Развитие теории положительных решений квазилинейных эллиптических уравнений в RN и ее применения к моделям уединенных волн тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.02 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. Ломоносова

ФАКУЛЬТЕТ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И КИБЕРНЕТИКИ

Шеина Елена Анатольевна

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ РЕШЕНИЙ КВАЗИЛИНЕЙНЫХ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ В М* И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ К МОДЕЛЯМ УЕДИНЕННЫХ ВОЛН

Специальность 01.01.02 - дифференциальные уравнения, динамические системы и оптимальное управление

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2010

004610951

Работа выполнена на кафедре автоматизации научных исследований

факультета вычислительной математики и кибернетики Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Защита состоится 27 октября 2010 г. в 15 час. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 501.001.43 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет ВМиК, ауд. 685.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета вычислительной математики и кибернетики.

Научный руководитель кандидат физико-математических наук,

доцент Смирнов Александр Павлович

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор Амосов Андрей Авенирович

доктор физико-математических наук, доцент Потапов Михаил Михайлович

Ведущая организация

Институт прикладной математики имени МВ. Келдыша РАН

2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета у

профессор ЭъЛл^р Е.В. Захаров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Последнее время в различных областях физики ведется активное изучение нелинейных волновых процессов. Выявлен ряд нелинейных уравнений, имеющих частное решение в виде уединенной бегущей волны. Под уединенным или локализованным решением понимается классическое решение, стремящееся к нулю на бесконечности.

В 1964 г. N. 7аЬшку, М. Кгивка! ввели понятие солитона -локализованной нелинейной волны, асимптотически восстанавливающей свою форму и скорость при взаимодействии с произвольным локальным возмущением. Это свойство может использоваться для передачи данных на большие расстояния без помех.

В связи с изучением солитонных решений возникает задача о поиске физических моделей, для которых описывающие их уравнения допускают существование решения такого типа. В ряде случаев профиль волны может быть решением квазилинейного эллиптического уравнения, убывающим до нуля на бесконечности. Для простейших уравнений с однородной нелинейностью и постоянными коэффициентами такое решение может быть выписано явно. Например, Буссинеском была получена форма положительного и экспоненциально убывающего на бесконечности одномерного солитона как частного решения уравнения Кортевега - де Фриза, описывающего распространение волн на мелкой воде. В более сложных случаях, в том числе многомерных, утверждение о существовании нетривиального уединенного решения требует математического обоснования.

Необходимо выяснить условия, при которых существует нетривиальное решение уравнения

-Аи + Ь(х)и = /(х,и),хеКг1, (0.1)

такое, что

и -» 0, (0.2)

Здесь нелинейность / удовлетворяет условию /(*,0) = 0, и задача (0.1),

(0.2) имеет по крайней мере тривиальное решение. Поэтому многие из известных методов, гарантирующих существование решения, такие как вариации метода сжимающих отображений, для данной ситуации неприменимы. Для поиска нетривиального решения используются два основных вариационных подхода - метод условного экстремума и метод перевала (Mountain Pass Theorem), предложенный A. Ambrosetti и P. Rabinowitz1 в 1973 г.

Вопрос нетривиальной разрешимости задачи Дирихле для уравнения (0.1) в ограниченной области изучен к настоящему времени достаточно хорошо для нелинейных функций / из определенного класса, что отражено в основополагающей статье С.И. Похожаева2 1965 г. и современных монографиях. Однако многие из разработанных методов не переносятся на случай всего пространства R". Это связано, в частности, с тем, что оператор вложения Соболева wia(Rl')c L'OH"), 2iq<q', не является компактным. Здесь q - критический показатель Соболева: q' = 2N!(N-2) при N>2, q'= ю при Nü2. Действительно, рассмотрим последовательность {ип}*, : и„(x) = uQ(x+en), где xeR", еей", и0 Она не имеет подпоследовательности,

сходящейся к нулю в ¿'(R"), хотя «„ 0 слабо в PFU(RW), и u,->0 в W'a(BR) для любого R> 0.

Приемы, применяемые для преодоления отмеченной трудности, накладывают определенные ограничения на функции Ъ и /. Это, например, оценка 0i Дх,и)¿а(х)и\и\ч'г, м£0, с функцией а, стремящейся к нулю при |лг| —> оо либо принадлежащей классу Z'(R"), у = q'!(q*-q)3. P.L. Lions4 в 1984 г. разработал метод концентрированной компактности. Он основан на сравнении исходной задачи в R" с так называемой "задачей на бесконечности", что

1 Ambrosetti M., Rabinowitz Р.Н. J. Funct. Anal. 1973. V. 14. P. 349-381.

2 Похожаев С.И. Доклады АН СССР. 1965. Т. 165. Xsl. С. 36-39.

3 Drabek P., Pohozaev S.I. Proc. Roy. Soc. Edinburg. 1997. V. 127A. P. 703-726.

4 Lions P.L. Ann. Inst. Poincare. 1984. V.l. Part 1, P. 109-145; Part 2, P. 223-283.

требует существования равномерных пределов функций Ъ и / при |х| ».

Указанные условия являются завышенными для ряда задач, таких как задача о вихре в поле зонального потока, где имеется анизотропия. Это приводит к необходимости разработки новых методов исследования вопроса нетривиальной разрешимости соответствующего квазилинейного уравнения.

Среди квазилинейных эллиптических уравнений существуют не имеющие нетривиального уединенного решения при наличии тривиального. Такое решение не существует, например, если в (0.1) коэффициент Ъ является монотонной функцией одной переменной. При этом для любой ограниченной области задача Дирихле для данного уравнения нетривиально разрешима, но при увеличении размера области последовательность решений расходится. Поэтому задачу в R" в общем случае нельзя заменить на задачу в сколь угодно большой ограниченной области. При этом важную роль в вопросе существования решения задачи играет поведение коэффициентов уравнения.

Уравнение Эмдена-Фаулера (Emden-Fowler)5

-Аи=\и |'~2 и (0.3)

при N £ 3 показывает пример отличия задач в ограниченной и неограниченной областях. Это уравнение при 2<q<q' имеет положительное и счетное множество знакопеременных решений задачи Дирихле. При qtq' для «звездных» областей нетривиальное решение не существует, что следует из известного тождества Похожаева. Уравнение (0.3) в 1* с условием (0.2) при 2<q<q' имеет знакопеременное решение при отсутствии положительного. При q>q' имеется континуальное множество медленно сходящихся к нулю при |х|-»=о положительных решений.

Таким образом, чтобы определить условия существования уединенных бегущих волн в различных средах, необходимо исследовать вопрос разрешимости квазилинейного эллиптического уравнения в ограниченной

5 Veron L. Singularities of solutions of second order quasilinear équations. Pitman Research Notes. V. 353. Longman, Harlow, 1996.

области и пространстве R* и свойства его решений, такие как гладкость, положительность, скорость убывания к нулю на бесконечности.

Одной из возникающих в связи с этим задач является проблема существования локализованного решения уравнения с параметром, находящимся в окрестности минимального собственного значения линейной задачи. Начиная с работы S. Alamo, G. Tarantello6 при значении параметра в сверхкритической области - рассматривается случай знакопеременного Ъ, не включающий простейший случай постоянных коэффициентов. В данной работе задача решается при более слабых ограничениях. Это стало возможным благодаря использованию нового вариационного подхода, состоящего в модификации метода перевала.

Цель работы. Первая часть диссертационной работы посвящена разработке методов доказательства существования нетривиальных решений квазилинейных эллиптических уравнений в ограниченной области, удовлетворяющих условию Дирихле, и в пространстве R", стремящихся к нулю на бесконечности, при наличии нелинейности нескольких видов. Рассматриваются задачи с параметром в окрестности первого собственного значения, а также при наличии анизотропной зависимости от переменных.

Целью второй части работы является применение полученных результатов к задаче о существовании уединенных бегущих волн в рамках ряда физических моделей, а также численному изучению свойств полученных решений.

Методы исследования. В работе для исследования вопроса существования нетривиальных решений квазилинейных эллиптических уравнений при наличии тривиального используется вариационный подход в форме метода условного экстремума и модификации метода перевала. При доказательстве существования решений в пространстве R1 применяется метод барьера. Идеи метода концентрированной компактности используются при решении задачи в пространстве R". Свойства найденных уединенных бегущих волн исследуются с помощью численного моделирования.

