Все выпуски

Работа посвящена исследованию разрешимости обратной краевой задачи с неизвестным коэффициентом и правой частью, зависящей от времени, для линеаризованного уравнения Бенни-Люка с несамосопряженными краевыми и с дополнительными интегральными условиями. Задача рассматривается в прямоугольной области. Дается определение классического решения поставленной задачи. Сначала рассматривается вспомогательная обратная краевая задача и доказывается ее эквивалентность (в определенном смысле) исходной задаче. Для исследования вспомогательной обратной краевой задачи сначала используется метод разделения переменных. После применения формальной схемы метода разделения переменных решение прямой краевой задачи (при заданной неизвестной функции) сводится к решению задачи с неизвестными коэффициентами. После этого решение задачи сводится к решению некоторой счетной системы интегро-дифференциальных уравнений относительно неизвестных коэффициентов. В свою очередь, последняя система относительно неизвестных коэффициентов записывается в виде одного интегро-дифференциального уравнения относительно искомого решения. Затем, используя соответствующие дополнительные условия обратной вспомогательной краевой задачи, для определения неизвестных функций получаем систему двух нелинейных интегральных уравнений. Таким образом, решение вспомогательной обратной краевой задачи сводится к системе из трех нелинейных интегро-дифференциальных уравнений относительно неизвестных функций. Строится конкретное банахово пространство. Далее, в шаре из построенного банахова пространства с помощью сжатых отображений доказывается разрешимость системы нелинейных интегро-дифференциальных уравнений, которая также является единственным решением вспомогательной обратной краевой задачи. С использованием эквивалентности задач доказывается существование и единственность классического решения исходной задачи.

The paper investigates the solvability of an inverse boundary-value problem with an unknown coefficient and the right-hand side, depending on the time variable, for the linearized Benney-Luke equation with non-self-adjoint boundary and additional integral conditions. The problem is considered in a rectangular domain. A definition of the classical solution of the problem is given. First, we consider an auxiliary inverse boundary-value problem and prove its equivalence (in a certain sense) to the original problem. To investigate the auxiliary inverse boundary-value problem, the method of separation of variables is used. By applying the formal scheme of the variable separation method, the solution of the direct boundary problem (for a given unknown function) is reduced to solving the problem with unknown coefficients. Then, the solution of the problem is reduced to solving a certain countable system of integro-differential equations for the unknown coefficients. In turn, the latter system of relatively unknown coefficients is written as a single integro-differential equation for the desired solution. Next, using the corresponding additional conditions of the inverse auxiliary boundary-value problem, to determine the unknown functions, we obtain a system of two nonlinear integral equations. Thus, the solution of an auxiliary inverse boundary-value problem is reduced to a system of three nonlinear integro-differential equations with respect to unknown functions. A special type of Banach space is constructed. Further, in a ball from a constructed Banach space, with the help of contracted mappings, we prove the solvability of a system of nonlinear integro-differential equations, which is also the unique solution to the auxiliary inverse boundary-value problem. Finally, using the equivalence of these problems the existence and uniqueness of the classical solution of the original problem are proved.

В этой статье мы предлагаем новый метод численной аппроксимации для решения единственного решения нелинейного интегро-дифференциального уравнения Вольтерра. Нас интересует особая форма этого уравнения, в которой производная искомого решения появляется под знаком интеграла нелинейным образом. Наше видение основано на двух разных подходах: мы используем метод Нистрёма для преобразования интеграла в конечную сумму, используя формулу численного интегрирования, затем мы используем метод численной обратной разностной производной для приближения к производной нашего решения. Такое сопоставление двух разных методов, первого результата численной обработки интегральных уравнений и второго результата численной обработки дифференциальных уравнений, дает новую нелинейную систему для приближения к решению нашего уравнения. Мы показываем, что система имеет единственное решение и что это численное решение идеально сходится к нашему решению. Раздел посвящен численным тестам, в которых мы показываем эффективность нашего нового видения по сравнению с двумя методами, основанными только на численном интегрировании.

