Усреднение высокочастотной гиперболической системы квазилинейных уравнений с большими слагаемыми

Автор: Левенштам Валерий Борисович

Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru

Статья в выпуске: 4 т.25, 2023 года.

Бесплатный доступ

Одним из мощных асимптотических методов теории дифференциальных уравнений является метод усреднения, который связывают с именами известных исследователей Н. М. Крылова и Н. Н. Боголюбова. Этот метод глубоко разработан не только для обыкновенных дифференциальных и интегральных уравнений, но и для многих классов уравнений в частных производных. Однако для гиперболических систем дифференциальных уравнений метод усреднения изучен еще недостаточно. Для полулинейных гиперболических систем он обоснован в работах Ю. А. Митропольского, Г. П. Хомы и некоторых других авторов. Кроме того, ранее рядом авторов был предложен и обоснован алгоритм построения полных асимптотик решений таких систем; решение усредненной задачи является при этом главным членом асимптотики. В данной работе исследуется задача Коши в многомерном пространственно-временном слое для гиперболической системы квазилинейных дифференциальных уравнений первого порядка с быстро осциллирующими по времени слагаемыми. Среди такого рода слагаемых правой части могут быть большие - пропорциональные корню квадратному из высокой частоты осцилляций, причем большие слагаемые имеют по быстрой переменной (произведение частоты и времени) нулевое среднее. Спецификой рассматриваемой системы является то обстоятельство, что слагаемые ее уравнений не зависят явно от пространственных переменных. Для указанной задачи Коши построена предельная (усредненная) при стремлении частоты осцилляций к бесконечности задача и обоснован предельный переход (метод усреднения). Последнее означает доказательство однозначной разрешимости исходной (возмущенной) задачи и обоснование равномерной во всем слое асимптотической близости решений исходной (возмущенной) и усредненной задач.

Еще

Многомерная гиперболическая система квазилинейных уравнений, большие быстро осциллирующие по времени слагаемые, задача коши, обоснование метода усреднения

Короткий адрес: https://sciup.org/143180941

IDR: 143180941   |   УДК: 517.955.8   |   DOI: 10.46698/a2304-7639-9051-d

Averaging of a high-frequency hyperbolic system of quasi-linear equations with large terms

One of the powerful asymptotic methods of the theory of differential equations is the well-known averaging method, which is associated with the names of famous researchers N. M. Krylov and N. N. Bogolyubov. This method is deeply developed not only for ordinary differential and integral equations, but also for many classes of partial differential equations. However, for hyperbolic systems of differential equations, the averaging method has not been sufficiently studied. For semilinear hyperbolic systems, it is justified in the works of Yu. A. Mitropolsky, G. P. Khoma and some other authors. In addition, a number of authors have previously proposed and justified an algorithm for constructing complete asymptotics of solutions of such systems; the solution of the averaged problem is the main member of the asymptotics. In this paper, we study the Cauchy problem in a multidimensional space-time layer for a hyperbolic system of first-order quasi-linear differential equations with rapidly time-oscillating terms. Among such terms of the right part there may be large - proportional to the square root of the high frequency of oscillations, and the large terms have a zero mean for the fast variable (the product of frequency and time). The specificity of the problem is the fact that the terms of the equations do not explicitly depend on spatial variables. For this problem, a limit (averaged) problem is constructed with the oscillation frequency tending to infinity and a limit transition (averaging method) is justified. The latter means proving the unambiguous solvability of the original (perturbed) problem and substantiating the asymptotic proximity of solutions of the original (perturbed) and averaged problems uniform throughout the layer.

Еще

Список литературы Усреднение высокочастотной гиперболической системы квазилинейных уравнений с большими слагаемыми

  • Боголюбов Н. Н., Митропольский Ю. А. Асимптотические методы в теории линейный колебаний. М.: Наука, 1974. 408 с.
  • Митропольский Ю. А. Лекции по методу усреднения в нелинейной механике. Киев: Наукова думка, 1966. 469 с.
  • Симоненко И. Б. Метод усреднения в теории параболических уравнений с приложениями к задачам гидродинамической устойчивости. Ростов-н/Д.: РГУ, 1983.
  • Левенштам В. Б. Обоснование метода усреднения для параболических уравнений, содержащих быстро осциллирующие слагаемые с большими амплитудами // Изв. РАН. Сер. матем. 2006. Т. 70, № 2. С. 25-26. DOI: 10.4213/im555.
  • Левенштам В. Б. Старшие приближения метода усреднения для параболических начально-краевых задач с быстро осциллирующими коэффициентами // Дифференц. уравнения. 2003. Т. 39, № 10. C. 1395-1403.
  • Ivleva N., Levenshtam V. Asymptotic analysis of the generalized convection problem // Eurasian Math. J. 2015. Vol. 6, № 1. P. 41-55.
  • Левенштам В. Б. О взаимосвязи двух классов решений уравнений Навье Стокса // Владикавк. матем. журн. 2010. Т. 12, № 3. С. 56-66.
  • Митропольский Ю. А., Хома Г. П. О принципе усреднения для гиперболических уравнений вдоль характеристик // Укр. матем. журнал. 1970. Т. 22, № 5. С. 600-610.
  • Хома Г. П. Теорема об усреднении для гиперболических систем первого порядка // Укр. матем. журнал. 1970. Т. 22, № 5. С. 699-704.
  • Капикян А. К., Левенштам В. Б. Уравнения в частных производных первого порядка с большими высокочастотными слагаемыми // Журн. вычисл. мат. и мат. физики. 2008. Т. 48, № 11. С. 2024-2041.
  • Назаров А. К. Асимптотический анализ эволюционных высокочастотных задач: Дис. ... канд. физ.-мат. наук. Ростов-н/Д, 2017.
  • Левенштам В. Б. Дифференциальные уравнения с большими высокочастотными слагаемыми. Ростов-н/Д: Изд. ЮФУ, 2010.
  • Rheinboldt W. Local mapping relations and global implicit function theorems. // Trans. Amer. Math. Soc. 1969. Vol. 138. P. 183-198. DOI: 10.1090/S0002-9947-1969-0240644-0.
  • Hadamard J. Sur les transformations ponctuelles // Bull. Soc. Math. France. 1906. Vol. 34. P. 71-84.
  • Ортега Дж., Рейнбол В. Итерационные методы решения нелинейных систем уравнений со многими неизвестными. М.: Мир, 1975. 558 с.
  • Арутюнов А. В., Жуковский С. Е. Глобальная и полулокальная теорема о неявной и об обратной функциях в банаховом пространстве // Матем. сб. 2022. Т. 213, № 1. С. 3-45. DOI: 10.4213/sm9483.
  • Петровский И. Г. Лекции по теории обыкновенных дифференциальных уравнений. М.: Гостиздат, 1952. 295 c.
Еще