Теория общего регулярного пучка обыкновенных дифференциальных операторов и ее приложения тема автореферата и диссертации по математике, 01.01.02 ВАК РФ

На правах рукописи

РГо од

Ибрагимов Мурад Гаджиевич

ТЕОРИЯ ОБЩЕГО РЕГУЛЯРНОГО ПУЧКА ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ОПЕРАТОРОВ И ЕЕ ПРИЛОЖЕНИЯ

специальность 01.01.02 - дифференциальные уравнения

автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

.Махачкала 2000

Работа выполнена на кафедре высшей алгебры и геометрии Дагестанского государственного университета.

Научный руководитель: доктор физико-математических

наук, профессор А. И. Вагабов

Официальные оппоненты: доктор физико - математических

наук, профессор А. Н. Зарубин

кандидат физико - математических наук, доцент Р. К. Рагимханов

Ведущая организация: Московский государственный

университет, факультет ВМиК

Защита состоится /ц шр,^^^ 2000 года в 14.00 часов на заседании специализированного совета К 063.61.07 в Дагестанском государственном университете (367025, г. Махачкала, ул. Дзержинского, д.12, математический факультет, аудитория 3-70).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ДГУ по адресу г. Махачкала, ул. Багырая, д.2.

Автореферат разослан 2000 года.

Ученый секретарь л

Специализированного Совета аЦ\ьИ£б Р- И. Кадиев

/

/

3 2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Теория и приложения операторов являются важным разделом анализа и дифференциальных уравнений и занимает значительное место в деятельности многих математиков. Укажем широко известные работы М. В. Келдыша, И. Ц. Гохберга и М. Г. Крейна, В. Г. Лидского, В. А. Ильина, В. Эбергарда, С. Агмона, А. П. Хромова, М. Г. Гасымова, А. А. Шпаликова. Частным объектом исследований этих и других работ являются обыкновенные линейные регулярные дифференциальные операторы и пучки таких операторов, определенные еще в классических работах Г. Биркгофа и Я. Д. Тамаркина. Завершенные исследования здесь имеются в интересных, но весьма частных случаях. Это " пучки Келдыша", Биркгофа и некоторые другие.

Отсутствие законченной, прозрачной теории таких пучков в общей ситуации определяет актуальность данной темы.

Следует отметить также необходимость исследования общих форм приложения'теории этих пучков к решению новых задач математической физики и прикладных задач, что составляет другую сторону актуальности темы диссертации.

Цель работы: Целью данной диссертационной работы является:

1. Исследование общих пучков обыкновенных дифференциаль- • пых операторов на конечном промежутке, удовлетворяющих граничным условиям наиболее общего вида и установление законченных, практически ценных условий и кратных разложений произвольных функций в ряды по корневым функциям пучков.

2. Приложение развитой теории к построениям решений начально-краевых задач для линейных гиперболических и параболических уравнений общего вида в плоском случае и при произвольных граничных условиях.

Научная новизна и практическая ценность: В диссертации по-

лучены следующие основные результаты:

1. Найдены простые, геометрически обозримые, предельно точные условия регулярности пучков обыкновенных дифференциальных операторов общего вида, охватывающие все известные ранее частные случаи.

2. Дано непосредственное доказательство теоремы об и кратном разложении п произвольных функции в ряды Фурье по корневым функциям пучка.

3. Получены новые представления решений начально-краевых задач общего вида в случаях плоских лилейных гиперболических и параболических уравнений общего вида.

4. Практическая ценность результатов определяется приложениями полученной теории к задачам математической физики, кванто-механической теории рассеивания, к изучению процессов в атомных реакторах, к задачам аэронавтики.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на VII .международной конференции в Абрау-Дюрсо, на семинарах кафедр математического факультета ДГУ и ДГПУ, на городском семинаре по математике в г. Махачкале.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 работах, список которых приведен в конце автореферата.

Объем ц структура работы. Диссертационная работа изложена

на 86 страницах машинописного текста и состоит из введения, 3 глав п списка литературы, включающего 53 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В § 1 главы 1 при минимальных требованиях гладкости коэффициентов доказана теорема об асимптотическом по параметру виде фундаментальной матрицы решений системы дифференциальных уравнений

у' - ХА(х. Х)у = 0, а < х < Ь, (1)

где

ос

Предполагается, что:

1) Ло(г). А]{х), 3 > 0 — непрерывные на [а, Ь] их п матрицы.

2) Характеристические корни щ (х).... ,(рп(х) различны при всех х. их аргументы и аргументы их разностей не зависят от х. В случае же кратных характеристических корней считаем, что их кратность не зависит от х, а также, что существует постоянная матрица М. трансформирующая .4о(х) к жордановой форме

М~1Ай(х)М = Лг), 7(х) - [Л(а:),...,./.(*)],

(х),... .1ц(х) клетки Жордана размеров к\.....ка.

Предполагается, что {х) = 0, при ] — 1,2,...,2г — 1, где г = тах(&1, ...,кв).

А-плоскость разбиваем на конечное число секторов 5 с вершинами в О, для которых при определенной нумерации </з-корней справедливы неравенства

Е1,еА</>1 (ж) ^ 11еА^2(х) ^ • - • ^ 11еА<£„(х), А € 5.

Доказана

Теорема 1. При условиях 1), 2) существует матричное решение системы (1), имеющее асимптотическое в секторе 5 (где £ —любой из секторов) представление вида

у(х,А) = {Лф) + Е(х,А)}е »

где £>(£) = diag(<p1(x),.. .,<рп(х)) (случай простых <р-корней), Е(х, А) ос при А —> со, А € Б. В случае кратных <р-корней

= + (2)

М —матрица, трансформирующая Ао(х) к жордановой форме.

Подобная же теорема 3 доказана для фундаментальной системы решений уравнения

уЫ + ХР1 (х, А У""1) + • • • + А прп(х, А )у = О,

где

оо

= г = 1,..., п, |А| >> 1;

з-о

р'ю{х),рц(х) —непрерывные на [а, Ь] функции.

Доказанные теоремы в частных случаях и при больших ограничениях встречались ранее в литературе, но в такой общности и краткости изложены впервые.

