1) 1){х Хк)Рпф)

329. Некоторые неклассические постановки а второе произведение есть многочлен степени Щ 2{N-ai+N-a2 N-aN} 2{N-{ai a2 aN)} N(N-1). 206 Следовательно, каждый член определителя D есть многочлен степени 5N SN{N 1)/

330. Поэтому DN является многочленом степени не более

331. Поскольку функции системы {(/Зд.(ж)} линейно независимы в любом интервале (а, Ь) оси х, то WN{X) О И, значит, В{х) ф

332. Поэтому среди коэффициентов многочлена Di{x) ajo;* сах- as+i есть отличные от нуля. В силу основной теоремы алгебры, многочлен D{x) (и, значит, определитель 1Удг(х)) имеет в комплексной плоскости (и, следовательно, на вещественной оси х) не более Jjv конечных нулей. Лемма 5.9.1 доказана. 5.9.

333. Число нулей полинома F„(a;) Xlfc=i 0кФк{х) Основная лемма Ъ.2.

334. Некоторые неклассические постановки 207 Следствие 5.9.

335. Если некот,орый полином F„(x) вида (5.9.7), где п произвольное натуральные число, имеет на всей оси х не менее п конечный нулей, то а О при fc l 2 n u F x 0. 5.9.

336. Пусть каокдое из двух семейств пар {хк, Гк}\ и {х, rj не имеет, (внутри себя) равных пар и упорядочено по возрастанию. Тогда равенства j 4j, rj r[., где j l,2,...,N, (5.9.9) а {kj}i некоторая перестановка из чисел 1,2,... ,N, могут иметь место тогда и только тогда, когда j kj, j l,2,...,N. Доказательство можно найти в [294, п. 8.3.4]. 5.9.

337. Теорема единственности для обобщенных полиномов Очевидно, что любой не равный тождественно нулю полином FN{X) J2kM)> к=1 М) к? rl}- о, где среди пар {хк, гк) нет равных, можно всегда с помощью перенумерации его членов представить в виде суммы J2k-i о,кФк[), где ак ф при к 1,2,... ,Ni, а пары семейства {a:fc,rfc}i упорядочены по возрастанию. Имеет место следующая Теорема 5.9.

338. Пусть Ni, N[, п произвольные натуральные числа, причем и задано uNin, N[n, FN,{) Yl ("М), k=i Фк{х) VK fcJ +fc (5.9.10)

339. Некоторые неклассические постановки и bj ttj —а., О, Xj xf.,, Tj r, при j 1,2,... ,Ni, где k[,k2,...,kj i i i 209 некоторая перестановка чисел 1,2, ...,iVi. A, поскольку каждое из семейств {xk,rk}i и {xi,ri} не имеет равных пар и упорядочено по возрастанию, то в силу леммы 5.9.3 kj j и, значит, Oj aj, что и требовалось доказать. Из теоремы 5.9.1 вытекает Следствие 5.9.

340. Пусть N п, где натуральное число п задано, а N может быть неизвестно. Заданием полинома Xj xj, Tj rj, j l,2,...,Ni FN{3:) J ак-фк{х), фк{х) где йк е (—00, оо), Хк Е (—оо,оо), rfc О и среди пар {хк,Гк) нет равных (к 1,2,... ,N), в f(2n) произвольных различных точках осих (функция f{n) определена формулой (5.9.12)J однозначно определяется совокупность всех троек чисел {ак,Хк,Гк), у которых Ок j О, и их число Ni N). 5.

341. Обратные задачи об определении произвольного множества точечных источников 5.10.

342. Предварительные замечания о решении обратных задач Возьмем на плоскости z Q произвольную прямую П и выберем такую систему координат (х,у), чтобы П совпадала с некоторой прямой у const j/o- Пусть Xj,yj,Zj координаты точки Mj в выбранной системе координат. Положим r, y o 0 Пусть задана какая-либо пара чисел Xj,rj

343. Решение обратной задачи на втором этапе единообразно для всех случаев.

344. Некоторые неклассические постановки 5.10.

345. Статическая обратная задача с данными на прямой 210 fci\ W! Пусть П произвольная прямая на плоскости z

346. Повторим рассуждения первой половины п. 5.10.

347. Очевидно, что поле и{х,у,0) вида (5.8.14) на П является функцией от х вида u{x,y,Q) UN{x) J2M) i=i Ы) /\/{-У г]- (5.10.1) В этой сумме некоторые пары {xj,rj) могут, вообще говоря, совпадать. Среди пар {xj,rj) есть равные тогда и только тогда, когда для некоторых точек М,- полуокружности Оп совпадают, т. е. когда некоторые точки Mj лежат на одной полуокружности Ojn (см. п. 5.8.2). В силу утверждения 5.8.1 (п. 5.8.2) справедливо З а м е ч а н и е 5.10.

348. Среди пар {xj,rj) в равенстве (5.10.1) нет равных (а среди полуокружностей Ojn нет совпадающих) тогда и только тогда, когда П С П/,. Всюду далее будем полагать, что п натуральное числе такое, что N п; Хп множество из f{2n) произвольных различных (не совпадающих) точек плоскости z О, лежащих на прямой И; при этом п п{п{п? 1)/2 1}. Положим Cj rrij TUj TUj, (5.10.2) где 3\,J2i---iJm (1 Щ номера тех точек Mj G M, которые лежат на одной полуокружности Oju е Оп,

349. Сумма в равенстве (5.10.1) всегда может быть приведена (с помощью объединения слагаемых с одинаковыми парами (xj,rj), если они есть) к виду UN{X) J Cjpj{x), где среди пар {XJTJ) уже нет равных. Поэтому из следствия 5.9.2 вытекает Теорема 5.10.

350. Пусть неизвестно число N, координаты точек Mj и числа rrij, j 1,2,...,N, но известно число п. Заданием поля u{x,y,z) вида (5.8.13) на множест,ве Хпп однозначно определяется совокупность пар {cj, Oju G Оп,/}, У которых Cj у О, и их число Ni (Ni N); для остальных полуокружностей Ojn 6 Оп,;л, если они существуют, 0. Из теоремы 5.10.1 вытекает Следствие 5.10.

