Нелинейное интегро-дифференциальное уравнение типа свертки с переменным коэффициентом и неоднородностью в линейной части
Автор: Асхабов Султан Нажмудинович
Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru
Статья в выпуске: 4 т.22, 2020 года.
Бесплатный доступ
Изучается вольтерровское интегро-дифференциальное уравнение типа свертки со степенной нелинейностью, переменным коэффициентом a(x) и неоднородностью f(x) в линейной части, которое тесно связано с соответствующим нелинейным интегральным уравнением, возникающим при исследовании инфильтрации жидкости из цилиндрического резервуара в изотропную однородную пористую среду, при описании процесса распространения ударных волн в трубах, наполненных газом, при решении задачи о нагревании полубесконечного тела при нелинейном теплопередаточном процессе, в моделях популяционной генетики и других. Важно отметить, что в связи с указанными и другими приложениями особый интерес представляют непрерывные положительные при x>0 решения интегрального уравнения. На основе полученных точных нижней и верхней априорных оценок решения интегрального уравнения мы строим весовое полное метрическое пространство Pb, инвариантное относительно нелинейного интегрального оператора свертки, порожденного этим уравнением, и, применяя метод весовых метрик (аналог метода Белицкого), доказываем глобальную теорему о существовании и единственности решения изучаемого нелинейного интегро-дифференциального уравнения как в пространстве Pb, так и во всем классе Q10 непрерывно дифференцируемых положительных при x>0 функций. Показано, что решение может быть найдено в пространстве Pb методом последовательных приближений пикаровского типа. Для последовательных приближений получены оценки скорости их сходимости к точному решению в терминах весовой метрики пространства~Pb. В частности, при f(x)=0 из этой теоремы вытекает, что соответствующее однородное нелинейное интегро-дифференциальное уравнение, в отличие от линейного случая, имеет нетривиальное решение. Приведены также примеры, иллюстрирующие полученные результаты.
Интегро-дифференциальное уравнение, степенная нелинейность, переменный коэффициент, априорные оценки, последовательные приближения, метод весовых метрик
Короткий адрес: https://sciup.org/143172462
IDR: 143172462 | УДК: 517.968.74 | DOI: 10.46698/e6476-5914-8893-f
A convolution type nonlinear integro-differential equation with a variable coefficient and an inhomogeneity in the linear part
We study a Volterra integro-differential equation of convolution type with a power nonlinearity, variable coefficient a(x) and an inhomogeneity f(x) in the linear part, which is closely related to the corresponding nonlinear integral equation, arising in the study of fluid infiltration from a cylindrical reservoir into an isotropic homogeneous porous medium, when describing the process of propagation of shock waves in gas-filled pipes, when solving the problem about heating a half-infinite body in a nonlinear heat-transfer process, in models of population genetics, and others. It is important to note that in relation to the above-mentioned and other applications, of special interest are continuous positive (for x>0) solutions of the integral equation. Based on the obtained exact lower and upper a priori estimates for the solution of the integral equation, we construct a weighted complete metric space Pb, invariant with respect to the nonlinear integral convolution operator generated by this equation, and, using the method of weighted metrics (an analogue of Belitsky's method), we prove the global existence theorem and the uniqueness of the solution of the nonlinear integro-differential equation under study both in the space Pb and in the whole class Q10 of continuously differentiable functions positive for x>0. It is shown that the solution can be found in the Pb space by a successive approximation method of the Picard type. Estimates for the rate of convergence of the successive approximations to the exact solution in terms of the weight metric of the space Pb are derived. In particular, for f(x)=0, this theorem implies that the corresponding homogeneous nonlinear integro-differential equation, in contrast to the linear case, has a nontrivial solution. Examples are also given to illustrate the results obtained.
Список литературы Нелинейное интегро-дифференциальное уравнение типа свертки с переменным коэффициентом и неоднородностью в линейной части
- Гахов Ф. Д., Черский Ю. И. Уравнения типа свертки. М.: Наука, 1978. 296 с.
- Пресдорф З. Некоторые классы сингулярных уравнений. М.: Мир, 1979. 496 с.
- Асхабов С. Н. Нелинейные уравнения типа свертки. М.: Физматлит, 2009. 304 с.
- Brunner H. Volterra Integral Equations: an Introduction to the Theory and Applications. Cambridge: Cambridge Univ. Press, 2017. 387 p. DOI: 10.1017/9781316162491
- Асхабов С. Н., Карапетянц Н. К., Якубов А. Я. Интегральные уравнения типа свертки со степенной нелинейностью и их системы // Докл. АН СССР. 1990. Т. 311, № 5. С. 1035-1039.
- Askhabov S. N., Betilgiriev M. A. A-priori estimates for the solutions of a class of nonlinear convolution equations // Zeitschrift fur Analysis und ihre Anwendungen. 1991. Vol. 10, № 2. P. 201-204.
- DOI: 10.4171/ZAA/442
- Kilbas A. A., Saigo M. On solution of nonlinear Abel-Volterra integral equations // J. Math. Anal. Appl. 1999. Vol. 229, № 1. P. 41-60.
- DOI: 10.1006/jmaa.1998.6139
- Karapetiants N. K., Kilbas A. A., Saigo M., Samko S. G. Upper and lower bounds for solutions of nonlinear Volterra convolution integral equations with power nonlinearity // J. Integr. Equat. Appl. 2001. Vol. 12, № 4. P. 421-448.
- DOI: 10.1216/jiea/1020282237
- Okrasinski W. Nonlinear Volterra equations and physical applications // Extracta Math. 1989. Vol. 4, № 2. P. 51-74.
- Эдвардс Р. Функциональный анализ: теория и приложения. М.: Мир, 1969. 1072 с.
- Асхабов С. Н. Интегро-дифференциальное уравнение типа свертки со степенной нелинейностью и неоднородностью в линейной части // Диф. уравнения. 2020. Т. 56, № 6. С. 786-795. DOI: 1134/S0374064120060102.
- Okrasinski W. On the existence and uniqueness of nonnegative solutions of a certain nonlinear convolution equation // Annal. Polon. Math. 1979. Vol. 36, № 1. P. 61-72.