6Alama S., Tarantello G. J. Funct. Anal. 1973. V. 14. Р. 349-381.

Научная новизна. В работе представлены следующие новые результаты. Доказаны теоремы о существовании нетривиального решения квазилинейного эллиптического уравнения с параметром: в ограниченной области с условием Дирихле и уединенного в пространстве К", в доказательстве которых используется специальная модификация вариационного метода перевала; о существовании положительных собственных функций и положительного решения квазилинейного эллиптического уравнения с анизотропными коэффициентами и нелинейностью достаточно общего вида, удовлетворяющей определенным ограничениям, в К".

Рассмотрен ряд физических моделей, в рамках которых с использованием указанных теорем впервые найдены и численно исследованы уединенные бегущие волны. Изучен вопрос о существовании в сферических ферромагнетиках нерадиальных доменных стенок как уединенных стационарных решений уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта.

Теоретическая и практическая значимость. Диссертационная работа носит теоретический характер. Полученные результаты и разработанные в диссертации новые методы доказательства могут быть использованы при изучении вопроса существования нетривиальных решений квазилинейных эллиптических уравнений с нелинейностью различных видов в неограниченных областях. С помощью найденных достаточных условий нетривиальной разрешимости указанных уравнений в рамках широкого ряда физических моделей могут быть найдены уединенные бегущие волны, играющие важную роль в переносе вещества и энергии в жидкости, атмосфере планет и плазме.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались на следующих конференциях и научно-исследовательских семинарах:

- конференция по физике плазмы (Берлин, Германия, 1991),

- конференция по математическому моделированию (Дубна, 2002),

- симпозиум по микромагнитному моделированию (Саламанка, Испания, 2002),

- конференция по микромагнетизму МММ (Бостон, США, 2004),

- конференция, посвященная 100-летию C.JJ. Соболева (Новосибирск, 2008),

- семинар кафедры высшей математики Московского энергетического института (рук. д.ф.м.н., чл.-корр. РАН СМ. Похожаев, 1989),

- семинар кафедры математической физики факультета ВМиК Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (рук. д.ф.м.нпроф. Ф.П. Васильев, 1990),

- семинар кафедры общей математики факультета ВМиК Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (рук. академик РАН, проф. Е.И. Моисеев, 1991),

- семинар кафедры математического моделирования Московского энергетического института (рук. д.ф.м.н., проф. Ю.А. Дубинский, 2010),

- семинар кафедры автоматизации научных исследований факультета ВМиК Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (рук. чл.-корр. РАН, проф. Д.П. Костомаров, 2010).

Публикации автора. Основные результаты диссертации изложены в работах [1-16]. Из них [1-8] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, приложения, содержащего 18 рисунков, и списка литературы, включающего 102 наименования. Текст изложен на 134 страницах.

Содержание работы.

Введение посвящено описанию проблемы, относящейся к теме диссертации. В нем обосновывается актуальность задачи, дается обзор работ по методам решения квазилинейных эллиптических уравнений, приводится

краткое содержание диссертации.

В первой главе проводится изучение вопроса существования нетривиальных решений квазилинейных эллиптических уравнений различных видов. В разделе 1.1 рассматривается вопрос существования нетривиального решения задачи

-¿м-Щх)и = а(х)\и\"-г и, хеП, (1.1.1)

и = О, хедП. (1.1.1')

Здесь 2<д<д', область ПеМ." ограничена. Параметр X лежит в

некоторой окрестности первого собственного значения линейной задачи

-Ли = ЛЬ{х)и, хеД (1.1.2)

где Ь - положительная или знакопеременная функция.

Пусть функции а,Ье£°(П) почти всюду в й удовлетворяют следующим условиям:

ъ{х) = ь*{х)+ъ-{х), ь+(х)*о, ь+(х)фо, гг(*)<:о, (в)

а(х)> 0. (А)

Доказаны следующие теоремы.

Теорема 1.1.1. Пусть 2<д<д и выполнены условия (А), (В). Тогда задача (1.1.1), (1.1.Г) при 0 < Я< Л, имеет положительное решение.

Теорема 1.1.2. При Я Х[ имеет место сходимость и10

Теорема 1.1.3. Пусть выполнены условия теоремы 1.1.1. Тогда задача (1.1.1), (1-1.1') при Л1£Я<Лг имеет нетривиальное решение.

Доказательства основаны на специальной модификации метода перевала, дающей возможность избежать использовавшихся в предыдущих работах завышенных требований на знакопеременность коэффициента а.

В этой постановке имеется параметр Я, который находится в окрестности минимального собственного значения. При значении параметра, большем собственного' значения Х1, линейный оператор не является положительно определенным, что влечет трудности при использовании известных подходов.

В докритической области (при Я решение можно искать как

функцию, на которой достигается т£{Ял(н),и :А(и) = 1} для функционалов

А(и) = \и\чск, Нх(и) = М12 -Лр(х)и2Ос. п п

В сверхкритической области (при ¿¿А,) такой условный минимум отсутствует,

так как за счет наличия собственных функций функционал Нх неограничен

снизу. В этой ситуации предлагается расширить постановку задачи и искать

критическую точку при наличии ограничения, связанного с функционалом А.

Решение оказывается условно-седловой точкой. По одному из направлений, касательных к линии уровня функционала А и связанному с собственной функцией, оно реализует локальный максимум, а по ортогональному к нему направлению - локальный минимум. Для доказательства существования нетривиального решения используется специальная модификация метода перевала с условием. Обычно указывается сферический барьер между тривиальной, функцией и некоторой функцией с достаточно большой нормой. Если значение параметра Я больше первого собственного значения, применению стандартного подхода препятствует наличие собственной функции. В диссертации в качестве барьера предлагается использовать пересечение линии уровня функционала А с пространством, являющимся ортогональным дополнением к первой собственной функции.

В разделе 1.2 результаты раздела 1.1 обобщаются на случай П = при условии (0.2). Случай неограниченной области является значительно более трудным, поэтому в ситуации, когда параметр Я лежит в сверхкритической области пришлось ограничиться уравнением с симметрией.

Пусть а,ЬеЬ* (№."), Ь(х)*Ь+Ь(х), Ъ+(х) = тах.(Ь(х),0) почти всюду в М" удовлетворяют условиям

а(*)>0 (А,)

Ь< 0, Ь (х) > 0, (5,)

ь+шо. (Я2)

Чтобы использовать метод концентрированной компактности Лионса в форме

сравнения с «задачей на бесконечности», вводятся условия, определяющие поведение коэффициентов при | х оо. Пусть

О = 1ш Ъ(х) = М Ь(х), (5в)

«к*

и существует число а'¿.О такое, что

а= Шпа(*) = М а(х). (д,)

МИ" лсК

Теорема 1.2.1. Пусть N¿3, 2<д<ц и выполнены условия (А,), (3,),(В2), (Л„)>(Д,)- Тогда задача дляуравнения (1.1.1) с П = К" и условием (0.2) при 0 <Л<Л1 имеет положительное решение из И,и(КЛ').

Теорема 1.2.2. Пусть выполнены условия теоремы 1.2.1, коэффициенты а и Ь уравнения (1.2.1) являются радиальными или четными функциями. Тогда задача (1.1.1), (0.2) с Ле^,^) имеет нетривиальное решение из

Показано, что полученные решения является классическими.

В разделе 1.3 изучается вопрос существования нетривиальных решений (и, а) е(Жи(К")Д) уравнения

-Ди + й(х)и = <*/(*, и), (1.3.1)

с /(*,0) з о, и его частного случая

-Дм + Ъ{х)и = аа(х)\и\,'2и (1.3.1')

в области П=К" с условием (0.2).

В качестве примера рассматривается уравнение с анизотропными коэффициентами а(х) = а(х1), Ь(х)=^Ь(х1).

Доказательство использует вариационный метод условного экстремума. Проблема, связанная с отсутствием компактности вложения Соболева в случае неограниченной области, решается построением компактной минимизирующей последовательности последовательным по каждой из переменных применением процедур срезки, сдвига аргумента и нормировки.