351. Некоторые неклассические постановки 211 ф, З а м е ч а н и е 5.10.2. Для данных величин m,j 7 О и множества /i точек Mj число Ni величин Cj, отличных от нуля (и число различных полуокружностей Oju в семействе Оц), достигает наибольшего значения, равного N, тогда и только тогда, когда П С П/j, при этом Из замечания 5.10.2 и теоремы 5.10.1 вытекает Следствие 5.10.

352. Пусть П С П,. Тогда заданием поля u{x,y,z) вида (5.8.13) (где ruj ф Oj на множестве Х„п однозначно определяются число N, семейство ОЦ и числа rrtj для каждой точки Mj, лежащей на Oju при всех j 1,2,... ,N. 5.10.

353. Нестационарная обратная задача с данными на прямой в случае 1 Пусть по-прежнему Х„п множество из /(2п) различных произвольных точек, лежащих на некоторой прямой П в плоскости z

354. Положим a.W fjiit) Vhii) uit), (5.10.3) где ji,J2, ijm. номера тех точек Mj G которые лежат на одной полуокружности Ojxi из семейства Оп,г- Имеет место Т е о р е м а 5.10.

355. Если функции иЛ) (5.10.10) заданы при и 0,1,2,... ,1/0 на множестве ХпП, "о при каждом и 1,2,..., io однозначно определяется совокупность всех троек чисел {Aj {0),Xj,rj} или всех пар {Л" (0), Ojn G On,iJ.}, для которых Л]-(0) т 0.

356. Итак, утверждение 5.10.2 доказано для I/Q 0,

357. Докажем его для щ 1, используя тот факт, что оно доказано для UQ, т. е. применим метод математической индукции. По функциям и{х), заданным для i/ 0 1 о на Хпп, определим однозначно при каждом i 0 1 ,г/о совокупность троек {Л]- ,Xj,rj},T. е. совокупность всех пар {Aj tjj{x)}, у которых Aj ф

360. Пусть для некоторой полуокружности Ojn функция а{Ь), определенная формулой (5.10.3), не равна тождественно нулю. Тогда, хотя бы при одном значении v 0 1 2 величина Aj ния 5.10.1 в противном случае мы бы имели: ф О, поскольку в силу утверждеЛj(fc) Л 0 и aj{t)= Aj{k)e"dk 0. (5.10.11)

361. Некоторые неклассические постановки 215 Поэтому, если a_,(t) О, то в силу утверждения 5.10.4 однозначно определяется последовательность Aj,Aj и полуокружность Ojn (она одна и та же для aj{t), Aj{k), Aj, V 1,2,...). По последовательности величин Л- v 0,1,2,..., однозначно по формулам (5.10.11) определяется функция Aj{}z) и затем Oj(i). Для остальных Оп G Оп,;, если они существуют, а[€)

362. Теорема 5.10.2 доказана. Из теоремы 5.10.2 вытекает Следствие 5.10.

363. Пусть прямая И С Hj. Тогда заданием поля u{x.y,0,t) вида (5.8.6), где ipj{t) ф. О, на множестве Хпп при —оо t оо однозначно определяется число N, семейство On.i и функция Pj{t) (и, значит., число tj, если yj(i) О при t tj) при —со i со для каждой точки Mj, леж:ащей на Oju, при всех j 1.2,..., N. 5.10.

364. Некоторые неклассические постановки 219 "теорема 5.10.1", "замечание 5.10.2", "следствие 5.10.2" на слова "следствие 5.10.3", "теорема 5.10.2", "замечание 5.10.3", "следствие 5.10.4". 5.10.5. О нулях поля, порождаемого множеством точечных источников 5.10.5.1. О нулях поля u{x,y,z) вида (5.8.13) Обозначим через Х множество, состоящее не менее чем из f(n) различных точек на произвольной прямой П, лежащей в плоскости z. 0. Из следствий 5.8.1, 5.9.1 вытекает Теорема 5.10.

365. Пусть известно натуральное число п N иП произвольная прямая на плоскости 2

366. Если поле и{х,у,0) вида (5.8.14) равно нулю на мноокество точек Хп, то для всех полуокружностей Oju Е Оп,; величина Cj О и, значит, и{х,у,0) О на прямой П. Если при этом WHii, то Cj щ О при j 1,2,... ,N и и{х,у,z) 0. Из теоремы (5.10.4) получаем следующие утверждения Следствие 5.10.

367. Пусть множество чисел {m,j} удовлетворяет условию (С) (см. п. 5.10.2, следствие 5.10.1). Тогда не существует такой совокупности {n.,N,fi,{mj}}, для которой и{х, т/, 0) О на Х и, более того, на ХпП или на множ:естве Е, определенном в обратной задаче 5.10.1. То есть, функция гг(х,у, 0) имеет не более {f{n) 1} нулей на любой прямой П плоскост,и z

368. Пусть Е* сумма множеств .Хп 1)2,...,С 1), причем прямые Ili составляют семейство из {С 1) произвольных не совпадающих прямых на плоскости 2

369. Тогда, если и{х,у,0) О на множестве Е, то т О для всех j 1 2 iV и и{х, у, z)

371. Пусть Пх ы Пг две несовпадающие прямые на плоскости 2 О и множ:ество р, принадлежит к классу множеств из N п точек, для которых пара Hi, Пг имеет свойство В. Тогда, если и{х,у,0) 0 на множествах Хщ пП2 "i "Р j l,2,...,N uu{x,y,z) 0. 5.10.5.

372. Нули функции u{x,y,z,t) вида (5.8.4) или (5.8.5) на плоскости 2 0 Определение 5.10.

373. Точку {хо,уо) назовем i-нулем функции u{x,y,0,t), U{XQ, УО, О, t) О при —со t оо. Далее считаем, что выполнено условие (Ф), сформулированное в теореме 5.10.2. Из следствий 5.8.1, 5.9.1, утверждения 5.10.1 и формулы (5.10.9) вытекает если Теорема 5.10.

374. Пусть известно натуральные число п" N иИ произвольная прямая на плоскости 2

375. Если функцияи{х,у,0,1) вида (5.8.6) имеет не менее f{n) t-нулей на прямой П {то есть, если поле u{x,y,0,t) вида (5.8.6) равно нулю при —со t оо ма множестве Хц), то и{х, y,0,t) 0 наИ и функция aj{t) О для каж:дой полуокруж:ности Oju. G Оп,ц- Если, при этом ПёПр, то u{x,y,z,t) О uaj{t) (Pj{t) О npuj 1,2,... ,N. Иначе говоря, функции u{x,y,0,t) на любой прямой П плоскости 2 0 либо имеет не более {/(тг)—1} t-нулей, либо тождественно равна нулю. Из теоремы 5.10.5 получаем следующие утвержденпя.