§ 3 главы 1 посвящен понятию регулярности для пучка обыкновенных дифференциальных операторов вида:

1(«)= £ а <х <Ь (3)

ко<п

с комплексным параметром Л, с граничными условиями вида

1=0, (4)

х=Ь> к\<п

где А(к°'к1), V — комплекснозначные непрерывные функции, а^ко,к1\ р{каМ) —п-мерные столбцы констант.

С помощью естественной процедуры предлагается из линейных комбинаций а(к°'к1\ /?(1о>*1) строить "определяющую" матрицу граничных условий - (а, /3) размеров п х 2гг.

Пучок (3)-(4) мы называем регулярным, если выполнены условия а), б), в):

а) -;— ПРИ к0 + кх = п и ЛлКо,,:1'т при ко + к^ < п

ах

непрерывны на [а, Ь].

б) Корни <Р1(х),..., ^п(^) характеристического уравнения

А{0>п)(х)<рп + А^'^^х)^-1 + ■ ■ ■ + Л1п-1д>(аг)р -1 = 0

£ А*0^

(коМ)

(1 V

<1хк1

й V

¿,хк1

различны при всех х, отличны от нуля, их аргументы и аргументы их разностей не зависят от х.

Пусть ¿о — некоторая прямая, проходящая через начало координат и не содержащая точек

6

го,.= £ (р1{х)с1х, 1 = 1,п.

а

Прямой ¿о сопоставим два набора из чисел — набор

..., гит} точек, содержащихся внутри одной из полуплоскостей, на которые ¿о делит комплексную плоскость (предполагается со-ответсвующая нумерация этих точек) и дополнительный набор — {ш1 ,...,«;„} \ {и»!,..., гют }, содержащийся в смежной полуплоскости.

в) Отличны от нуля определители Фт(а,/3) =

п п п п

Ем-1 (а)..-Е а^-1 (о) ЕРчЛ+М■ .^МпЧЪ)

3=1 ¿=1 1 3=1

Е ^М"1 и • Е <*пМ~1 («) Е (ь) • Е ¿=1 ¿=1

_ (5)

соответствующие всем наборам чисел го,- (или <р(), г = 1,п.

Подчеркнем широту данного определения регулярности, относящегося к пучку (3)-(4) самого общего вида, а также геометрическую ясность.

Случай, известный в литературе и рассмотренный Г. Биркгофом, относится к весьма узкой ситуации пучка (3)-(4) и регулярность по Г. Биркгофу моментально следует из нашего общего понятия регулярности.

. В § 4 главы 1 дан анализ нашего определения регулярности и доказано 5 предложений просто и глубоко раскрывающих понятие регулярности в пункте в). Приведем одно из них.

Необходимым условием регулярности пучка (3)-(4) является условие

шах г ^ тт(гапк а, гапк ¡3).

Глава 2 посвящена проблеме п -кратных разложений в ряды Фурье по собственным элементам регулярной краевой задачи (3)-(4).

В первых трах параграфах дано исследование асимптотики и полюсов функции Грина регулярной задачи (3)-(4). При этом приходится вносить существенные изменения в традиционные леммы и рассуждения, вызванные изменениями в виде асимптотики фундаментальных решений уравнения /(и) = О при больших Л.

Доказана теорема б об асимптотически экпоненциалыюм представлении для функции Грина С(х, А) регулярного пучка (3)-(4) при |А| » 1.

С помощью новых лемм 1-3 установлена теорема об п-кратном разложении.

Теорема 9. Пусть тригонометрические коэффициенты Фурье

функций ~Л<-коМ(х) при ко + кг -пи А^к°'к1Цх) при ко + к: < п ах

убывают как --. Тогда справедлива формула п -кратного разложения функций Лг(х), г = 0, п — 1 в ряды Фурье по производным цепочкам для собственных и присоединенных функций регулярного пучка (3)-(4). Полагается при этом, что Ло,..., /гп-2 — функции из области определения пучка (3)-(4), Л„_1 6 С1 [а, 6].

Отметим, что доказательство теоремы подобной теореме 9 в литературе дано непостредствепно лишь в случае частного пучка типа Г. Бнркгофа, где речь идет об однократном разложении.

Глава 3 посвящена приложению изложенной теории к решению обобщенным методом Фурье смешанных задач для уравнений гиперболического и параболического типов.

В части первой главы 3 рассматривается следующая гиперболическая смешанная задача

£ a<x<b) (6)

ko+ki^n k0<n

n-l , £ {«<*

dklu dx1«

dklu

}=o,

8kU dtk

— ftfc(x), k = 0, n - 1.

(7)

(8)

1=0

Задаче (6)-(8) сопоставляется пучок (3)-(4) с более частным видом граничных условий (4'), определенных граничными условиями (7). Пусть выполняются условия

¿т+1д(к0М)(х\ _

а) Функции -— m+1-Е С[а, Ь] при ко 4- kt — т, т = 0, п.

б) Корни ipi (х),... ipn(x) характеристического уравнения Al°'n)(x)ipn + А(1'п-1>(а:)¥>п-1 + • • • + -1 = 0

вещественны, различны при всех х и отличны от нуля.

в) Два определителя Фг(а,/3) и Фп_г(а, /3) отличны от нуля (см. выше случай вещественных (^-корней).

г) /г0,..., Лп-2 — функции из области определения пучка (3)-(4'),

(х)еС[а,Ь],

¿хз

= 0, г = 0, п — 1, ] = 0, п — г.

х—а,Ь

д) /(£,х) непрерывна на [О, Г] х [а, 6].

Теорема 11. При условиях а)-д) задача (6)-(8) имеет единственное классическое решение. Оно может быть представлено в виде ряда Фурье по корневым функциям пучка (З)-(А'):

о

и(г,х) = 1Ш1 ^ [ехЧХ [ 1-юо 2т у у

г, а

ъ г

-Дт А)(Л<0^(£)ГЧ I еЛ^>/(г„£)йт, (9)

Г, а 0

где

п-1

ко=0

ко+кг зСп

Г; —последовательность замкнутых расширяющихся в X-плоскости контуров с центром в О, таких, что между Г( и Гг+1 расположен хотя бы один полюс функции Грина С?(а:, Л). Сами Г; проходят вне 6-окрестности полюсов.