In this article, we propose a new numerical approximation method to deal with the unique solution of the nonlinear integro-differential Volterra equation. We are interested in a very particular form of this equation, in which the derivative of the sought solution appears under the integral sign in a nonlinear manner. Our vision is based on two different approaches: We use the Nyström method to transform the integral into a finite sum using a numerical integration formula, then we use the numerical backward difference derivative method to approach the derivative of our solution. This collocation between two different methods, the first outcome of the numerical processing of integral equations and the second outcome of the numerical processing of differential equations, gives a new nonlinear system for approaching the solution of our equation. We show that the system has a unique solution and that this numerical solution converges perfectly to our solution. A section is dedicated to numerical tests, in which we show the effectiveness of our new vision compared to two methods based only on numerical integration.

В ограниченной по переменной $z$ области, имеющей слабо горизонтальную неоднородность, исследуется задача определения сверточного ядра $k(t,x)$, $t>0$, $x\in {\Bbb R}$, входящего в гиперболическое интегро-дифференциальное уравнение второго порядка. Предполагается, что это ядро слабо зависит от переменной $x$ и разлагается в степенной ряд по степеням малого параметра $\varepsilon$. Построен метод нахождения первых двух коэффициентов $k_{0}(t)$, $k_{1}(t)$ этого разложения по заданным первым двум моментам по переменной $x$ решения прямой задачи при $z=0$.

The problem of determining the convolutional kernel $k(t,x)$, $t>0$, $x \in {\Bbb R}$, included in a hyperbolic integro-differential equation of the second order, is investigated in a domain bounded by a variable $z$ and having weakly horizontal heterogeneity. It is assumed that this kernel weakly depends on the variable $x$ and decomposes into a power series by degrees of a small parameter $\varepsilon$. A method for finding the first two coefficients $k_{0}(t)$, $k_{1}(t)$ of this expansion is constructed according to the given first two moments in the variable $x$ of the solution of the direct problem at $z=0$.

В работе исследована одна обратная краевая задача для эллиптического уравнения второго порядка с дополнительным интегральным условием первого рода. Для рассматриваемой обратной краевой задачи вводится определение классического решения. С помощью метода Фурье задача сводится к решению системы интегральных уравнений. С помощью метода сжатых отображений доказывается существование и единственность решения системы интегральных уравнений. Далее доказывается существование и единственность классического решения исходной задачи.

An inverse boundary value problem for the second order elliptic equation with an additional integral condition of the first kind is investigated. We introduce the definition of a classical solution for the considered inverse boundary value problem reduced to solving of the system of integral equations by the use of the Fourier method. First, the existence and uniqueness of solutions of the system of integral equations are proved by using the method of contraction mappings; and then the existence and uniqueness of classical solutions of the original problem are proved.

Рассматривается нелинейная управляемая система в конечномерном евклидовом пространстве, заданная на конечном промежутке времени. Изучается одна из основных задач математической теории управления - задача о сближении фазового вектора управляемой системы с компактным целевым множеством в фазовом пространстве в фиксированный момент времени. В этой работе в качестве целевого множества выбрано множество Лебега скалярной липшицевой функции, определенной на фазовом пространстве. Упомянутая задача о сближении тесно связана с многими важными и ключевыми задачами теории управления, в частности с задачей об оптимальном по быстродействию приведении управляемой системы на целевое множество. Из-за сложности задачи о сближении для нетривиальных управляемых систем аналитическое представление решений невозможно даже для относительно простых управляемых систем. Поэтому в настоящей работе мы изучаем прежде всего вопросы, связанные с конструированием приближенного решения задачи о сближении. Конструирование приближенного решения тем методом, который изложен в работе, связано прежде всего с конструированием интегральной воронки управляемой системы, представленной в так называемом «обратном» времени. К настоящему времени известно несколько алгоритмов конструирования разрешающего программного управления в задаче о сближении. Здесь представлен алгоритм построения управления, основанный на максимальном притяжении движения системы к множеству разрешимости задачи о сближении. В работе приведены примеры.