376. Некоторые неклассические постановки 220 Следствие 5.10.

377. Пусть мноокество функций {j{t)} удовлетворяет условию (Ф). Тогда не существует такой совокупности {П, N, /х, {Pj{t)}}, для которой поле и{х, у, О, t) вида (5.8.6) имело бы t-нули на множестве Х. То есть, приусловииФ функцияи{х,у,0,1) имеет, не более {/(п) 1} t-нулей на любой прямой П плоскости z

378. Пусть поле u{x,y,0,t) вида (5.8.6) имеет, не менее f{n) t-нулей на каждой из {С 1) произвольных различных прямых Hi плоскости z О, i 1,2,... ,С 1; тп. е. функция u{x,y,0,t) имеет t-нули на мноокестве Е, определенном в теореме 5.10.

379. Тогда Pj{t) О при j 1,2,..., iV и и{х, у, z, t)

381. Пусть выполнены условия следствие 5.10.

382. Тогда, если функция u{x,y,0,t) вида (5.8.6) имеет t-нули на множ:ествах Xni пП2> Vjl) О Р J 1,2,...,N uu(x,y,z,t) 0. 5.10.

383. Определение величин Xj.r.Ajii), или {f) по данным на Рп Пусть Рп {Рп} бесконечная последовательность точек плоскости 2 0, лежащих на одной прямой П, сходящаяся к некоторой конечной точке р. Будем говорить, что последовательность Рп имеет (относительно множества /i) свойство Л,, если на прямой, нормальной к П, проходящей через предельную точку р и лежащей в плоскости г О, нет ни одной из проекций точек множества /i на плоскость 2

384. Возьмем какую-либо пару найденных чисел Xj,rj. Очевидно, в полупространстве 2 0 геометрическим местом точек с координата\п1, удовлетворяющим равенствам X Xj, {(уо У? 2}/ TJ является полуокружность Оп, лежащая в плоскости х Xj, нормальной к пря\юй П, с центром на П и радиусом г_,-. Таким образом, по полю и(х,у, 0,i), заданному на последовательности точек Рп, мы определили все полуокружности Оп Сп.р, для которых А{]г) ф

385. Определим, теперь функции aii:) вида (5.10.3). Рассмотрим комплексную плоскость z х гг. Поскольку особая точка Zj Xj+irj, соответствующая точке Mj G р, не зависит от к, то по формуле Aj{k) ±\im{wjiz)U{z,y,k)}, z е D. (5.10.17) где знак плюс имеет место при Xj х, а лпшус при Xj х, определим функцию Aj{k) при —оо А со, а затем функцию a(i) при —со i оо: оо Aj{к)еdk, оо j 1,2,... ,Ni N. Если П 6 П/j, то Aj(k) j(k), aj{t) <Pj{t) и далее обратную задачу 5.10.1 решаем по схеме п. 5.10.4. 5.10.

386. Стационарная обратная задача Обратная задача 5.10.

387. Пусть неизвестны все величины, определяющие поле u{x,y,z,t) вида (5.8.10) или (5.8.11), числа N, v, kj, Aj, Oj и координаты точек Mj для всех j 1,2,...,N. Но на каком-либо одном из множеств Е\, Е, Ez, Е4, Е, Е, определенном в обратной задаче 5.10.1, задано поле и вида (5.8.10) или (5.8.11) либо

388. Следует только в формулах (5.10.14), (5.10.16), (5.10.17) заменить к на kj, Фj{k) на fj{t) Фje*, Aj{k) на Фо или на Ф(). Число kj определяем (в случае (б)) с помощью формулы гkjФj. ]щ dt г=о

389. Пусть все источники, т. е. точки Mj, лежат в плоскости 2 0 по одну сторону от некоторой прямой По. Тогда обратная задача 5.10.1 имеет единственное решение {N, Mj,Tnj{j 1,2,..., N)} в статическом случае и {N, Mj,ipj{t), tj{j 1,2,..., N)} в нестационарном случае, если в качестве множества Е взять множество, состоящее из /(2п) произвольных различных точек на произвольной прямой, параллельной По. Аналогичное утверждение справедливо и для стационарной задачи. З а м е ч а н и е 5.10.

390. Если в обратной задаче координаты точек Mj известны, то для определения величин Pj{t) или щ достаточно взять на некоторой прямой плоскости z О либо f{N) произвольных точек, либо N точек, построенньгх некоторым образом по множеству {Mj}. §5.

391. Найдена и систематически изучена бесконечная группа G точечных преобразований пространства пяти переменных t,x,y,u,u с алгеброй Ли инфинитезимальных операто392. Построено в явном виде групповое расслоение для широкого класса дифференциальных уравнений с произвольным переменным коэффициентом (параметром) 2.4, 3.1, 4.1-4.4), описанного в 2.5 и содержащего многие классические линейные и нелинейные уравнения математической физики и их обобщения.

393. Данные дифференциальные замены также порождаются групповым расслоением исходного дифференциального уравнения, записанным в формуле J[v},v] О, относительно группы О 2.4).

394. Получены уравнения, оценки и формулы, дающие некоторое новое описание двумерной (прямой и обратной) кинематической задачи сейсмики (геометрической оптики) и позволяющие сводить к ним эту задачу 4.1). При этом поставлен и исследован ряд не рассматриваемых ранее вопросов в классической прямой кинематической задаче для уравнения эйконала Ы!+М1 (3) п{х,у) и обнаружены новые математические факты и связи. В том числе получены следующие результаты. 7.

395. Построено групповое расслоение уравнения эйконала (3) относительно группы Ли G преобразований пространства [xytTjU) с операторами вида (1), где и т, и v?, t параметр точечного источника. Показана возможность трансформации уравнения (3) в квазилинейное волновое уравнение pvrr Vrt Wrp 2vrVp о, являющееся разрешающим уравнением группового расслоения. (4)

396. Выявлено скрытое наличие представления Лакса в прямой кинематической задаче (у разрешающего уравнения (системы) группового расслоения уравнения эйконала (3) в пространстве (а;,у, i, г, п)). 7.