Доказано также, что решение (9) допускает представление

ь

ЯеА=Я>>0 а

О I

Ло А=Я 1 О

(10)

Формулы.(9), (10) в частных случаях дают возможность эффектного выражения для решения.

Так в случае задачи о колебании конечной струны

д2и д2и

дР дх2 «|г=0,1 =0,

, о < х < 1, г > о,

(п)

дки

дгк

= Ик{х), к — 0,1

по формуле (9) подсчитывая вычеты в полюсах Л = кт, к £ 2 для функции С?, находим решение в виде тригонометрического ряда Фурье:

ос 1

и(1,х) 2 I }1о(£)8тктг£с1£со8ктг18ткпх+ к=1 I

оо 2 г

+ I 1х\ (£) зт ктт^сК, бш к^бш кттх, 4=1 О

/г0 е С2[0,1], /ц еС1 [0,1], 4Л|о,1 =0, 7 = 0,1, /»х|од =0.

В случае другой задачи

пд2и дЧ д2и п п , Л п

■"|х=0,Х =0,

дки дьк

= щ{х), Л = 0,1,

1=0

6 с2[0,1], VI е с1 [0,1], <ро\*=о,1 = о,

с использованием формулы (10) и выполнением интегрирований по Л, получено представление

u(t, X) = + (х + 0 + I g |^(fc + з + X - «)-

f t — x — k\ „ „ . „ ft + 2x — k — 3

~2уо -о- _ + 3 - i - 2x) + 2(^>o

+2Ф1 (^-у-^) " 2*i(fc + 3 - t - 2х) - 2Фг (UL2 + х) },

X

где $i(x) = У

При этом щ и Ф1 надо считать равными нулю вне [0,1], а Фг(1)

ад)

полагать равным —-—.

Часть вторая главы 3 посвящена смешанной задаче для параболического уравнения.

Е + а<х<М>0

к0<т

at

»(*«) 0 4

m—i f

E «'

I---n

it 1=0 dk°u

dxk>

}-0,

dtk°

= /ifco(x), ко = 0,m — 1.

(13)

(14)

t=о

Пучок, который ставится в соответствие задаче (12)—(14) имеет вид:

2fco+fci^2m

2m —1 f як,

У(Ы д lv

¿т~ 1 г

Е

кi=0

дхк'

+ /3<*

fei)

dklv

dxkl

}=0.

Предполагается, что

¿А№оМ)(х\

а) Функции ---— при 2&о + к\ = 2т, и /^""'^(х) при

ах

2к0 + к\ < 2т непрерывны на [о, Ь].

б) <р -корни характеристического уравнения

А(0,2т)(г)^т + ^.am-SJ^^m-l + ... + ¿(2т-2,2)^ _ J = Q имеют вид

__71"

ipi(х) = Ciq{x), i - l,m, g(ar) > 0, x e [а,Ь], |argcf| < -, а ф Cj при i ф j

в) Граничные условия пучка (15) регулярны в смысле отличия от нуля определителей Фт(а,/3), указанных выше в пункте в), относящемуся пучку к (3)-(4).

г) hk(x) к = 0,..., тп — 2, принадлежат области определения задачи (12)—(14), то есть имеют 2га непрерывных производных и удовлетворяют краевым условиям (13)

д) f(t,x) непрерывна на [О, Г] х [а, 6]. Доказана'

Теорема 14. При условиях а)-д) формула

ь

u(t,x) = Urn ^уЛа JG(x,tV(A{0*m){0)~lF&h,\)di;-

Т, a

Ь t

-Дт ^ j AdA J <?(®, е, А)СЛ<°-2т) j e.x2{t-T)f{T,Odr

Ti a О

(16)

при одном из условий

^еС([а,Ь]х[0,Т]), /(0,®) = 0, ^еС([а,Ь]х[0,Т)), /|1=в,ь = о)

определяет единственное классическое решение задачи (12)-(14). Здесь Т[ — замкнутые контуры с центром в 0 из Х-плоскости, проходящие вне 6-окрестности полюсов G(x, А), причем наименьшее расстояние Ti от начала координат стремится к оо при I —> оо.

Решение (16) допускает также представление вида

о

= / / G(x, i, А)(.4«°-2т»(О)"1 Л,

L

6

G(z,£,A)0°-2m>(Or4 I ex2^f(r,Odr, (17)

7гг

х,

t > О,

где L = Li U I2; Li = {A,|A| = 1, |argA| < o0}, 1-2 = {A, |A| ^ 1, arg А = ±q0}, cv0 = ~ + ^ ~ maxa rgtp^ . В формулах (16), (17)

m — 1

f&M)= £ A2m_1_2toftto(0-

А'о=0

_ £ Л(п-оМ)(0ф_ + ... + АЛ,^,^)} •

Отметим, что в конструктивной форме теоремы существования и единственности для задач (6)~(8) и (12)—(14) в столь общей постановке не решались ранее в литературе.

В заключителыюм §3 главы 3 в качестве иллюстраций теоремы 15 рассмотрена задача распространения тепла в ограниченном стержне:

9-и 32и л -, , л - = —, 0<*<м>0,

«|1=0.1 = 0,

ы]4=о^Л(аг), /г(0) = Л(1) = 0; Л(х) £ С1 [а, Ь].

Находя решение- чтой задачи соответственно по формулам (16), (17), придем к двум представлениям решения задачи:

а

О

и^,х) = / И^втк-к^е Бтктгх,

к=

Н2 к « }

(1 ^ -¡а +

41 12+^е ' с * У

Первое — ряд Фурье по тригонометрической системе, второе — интеграл от экспоненциального ряда.

Связующим логическим звеном всей работы является теория пучка (6)-(7).

Текст диссертации разбит на три главы, носящих в определенной степени самостоятельный характер. Нумераию теорем и лемм мы сочли целесообразным сделать единой.

Перечень публикаций автора по теме диссертации:

1. Ибрагимов М. Г., Вагабов А. И. Краевая задача с диссипа-тнвным операторным коэффициентом // Сб. "Материалы VII международной конференции", Ростов-на-Дону. 1999. С. 14.