Пусть / = /(ж,/) - локально гельдерова функция и при t £ 0 удовлетворяет требованиям:

О </(*,/) Sa(i + i'-'),x el"; (F,)

0 <,F(x,t)i9f(x,t)t (F2) для всех х е R* с некоторой постоянной 0 < в < 1/2,

f(x,t)/t - возрастает по при всех xeR". (F3)

Здесь F(x,t)=jf(x,T)dT. В частном случае функции /(x,/) = a(x)j/j,_i< о

условия (F,) - (F3) вьшолнены, если функция а е¿"(R*) такая, что почти всюду на R"

öäa(x)£0. (А)

Пусть функция Ъ б L°(RK) удовлетворяет следующим условиям:

Ь(х)*Ъ>0. (В)

Обозначим I = {/ е N: 1 й i s N}. Пусть I можно представить в виде суммы множеств I0,1,, 12 таких, что

¿(х)-»+а> при fjc,j —> +оо, /el,, а(х)-> 0 при |х(|-»-н», iel2, для каждой из переменных i е 10 существуют равномерные пределы

bi(*i.*w.*i+i.*w)=,,1S0 *W=sup b(x) < +со, (s„)

l*i Г»® 1,68

/,(*!,»„.Хм,*,,t) =|lim /(x,i) = inf/(x,i) <+®. (FJ

Для f(x,t)sä(x)\i\,'2t условие (F^) выполнено, если существует предел

а ,(х,, х,.ч, х1+1, xiV) = lim а(х) = mf в(х) < + ю. (Аа)

Теорема 1.3.1. Пусть 2 <q<q' и выполнены условия (FJ - (f), (Fj, (В), (Bj. Тогда существует ае R, при котором уравнение (1.3.1) имеет положительное решение, удовлетворяющее условию (0.2).

В разделе 1.4 рассмотрен вопрос существования нетривиальных решений уравнения

-Ди + Ь(х)и = /(х,и), (1.4.1)

с Дх,0) = 0, и его частного случая с однородной нелинейностью:

- Ди + Ь(х)и = а{х)\и\ч и, в области с условием (0.2).

Пусть функция / для всех х удовлетворяет требованиям:

|«-2

(1.4.1')

/(*,') = o(t),t-*0; f(x,t)/t->co, /-»+00.

(Ю

(Fs)

Теорема 1.4.1. Пусть выполнены условия теоремы 1.3.1 и условия (FJ, (Fs). Тогда задача (1.4.1), (0.2) имеет положительное решение.

В доказательстве, основанном на вариационном методе перевала (Mountain Pass Theorem), при построении компактной последовательности Пале-Смэйла последовательно по каждой из переменных применяются процедуры срезки, сдвига аргумента и нормировки.

Эта теорема является основой для решения задачи о поиске двумерной уединенной бегущей волны в поле одномерного решения (зонального потока), рассмотренной в главе 3.

Результаты первой главы опубликованы в работах [1,2,6,7,13].

Во второй главе диссертации изучаются свойства уравнения, описывающего динамику уединенных волн в атмосфере быстровращающихся планет. Рассматривается задача для уравнения, полученного В.И. Петвиашвили7:

х 6 К2, г е [0, ю), г}> 0, а > 0, J(u, = и^ мг^ иХг. Оно имеет частное решение у/,х2) в виде вихря, бегущего со скоростью V вдоль оси Ох,, профиль и которого является решением двумерного квазилинейного уравнения типа (1.4. Г). В разделе 2.1 получено аналогичное уравнение с учетом неоднородности параметра Кориолиса.

В разделе 2 главы 2 исследуются численные методы решения уравнений (1.4.1) и (1.4.Г) в К".

7 Петвиашвили В.И. Письма в ЖЭТФ. 1980. Т.32. №11. С. 632-635.

8t 8х,

(2.1)

В разделе 2.3 с помощью численного моделирования показывается, что указанное уединенное решение является солитоном согласно определению Забуски-Крускала, то есть демонстрирует сохранение формы и скорости после столкновения с другим вихрем.

В разделе 2.4 изучается уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта8, описывающее динамику намагниченности ферромагнетиков. На его стационарных решениях достигается минимум энергии Гиббса среди векторных функций постоянной длины. С помощью численного моделирования с различными начальными распределениями решалась задача о поиске уединенных решений, называемых доменными стенками, не обладающих аксиальной симметрией. Такие решения были найдены в анизотропной сфере. Для изотропного случая показано, что множества аксиально-симметричных функций достаточно для решения задачи условного минимума, и не существует нерадиальной функции, обладающей меньшим значением энергии.

Результаты второй главы опубликованы в работах [8-12,14-16].

В третьей главе решается задача о существовании бегущих уединенных вихрей с профилем, являющимся решением квазилинейного эллиптического уравнения с зависимостью от анизотропного внешнего фактора. Эти исследования опираются на полученные в главе 1 теоремы о существовании нетривиального решения квазилинейного уравнения (1.4.1) в К* с переменным коэффициентом Ъ и правой частью / достаточно общего вида, удовлетворяющей определенным условиям монотонности, убывания и роста в нуле и на бесконечности соответственно.

В разделе 1 главы 3 рассматривается уравнение

Аи = /2(ф2) + и(х)) - /2(г(хг)), х = (г,, х,) е К2, (3.1)

с функцией г = г{х1), являющейся решением уравнения

-2'(*2) = /1(2,х2),х2еЕ'. (3.2)

Дифференцируемые функции /х, /2 связаны определенным

8 АЬагош А. Ыгойисйоп Ь) Ше ТЪеогу Репшпа^ейзт. Охй>г<1,2000.

соотношением и удовлетворяют набору требований. Это позволяет методом барьера показать существование решения уравнения (3.2) в К1, обладающего заданной асимптотикой на бесконечности, что дает возможность применить теорему 1.4.1 о существовании нетривиального уединенного решения к уравнению (3.1). По изложенной схеме решены следующие задачи.

В разделах 3.2 и 3.3 показано, что уравнение Чарни б д

—(u-Au) + —-u = J(u,Au),xeR2, /е[0,оо), о! дх1

имеет классическое решение в виде уединенной бегущей волны, если искать его на фоне зонального потока, то есть ветра, имеющего скорость, направленную вдоль широты. Получены условия существования вихря в форме дипольной пары «циклон-антициклон», по гладкости превышающее решение аналогичного вида, найденное В.Д. Ларичевым и Г.М. Резником9. Также найден вихрь с положительным бесконечно гладким профилем, параметры которого зависят от поведения зонального потока.

В разделе 3.4 показано существование бегущей уединенной дрейфовой волны при наличии неоднородного электрического поля в замагниченной плазме. Она имеет положительный бесконечно гладкий профиль и, удовлетворяющий условию (0.2) и уравнению (3.1), а для электрического потенциала у функция г(х2) = у/(х2) + те2 является решением уравнения (3.2). Тогда + -уг,х2) есть решение уравнения (2.1).

В разделах 1-3 главы 3 профили вихрей и фонового одномерного решения, существование которых показано, находятся численно.

Результаты третьей главы опубликованы в работах [3-5].

9 Ларичев В.Д., Резник Г.М. Доклады АН СССР. 1976. Т. 231. №5. С. 1077-1079.

В заключении формулируются основные результаты диссертационной работы.

- Доказаны теоремы:

о существовании нетривиального уединенного решения квазилинейного эллиптического уравнения с параметром в ограниченной области и в пространстве К", в доказательстве которых используется специальная модификация вариационного метода перевала;

о существовании положительных собственных функций и положительного решения квазилинейного эллиптического уравнения с анизотропными коэффициентами и нелинейностью достаточно общего вида, удовлетворяющей определенным условиям, в Ж".

- С использованием полученных теорем найдены условия существования уединенных бегущих волн в виде:

вихря типа диполя и вихря с положительным профилем в атмосфере быстровращающейся планеты на фоне зонального потока; волны с положительным профилем в замагниченной плазме при наличии неоднородного электрического поля.

- Проведено численное моделирование динамики волн для изучения вопроса устойчивости вихрей и процесса их взаимодействия.

- С помощью численного решения уравнения Лаядау-Лифшица-Гильберта в сферических координатах изучен вопрос о существовании нерадиальных микромагнитных конфигураций.

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю доценту АП. Смирнову за постановку задач и всестороннюю поддержку.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Шеина Е.А. О положительном рещении квазилинейного эллиптического уравнения в Е" // Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27. № 6. С. 1063-1070.