397. Получены оценки и теоремы сравнения для геометрического расхождения лучей D{t, X, у), являющегося важной характеристикой в теории лучевого метода и прямой кинематическот! задачи, а также способ вычисления этой величины D в прямой задаче, основанный на решении задачи Коши для уравнения (5). 7.

398. Показано, что обратная кинематическая задача может быть сведена к прямой задаче либо для разрешающего уравнения (4), либо для других квазилинейных систем, содержащим уравнение (5). 7.

399. Получены интегральные формулы для определения некоторых функционалов от параметра п{х,у) или от функций т,п{х,у) в локальньЕХ обратных задачах как в исходных независимых переменных x,y,t, так и в (групповых) независимых переменных t,T,p. 7.

400. Получена замкнутая система нелинейных уравнений для функций х x{t,r,p), у y{t,T,p), описывающих лучи (геодезические), которая, в отличие от известных уравнений луча, не содержит характеристики среды п{х,у), неизвестной в обратных задачах. 7.

401. Получены замкнутые скалярные квазилинейные уравнения для величин п и (Д1п п)/п —К как функций новых независимых лучевых переменных t,T,p Tt (являющихся инвариантами группы G). 7.

402. Найдены (в прямой задаче) величины, инвариантные относительно положения точечного источника сигналов (т. е. не зависящие от переменной t): дивергенция d i v T и поток fjg{f dS) вектора fr{x,y,t) п{х,у) через произвольную гладкую фиксированную (на плоскости х, у) границу S. Показано, что divT А In п(а;, у) —v?{x,y)K{x,y). 7.10. В класспческой одномерной кинематической задаче получены следующие результа» ты.

403. Алексеев А. С Гельчинский Б Я Лучевой метод определения интенсивностей волн в неоднородных средах с криволинейными границами

404. Алексеев А. Некоторые обратные задачи теории распространения волн. I, II Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1962. 11.

405. Алексеев А. Обратные динамические задачи сейсмики Некоторые методы и алгоритмы интерпретации геофизических данных. М.: Наука, 1967. 9-84.

406. Алексеев А Некоторые математические модели и прикладные технологии динамической сейсмики (теория, алгоритмы, тенденции) Тр. Междунар. конф. "Математические методы в геофизике" (ММГ-2003). Новосибирск, 2003. Ч. 1. 3-10.

407. Алексеев А. С Добринский В И Некоторые вопросы практического использования обратных динамических задач сейсмики Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1975. Вып. 6, ч. 2. 7-53.

408. Алексеев А. С Добринский В И., Непрочнов Ю П., Семенов Г. А К вопросу о практическом рхспользовании теории обратных динамических задач сейсмики Докл. АН СССР. 1976. Т. 228, JY2 5. 1053-1056.

409. Алексеев А. С К а б а н и х и н И Обратные задачи и новые технологии в геофизике Тр. Междунар. конф. "Математические методы в геофизике" (ММГ-2003). Новосибрфск, 2003. Ч. 1. 11-20.

410. Алексеев А. С Л а в р е н т ь е в М М., Мухометов В Г., Р о м а н о в В Г Численный метод решения трехмерной обратной кинематической задачи сейсмики Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1969. Вып. 1. 179-201.

411. Алексеев А. С Л а в р е н т ь е в М М., Мухометов В Г. и д р Численный метод определения структуры верхней мантии Земли Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1971. Вып. 2. 143-165.

412. Алексеев А. С Меграбов А. Г. Обратные задачи для струны с условием наклонной производной на одном конце и обратные задачи рассеяния плоских волн на неоднородных слоях Докл. АН СССР. 1974. Т. 219, 2. 308-310. И Алексеев А. С Меграбов А. Г. Прямая и обратная задачи рассеяния плоских волн на неоднородных переходных слоях Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1972. Вып. 3. 8-36.

413. Алексеев А. С Меграбов А. Г. Определение траектории движения импульса в обратной задаче для волнового уравнения Журн. вычислит, математики и матем. физики. 1977. Т. 17, 6. 1508-1522. щ)

414. Алексеев А. С Цибульчик Г. М О связи обратных задач теории распространения волн с задачами визуализации волновых полей Докл. АН СССР. 1978. Т. 242, 5. 103Q-1033.

415. Алексеев А С Цибульчик Г, М Математические проблемы сейсморазведки Актуальные проблемы вычислительной математики и математического моделирования. Новосибирск: Наука, 1985. 91-108. 15. А н д р е е в В К., Б у б л и к В В., Б ы т е в В О. Симметрии неклассических моделей гидродинамики. Новосибирск: Наука, 2003. 350 с. 16. А н д р е е в В К., К а п ц о в О. В., П у х н а ч е в В В Родионов А. А Применение теоретико-групповых методов в гидродинамике. Новосибирск: Наука, 1994. 319 с.

416. Аниконов Ю Е. О разрешимости задачи интегральной геометрии Мат. сб. 1976. Вып. 101, 2. 271-279.

417. Аниконов Ю Е. О единственности решения обратных задач Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1969. Вып. 1. 26-40. W

418. Аниконов Ю Е. Об одной задаче определения римановой метрики Докл. АН СССР. 1972. Т. 204, 6. 1287-1288.

419. Аниконов Ю Е О квазимонотонных операторах Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1972. Вып. 3. 86-99.

420. Аниконов Ю Е. Некоторые методы исследования многомерных обратных задач для дифференциальных уравнений. Новосибирск: Наука, 1978. 118 с.

421. Аниконов Ю Е., Пестов Л. Н. Формулы в линейных и нелинейных задачах томографии. Новосибирск: НГУ, 1990. 64 с.

422. Антоненко О. Ф. Обращение одной разностной схемы для решения одномерной динамической задачи сейсмики Некоторые методы и алгоритмы интерпретации геофизических данных. М.: Наука, 1967. 92-98.

423. Ахатов И Ш., Газизов Р К., И б р а г и м о в Н X. Некоторые симметрии. Эвристический подход Современные проблемы математики. М.: ВИНИТИ, 1989. Т. 34. 3-83.

424. Бабенко К И. К теории уравнений смешанного типа УМН. 1953. Т. 8, 2. 160. v Щ" 26. Б а б и ч В М., Алексеев А. О лучевом методе вычисления интенсивности волновых фронтов Изв. АН СССР. Сер. геофиз. 1958. 1. 17-31.