2. Ибрагимов М. Г., Вагабов А. И. Теория общего регулярного пучка обыкновенных дифференциальных операторов // Деп. в ВИНИТИ. № 3386-В99,1999. 45 с.

3. Ибрагимов М. Г. Смешанная задача для гиперболического уравнения // Сб. "Функционально-дифференциальные уравнения и их приложения", Махачкала, Изд-во ДГУ. 2000.

4. Ибрагимов М. Г. О нахождении решений смешанных задач посредством начальных функций // "Вестник ДГУ-2000", Махачкала, Изд-во ДГУ. 2000."

5. Ибрагимов М. Г. Теорема единственности решения смешанной задачи для общего линейного гиперболического уравнения на плоскости // "Вестник ДНЦ РАН". Махачкала, Изд-во ДНЦ РАН. № 8 2000.

Введение

Глава I. Асимптотика по параметру для решения дифференциальных систем и понятие регулярных пучков.

§ 1. Общая теорема об асимптотике решений систем линейных дифференциальных уравнений с большим параметром.

§2. Следствие асимптотической теоремы, частные случаи.

§ 3. Определение понятия регулярных пучков дифференциальных операторов.

§ 4. Анализ понятия регулярности пучков.

глава II.Разложение произвольных функций в обобщенные ряды Фурье по собственным элементам регулярных пучков операторов.

§1. Функция Грина пучка (27)-(28).

§2. Полюсы функции Грина.

§ 3. Асимптотическое представление функции Грина и вспомогательные леммы.

§ 4. Формула п-кратного разложения по собственным элементам пучка (27)-(28).

глава III. Приложение теории регулярного пучка к решению задач математической физики.

Часть 1. Решение смешанных задач для плоских линейных гиперболических уравнений общего вида методом Фурье-Биркгофа.

§ 1. Построение фундаментального решения и теорема единственности.

§ 2. Теорема существования решения.

§3. Примеры.

Часть 2. Случай параболических уравнений.

§ 1. Построение решения и его единственность.

§ 2. Теорема существования.

§ 3. Частные примеры.

Теория обыкновенного регулярного линейного дифференциального оператора п-го порядка на конечном отрезке была разработана в классических работах Г. Биркгофа [43], [44]. .Широкое обобщение она нашла в работах Я. Д. Тамаркина [31], [51]. Хотя Я. Д. Тамаркин стал фактически рассматривать пучки обыкновенных дифференциальных операторов, он ограничился лишь простыми, однократными разложениями функций в ряды по элементам пучка. Это упущение было наверстано в широко известных работах М. В. Келдыша [21], [22], посвященных пучкам операторов, чуть позже в работах И. Ц. Гохберга, М. Г. Крейна [6], М. Л. Расулова [30] и многих других.

Для широких классов дифференциальных операторов, в том числе в частных производных, оригинальные и завершенные исследования даны в работах В. А. Ильина и его учеников [13]-[20].

С другой стороны, начиная с работ Гопкинса, Джексона, Уор-да [49], [50], [52], [53], М. В Келдыша, В. Б. Лидского [26], [27], А. П. Хромова [34]—[37], А. Г. Костюченко, А. А. Шкаликова [24], [38]—[40], Эбегарда [45], А. И. Вагабова [3]-[5], Фрейлинга [47], [48] изучены некоторые более широкие классы дифференциальных операторов — нерегулярные дифференциальные операторы и пучок обыкновенных линейных дифференциальных операторов. Много работ посвящено линейным самосопряженным "сингулярным" операторам.

Подспорьем теории пучков линейных дифференциальных операторов (в частности регулярных) является теория смешанных задач уравнений математической физики, в том числе теория обобщенных рядов Фурье для решения этих задач.

В этом отношении отметим, что традиционный метод Фурье приложим лишь в случае задач, для которых ее "пространственный оператор" является самосопряженным [2], [7], [23], [25], [26].

Следует, однако, подчеркнуть, что на сегодняшний день отсутствует законченная теория регулярных пучков обыкновенных дифференциальных операторов общего вида (см. ниже формулы (3)-(4)). Особенно это относится к трём пунктам:

1. Не были выяснены окончательные условия гладкости коэффициентов пучка.

2. Понятие регулярности удачно сформулированное Г. Бирк-гофом для частного случая, не нашло ясного продолжения. Это трудное понятие приводилось в запутаной форме, связанной с массой параметров и индексов, и недоступной с практической стороны, что являлось причиной частых заблуждений.

3. Строго говоря, нет ни одной работы конкретно посвященной именно пучку (3)-(4), являющемуся важнейшим обобщением случая, рассмотренного Г. Биркгофом.

Нами предложены новые асимптотические по параметру формулы решений обыкновенных линейных дифференциальных уравнений, даже в случае кратных корней характеристического уравнения. При этом найдены предельно слабые условия гладкости коэффициентов уравнения.

Удалось найти ясное геометрическое определение регулярности краевых условий, хорошо включающее в себя определение Г. Бирк-гофа и другие известные частные случаи. Установлена теорема об п,— кратном разложении в ряды Фурье, п функций по цепочкам для собственных и присоединенных функций пучка (3)-(4).

На основании построенной теории обоснована обобщенная теория рядов Фурье в приложении к широкому классу (не рассматривавшемуся ранее) смешанных задач для линейных дифференциальных уравнений гиперболического и параболического типов в плоском случае.

Дадим краткий обзор содержания нашей диссертационной работы и ее существенных сторон, изложенных в трех главах.

В § 1 главы 1 при минимальных требованиях гладкости коэффициентов доказана теорема об асимптотическом по параметру виде фундаментальной матрицы решений системы дифференциальных уравнений у' - АА(х, Х)у = 0, а <х <6, (1) где оо з=о

Предполагается, что:

1) А,(ж), ] > 0 — непрерывные на [а, Ь] п х п матрицы.

2) Характеристические корни <р1(х),., ц>п{х) различны при всех х, их аргументы и аргументы их разностей не зависят от ж. В случае же кратных характеристических корней считаем, что их кратность не зависит от ж, а также, что существует постоянная матрица М, трансформирующая Ао(х) к жордановой форме

М~1А0(х)М = J{x), J(x) = [Л (я),., Л (я)],

Зх (х),. ^(х) — клетки Жордана размеров ., к$.