We consider a nonlinear controlled system in a finite-dimensional Euclidean space defined on a finite time interval. One of the main problems of mathematical control theory is studied: the problem of approaching a phase vector of a controlled system with a compact target set in the phase space at a fixed time instant. In this paper, a Lebesgue set of a scalar Lipschitz function defined on the phase space is a target set. The mentioned approach problem is closely connected with many important and key problems of control theory and, in particular, with the problem of optimally reducing a controlled system to a target set. Due to the complexity of the approach problem for nontrivial controlled systems, an analytical representation of solutions is impossible even for relatively simple controlled systems. Therefore, in the present work, we study first of all the issues related to the construction of an approximate solution of the approach problem. The construction of an approximate solution by the method described in the paper is primarily concerned with the design of the integral funnel of the controlled system, presented in the so-called “reverse” time. To date, there are several algorithms for constructing a resolving program control in the approach problem. This paper presents an algorithm for constructing a control based on the maximum attraction of the system's motion to the solvability set of the approach problem. Examples are provided.

Рассматривается нелинейная управляемая система в конечномерном евклидовом пространстве и на конечном промежутке времени, зависящая от параметра. Изучаются множества достижимости и интегральные воронки дифференциального включения, соответствующего управляемой системе, содержащей параметр. При исследовании многочисленных задач теории управления и дифференциальных игр, конструировании их решений и оценивании погрешностей применяются различные теоретические подходы и ассоциированные с ними вычислительные методы. К упомянутым задачам принадлежат, например, различного рода задачи о сближении, разрешающие конструкции которых могут быть описаны достаточно просто в терминах множеств достижимости и интегральных воронок. В настоящей работе изучается зависимость множеств достижимости и интегральных воронок от параметра: оценивается степень этой зависимости от параметра при определенных условиях на управляемую систему. Степень зависимости интегральных воронок исследована на предмет изменения их объема при варьировании параметра. Для оценки этой зависимости вводятся системы множеств в фазовом пространстве, аппроксимирующие множества достижимости и интегральные воронки на заданном промежутке времени, отвечающие конечному разбиению этого промежутка. При этом сначала оценивается степень зависимости аппроксимирующей системы множеств от параметра, и затем эта оценка используется при оценке зависимости объема интегральной воронки дифференциального включения от параметра. Такой подход естественен и особенно полезен при изучении конкретных прикладных задач управления, при решении которых в конечном итоге приходится иметь дело не с идеальными множествами достижимости и интегральными воронками, а с их аппроксимациями, отвечающими дискретному представлению временного промежутка.

We consider a nonlinear control system in a finite-dimensional Euclidean space and on a finite time interval, which depends on a parameter. Reachable sets and integral funnels of a differential inclusion corresponding to a control system containing a parameter are studied. When studying numerous problems of control theory and differential games, constructing their solutions and estimating errors, various theoretical approaches and associated computational methods are used. The problems mentioned above include, for example, various types of approach problems, the resolving constructions of which can be described quite simply in terms of reachable sets and integral funnels. In this paper, we study the dependence of reachable sets and integral funnels on a parameter: the degree of this dependence on a parameter is estimated under certain conditions on the control system. The degree of dependence of the integral funnels is investigated for the change in their volume with a change in the parameter. To estimate this dependence, systems of sets in the phase space are introduced that approximate the reachable sets and integral funnels on a given time interval corresponding to a finite partition of this interval. In this case, the degree of dependence of the approximating system of sets on the parameter is first estimated, and then this estimate is used in estimating the dependence of the volume of the integral funnel of the differential inclusion on the parameter. This approach is natural and especially useful in the study of specific applied control problems, in solving which, in the end, one has to deal not with ideal reachable sets and integral funnels, but with their approximations corresponding to a discrete representation of the time interval.

В данной работе изучаются игровые задачи преследования, описываемые системой уравнений с запаздывающим аргументом при интегральных ограничениях на управления игроков. В предлагаемой схеме используются идеи метода разрешающих функций. Предлагаются модификации методов (то есть первого и так называемого третьего методов) преследования в случае, когда на управления игроков наложены интегральные ограничения. Получены достаточные условия для возможности завершения преследования за конечное время.