425. Белип1ев М И. О нарушении условия разрешимости обратной задачи для неоднородной струны Функциональный анализ и его приложения. 1975. Т. 9, 4. 57-58. 31. Б е л и ш е в М И. Волновые базисы в многомерных обратных задачах Матем. сб. 1989. Т. 180, 5. 584-602.

426. Белип1ев М И., Благовещенский А. Динамические обратные задачи теории волн. СПб: Изд-во -Петербург, ун-та, 1999. 268 с.

427. Белоносова А. В Алексеев А. Об одной постановке обратной кинематической задачи сейсмики для двумерной непрерывно-неоднородной среды Некоторые методы и алгоритмы интерпретации геофизических данных. М., 1967. 137-154.

428. Белоносова А. В Алексеев А. С Цецохо В А. Математическая постановка обратной кинематической задачи сейсмики для ЗВ-неоднородной среды Труды ИВМиМГ. Сер. матем. моделирование в геофизике. 1998. Вып. 5. 3-9.

429. Белоносова А. В Т а д ж и м у х а м е д о в а С Алексеев А К расчету годографов и геометрического расхождения лучей в неоднородных средах Некоторые методы и алгоритмы интерпретации геофизических данных. М.: Наука, 1967. 124-136.

430. Белоносова А. В Цецохо В А Вычисление геометрического расхождения в декартовых координатах Математические методы интерпретации геофизических наблюдений. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1979. 5-11.

431. Березанский Ю М Об однозначности определения уравнения Шредингера по его спектральной функции Докл. АН СССР. 1953. Т. 93, 4. 591-594.

432. Бернштейн И. Н., Гервер М Л О задаче интегральной геометрии для семейства геодезических и об обратной кинематической задаче сейсмики Докл. АН СССР. 1978. Т. 243, 2. 302-305.

433. Бернштейн И. Н., Гервер М Л Условия различимости метрик по годографам Методы и алгоритмы интерпретации сейсмологических данных. М.: Наука, 1980. 50-73. (Вычисл. сейсмология; Вып. 13). w

434. Вере Л. Математические вопросы дозвуковой и околозвуковой газовой динамики. М.: Мир, 1961. 208 с. 45. Б и ц а д з е А. В. Об одной задаче Франкля Докл. АН СССР. 1956. Т. 109, 6.

435. Бицадзе А В. Уравнения смешанного типа. М.: Изд-во АН СССР, 1959.

436. Бицадзе А. В. Некоторые классы уравнений в частных производных. М.: Наука, 1981. 448 с.

437. Благовещенский А. Обратная задача для волнового уравнения с неизвестным источником Проблемы математической физики. Л.: ЛГУ, 1970. Вып. 4. 27-39. 49. Б л а г о в е щ е н с к и й А. О различных постановках одномерной обратной задачи для телеграфного уравнения. Л.: ЛГУ, 1970. Вып. 4. 40-41.

438. Благовещенский А. О локальном методе решения нестационарно!! обратной задачи для неоднородной струны Тр. Матем. ин-та им. В. Л. Стеклова. Л.: Наука. Ленингр. отд-ние, 1971. Т. 115. 28-38.

439. Благовеиденский А. Обратные задачи распространения упругих волн Изв. АН СССР. Физика Земли. 1978. 12. 50-59.

440. Благовещенский А С Б у з д и н А А. Распространение волн в струне с быстро колеблющимися параметрами Записки научных семинаров ЛОМИ. 1972. Т. 25, вып. 4. 15-51.

441. Благовещенский А. С Воеводский К Э. Обратная задача теории рассеяния от слоисто-неоднородного полупространства Дифференциальные зфавнения. 1981. Т. 17, 8. 1434-1445.

442. Бородаева Н. М К вопросу о численном решении одномерной динамической задачи в схеме разведки морских осадков Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1969. Вып. 1. 225-234.

443. Брайнес П., Суслов А. И Информационные процессы в аспекте биокибернетики Экспериментальная хирургия и анестезиология. 1964. J f 2. 13-18. Ne 56. Б у и X. Д Введение

444. Бухгейм А. Л., З е р к а л ь М., Конев В Т., Сабитова Г. Об одном классе обратных задач в дискретной постановке Обратные задачи математической физики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1985. 57-65. 63. Б у х г е й м А. Л., К л и б а н о в М В Единственность в целом одного класса многомерных обратных задач Докл. АН СССР. 1981. Т. 260, 2. 269-271.

445. Верещагина Л И Групповое расслоение уравнений пространственного нестационарного пограничного слоя Вест. ЛГУ. 1973. Вып. 3, 13. 82-86.

446. Врагов В Н. Краевые задачи для неклассических уравнений математической физики. Новосибирск: НГУ, 1983. 84 с.

447. Врагов В Н. О краевых задачах для уравнений смешанного типа на плоскости. Новосибирск: НГУ, 1985. 30 с.

448. Гейко В С, Об условиях единственности определения по годографу скорости распространения сейсмической волны вне волноводов Докл. АН СССР. 1980. Т. 253, jN» 1. 74-77.

449. Дубровин Б А., К р и ч е в е р И М., Новиков С П Интегрируемые системы. I. Современные проблемы математики. ВИНИТИ, 1985. Т. 4. 179-285.

450. Дубровин Б А Новиков П., Фоменко А. Т. Современная геометрия. М.: Наука, 1979. 759 с.

451. Еськов Е К. Успехи современной биологии. 1977. Т. 83, 3. 419. 93. Ж у р а в л е в А. И., Акопян В. Б Ультразвуковое свечение. М.: Наука, 1977. 94. З а й ц е в В Ф. Основные идеи и методы дискретно-группового анализа Современный групповой анализ. Баку, 1989. 93-98. 95. З а п р е е в А С Цецохо В, А. Обратная задача для уравнений Гельмгольца Препринт

452. Иванов В К. О некорректно поставленных задачах Мат. сб. 1963. Вьш. 61, 2. 211-223.

453. Лезнов А. Н., Савельев М В Групповые методы интегрирования нелинейных динамических систем. М.: Наука, 1985. 279 с.

454. Лионе Ж Л Некоторые методы решения нелинейных краевых задач. М.: Мир, 1972. 587 с.