Предполагается, что А^{х) = 0, при ] — 1, 2,., 2г — 1, где г = тах (&1,., к3).

Л-плоскость разбиваем на конечное число секторов $ с вершинами в О, для которых при определенной нумерации (¿з-корней справедливы неравенства

КеАс/^ж) ^ НеАс^ж) ^ • • • ^ ЫеА^ х), Лей1.

Доказана

Теорема 1. При условиях 1), 2) существует матричное решение системы (1), имеющее асимптотическое в секторе 5* (где 5 — любой из секторов) представление вида

А Г£>(Ш£ у(х,\) = {М(х)+Е(х,\)}е - , где £>(£) = diag(^pl(x),., (рп(х)) (случай простых (р-корпей), Е(х, А) —оо при А —* со, Л е 6*. В случае кратных (р-корней

2/(Ж,А) = {м + о(У}еЛ^КЖ, (2)

М — матрица, трансформирующая Ао (х) к жордановой форме.

Подобная же теорема 3 доказана для фундаментальной системы решений уравнения \Р1(х, Х)у(«-1) + • • • + ЛпРп(х, Х)у = О, где оо

Рг(х,\) = ^Р^МА-', г = !,.,п, |Л| » 1; ¿=0 р^оО^Рг.?'^) —непрерывные на [а, 6] функции.

Доказанные теоремы в частных случаях и при больших ограничениях встречались в [3], [4], [28], [32], но в такой общности и краткости изложены впервые.

§ 3 главы 1 посвящен понятию регулярности для пучка обыкновенных дифференциальных операторов вида:

1{у)= \коА(к°'к1\х)-^ -\ПУ, а < х <Ъ (3) ко<п с комплексным параметром Л, с граничными условиями вида ко+к\<Сп кг<п к v

Лхк1 0, (4) х=ь) где Л^0'^1) , V — комплекснозначные непрерывные функции, а^0^, — п-мерные столбцы констант. С помощью естественной процедуры предлагается из линейных комбинаций аЛ строить "определяющую" матрицу граничных условий (ск, /3) размеров п х 2п.

Пучок (3)-(4) мы называем регулярным, если выполнены условия а), б), в): а) ---при ко + к\ = п и А^0'*1)^) при + к\ < п непресиь рывны на [а, Ь]. б) Корни </?1(сс), • •. ,1рп(х) характеристического уравнения

А(°>п\х)<рп + А^1,п~1\х)срп~1 + • • • + А^п-1^1\х)ч> - 1 - 0 различны при всех ж, отличны от нуля, их аргументы и аргументы их разностей не зависят от ж.

Пусть ¿¿о — некоторая прямая, проходящая через начало координат и не содержащая точек ь

Прямой ¿о сопоставим два набора из чисел — уох,.,ъип набор {гУ1,. ,и)т} точек, содержащихся внутри одной из полуплоскостей, на которые ¿¿о делит комплексную плоскость (предполагается со-ответсвующая нумерация этих точек) и дополнительный набор — {гУ1,., и!п}\{гиь., нот}, содержащийся в смежной полуплоскости. в) Отличны от нуля определители

Ф T(a,ß) = п п j=1 j=l J=1 j=l n n n n ^2anjip3T-l(a) Yj ßnj<P3T+\(b). ^ ßnj^n1 ib) j=i i=i j=i (5) соответствующие всем наборам чисел Wi (или г'= l,n.

Подчеркнем широту данного определения регулярности, относящегося к пучку (3)-(4) самого общего вида, а также геометрическую ясность.

Случай, известный в литературе и рассмотренный Г. Биркгофом, относится к весьма узкой ситуации пучка (3)-(4) и регулярность по Г. Биркгофу моментально следует из нашего общего понятия регулярности.

В §4 главы 1 дан анализ нашего определения регулярности и доказано 5 предложений просто и глубоко раскрывающих понятие регулярности в пункте в):

1. Необходимым условием регулярности пучка (3)-(4) является условие г* ^ min (rank a, rank ß).

2. Условие min (rank а, rank ß) также необходимое условие регулярности пучка (3)-(4).

3. В случае, когда все (/?-корни вещественны и

4>\(х) < • • • < <рт(х) < 0 < <рт+1(х) < ■ ■ • < <Рп{х), условие регулярности в) заключается в отличии от нуля двух определителей Фт(а,(3) и Фп-т(а,(3).

4. Необходимыми условиями регулярности пучка (3)-(4) с распадающимися граничными условиями являются четность числа п и равенства для всех т из условия в).

5. В случае постоянных (^-корней периодические граничные условия определяют регулярную краевую задачу (при выполнении также условий а), б)).

Глава 2 посвящена проблеме п-кратных разложений в ряды Фурье по собственным элементам регулярной краевой задачи (3)-(4).

В первых трех параграфах дано исследование асимптотики и полюсов функции Грина регулярной задачи (3)-(4). При этом приходится вносить существенные изменения в традиционные леммы и рассуждения, вызванные изменениями в виде асимптотики фундаментальных решений уравнения 1(у) =0 при больших Л. Доказана

Теорема 6. Для функции Грина регулярного пучка, (3)-(4) справедливы асимптотические оценки гапк а — гапк (3 = т п 2 X д(х, Л) = при £ < х

6) X при X ^ £

Л £ X (для главной, разрывной части функции Грина А) ), и далее ys(x,X) A'(g,A) Л

Д(Л) Z-W

5 = 1 к,1=1 ы{х, А)

ЛП-1 X

С1

Л / Л / yk(t)dt х[Ц(0}е € е , AGS

7) для остальной слагаемой части С.

У] означает величину, стремящуюся к К при А оо, А € £ — один из секторов (любой), на которые прямые КеХ(р{ = 0, ИеА(<£>г — (ру) = 0 делят А-плоскость. Доказаны важные леммы.