2. Шеина Е,А. О собственных функциях квазилинейного эллиптического оператора в К" // Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27. № 8. С. 1436-1442.

3. Смирнов АЛ., Шеина Е.А. О существовании уединенных вихрей в зональном потоке // Дифференц. уравнения. 1990. Т. 26. № 7. С. 1265-1271.

4. Смирнов, А.П., Шеина Е.А. О положительном бесконечно гладком вихре в зональном потоке // Мат. моделирование. 1990. Т. 2. №12. С. 116-121.

5. Смирнов А.П., Шеина Е.А. О существовании уединенного бегущего вихря в замагниченной плазме при наличии неоднородного электрического поля. // Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27. № 7. С. 1268 -1270.

6. Шеина Е.А. Метод перевала в задаче о нетривиальном решении квазилинейного уравнения с параметром // Дифференц. уравнения. 2010. Т. 46. №1. С. 114-123.

7. Шеина Е.А. Метод перевала в задаче о нетривиальном решении квазилинейного уравнения с параметром в К" // Дифференц. уравнения. 2010. Т. 46. №3. С. 305-317.

8. Шеина Е.А., Терновский В.В., Хапаев М.М. О возможности использования ферромагнитной сферы в запоминающих устройствах. Доклады РАН. 2005.

Т. 403. №4. С. 465-470.

9. Шеина Е.А. Численное моделирование поведения двумерных вихрей в зональном потоке // Актуальные вопросы прикладной математики. М., Изд-во МГУ. 1989. С. 236-240.

10. Шеина Е.А. Численное исследование устойчивости дрейфовых волн // Методы математического моделирования и вычислительной диагностики. М., Изд-во МГУ. 1990. С. 265-269.

11. Смирнов АЛ., Шеина Е.А. Локальные и глобальные решения уравнений мелкой воды // Прямые и обратные задачи математической физики. М., Изд-во

МГУ. 1991. С. 218-222.

12. Sheina Е.А., Smirnov А.Р. // 18 Conference on Control Fusion arid Plasma Physics. Berlin. 1991. V. 4. F-27. P. 109-112.

13. Sheina E. A. // Международная конференция «Дифференциальные уравнения. Функциональные пространства. Теория приближений», посвященная 100-летию С.Л. Соболева. Новосибирск. 2008.

14. Sheina Е.А., Ternovsky V.V., Khapaev М.М. Numerical Modelling of Magnetization Processes in Small Ferromagnetic Sphere. V International Congress on Mathematical Modelling // Dubna. 2002. V. 1. P. 215.

15. Sheina E.A., Ternovsky V.V., Khapaev MM Numer. Modelling of Magnetization Processes in Small Ferromagnetic Sphere // 4th Intern. Symposium On Hysteresis and Micromagnetic Modelling. Salamanca, Spain. 2003.

16. Sheina E.A., Ternovsky V.V., Lukyanchuk B. Micromagnetic Equations for Nanomagnets // 49th Annual МММ Conference. 2004.

Напечатано о готового оригинал-макета

Издательство ООО "МАКС Пресс" Лицензия ИД N 00510 от 01.12.99 г. Подписано к печати 16.09.2010 г, Формат 60x90 1/16. Усл.печ.л. 1,0. Тираж 60 экз. Заказ 402. Тел. 939-3890. Тел./факс 939-3891 119992, ГСП-2, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М.В. Ломоносова, 2-й учебный корпус, 627 к.

Введение.

Глава 1. Нетривиальные решения квазилинейного эллиптического уравнения.

1.1. Метод перевала в задаче о нетривиальном решении квазилинейного уравнения с параметром в ограниченной области.

1.2. Метод перевала в задаче о нетривиальном решении квазилинейного уравнения с параметром в Е^.

1.3. Собственные функции квазилинейного анизотропного уравнения

1.4. Метод перевала в задаче о положительном решении анизотропного квазилинейного эллиптического уравнения в

Глава 2. Уединенные бегущие волны и решения квазилинейных уравнений в R2.

2.1. Моделирование динамики уединенных вихрей.

2.2. Численное решение квазилинейного эллиптического уравнения в R".

2.3. Численное моделирование динамики уединенных вихрей.

2.4. Моделирование уединенных микромагнитных конфигураций.

Глава 3. Существование уединенных бегущих вихрей при наличии зонального потока и неоднородного электрического поля.

3.1. Постановка задачи.

3.2. О существовании уединенных вихрей на фоне зонального потока в атмосфере быстровращающейся планеты.

3.3. О положительном бесконечно гладком вихре в атмосфере на фоне зонального потока.

3.4. О существовании уединенного бегущего вихря в замагниченной плазме при наличии неоднородного электрического поля.

3.5. Численное решение задачи о вихре в зональном потоке.

Диссертация посвящена изучению вопроса существования нетривиальных решений квазилинейных эллиптических уравнений в пространстве и применению полученных результатов к исследованию физических моделей и описывающих их уравнений, в рамках которых возможно существование уединенных волн.

В настоящее время в различных областях физики большое количество исследований посвящено изучению нелинейных волновых процессов. Это относится к задачам гидродинамики, к различным вопросам теории плазмы и нелинейной оптики. В процессе развития теории нелинейных волн выявился ряд нелинейных волновых уравнений, которые имеют интересные свойства. Они обладают рядом интегралов движения, а также могут быть интегрируемы с помощью так называемого метода обратной задачи для вспомогательного линейного оператора. К числу таких уравнений относятся, например, известное одномерное уравнение Кортевега - де Фриза (КдФ) и двумерное уравнение Кадомцева-Петвиашвили, нелинейное уравнение Шредингера, уравнение Клейна-Гордона. Другим общим свойством указанных уравнений является наличие у них частного решения в виде уединенной бегущей волны. Под уединенным или локализованным решением понимается классическое решение, стремящееся к нулю на бесконечности. В настоящее время этой теме посвящено большое количество обзоров [1-6].

В 1964 г. Забужский и Крускал с помощью численного моделирования обнаружили, что два решения уравнения Кортевега - де Фриза, оба имеющие вид уединенной бегущей волны, взаимодействуют аналогично упругому столкновению частиц, обменивающихся импульсами. Обобщая этот факт, они ввели понятие солитонов, под которыми понимаются локализованные нелинейные волны, асимптотически восстанавливающие свою форму при взаимодействии с произвольным локальным возмущением.

Одна из задач, которая возникает в связи с изучением солитонов, состоит в выявлении физических моделей, для которых описывающие их уравнения допускают существование решения такого типа. В ряде случаев профиль волны может быть решением квазилинейного эллиптического уравнения, убывающим до нуля на бесконечности. Для простейших уравнений с однородной нелинейностью и постоянными коэффициентами такое решение может быть выписано явно. Впервые солитонное решение было получено Буссинеском в 1872 г. для одномерной модели длинных волн на поверхности жидкости. Оно положительное и экспоненциально убывает на бесконечности. Такой же профиль имеет и уединенная бегущая волна в уравнении Кортевега - де Фриза. Для уравнения Кадомцева-Петвиашвили [9], которое считается его двумерным обобщением, Сацума [10] получил точное n-солитонное решение, в случае п=1 называемое лампом. Это знакопеременная функция, медленно (обратно пропорционально квадрату расстояния от центра) убывающая на бесконечности. Известны солитонные решения уравнений sine-Gordon и Бюргерса, имеющие альтернативную уединенным волнам форму кинка.

Во многих работах рассматривался вопрос существования многомерных солитонов. В 1943 г. М.А. Лаврентьев опубликовал теоретические доказательства существования длинных уединенных волн на воде [45]. В [11-13] обсуждается, при каких условиях двумерные и трехмерные уединенные бегущие вихри могут появиться в плазме в рамках следующих моделей: дрейфовые потенциальные вихри, желобково-альфвеновские трубки, ионно-звуковые волны, тороидальные МГД-вихри. В монографии [38] изучается возможность существования двумерных солитонов в мелкой воде и атмосфере, а также трехмерных солитонов в мелкой стратифицированной атмосфере. В [71] вводятся три типа солитоноподобных структур, появляющихся в рамках моделей гидромеханики, таких как движение жидкости конечной глубины, двуслойной либо находящейся под ледовой пластиной. В монографиях [69, 70] исследованы явления заострения уединенных волн и их разрушения. В [39, 72] изучается вопрос существования нелинейных уединенных волн в ферромагнетиках. В работах [40-45] рассмотрены другие физические модели, в рамках которых имеются уединенные бегущие волны.