455. Лэкс П Д. Инвариантные функционалы нелинейных эволюционных уравнений Нелинейные волны. М.: Мир, 1977. 297-316. 35. М а м о н т о в Е. В К теории нестационарных околозвуковых течений Докл. АН СССР. 1969. Т. 185, 3. 538-540.

456. Меграбов А. Г Об одном подходе к обратным задачам, основанном на групповом расслоении Обратные задачи и интерпретация геофизических наблюдений. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1983. 52-81. 158. М е г р а б о в А. Г, О некотором подходе к обратным задачам для дифференциальных уравнений Докл. АН СССР. 1984. Т. 275, 3. 583-586.

457. Меграбов А. Г Метод группового расслоения. Определение точных инвариантногрупповых решений Математические проблемы геофизики: численные исследования геофизических задач. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1988. 3-26.

458. Меграбов А. Г Метод группового расслоения. Кинематическая задача и некоторые уравнения с парой Лакса Математические проблемы геофизики: численные исследования геофизических задач. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1988. 27-68.

459. Меграбов А. Г. Об определении точных инвариантно-групповых решений с помощью метода группового расслоения Докл. АН СССР. 1989. Т. 308, 1. 84-87.

460. Меграбов А. Г. О некоторых применениях и свойствах группового расслоения Математические методы в механике: Тр. конф., приуроченной к 70-летию акад. Л. В. Овсянникова. Новосибирск, 1989. 29.

461. Меграбов А. Г Некоторые уравнения, формулы и групповые свойства в кинематической задаче сейсмики Обратные задачи геофизики: Тр. Междунар. семинара. Новосибирск, 1996. 130-133.

462. Меграбов А. Г Уравнения с парой Лакса, зфавнение Риккати и линейное уравнение в кинематической задаче сейсмики Труды ИВМиМГ СО РАН. Сер. мат. модел. в геофизике. 1998. Вып. 5. 26-51.

463. Меграбов А. Г. Некоторые уравнения и формулы в кинематической задаче сейсмики Труды ИВМиМГ СО РАН. Сер. мат. модел. в геофизике. 1998. Вып. 5. 52-60.

464. Меграбов А. Г, Групповое расслоение, уравнения с парой Лакса и кинематическая задача сейсмики Тезисы П1 Сибирского конгресса по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-98). Новосибирск, 1998. Ч. 1. 147.

465. Меграбов А. Г Групповое расслоение и представление Лакса Докл. РАН. 2003. Т. 390, 3. 325-329.

466. Меграбов А. Г О некоторых результатах группового подхода в кинематической задаче сейсмики (геометрической оптики) Докл. РАН. 2003. Т. 390, Ла 4. 457-461.

467. Мухометов Р Г О задаче интегральной геометрии Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1975. Вьш. б, ч. 2. 212-242.

468. Мухометов Р Г Обратная кинематическая задача сейсмики на плоскости Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1975. Вьш. 6, ч. 2. 243-252.

469. Мухометов Р Г. Задача восстановления дв}шерной римановой метрики и интегральная геометрия Докл. АН СССР. 1977. Т. 232, 1. 32-35.

470. Мухометов Р Г Об одной задаче восстановления римановой метрики Сиб. мат. журн. 1981. Вьш. 22, 3. 119-135.

471. Мухометов Р Г., Романов В Г. К задаче отыскания изотропной римановой метрики в п-мерном пространстве Докл. АН СССР. 1978. Т. 243, 1. 41-44. 181. Н а й м а р к М. А. Исследование спектра и разложение по собственным функциям несамосопряженного дифференциального оператора второго порядка на полуоси Тр. Моск. матем. об-ва. 1954. Т. 3. 181-270.

472. Никольский Э. В Отражение плоских упругих волн от произвольного неоднородного слоя в случае нормального падения ПМТФ. 1964. 4. 65-74.

473. Никольский Э. В Отражение плоских нестационарных волн от произвольного неоднородного полупространства. Акустический слзгчай ПМТФ. 1965. 3. 63-67. 184. Н е щ а д и м М. В Групповые свойства уравнения теплопроводности. Обратные и краевые задачи Дифференциальные уравнения. 2002. Т. 38, 3. 379-384.

474. Новиков П О единственности обратной задачи теории потенциала Докл. АН СССР. 1938. Т. 18. 165-168.

475. Овсянников Л В Об отыскании группы линейного дифференциального уравнения второго порядка Докл. АН СССР. 1959. Т. 125, 3. 439-442.

476. Овсянников Л В Групповое свойство уравнения нелинейной теплопроводности Докл. АН СССР. 1959. Т. 125, 3. 492-495.

477. Овсянников Л. В Групповое свойство уравнения Чаплыгина ПМТФ. 1960. 3. 126-145.

478. Овсянников Л. В Групповые свойства дифференциальных уравнений. Новосибирск: Изд-во СО АН СССР, 1962. 239 с.

479. Овсянников Л. В Лекции по теории групповых свойств дифференциальных уравнений. Новосибирск: Новосиб. ун-т, 1966.

480. Овсянников Л В Групповое расслоение уравнений пограничного слоя Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр. Новосибирск: Ин-т гидродинамики СО АН СССР, 1969. Вьш. 1. 24-35.

481. Овсянников Л. В Групповой анализ дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1978. 399 с.

482. Овсянников Л. В Лекции по основам газовой динамики. М.: Наука, 1981. 368 с.

483. Овсянников Л. В- Программа ПОДМОДЕЛИ. Газовая динамика Прикл. математика и механика. 1994. Т. 58, вып. 4. 30-55.

484. Овсянников Л. В Некоторые итоги программы "Подмодели" для уравнений газовой динамики Прикл. математика и механика. 1999. Т. 63, вып. 3. 362-372.

485. Овсянников Л. В И б р а г и м о в Н X. Групповой анализ дифференциальных уравнений механики Итоги науки и техники. Сер. общая механика. М.: ВИНИТИ, 1975. Т. 2. 5-52.

486. Олвер П Приложения групп Ли к дифференциальным уравнениям. М.: Мир, 1989. 637 с.

487. Парийский Б Обратная задача для волнового уравнения с воздействием на глубине Некоторые прямые и обратные задачи сейсмологии. М.: Наука, 1968. 139-169. (Вычисл. сейсмология; Вып. 4).