Лемма 1. Определитель

1 1 . 1

Ч>\ <Р2. ■ • • • . <Аг

-1) п-1

Ч> 1

Ч>2

Ч>1 • ¥2 ■ ■ ■ • • Уп-1

Ц>2-Ч>3 - • <Рп Ч>\'Ч>Ъ • ■■■■Уп равен определителю Вадермонда У (991,.,

Лемма 2. Пусть Е(£, А) — непрерывная функция, определенная в полуплоскости RecX ^ 0, с = const 0, 0 ^ £ ^ 1, такая, что равномерно А)| In |А| —> 0 при X —у оо, тогда X

A)^->0, я > 0, при m —> оо

О Гт для контура Гт из полуплоскости Re сХ ^ 0, кратчайшее растояние которого от начала координат стремится к оо при m -У оо.

Эта лемма существенно обобщает соответствующую лемму из [51, стр. 43].

ЛЕММА 3. Если тригонометрические коэффициенты Фурье ат и

Ът функции /(ж), а ^ х ^ Ъ убывают как --, а Ых) £ С1\а,Ь),

1п т то коэффициенты Фурье произведения / (ж) Н(х) также убывают как 1

1п 171

Опираясь на сформулированные леммы в § 4, установлена теорема об п-кратном разложении.

ТЕОРЕМА 9. Пусть тригонометрические коэффициенты Фурье функций ^-А^ко,кх\х) при к0 + к\ — п и А(-к°'к1Цх) при к0 + к\ < п ах ^ убывают как --. Тогда справедлива формула п-кратного разло

1п т жения функций Уь^х), % — 0,п — 1 в ряды Фурье по производным цепочкам для собственных и присоединенных функций регулярного пучка (3)-(4). Полагается при этом, что /го, • • •, /¿п-2 — функции из области определения пучка (3)-(4), /гпх £ С1 [а, Ь].

Отметим, что доказательство теоремы 9 в литературе дано непосредственно лишь в случае частного пучка типа Г. Биркгофа, где речь идет об однократном разложении [29, с. 91].

Глава 3 посвящена приложению изложенной теории к решению обобщенным методом Фурье смешанных задач для уравнений гиперболического и параболического типов.

В части первой главы 3 рассматривается следующая гиперболическая смешанная задача

Яп ^Яко+к!» у п . + а<х<ъ, (8) ко+кг^-п к0<п дки дьк Ьк{х), к = 0,п — 1. (10) t=o

Задаче (8)—(10) сопоставляется пучок (3)-(4) с более частным видом граничных условий (4'), определенных граничными условиями (9).

Пусть выполняются условия

А{коМ)(х\ а) Функции -¿хт+1 - е ^[(1, Ч ПРИ "I" = ТП, ш = 0, п. б) Корни ^х(ж),. характеристического уравнения А^п\х)фп + А^1^"1^®)^-1 + • • • + ~ 1 - 0 вещественны, различны при всех х и отличны от нуля. в) Два определителя ФТ(а,(3) и Фпт(а,/3) отличны от нуля (см. выше случай вещественных ^-корней). г) ко,., Нп-2 — функции из области определения пучка (3)-(4'),

К-Лх) е С[а,ь], л 0, г = 0, п — 1, 7 = 0, п — г. х=а,о д) f(t,x) непрерывна на [0, Т] х [а, Ь].

Теорема 11. При условиях а)-д) задача (8)-(10) имеет единственное классическое решение. Оно может быть представлено в виде ряда Фурье по корневым функциям пучка (3)-(4'): ъ я) = Нт У* ехЧ\ I \)<Ц

ГI а

Ъ Ь

1аХ! ^М^ПОГЧ I ех^/(т,()с1т, (11) гг а 0 где п-1 к0=О ко+кг^-п 1^к0<п

ГI — последовательность замкнутых расширяющихся в Х-плоскости контуров с центром в О, таких, что между Г/ и Грасположен хотя бы один полюс функции Грина Л). Сами Г; проходят вне 8-окрестности полюсов.

Доказано также, что решение (11) допускает представление ъ

ЯеХ=Н>>0 а ъ г

1\ (М'-^Дт^т, ¿>0

2тгг у

ИеЛ=Я а 0

12)

Формулы (11), (12) в частных случаях дают возможность эффектного выражения для решения.

Так в случае задачи о колебании конечной струны д 2 и д2и дг2 " дх2' и\х=0,1 = 0 дки дгк — г=о

13)

Кк (х), А; = 0,1 составляется функция Грина соответсвующего пучка е-А|®-£| еА(1-х-0 е-А(1+х-0 + е-Л(1-®-0 е-Л(1+£-а0

2А 2А(ел-е-л) и по формуле (11) подсчитывая вычеты в полюсах Л = /стгг, к Е Ъ для функции G, находим решение в виде тригонометрического ряда Фурье: оо и х) = ^^ 2 / /г-о (О ^ к7г£с1£ сое ктгЬ эт &7гж4с=1 оо ^^ —— / /г1 вт ктт^^Бт кжЬ вт ктсх, ктт , к=1 "0

М Е С2[0,1], /11 € Сх[0,1], 4Я|од = 0, 3 = 0,1, /ц|0>1 = 0. В случае другой задачи

Лд2и д2и д2и ■ Я+7) Я 2 = ' 0<ж<1, ¿>0, о¥ дъох ох2 и=од =0, Л дьк

4>к(х), к = 0,1,

4=0 С2[0,1], ^еС^ОД], <ро\х=ол1 = 0, с использованием формулы (12) и выполнением интегрирований по Л, получено представление и ч 2 / А 1 ^ Г /г '

3 (® +2 ) + +3+ - х - АЛ „ ' ' : Л А + 2х - к - 3 -2<А) -7Г— -(^о(^ + 3-£-2ж)+2^о ---

2 / А 1 °° Г Ф1(®-*) + -Ф1 (з+.з) ~ з { 2ф1(^ + 3 + ж - ¿) + о

2Ф1 (1 I М - 2Ф + 3 - г - 2х) - 2Ф1 + я: где Ф.!(ж) = у о

При этом (ро и Ф1 надо считать равными нулю вне [0,1], а Фг(1) Фх(1) полагать равным —-—. л

Часть вторая главы 3 посвящена смешанной задаче для параболического уравнения. дти

2т-1 Е кх= О и ко<т а кг) ^ дхкх дгк°дхк1 дк1 /(¿, ж), а < х < Ь, £ > О, х=а ^1) ^ дхкг

О, и дЬк° Кко(х), к0 = 0,т-1.