В ряде примеров для профиля волны получено квазилинейное эллиптическое уравнение с однородной нелинейностью, и высказано предположение о существовании его нетривиального уединенного решения, требующее математического обоснования.

В диссертации теория положительных решений квазилинейного эллиптического уравнения в ЕЛ' применяется к задаче о существовании решений эволюционных уравнений в виде уединенной бегущей волны. Рассматривается вопрос существования нетривиального решения эллиптических уравнений

- Дм + Ь(х)и = /(х,и) (0-1) с нелинейностью, удовлетворяющей условию

Я*,0) = 0, (0.2) а также определенным условиям монотонности, убывания и роста в нуле и на бесконечности соответственно.

Также рассматривается вопрос существования собственной функции, т.е. решения нелинейного уравнения

-А и + Ь(х)и = а/(х,и) (0.1') с собственным значением а е К.

Задачи решаются как в ограниченной области с граничным условием Дирихле, так и во всем пространстве Е" с условием и -» 0, |.*| да. (0.3)

Изучаются свойства найденных решений, такие как гладкость, положительность, скорость убывания к нулю на бесконечности.

Уравнения (0.1) и (0.1') в силу (0.2) имеют, в частности, тривиальное решение. К типу (0.1) относится уравнение с параметром

- Дм - Щх)и = а(х) | и Г2 и. (0.4)

Здесь 2 <q<q\ q = ™ При N>2, q = оо при N<2.

Простейшим примером (0.1) является одномерное уравнение

- л"+Ьи = au2, х g M, (0.5) а > 0, Ъ > 0. При аг = 3 и Ъ = v его решение ип(х) = 2т]2 /ch2(rpc), удовлетворяет условию (0.3) и описывает форму уединенной волны w(jc,0 = mj7(x-v0, бегущей со скоростью v = 4^2, являющейся частным решением уравнения Кортевега-де Фриза (рис. 0.1) w, + 6wwj + wni =0. Заметим, что возможность получить явный вид решения уравнения (0.5) основана на том, что оно является одномерным уравнением с постоянными коэффициентами. В общем случае необходимо использовать результаты теории существования уединенного решения задачи типа (0.1), (0.3).

В качестве примера можно привести нелинейное уравнение Шредингера w, + Д w+ £/(|w|2)w = 0.

Оно имеет солитоноподобное частное решение w(x,t) = и(х - 2kt) exp(i((c»2 -k2)t + kx)), k e Iя, £ = |k|, при k = 0 имеющее вид стоячей волны w(x,t) = exp(-ia)2t)u(x), если функция и удовлетворяет уравнению

- Au + со2и - U{u2)u , хек". При потенциале U из определенного класса это уравнение может иметь сферически симметричное уединенное решение. В простейшем случае N = 1, U(t) = pt, р > 0, это уравнение с кубической нелинейностью:

-и"+см = ри\ (0.6)

Оно имеет решение м(х) = <х>{21 Р)1'2 ск'\озх), стремящееся к нулю на бесконечности.

Уравнения (0.5) и (0.6) имеют многомерное обобщение в виде уравнения с постоянными коэффициентами

-Аи + Ьи = а\и\4-2 и, яеЕ", тУ>1. (0.7)

При 2 < # < уравнение (0.7) имеет уединенное радиально симметричное положительное решение. В [14] это показано методом стрельбы, основанном на сведении его к обыкновенному дифференциальному уравнению. В работах, использующих вариационный подход, решение ищется в классе радиально-симметричных функций IV,'2 . При этом используются алгоритм симметризации Шварца [15-17], а также радиальная лемма Штрауса [18], в которой содержится равномерная оценка указанных функций при д;| те .

Чтобы установить существование уединенного решения нетривиального квазилинейного уравнения в более общем случае, необходимо использовать специальные методы доказательства.

В силу условия (0.2) задача (0.1), (0.3) имеет по крайней мере тривиальное решение. Поэтому многие известные методы, гарантирующие существование решения, такие как вариации метода сжимающих отображений, для данной ситуации неприменимы. Для поиска нетривиального решения существует два основных вариационных подхода. Для задачи на собственное значение (О.Г) и задачи для уравнения (0.1) с однородной нелинейностью (/(х,и) = а(*)и|м|*~1, <7 > 2) применим метод условного экстремума. Для доказательства нетривиальной разрешимости уравнения (0.1) в более общем случае можно использовать метод перевала, сформулированный Амброзегги и Рабиновичем в 1973 г. [19]. Современное состояние этой теории изложено в [20].

Краевая задача для уравнения (0.1) в ограниченной области с граничным условием Дирихле изучена к настоящему времени достаточно хорошо, что отражено в основополагающей статье С.И. Похожаева 1965 г. [21], в классических книгах по теории вариационных методов решения нелинейных задач [22-28] и современных монографиях [29-33]. Однако многие из разработанных методов не переносятся на случай неограниченной области и всего пространства ЕЛ'. Для вариационных методов это связано с тем, что оператор вложения Соболева РГ1,2(ЕЛ,> с ¿'(К"), 2 не является компактным. Действительно, рассмотрим последовательность {м„}™=1, ип(х) = и0(х + еп), где .хеМ", и0 еДЁ^), е - базисный вектор в Е^. Любая ее подпоследовательность не сходится к нулю в ^(К"), хотя —> О слабо в И*2(К"), и ип ->0 в для любого Д>0.

Из других проблем, возникающих при решении задачи в К", можно отметить тот факт, что известное неравенство Пуанкаре верное для функций из №012(П) при ограниченности области П, и его следствие

Кя(п)^42(п),

2<д<д\ в случае О = Мл' имеют аналог для функций из IV1-2 (Шк) лишь при N > 3 в виде неравенства Соболева [31]

Уравнение Эмдена-Фаулера (Emden-Fowler) [8]

- Дм =| и |9-2 и (0.8) при N > 3 показывает пример отличия задач в ограниченной и неограниченной областях. Это уравнение при 2 имеет положительное и счетное множество знакопеременных решений задачи Дирихле. При для «звездных» областей нетривиальное решение не существует. Уравнение (0.8) в К" с условием (0.3) при 2 < # < ц имеет знакопеременное решение при отсутствии положительного. При <?><?* имеется континуальное множество медленно сходящихся к нулю при |х| -»со положительных решений.

Приемы, применяемые для преодоления отмеченных трудностей решения задачи в К", накладывают определенные ограничения на функции Ь и /. В [34] требуется, например, чтобы выполнялась оценка /0,ы) < а(х)и\и\ч~2, с функцией д, стремящейся к нулю при |лг| °о либо принадлежащей классу /,/(ЕЛГ), ~ч\ При растущей на бесконечности функции а [68] при условии Г ы(а(х)У2/ч сЬс <со используется весовое пространство

•К, компактно вложенное в ¿2(К").

Лионе в 1984 г. [36, 37] разработал метод концентрированной компактности, основанный на сравнении исходной задачи в Р/ с "задачей на бесконечности". Это требует существования у функций Ъ и / равномерных пределов при |.х| -»оо. Среди других методов, применяемых при решении задач для уравнений (0.1), (0.Г) с условием (0.3), известны метод малых возмущений [33], топологический метод [29] и метод расслоения [34]. Ряд известных подходов к решению квазилинейных эллиптических уравнений, такие как метод фазовой плоскости, теория Люстерника-Шнирельмана, изложены в обзорной книге [35].

Среди уравнений типа (0.1) существуют не имеющие нетривиального уединенного решения. Примером служит уравнение (0.7) с показателем степени нелинейности д, превышающим критический показатель Соболева <7*. Это может быть показано с помощью тождества Похожаева [21].