488. Пестов Л Н. Вопросы корректности задач лучевой томографии. Новосибирск: Сиб. науч. изд-во, 2003. 110 с.

489. Погорелов А. В Дифференциальная геометрия. М.: Наука, 1969. 201. П о л я н и н А. Д., З а й ц е в В Ф. Справочник по нелинейным уравнениям математической физики. Точные решения. М.: Физматлит, 2002. 432 с.

490. Попов М М. Об одном методе вычисления геометрического расхождения в неоднородной среде, содержащей границы

491. Прилепко А. И Обратные задачи теории потенциала Мат. заметки. 1973. Т. 14, 5. 755-765.

492. Проссер Л,, Б р а у н Ф. Сравнительная физиология животных. М.: Мир, 1967.

493. Пухначев В. В Инвариантные решения уравнений Навье Стокса, описывающие движения со свободной границей Докл. АН СССР. 1972. Т. 202, 2. 302-305. 206. Р а п о п о р т И. М Об устойчивости в обратной задаче потенциала Докл. АН СССР. 1941. Т. 31, 4. 207. Р е м е з Е, Я Основы численных методов чебьпиевского приближения. Киев: Наук, думка, 1969.

494. Рождественский Б Л., Яненко Н. Н. Системы квазилинейных уравнений. М.: Наука, 1978. 687 с.

495. Романов В. Г. Задача об определении одномерной скорости распространения сигналов в полупространстве по режиму колебаний одной из точек этого полупространства Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1972. Вып. 3. 164-186. 211. Р о м а н о в В Г, Некоторые обратные задачи для уравнений гиперболического типа. Новосибирск: Наука, 1972. 164 с.

496. Романов В Г. Обратные задачи для дифференциальных уравнений. Новосибирск: Новосиб. ун-т, 1973. 252 с.

497. Романов В. Г. Об одном классе единственности решения обратной кинематической задачи Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1973. Вып. 4. 147-164.

498. Романов В Г. Об однозначности определения изотропной римановой метрики внутри области через расстояния между точками границы Докл. АН СССР. 1974. Т 218, 2. 295-297.

499. Романов В, Г. Об однозначности решения обратной кинематической задачи в круге в классе скоростей, близких к постоянным Математические проблемы геофизики. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1974. Вып. 5, ч. 2. 108-143.

500. Романов В Г. Обратные задачи для дифференциальных уравнений. Обратная кинематическая задача сейсмики. Новосибирск: Новосиб. ун-т, 1978. 88 с.

501. Романов В Г. Интегральная геометрия на геодезических изотропной римановой метрики Докл. АН СССР. 1978. Т. 241, 2. 290-293.

502. Романов В Г. Обратные задачи математической физики. М.: Наука, 1984. 263 с.

503. Романов В Г. О локальной разрешимости обратных задач для гиперболических уравнений в классе аналитических по части переменных Докл. АН СССР. 1989. Т. 304, 4. 807-811.

504. Романов В. Г. Вопросы корректности задачи определения скорости звука Сиб. мат. журн. 1989. Т. 30, 4. 125-134.

505. Романов В Г. Об оценке устойчивости решения обратной задачи для гиперболического уравнения Сиб. мат. журн. 1998. Т. 39, 2.

506. Романов М. Е., Алексеев А. Численное решение обратной кинематической задачи сейсмики для горизонтально-неоднородных сред Неклассические методы в геофизике. Новосибирск, 1977. 125-137.

507. Сансоне Д ж Обыкновенные дифференциальные уравнения М.: ИЛ, 1953, Т. 1, 346 с; 1954, Т. 2, 415 с.

508. Сидоров А. Ф., Ш а п е е в В П., Яненко Н Н Метод дифференциальных связей и его приложения в газовой динамике. Новосибирск: Наука, 1984. 272 с.

509. Симметрия и дифференциальные уравнения: Тр. Междунар. конф. Красноярск: Ин-т вычислительного моделирования СО РАН, 2002. 270 с.

510. Смирнов В. И., Соболев Л Новый метод решения плоской задачи упругих колебаний Тр. СИАН. 1932. Вып. 20. 1-37.

511. Смирнов В. И. Курс высшей математики. М.: Наука, 1981. Т. 4, ч. 2. 550 с.

512. Смирнов М. М Уравнения смешанного типа. М.: Наука, 1970. 295 с.

513. Соболев Л, Функционально-инвариантные решения волнового уравнения Тр. Мат. ин-та им. В. А. Стеклова. 1934. Т. 5. 259-264.

514. Терехов А. Н Нелокальные краевые задачи для уравнений переменного типа Неклассические уравнения математической физики. Новосибирск: ИМ СО АН СССР, 1985. 148-158. 239. Т и т ч м а р ш Е. К Введение

515. Тихонов А. Н,, Самарский А. А. Уравнения математической физики. 3-е изд. М.: Наука, 1966. 724 с. 241. У и з е м Д>к. Линейные и нелинейные волны. М.: Мир, 1977. 622 с. 242. У и т т е к е р Е. Т Аналитическая диналшка. М.; Д.: ОНТИ, 1937. 243. Ф а д д е е в Л Д Обратная задача квантовой теории рассеяния УМН. 1959. Т. 19, вып. 4. 57-119.

516. Цецохо В А., Белоносов А. Полярное и азимутальное геометрические расхождения в двумерных средах с блоково-постоянным градиентом Препринт

517. Новосибирск: ВЦ СО АН СССР, 1990. 38 с. 251. Ч е б о т а р е в Н. Г Теория групп Ди. М.; Д.: ГИТТЛ, 1940. 396 с. 252. Ч е к у р о в Ю И Дифференциальные инварианты некоторых расширений группы Галилея Дина\шка сплошной среды: Сб. на-ч. тр. Новосибирск: Ин-т гидродинамики, 1985. Вып. 69. 123-149.

518. Черевко А. А. Оптимальная система подалгебр для алгебры Ли операторов, допускаемых системой уравнений газовой динамики с уравнением состояния р f{S)p Препринт 4-

519. Новосибирск: Ин-т гидродинамики, 1996. 39 с.

520. Чибисов В. К вопросу о сейсмическом методе и его применении в геологической разведке Вест. ВИЛ РККА. 1934. 5.