In this paper, we study pursuit game problems described by a system of equations with a retarded argument under integral constraints on the players' controls. The proposed scheme uses the ideas of the method of resolving functions. Modifications of methods (i.e., the first and so-called third methods) [1,3,12] of pursuit are proposed in the case when integral constraints are imposed on the players' controls. Sufficient conditions are obtained for the possibility of completing the pursuit in a finite time.

В контексте задач гарантированного управления рассматриваются следующие вопросы: связь возможности пошагового (на заданном разбиении $\Delta$) вычисления селектора мультифункции (м/ф) $\alpha$ для неизвестного, восстанавливаемого по шагам $\Delta$, аргумента с существованием у $\alpha$ мультиселектора (м/с) со специальным свойством (названым здесь $\Delta$-неупреждаемостью или частичной неупреждаемостью); второй вопрос — способы построение такого м/с для произвольной пары $(\alpha, \Delta)$; и последний — поиск эффективно проверяемых условий, обеспечивающих совпадение $\Delta$-неупреждающего м/с с неупреждающим.

Мотивом к рассмотрению этих вопросов послужила схема управления, возникающая, например, в методе альтернированного интеграла, при использовании в управлении контрстратегий, или в некоторых задачах при использовании метода управления с поводырём.

В работе показано, что рассматриваемая пошаговая схема управления реализуема тогда и только тогда, когда м/ф $\alpha$ имеет $\Delta$-неупреждающий и непустозначный м/с. Дана конечношаговая процедура построения такого м/с. Указаны эффективно проверяемые условия, обеспечивающие неупреждаемость частично неупреждающего м/с. Рассмотрены иллюстрирующие примеры.

Let sets of functions $Z$ and $\Omega$ on the time interval $T$ be given, let there also be a multifunction (m/f) $\alpha$ acting from $\Omega$ to $Z$ and a finite set $\Delta$ of moments from $T$. The work deals with the following questions: the first one is the connection between the possibility of stepwise construction (specified by $\Delta$) of a selector $z$ of $\alpha(\omega)$ for an unknown step-by-step implemented argument $\omega\in\Omega$ and the existence of a multiselector (m/s) $\beta$ of the m/f $\alpha$ with a non-anticipatory property of special kind (we call it partially or $\Delta$-non-anticipated); the second question is when and how non-anticipated m/s could be expressed by means of partially non-anticipated one; and the last question is how to build the above $\Delta$-non-anticipated m/s $\beta$ for a given pair $(\alpha,\Delta)$.

The consideration of these questions is motivated by the presence of such step-by-step procedures in the differential game theory, for example, in the alternating integral method, in pursuit-evasion problems posed with use of counter-strategies, and in the method of guide control.

It is shown that the step-by-step construction of the value $z\in\alpha(\omega)$ can be carried out for any steps-implemented argument $\omega$ if and only if the above m/s $\beta$ is non-empty-valued. The key point of the work is the description of finite-step procedure for calculation of this $\Delta$-non-anticipated m/s $\beta$. Conditions are given that guarantee the m/s $\beta$ be a non-anticipative one. Illustrative examples are considered that include, in particular, control problems with disturbance.