В некоторых работах, где существование солитонных решений показывается с физическим уровнем строгости, встречается утверждение: «так как мы ищем локализованное решение, то можно пренебречь зависимостью функции Ъ от переменной х». Оно ошибочное. Действительно, рассмотрим уравнение

-и" + Ь(х)и = и2, хеШ, (0.9) с переменным коэффициентом Ъ таким, что Ь\х) > 0. Интегрируя (0. 9) по Е с весом и\х), с учетом уединенности решения получаем, что ^Ь'(х)и2 (х)(Ь = 0, а я это противоречит нетривиальности решения. Таким образом, нетривиальное решение задачи (0. 9), (0.3) не существует. При этом для любой ограниченной области задача Дирихле для данного уравнения нетривиально разрешима.

Этот пример показывает, что на наличие решения поставленной задачи влияют, в частности, определенные свойства коэффициента а при линейном члене.

Если нетривиальное решение задачи во всем пространстве Е" существует, то его можно найти как предел последовательности решений задачи Дирихле для уравнения (0.1) в расширяющейся системе ограниченных областей. В случае, когда искомое решение не существует, такая последовательность может оказаться расходящейся. Приведенный выше пример показывает, что задачу в Е" в общем случае нельзя заменить на задачу в сколь угодно большой ограниченной области.

В диссертации исследуются свойства квазилинейных эллиптических уравнений (0.1), (0.Г) в ограниченной области и пространстве Е", N>1. Установлено существование нетривиальных решений, стремящихся к нулю на бесконечности, в задачах с параметром и при наличии нелинейности достаточно общего вида, удовлетворяющей определенным условиям, с анизотропной зависимостью от переменных. С помощью полученных теорем для ряда физических моделей определены условия существования уединенных бегущих волн.

В разделах 1 и 2 главы 1 диссертации решается задача о нетривиальном решении квазилинейного эллиптического уравнения (0.4) с условием (0.3). В этой постановке имеется параметр Я, который находится в окрестности минимального собственного значения. При значении параметра, большем собственного значения л,, линейный оператор не является положительно определенным, что влечет трудности при использовании известных подходов.

В докритической области (при Л < Л1) решение можно искать как точку минимума одного функционала на линии уровня второго. В сверхкритической области (при Л>Л,) такой условный минимум отсутствует, так как за счет наличия собственных функций первый функционал неограничен снизу. В этой ситуации предлагается расширить постановку задачи и искать критическую точку при наличии ограничения, связанного со вторым функционалом.

Решение оказывается условно-седловой точкой. По одному из направлений, касательных к линии уровня второго функционала и связанному с собственной функцией, оно реализует локальный максимум, а по ортогональному к нему направлению - локальный минимум. Для доказательства существования положительного решения используется специальная модификация метода перевала с условием. Обычно указывается сферический барьер между тривиальной функцией и некоторой функцией с достаточно большой нормой. Если значение параметра Л больше первого собственного значения, применению стандартного подхода препятствует наличие собственной функции. В диссертации в качестве барьера предлагается использовать пересечение линии уровня одного из функционалов с пространством, являющимся ортогональным дополнением к собственной функции.

В разделе 1.1 с помощью описанного метода получены результаты о существовании нетривиального решения задачи Дирихле квазилинейного эллиптического уравнения (0.4) в ограниченной области.

В разделе 1.2 рассматривается задача в пространстве М". В этом случае появляется трудность, связанная с отсутствием компактности вложения Соболева, что влечет проблему с доказательством слабой непрерывности функционалов. Для ее решения применяется метод концентрированной компактности Лионса в форме метода сравнения с "задачей на бесконечности". Сочетание этого подхода со стандартным методом перевала достаточно известно. В работе предложена специальная реализация метода перевала, для которой техника сравнения была модифицирована. В случае, когда значение параметра превышает первое собственное значение, пришлось ограничиться рассмотрением уравнения с симметрией. Предложенный подход является новым и может быть использован и для решения других нелинейных задач.

В разделах 3 и 4 главы 1 рассматривается задача о существовании нетривиального решения уравнения (0.1) из пространства с нелинейностью / = /(* ,и), удовлетворяющей определенным условиям монотонности, роста на бесконечности и убывания в нуле, при наличии неравномерной зависимости от переменных (анизотропии). Применение в этом случае известных подходов, таких как метод концентрированной компактности Лионса, не годится, так как сравнение с "задачей на бесконечности" накладывает на коэффициенты и правую часть уравнения требование о существовании равномерных пределов на бесконечности. Доказаны теоремы о существовании уединенных положительных решений уравнения (0.1) и задачи на собственное значение (0.Г). Метод решения учитывает анизотропию уравнения и основан на рекурсивном (по номеру переменной) алгоритме построения последовательности Пале-Омэйла или минимизирующей последовательности соответственно.

В разделе 1.3 данный подход используется для решения задачи (0.1), (0.3) методом условного экстремума.

В разделе 1.4 с помощью метода перевала показывается существование собственной функции нелинейной задачи (0.Г), (0.3). Полученная теорема является основой для решения задачи о поиске двумерной уединенной бегущей волны в поле одномерного решения (зонального потока), которая рассмотрена в главе 3.

В главе 2 диссертации изучаются свойства уравнения, описывающего динамику уединенных волн в атмосфере быстровращающихся планет. В разделе 2.1 рассматривается задача для уравнения, полученного В.И. Петвиашвили [40]: д д и~Аи) +-(и + т]и2) = си} (и, Ди), (0.10) хеЕ2,?е[0,со), т] >0,а>0, J(u,■w) = ux¡ иХг. Оно имеет частное решение м(.т, в виде вихря, бегущего со скоростью V вдоль оси 0х,, профиль и которого является решением двумерного квазилинейного уравнения типа (0.1).

В разделе 2.2 исследуется численный метод решения уравнения (0.1) в пространстве Е".

В разделе 2.3 с помощью численного моделирования показывается, что указанное уединенное решение является солитоном согласно введенному выше определению.

В разделе 2.4 изучается уравнение Ландау-Лифшица-Гильберта [77], описывающее динамику намагниченности ферромагнетиков. На его стационарных решениях достигается минимум энергии Гиббса среди векторных функций постоянной длины. С помощью численного моделирования с различными начальными распределениями решалась задача о поиске уединенных решений, называемых доменными стенками, не обладающих аксиальной симметрией. Такие решения были найдены в анизотропной сфере. Для изотропного случая показано, что множества аксиально-симметричных функций достаточно для решения задачи условного минимума, и не существует нерадиальной функции, обладающей меньшим значением энергии.

В главе 3 полученные в главе 1 результаты исследования квазилинейного уравнения (0.1) в с переменным коэффициентом Ь и сложной правой частью / с анизотропной зависимостью от переменных х,, / = , применяются к решению задачи о существовании локализованных бегущих вихрей.

В разделе 3.1 рассматривается уравнение

Дм = /2(2(:с2) + и(дО)-/2(г(*2)), лг = (х13дг2) б Е2, (0.11) с функцией г = г(х2), являющейся решением уравнения

-г\х2) = Мх2^{х2)), х2 е Е1. (0.12)

Дифференцируемые функции /¡, /2 удовлетворяют определенным требованиям. Они позволяют методом барьера показать существование решения уравнения (0.12) в Е1, обладающего заданной асимптотикой на бесконечности, и применить теорему 1.4.1 о существовании нетривиального уединенного решения к уравнению (0.11). По изложенной схеме решены следующие задачи.

В разделе 3.2 на фоне зонального потока в атмосфере быстровращающейся планеты найдена уединенная волна типа диполя.

В разделе 3.3 с помощью полученной в разделе 1.4 теоремы получены условия, при которых может существовать бесконечно гладкий вихрь типа антициклона с параметрами, зависящими от характеристик зонального потока.

В разделе 3.4 при наличии неоднородного электрического поля в замагниченной плазме найдена бегущая уединенная волна с положительным бесконечно гладким профилем. Показано существование волны с профилем и, удовлетворяющим условию (0.3) и уравнению (0.11), на фоне зонального потока с потенциалом скорости ц/, для которого функция г(х2) = ц/(х2) + ух2 является решением уравнения (0.12). Тогда >//(х2)+ и(хх-^,х2) - решение уравнения (0.10).

Профили вихря и фонового одномерного решения находятся численно.

В заключении сформулированы основные результаты диссертации.

Положения диссертации отражены в 16 публикациях [87-102] и докладывались на научных семинарах в МГУ и МЭИ и международных конференциях.

Основные результаты диссертации состоят в следующем.