521. Чиркунов Ю. А. Групповое свойство уравнений Ламе Динамика сплошной среды: Сб. науч. тр. Новосибирск: Ин-т гидродинамики, 1973. Вып. 14. 138-140.

522. Чудов Л А. Обратная задача Штурма Лиувилля Матем. сб. 1949. Т. 25, 3. 451-456.

523. Чумакова Р. И., Гительзон И. И. Светящиеся бактерии. М.: Наука, 1975.

524. Чупахин А. П. О барохронных движениях газа Докл. РАН. 1997. Т. 352, 5. 624-626.

525. Шадан К., Сабатье П. Обратные задачи в квантовой теории рассеяния. М.: Мир, 1980. 408 с.

526. Шилов Г. Е, Математический анализ. М.: Наука, 1970. Ч. 3. 352 с.

527. Шокин Ю И, Численные методы газовой динамики. Инвариантные разностные схемы. Новосибирск: НГУ, 1977. 83 с.

528. Эйзенхарт Л. П. Непрерывные группы преобразований. М.: ГИИЛ, 1947. 359 с.

529. Яненко Н. Н., Шокин Ю И. О групповой классификации разностных схем для системы уравнений газовой динамики Тр. МИ АН СССР. 1973. Вьш. 122. 85-96.

530. Alekseev А. S., Belonosov V. S. Direct and inverse problems of wave propagation through a one-dimensional inhomogeneous medium Europ. J. Appl. Math. 1999. V. 10. P. 79-96.

531. Alekseev A. S., Belonosova A. V., Belonosov A. S., Tsetsokho V. A. Some algorithms to solve 3D inverse kinematic problems of seismics J. Inv. Ill-Posed Problems. 2004. V. 12, N 3.

532. Ambarzumjan W Uber eine Frage der Eingenwertheorie Zeischr. fur Physik. 1929. Bd 53. S. 690-695.

533. Anikonov Ju. E. Multidimensional inverse and ill-posed problems for differential equations. Utrecht: VSP, 1995.

534. Bleistein N., Cohen J. K. J. Math. Phys. 1977. V. 18, N 2. P. 194.

535. Bluman G. W., Kumei S. On invariance properties of the wave equations J. Math. Phys. 1987. V. 28, N 2. P. 307.

536. Borg G. Eine Umkehrung det Sturm Lionvillshen Eigenwertaufgabe, Bestimmung der Differentiallichung durch die Eigenwerte Acta Math. 1945. Bd 78, N 2. S. 1-96.

537. Bukhgeim A. L. Volterra equations and inverse problems. Utrecht: VNU Sci. Press, 1999.

538. Bukhgeim A. L. Introduction to the theory of inverse problems. Utrecht: VNU Sci. Press, 2000.

539. Cherednichenko V. G. Inverse logarithmic potential problem. Utrecht: VSP, 1996.

540. Chupakhin A. P. Differential invariants: theorems of commutativity Nonlinear. Sci. Numer. Simul. 2004. V. 9, N 3. P. 25-

541. Fushchych W. I., Yegorchenko I. A. Second order differential invariants of the rotation group 0{n) and its extensions: E{n), P{l,n), G{l,n) Acta Appl. Math. 1992. V. 28. P. 69-92.

542. Golovin S. V Basis of differential invariants for certain Lie groups and its appUcations NonHnear acoustics at the beginning of the 21st century. M.: Moscow State Univ., 2002. Vol. 1. P. 539-542.

543. Golovin S. V Applications of the differential invariants of infinite dimensional groups in hydrodynamics Comm. Nonlinear Sci. Numer. Simul. 2004. V. 9, N 1. P. 35-51.

544. Herglotz G. Uber die Elastizitat der Erde bei Borucksichtigung inter Variablen Dichte Zeit schr. fur Math, und Phys. 1905. Bd 52, N 3. S. 275-299.

546. Symmetries, exact solutions and conservation laws. Boca Raton: CRC Press, 1994. 429 p. ЩЩ

547. Ibragimov N H (editor). CRC handbook of Lie group analysis to differential equations. Vol.

548. Applications in engineering and physical sciences. Boca Raton: CRC Press, 1995. 546 p.

550. Langer R E. On the asymptotic solutions of ordinary differential equations, with an application to the Bessel functions of large order Trans. Amer. Math. Soc. 1931. V. 32, N 1. P. 23-64. 289. Lax P. D Integrals of nonlinear equations of evolution and solitary waves Comm. Pure Appl. Math. 1968. V. 21. P. 467-

551. Dordrecht; Boston; L.: Kluwer Acad. Publ., 1993. 393 p. 296. M o d e r n group analysis VII. Developments in theory, computation and application. Proc. Intern, conf. Sophys Lie Conference Center, Nordfjordeid, Norway, June 30 July 5,1

552. Frondheim: Mars Publ. Symmetry Foundation, 1999. 344 p. 297. M o d e r n group analysis for the new millennium. Proc. Intern, conf. Ufa, Russia, Sept. 27 Oct. 3, 2000. Ufa: Ufa State Aviation Tech. Univ., 2001. 163 p.

553. Morawetz С S. A uniqueness theorem for the Frankl problem Comm. Pure. Appl. Math. 1954. V. 7, N 4. P. 697-703.

554. Nonlinear acoustics at the beginning of the 21st century. M.: Moscow State Univ., 2002. Vol. 1.

555. Giver P J Equivalence, invariants and symmetry. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1995.

556. Ovsiannikov L. V The group analysis algorithms Modern group analysis: Advanced analytical and computational methods in mathematical physics. Cluwer Acad. Publ., 1993. P. 277-289.

558. Kyiv: Institute of Mathematics, National Acad. Sci. Ukraine, 2000. 263 p. Pt 1; 551 p. Pt. 2.

559. Tresse A Sur les invariants differentiels des droupes continus de transformations Acta Math. 1894. V. 18. P. 1-88.

560. Vessiot E Sur Iintegration des systems differentiels qui admettent des groupes continus de transformations Acta Math. 1904. V. 28. P. 307-349.

562. Xiaoping Xu. Differential invariants of classical groups Duke Math. J. 1998. V. 94, N 3. P. 543-572.

563. Yegorchenko I. A Differential invariant for a nonlinear representation of the Poincare algebra. Invariant equations Proc. Intern, conf. symmetry in nonlinear math. phys. Kyiv, 1997. R 200-205.