Проведено математическое моделирование конвективно-кондуктивно-радиационного теплообмена в кубической полости, заполненной прозрачной для излучения средой. Анализируемый объект представлял собой замкнутый объем с теплопроводными стенками конечной толщины, имеющими диффузно-серые внутренние поверхности. Внешние поверхности двух вертикальных стенок являлись изотермическими, а остальные внешние грани области решения - адиабатическими. Краевая задача сформулирована в безразмерных переменных «векторный потенциал-вектор завихренности-температура» в приближении Буссинеска и с учетом диатермичности сплошной среды. Анализ радиационного теплообмена проведен с использованием метода сальдо в варианте Поляка. Сформулированная нестационарная краевая задача реализована численно методом конечных разностей в широком диапазоне изменения числа Рэлея, коэффициента теплопроводности материала ограждающих твердых стенок и коэффициента излучения. Получены корреляционные соотношения для средних конвективного и радиационного чисел Нуссельта на характерной внутренней границе раздела сред. Проведено сравнение полученных результатов с данными двумерной модели. Установлено, что при рассмотрении трехмерной задачи можно оценить формирование интенсивных поперечных перетоков среды со стороны двух вертикальных поверхностей, которые отсутствуют в двумерной постановке. Показано, что решение задач конвективно-радиационного теплопереноса в сопряженной постановке приводит к существенным изменениям в распределениях локальных и интегральных характеристик по сравнению с несопряженной моделью, что в первую очередь связано с более корректным описанием механизма теплового излучения в диатермичных средах за счет учета теплопроводности ограждающих твердых стенок.

Mathematical simulation of convective-conductive-radiative heat transfer in a cubical cavity filled with diathermanous medium has been carried out. The domain of interest is a closed volume having heat-conducting solid walls of finite thickness with diffuse grey inner surfaces. The outer surfaces of two vertical walls are isothermal while the other walls are adiabatic. The boundary-value problem has been formulated in dimensionless variables such as “vector potential-vorticity vector-temperature’’ in the Boussinesq approximation and taking into account the diathermancy of the continuous medium. An analysis of surface thermal radiation has been conducted on the basis of the net-radiation method in the form of Poljak. The formulated transient boundary-value problem has been solved by finite difference method in a wide range of the Rayleigh number, thermal conductivity ratio and surface emissivity. Correlations for the average convective and radiative Nusselt numbers at the characteristic internal solid-fluid interface have been obtained. The comparison between the obtained three-dimensional results and the two-dimensional data has been conducted. It has been found, that on the basis of a three-dimensional model it is possible to analyze the formation of intensive transverse flows from two vertical surfaces which are absent in a two-dimensional model. It has been also shown, that the solution of convective-radiative heat transfer problems in the conjugate statement leads to essential changes in distributions of local and integral parameters in comparison with the non-conjugate model, which first of all is related to a more correct description of the thermal radiation in diathermanous media due to taking into account the thermal conduction of the solid walls.

В работе исследуются нелокальные краевые задачи со смещением и разрывными условиями сопряжения на линии изменения типа для модельного нагруженного уравнения смешанного гиперболо-параболического типа. В параболической области уравнение представляет собой уравнение дробной диффузии, в гиперболической - характеристически нагруженное волновое уравнение. Единственность решения исследуемых задач при определенных условиях на коэффициенты задачи доказывается методом Трикоми. Существование решения задач сводится к решению интегрального уравнения Фредгольма второго рода относительно следа искомого решения на линии изменения типа. Однозначная разрешимость интегрального уравнения следует из единственности решения задач. После решения интегрального уравнения решение задач сводится к решению первой краевой задачи для уравнения дробной диффузии в параболической области и решению задачи Коши для неоднородного волнового уравнения в гиперболической. Выписаны формулы представления решений исследуемых задач в параболической и гиперболической областях.

The paper deals with non-local boundary-value problems with shift and discontinuous conjugation conditions in the line of type changing for a model loaded hyperbolic-parabolic type equation. The parabolic domain presents a fractional diffusion equation while the hyperbolic one presents a characteristically loaded wave equation. The uniqueness of the solution to the considered problems under certain conditions on the coefficients is proved by the Tricomi method. The existence of the solution involves solving the Fredholm integral equation of the second kind with respect to the trace of the sought solution in the line of type changing. The unique solvability of the integral equation implies the uniqueness of the solution to the problems. Once the integral equation is solved, the solution to the problems is reduced to solving the first boundary value problem for the fractional diffusion equation in the parabolic domain and the Cauchy problem for the inhomogeneous wave equation in the hyperbolic one. In addition, representation formulas are written out for solving the problems under study in the parabolic and hyperbolic domains.