- Доказаны теоремы: о существовании нетривиального уединенного решения квазилинейного эллиптического уравнения с параметром в ограниченной области и в пространстве М", в доказательстве которых используется специальная модификация вариационного метода перевала; о существовании положительных собственных функций и положительного решения квазилинейного эллиптического уравнения с анизотропными коэффициентами и нелинейностью общего вида, удовлетворяющей определенным условиям,

- С использованием полученных теорем найдены условия существования уединенных бегущих волн в виде: вихря типа диполя и вихрь с положительным профилем в атмосфере быстровращающейся планеты на фоне зонального потока; волны с положительным профилем в замагниченной плазме при наличии неоднородного электрического поля.

- Проведено численное моделирование динамики волн для изучения вопроса устойчивости вихрей и процесса их взаимодействия.

- С помощью численного решения уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта в сферических координатах изучен вопрос о существовании нерадиальных микромагнитных конфигураций.

Заключение

1.Лонгрен К., Скотт Э. Солитоны в действии. М., 1981.

2. Додд Р., ЭйлбекДж., и др. Солитоны и нелинейные волновые уравнения. М., 1988.

3. Захаров В.Е, Манаков С.В., Новиков П. С, Питаевский Л.П. Теория солитонов. М., 1980.

4. Абловиц М., Сигур X. Солитоны и метод обратной задачи. М., 1987.

5. Тахтаджян Л.А., Фаддеев Л.Д. Гамильтонов подход в теории солитонов. М., 1986.

6. НъюэллА. Солитоны в математике и физике. М., 1989.

7. Morikawa G. К. Geostrophic Vortex Motion // J. Meteorol. 1960. V. 17. P. 148-158.

8. Veron L. Singularities of solutions of second order quasilinear equations. Pitman Research Notes. V. 353. Longman, Harlow, 1996.

9. Кадомцев Б.Б., Петвиашвили В.И. Об устойчивости волн в слабодисперсных средах // ДАН. 1970. Т. 192. № 4. С. 753-756.

10. Satsuma J. N-soliton solution of the two-dimensional Korteweg-deVries equation // J. Phys. Soc. Japan. 1976. V. 40. P. 286-290.

11. Петвиашвили В.И., Похотелов О.А. Уединенные вихри в плазме // Физика плазмы. 1986. Т. 12. N9.

12. VI. Данилов Ю.А., Петвиашвили В.И. Солитоны в плазме // ИТН, серия «Физика плазмы». Т. 4. М., 1983.

13. Петвиашвили В.И., Янъков В.В. Солитоны и турбулентность // Вопросы теории плазмы. Вып. 14. С. 3-52.

14. Berestycki Н., P. L. Lions, L. A. Peletier. An ODE approach to the existence of positive solutions for semilinear problems in RN//Indiana Univ. Math. J. 1981. V.30. P. 141-157.

15. Styart C.A. A variational approach to bifurcation in L p on an unbounded symmetrical domain// Math.Ann. 1983. V. 263. P. 51-59.

16. Burton G.R. Semilinear elliptic equations on unbounded domains // Math.Z.i

17. Brascamp, H. J., Lieb, E. H., Luttinger, J. M. A general rearrangement inequality for multiple integrals // J. Funct. Anal. 1974. V. 17. P. 227-237.

18. Strauss W.A. Existence of solitary waves in higher dimensions // J Commun.Math. Phys. 1977. V. 55. P. 149-162.

19. Ambrosetti M, Rabinowitz P.H. Dual variational methods in critical point theory and applications // J. Funct. Anal. 1973. V. 14. P. 349-381.

20. Jabri Y. The Mountain Pass Theorem I I Encyclopedia of Mathematics and its Applications. Cambridge, 2003.

21. Похожаее С.И. О собственных функциях уравнения Au + A,f(u)=0 // Докл. АН СССР. 1965. Т. 165. №1. С. 36-39.

22. Гилбарг Д., Трудингер Н. Эллиптические дифференциальные уравнения с частными производными второго порядка. М., 1989.

23. НиренбергЛ. Лекции по нелинейному функциональному анализу. М., 1977.

24. Красносельский М.А. Положительные решения операторных уравнений. М., 1962.

25. Красносельский М.А. Топологические методы в теории нелинейных интегральных уравнений. М., 1956.

26. Вайнберг ММ, Треногин В.А. Теория ветвления решений нелинейных уравнений. М., 1969.

27. Вайнберг ММ Вариационный метод и метод монотонных операторов в теории нелинейных уравнений. М., 1972.

28. Вайнберг ММ Вариационные методы исследования нелинейных операторов. М., 1956.

29. Ambrosetti A., MalchiodiA. Nonlinear Analysis and Semilinear Elliptic Problems. Cambridge Studies in Advanced Mathematics. 2007. V. 104.

30. Struwe M. Variational Methods: Applications to Nonlinear Partial Differential Equations and Hamiltonian Systems. Berlin, 2008.

31. Adams R.A., Fournier J. Sobolev Spaces. Academic Press, 2003.

32. Schechter M. An Introduction to Nonlinear Analysis (Cambridge Studies in

33. Advanced Mathematics). Cambridge, 2004.

34. Ambrosetti A., Malchiodi A. Perturbation Methods and Semilinear Elliptic Problems on . Birkhauser Verlag, 2006.

35. Drabek P., Pohozaev S.I. Positive solutions for the p-Laplacian: application of the fibering method // Proc. Roy. Soc. Edinburg. 1997. V. 127A. P. 703-726.

36. Kuzin I., Pohozaev S.I. Entire Solutions of Semilinear Elliptic Equations. Birkhauser, 1997.

37. Lions P.L. The concentration-compactness principle in the calculus of variations. The locally compact case // Ann. Inst. Poincare 1984. V.l. Part 1, P. 109-145; Part 2, P. 223-283.

38. Lions P.L. Nonlinear Diffusion Equations and their Equilibrium States // Proc. Microprogram. 1986. V. 2. P. 85-122.

39. Петвиашвши В.И., Похотелов O.A. Уединенные волны в плазме и атмосфере. М., 1989.

40. Косевич A.M., Иванов Б.А., Ковалев А. С. Нелинейные волны намагниченности: динамические и топологические солитоны. Киев, 1988.

41. Петвиашвши В.И. Красное пятно Юпитера и дрейфовый солитон в плазме//Письма в ЖЭТФ. 1980. Т.32. №11. С. 632-635.

42. Захаров В.Е., Кузнецов Е.А. О трехмерных солитонах // ЖЭТФ. 1974. Т. 66. С. 594-600.

43. Петвиашвши В.И. Об уравнении необыкновенного солитона // Физика плазмы. 1976. Т. 2. С. 469-472.

44. Bordag L.A., Its А. V., Matveev А. V. Two-dimensional solitons of the Kadomtsev-Petviashvili equation and their interaction // Phys. Letters, 1979, V. 63A. P. 205-206.

45. Петвиашвши В.И. Неодномерные солитоны // Нелинейные волны. М„ 1979.

46. Лаврентьев М.А. К теории длинных волн // Докл. АН СССР. 1943. Т. 41. №7. С. 289-291.

47. Петвиашвши В.И. Уединенные вихри в зональном потоке во вращающейся атмосфере // Письма в Астроном, журнал. 1983. Т. 9. №4.1. С. 253-256.

48. Alama S., Tarantello G. On semilinear elliptic equations with indefinite nonlinearities I I Cal. Var. Partial Differential Equations. 1993. V. 1. P. 439-475.

49. Ding IV. Y. Ni W.M. II Archive of Rational Mechanics and Analysis. 1986. V. 91. N4. P. 283-308.

50. RuppenH.J. // Proc. of the Royal Soc. Edinburg. 1986. V. 101A. P. 307-320.

51. Allegretto S., Huang Y.X. Eigenvalues of the Indefinite-Weight p-Laplacian in Weighted Spaces // Funkc. Ekvac. 1995. V. 38. P. 233-242.

52. Poulou M., Stavrakakis N. Eigenvalue Problems for a Qiasilinear Elliptic Equations on // International Journal of Mathematics and Mathematical sciences. 2005. V. 18. P. 2871-2882.

53. Ларичев В.Д., Резник Г.М. О двумерных уединенных волнах Россби // Доклады АН СССР. 1976. Т. 231. №5. С. 1077-1079.