14)

15)

16) о

Пучок, который ставится в соответствие задаче (14)—(16) имеет вид: дк]

2т

2т—1 Е

V кг= о ск

0 ^ дхкг х=а дхкг

17) 0. х=Ь ■

Предполагается, что

А(2коМ) (х\ а) Функции ---— при 2ко + к\ = 2т, и АЛ2*0'**) (ж) при ах

2ко + к\ < 2т непрерывны на [а, 6]. . б) (^-корни характеристического уравнения

А(0,2т)(фт + А(2,2т-2)(ж^т-1 + . . . + ¿(2*1-2,2)^ Х = 0 имеют вид

7Г щ{х) = г = 1,771, д(ж) > 0, ж € [а, 6], < с» ф с^ при г ф в) Граничные условия пучка (17) регулярны в смысле отличия от нуля определителей Фт(ск,/3), указанных выше в пункте в), относящемуся пучку к (3)-(4). г) Ък(х) к = 0,., га — 2, принадлежат области определения задачи (14)—(16), то есть имеют 2га непрерывных производных и удовлетворяют краевым условиям (15) д) f{t,x) непрерывна на [О,Т] х [а,Ц.

Доказана ь х) = Нт [ ехНа\ [ А

I—юо 27гг у у

Теорема 14. При условиях а)-д) формула ъ ч —1 А А2*

00 27гг

Тг а ъ г \ 1 о /

Тг а О

- Нт Л,ЛI I

18) при одном из условий еС([а,6]х[0,Т]), /(О.ЯОЕЕО, либо еС([а,6] х[0,Т]), /|х=а>ь = 0. определяет единственное классическое решение задачи (14)-(16). Здесь Т1 — замкнутые контуры с центром в 0 из \-плоскости, проходящие вне 6-окрестности полюсов С(х, Л), причем наименьшее расстояние Т\ от начала координат стремится к оо при I —> сю.

Решение (18) допускает также представление вида о ^ I ех2Ч\ I 0(х, /г, А)с££и

4 ' 7гг ь о г

-¿У Асгл I /ел2(*-г)/(т,^т, (19)

Ь а О г > о, где £ = и ¿2,■ = {А, |А| = 1, |аг£Л| < а0}, {А, |А| > 1, aгgA = ±О!0}, ао = ^ + ^ ~ тахад#<р»). В формулах (18), (19)

ГП — 1 к0=0 лк 1

Отметим, что в конструктивной форме теоремы существования и единственности для задач (8)—(10) и (14)—(16) в столь общей постановке не решались ранее в литературе (см. [25], [30]).

В заключительном § 3 главы 3 в качестве иллюстраций теоремы 15 рассмотрена задача распространения тепла в ограниченном стержне: ди д2и ' ■ од = о, (20) и

4=0,= Цх), Н(0) = Н(1) = 0; Н(х) <Е С1[а,Ъ].

Находя решение этой задачи соответственно по формулам (18), (19), придем к двум представлениям решения задачи: оо \ и(г,х) = / /г(£) 8тктг£с1£е~к27т2* вткттх, о

-е + « сЬ ^ у /

Первое — ряд Фурье по тригонометрической системе, второе — интеграл от экспоненциального ряда.

Связующим логическим звеном всей работы является теория пучка (8)-(9).

Текст диссертации разбит на три главы, носящих в определенной степени самостоятельный характер. Мы сочли целесообразным вести единую нумерацию формул всего текста, а также единую нумерацию всех теорем и лемм. Основные результаты диссертации опубликованы в работах [8]-[12] и докладывались на VII международной конференции в Абрау-Дюрсо, на семинарах математического факультета ДГУ и ДГПУ, на городском семинаре по математике в г. Махачкале. В совместной работе [9] Вагабову А. И. принадлежит постановка проблемы регулярности пучка (3)-(4).

1. Абдусаламов X. А. Решение смешанных задач для квазилинейных параболических систем // Диссертация кандидата физико-математических наук. 2000. Махачкала. 71с.

2. Березанский Ю. М. Разложение по собственным функциям самосопряженных операторов. Киев, 1965. 798 с.

3. Вагабов А. И. Введение в спектральную теорию дифференциальных операторов. Ростов-на Дону.Изд-во РГУ, 1994. -160 с.

4. Вагабов А. И. Об уточнении асимптотической теоремы Тамар-кина // ДУ. Т. 29, № 1. 1993. С. 41-49.

5. Вагабов А. И. Об условиях гладкости коэффициентов регулярных дифференциальных операторов // Докл. РАН. Т. 363, №5. 1998. С. 583-585.

6. Гохберг И. Д., Крейн М. Г. Введение в теорию линейных несамосопряженных операторов. М., 1965. 448 с.

7. Жданович В. Ф. Решение методом Фурье несамосопряженных смешанных задач для гиперболических систем на плоскости // Матем. сборник. Т.47(89), №3. 1959. С. 307-354; Т. 48(90), №4. 1959. С. 447-498; Т. 49(91), ЖЗ. 1959. С. 223-266.

8. Ибрагимов М. Г., Вагабов А. И. Краевая задача с диссипа-тивным операторным коэффициентом // Сб. "Материалы VII международной конференции", Ростов-на-Дону. 1999. С. 14.

9. Ибрагимов М. ГВагабов А. И. Теория общего регулярного пучка обыкновенных дифференциальных операторов // Деп. в ВИНИТИ. №3386-В99, 1999. 45 с.

10. Ибрагимов М. Г. Смешанная задача для гиперболического уравнения // Сб. "Функционально-дифференциальные уравнения и их приложения", Махачкала, Изд-во ДГУ. 2000. С. 55-58.

11. Ибрагимов М. Г. О нахождении решений смешанных задач посредством начальных функций // " Вестник ДГУ-2000", Махачкала, Изд-воДГУ. 2000.

12. Ибрагимов М. Г. Теорема единственности решения смешанной задачи для общего линейного гиперболического уравнения на плоскости // "Вестник ДНЦ РАН", Махачкала, Изд-во ДНЦ РАН. №8.2000.

13. Ильин В. А. О разрешимости смешанных задач для гиперболического и параболического уравнений // УМН. Т. 15., №2(92). 1960. С. 98-154.

14. Ильин В. А. О сходимости разложений по собственным функциям оператора Лапласа // УМН. Т. 13., № 1. 1958. С. 87-180.

15. Ильин В. А. Проблемы локализации и сходимости для рядов Фурье по фундаментальным системам функций оператора Лапласа // УМН. Т. 23., № 2. 1968. С. 61-120.

16. Ильин В. А. Необходимые и достаточные условия базисности и равносходимости с тригонометрическим рядом спектральных разложений. I, II //ДУ. 1980. Т. 16., №5. С. 771-794; Т. 16, №6. С. 981-1009.

17. Ильин В. А. Необходимые и достаточные условия базисности в 1/2 и равносходимости с тригонометрическим рядом спектральных разложений и разложений по системам экспонент // ДАН СССР. Т. 273., №4. 1983. С. 789-792.

18. Ильин В. А. О безусловной базисности на замкнутом интервале систем собственных и присоединенных функций дифференциального оператора второго порядка // ДАН СССР. Т. 273., №5. 1983. С. 1048-1053.

19. Ильин В. А. Необходимые и достаточные условия базисности Рисса корневых векторов разрывных операторов второго порядка // ДУ. Т. 22., № 12. 1986. С. 2059-2071.

20. Ильин В. А., Йо И. Оценка разности частичных сумм разложений, отвечающих двум произвольным неотрицательным самосопряженным расширениям двух операторов типа Штурма-Лиувилля для абсолютно непрерывной функции // ДУ. Т. 15., №7.1979.0.1175-1193.

21. Келдыш М. В. О собственных функциях и собственных значениях некоторых классов несамосопряженных линейных уравнений //ДАН СССР. Т. 77., №1. 1951. С. 11-14.

22. Келдыш М. В. О полноте собственных функций некоторых классов несамосопряженных линейных операторов // УМН. Т. 26., № 4. 1971. С. 15-41.

23. Коробейник Ю. Ф., Дедушев А. В. Решение смешанной задачи методом Фурье // Изв. СКНЦ ВШ. Ест. науки. № 1. 1980. С. 1116.

24. Костючепко А. Г., Шкаликов А. А. О суммируемости разложений по собственным функциям дифференциальных операторов и операторов свертки // Функц. анализ. Т. 12., №4. 1978. С. 24-40.

25. Ладыженская О. А. Краевые задачи математической физики. М., 1973.307 с.

26. Лидский В. Б. О суммируемости рядов по главным векторам несамосопряженных операторов // Труды Моск. матем. общества. Т. 11. 1962. С. 3-35.

27. Лидский В. Б. О разложении в ряд Фурье по главным функциям несамосопряженного эллиптического оператора // Матем. сборник. Т. 57., №2.1962. С. 137-150.

28. Ломов С. А. Введение в общую теорию сингулярных возмущений. М., 1981.

29. Наймарк М. А. Линейные дифференциальные операторы. М.:Наука. 1969. ^

30. Расулов М. Л. Метод контурного интеграла. М.: Наука, 1964.462с.

31. Тамаркин Я. Д. О некоторых общих задачах теории обыкновенных дифференциальных уравнений и разложении произвольных функций в ряды. Петроград, тип. М. П. Фроловой, 1917. 308с.

32. Федорюк М. В. Асимптотические методы для линейных обыкновенных дифференциальных уравнений. М., 1983. 352 с.

33. Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. Т.2,М.: Наука, 1966.500с.

34. Хромов А. П. Разложение по собственным функциям обыкновенных линейных дифференциальных операторов с нерегулярными распадающимися краевыми условиями // Матем. сборник. Т. 70, №3. 1966. С. 310-329.

35. Хромов А. П. О порождающих функциях вольтерровых операторов // Матем. сборник. Т. 102(144), №3. 1977. С. 457-472.

36. Шкаликов А. А. О полноте и базисности собственных и присоединенных функций краевых задач для обыкновенных дифференциальных уравнений // Дис. канд. физ.-мат. наук. 1977.121с.

37. Шкаликов А. А. О полноте собственных и присоединенных функций обыкновенного дифференциального оператора с нерегулярными краевыми условиями // Функц. анализ. Т. 10, №4. 1976. С.69-80.

38. Шкаликов А. А/Краевые задачи для обыкновенных дифференциальных уравнений с параметром в граничных условиях // Тр. семинара им. И. Г. Петровского. Вып. 9. 1983. С. 190-229.

39. Эйдельман С. Д. Параболические системы. М.: Наука, 1964.

40. Agmon S. On the eigenfunctions and on the eigenvalues of general alliptic boundary value problems // Comm. Appl. Math. V. 15. 1962. P. 119-147.

41. Eberhard W. Zur Vollstanddigkeit des Biortogonalsystems von Eigenfunktionen irregulärer Eigenwertprobleme // Math. Z. № 146. 1976. S. 213-221.

42. Flax A. H. Aeroelastic problems at Supersonic Speed // Second Internat. Aeronautical Conference. New York. 1949. P. 322-360.

43. Freiling G. Zur Vollstanddigkeit des Systems der Eigenfunktionen und Hauptfunktionen irregulärer Operatorbuschel // Math. Z. Bd. 1881984. S. 55-68.

44. Freiling G. Uber die mehrfache Vollstanddigkeit des Systems die Eigenfunktionen und assoziierten Funktionen in ¿2(0, l) // Z. Angew. Math. u. Mech. Bd. 65, №5. 1985. S. 336-338.

45. Hopkins J. W. Some convergent developments associated with irregular boundary conditions // Trans. Amer. Math. Soc. V. 20. 1919. P. 245259.- 86

46. Jacksen D. Expansion problem with irregular boudary conditions // Proc. Amer. Acad. Y. 51. 1916. P. 383-417.

47. Tamarkin J. Some general problems of theory of ordinary linear differential equations and expansion of an arbitrary function in series of fundamental functions // Math. Zs. V. 27. 1927. P. 1-54.

48. Ward L. An irregular bounded value and expansion problem // Ann. Math. V. 26. 1925. P. 21-36.

49. Ward L.A third-order irregular boundedary value problem and the associated series // Amer. J. of Math. V. 57. 1935. P. 345-362.