54. Noussair E.S. Swanson С.A. Positive solutions of quasilinear elliptic equations in exterior domains // J. of Math. Anal, and Appl. 1980. V. 75. P. 121-133.

55. Georg K. On the convergence of an inverse iteration method for nonlinear elliptic eigenvalue problems // Numer. Math. 1979. V. 32. P. 69-74.

56. Choi Y.S., McKenna P.J. A mountain pass method for the numerical solution of semilinear elliptic problems // Nonlinear Analysis. 1993. V. 20. P. 417-437.

57. DrabekP., Huang Y. Multiple positive solutions of quasilinear elliptic equations in R" // Nonlinear Analysis. 1999. V. 37. N. 4. P. 457-466.

58. Charney J.C. The dynamics of long waves in a baroclinic westerly current // J. Meteor. 1947. V. 4. P. 135-162.

59. Антонова P.А., Жвания Б.П. и др. О дрейфовых солитонах в мелкой вращающейся жидкости // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 37. С. 545-548.

60. Kloeden Р.Е. On the uniqueness of solitary Rossby waves // J. Austral. Math. Soc. Ser. B. 1987. V. 28. P. 476-485.

61. Figueiredo D.G. Positive solutions of semilinear elliptic equations // Lect. Notes Math. 1982. V. 957. P. 34-87.

62. Петвиашвили В.И., Смирнов А.П. Численное моделированиевзаимодействия дрейфовых солитонов-антициклонов // Докл. АН СССР. 1984. Т. 277. N1. С. 88-90.

63. АракаваДж. Гидродинамическая устойчивость и динамика атмосферы. М., 1977.

64. Arakawa A. Computational design for long-term numerical integration of the equations of fluid motion: two-dimensional incompressible flow // J. Сотр. Phys. 1966. V. 1. P. 119-143.

65. Капорин И.Е. Модифицированный марш-алгоритм решения разностной задачи Дирихле для уравнения Пуассона в прямоугольнике. В сб.: Разностные методы математической физики. М., 1980.

66. Эстербю О., Златев 3. Прямые методы для разреженных матриц. М., 1987.

67. Самарский А.А. Введение в численные методы. М., 1987.

68. Самарский А.А., Андреев В.Б. Разностные методы для эллиптических уравнений. М., 1976.

69. Bongers A., Heingz Н.Р., Kupper Т. Existence and Bifurcation Theorems for Nonlinear Elliptic Eigenvalue Problems on Unbounded Domains // Journal of Diff. Eq. 1983. V.47. P. 327-357.

70. Габов C.A., Свешников А.Г. Задачи динамики стратифицированных жидкостей. М., 1986.

71. Габов С.А. Введение в теорию нелинейных волн. М., 1988.

72. Ильичев А. Т. Уединенные волны в моделях гидромеханики. М., 2003.

73. Маслов В.П., Четвериков В.М. Теория доменных структур в магнитных пленках с большой перпендикулярной анизотропией. М., 1986.

74. Рихтмайер Р. Принципы современной математической физики. М., 1982.

75. Фрязинов ИВ. Консервативные разностные схемы для уравнений несжимаемой вязкой жидкости в криволинейных ортогональных координатах в переменных вихрь функция тока - момент вращения. Препринт ИПМ им. Келдыша №120 за 1980 г.

76. Ross С. A., FarhoudМ., Hwang М., Smith Н. I., Redjdal М., Humphrey F.B. Micromagnetic behavior of conical ferromagnetic particles // J. Appl. Phys. 2001.1. V. 89. P. 1310-1319.

77. Ye Y.-H., Badilescu S., Traong Vo-Van. Self-Assembly of Colloidal Spheres on Patterned Substrates // Applied Physics Letters. 2001. V. 79. N6. P. 872-874.

78. Aharoni A. Introduction to the Theory of Ferromagnetism. Oxford, 2000.

79. Koehler T.R, Fredkin D.R. Finite element methods for micromagnetics // IEEE Transactions on Magnetics. 1992. V. 28. N2. P. 1239-1244.

80. Aharoni A., Jakubovics J.P. Field-induced magnetization structure in small isotropic spheres // IEEE Trans, on Magnetics. 1996. V. 32. N5. P. 4463 4468.

81. Lifshitz E. M., Pitaevsky L.P. // Stat. Physics. Part 2. Pergamon Press, 1980.

82. Ternovsky V., Luk'yanchuk В., Wang J. P. Remanent states of small ferromagnetic cylinder // JETP Letters. 2001. V. 73. N12. P. 661-665.

83. Brawn W.F. The fundamental theorem of the theory of fine ferromagnetic particles // Annals of the NY Acad. Sci. 1969. V. 147. Art.12. P. 461^188.

84. Lackner K. Computation of ideal MHD equilibria I I Сотр. Physics Communications. 1976. N1. P. 33-44.

85. Visintin A. On Landau-Lifshitz' equations for ferromagnetism // Japan J. of Appl. Math. 1985. V. 2. N1. P. 69-84.

86. Треногий B.A. Функциональный анализ. M., 1980.8в.АпапеА. Simplicitre et isolation de la premiere valeur proper du p-Laplacien avec poids // C. R. Acad. Sci. Paris. 1987. Ser. 1305. P. 725-728.

87. Шеина E.A. О положительном решении квазилинейного эллиптического уравнения в // Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27. № 6. С. 1063-1070.

88. Шеина Е.А. О собственных функциях квазилинейного эллиптического оператора в R" //Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27. № 8. С. 1436-1442.

89. Смирнов А.П., Шеина Е.А. О существовании уединенных вихрей в зональном потоке // Дифференц. уравнения. 1990. Т. 26. № 7. С. 1265-1271.

90. Смирнов А.П., Шеина Е.А. О положительном бесконечно гладком вихрев зональном потоке // Мат. моделирование. 1990. Т. 2. №12. С. 116-121.

91. Смирнов А.П., Шеина Е.А. О существовании уединенного бегущего вихря в замагниченной плазме при наличии неоднородного электрического поля. //Дифференц. уравнения. 1991. Т. 27. № 7. С. 1268 -1270.

92. Шеина Е.А. Метод перевала в задаче о нетривиальном решении •квазилинейного уравнения с параметром // Дифференц. уравнения. 2010. Т. 46. № 1. С. 114-123.

93. Шеана Е.А. Метод перевала в задаче о нетривиальном решении квазилинейного уравнения с параметром в RN // Дифференц. уравнения. 2010. Т. 46. №3. С. 305-317.

94. Шеина Е.А. Терновский В.В., Хапаев М.М. О возможности использования ферромагнитной сферы в запоминающих устройствах. Доклады РАН. 2005.1. Т. 403. №4. С. 465-470.

95. Шеина Е.А. Численное моделирование поведения двумерных вихрей в зональном потоке // Актуальные вопросы прикладной математики. М., Изд-во МГУ. 1989. С. 236-240.

96. Шеина Е.А. Численное исследование устойчивости дрейфовых волн // Методы математического моделирования и вычислительной диагностики. М., Изд-во МГУ. 1990. С. 265-269.

97. Смирнов А.П., Шеина Е.А. Локальные и глобальные решения уравнений мелкой воды // Прямые и обратные задачи математической физики. М., Изд-во МГУ. 1991. С. 218-222.

98. Sheina Е.А., SmirnovA.P.// 18 Conference on Control Fusion and Plasma Physics. Berlin. 1991. V. 4. F-27. P. 109-112.

99. Sheina E. А. //Международная конференция «Дифференциальные уравнения. Функциональные пространства. Теория приближений», посвященная 100-летию С.Л. Соболева. Новосибирск. 2008.

100. Sheina Е.А., TernovskyV. V., Khapaev М.М. Numerical Modelling of Magnetization Processes in Small Ferromagnetic Sphere.V International Congress on Mathematical Modelling // Dubna. 2002. V. 1. P. 215.

101. Sheina E.A., TernovskyV. V., Khapaev M.M. Numer. Modelling of Magnetization Processes in Small Ferromagnetic Sphere // 4th Intern. Symposium On Hysteresis and Micromagnetic Modelling. Salamanca, Spain. 2003.

102. Sheina E.A., Ternovsky V. V., Lukyanchuk B. Micromagnetic Equations for Nanomagnets // 49th Annual МММ Conference. 2004.