Все выпуски

В статье изучается существование положительных решений на отрезке $[0,1]$ двухточечной краевой задачи для одного нелинейного функционально-дифференциального уравнения третьего порядка с интегральным граничным условием на одном из концов отрезка. С помощью теоремы Го–Красносельского о неподвижной точке, с использованием некоторых свойств функции Грина соответствующего дифференциального оператора, получены достаточные условия существования по меньшей мере одного положительного решения рассматриваемой задачи. Приведен пример, иллюстрирующий полученные результаты.

The article studies the existence of positive solutions on the segment $[0,1]$ of a two-point boundary value problem for one nonlinear third-order functional differential equation with an integral boundary condition at one of the ends of the segment. Using the Go–Krasnoselsky fixed point theorem and some properties of the Green's function of the corresponding differential operator, sufficient conditions for the existence of at least one positive solution to the problem under consideration are obtained. An example is given to illustrate the results obtained.

В настоящей статье рассматривается краевая задача для дифференциальных уравнений типа Ланжевена с дробной производной Капуто в банаховом пространстве. Предполагается, что нелинейная часть уравнения представляет из себя отображение, подчиняющееся условиям типа Каратеодори. Уравнения такого типа обобщают уравнения движения в различного рода средах, например вязкоупругих, или в средах, где сила сопротивления выражается с помощью дробной производной. Для разрешения поставленной задачи будет использоваться теория дробного математического анализа, свойства функции Миттаг-Леффлера, а также теория мер некомпактности и уплотняющих операторов. Идея решения состоит в следующем: исходная задача сводится к задаче о существовании неподвижных точек соответствующего разрешающего интегрального оператора в пространстве непрерывных функций. Для доказательства существования неподвижных точек разрешающего оператора используется теорема типа Б.Н. Садовского о неподвижной точке. Для этого мы показываем, что разрешающий интегральный оператор является уплотняющим относительно векторной меры некомпактности в пространстве непрерывных функций и преобразует замкнутый шар в этом пространстве в себя.

In this paper, we consider a boundary value problem for differential equations of Langevin type with the Caputo fractional derivative in a Banach space. It is assumed that the nonlinear part of the equation is a Caratheodory type map. Equations of this type generalize equations of motion in various kinds of media, for example, viscoelastic media or in media where a drag force is expressed using a fractional derivative. We will use the theory of fractional mathematical analysis, the properties of the Mittag-Leffler function, as well as the theory of measures of non-compactness and condensing operators to solve the problem. The initial problem is reduced to the problem of the existence of fixed points of the corresponding resolving integral operator in the space of continuous functions. We will use Sadovskii type fixed point theorem to prove the existence of fixed points of the resolving operator. We will show that the resolving integral operator is condensing with respect to the vector measure of non-compactness in the space of continuous functions and transforms a closed ball in this space into itself.

Пусть $U$ — множество допустимых управлений, $T>0$ и задана шкала банаховых пространств $W[0;\tau]$, $\tau\in(0;T]$, такая, что множество сужений функций из $W=W[0;T]$ на $[0;\tau]$ совпадает с $W[0;\tau]$; $F[.;u]\colon W\to W$ — управляемый вольтерров оператор, $u\in U$. Ранее для операторного уравнения $x=F[x;u]$, $x\in W$, автором была введена система сравнения в форме функционально-интегрального уравнения в пространстве $\mathbf{C}[0;T]$. Было установлено, что для сохранения (относительно малых вариаций правой части) глобальной разрешимости операторного уравнения достаточно сохранения глобальной разрешимости указанной системы сравнения, а также установлены соответствующие достаточные условия. В данной статье рассматриваются дальнейшие примеры приложения этой теории: нелинейное волновое уравнение, сильно нелинейное волновое уравнение, нелинейное уравнение теплопроводности, сильно нелинейное параболическое уравнение.

Let $U$ be the set of admissible controls, $T>0$, and let $W[0;\tau]$, $\tau\in(0;T]$, be a scale of Banach spaces such that the set of restrictions of functions from $W=W[0;T]$ to $[0;\tau]$ coincides with $W[0;\tau]$; let $F[.;u]\colon W\to W$ be a controlled Volterra operator, $u\in U$. Earlier, for the operator equation $x=F[x;u]$, $x\in W$, the author introduced a comparison system in the form of a functional integral equation in the space $\mathbf{C}[0;T]$. It was established that to preserve (under small perturbations of the right-hand side) the global solvability of the operator equation, it is sufficient to preserve the global solvability of the specified comparison system, and the corresponding sufficient conditions were established. In this paper, further examples of application of this theory are considered: nonlinear wave equation, strongly nonlinear wave equation, nonlinear heat equation, strongly nonlinear parabolic equation.

Приводятся достаточные условия разрешимости нелинейных краевых задач для некоторых классов функционально-дифференциальных уравнений. Условия получены на основе редукции исходной задачи к уравнению с монотонным оператором.

Sufficient conditions of resolvability of nonlinear boundary value problems for some classes of functional differential equations are presented. These conditions have been obtained on the basis of reduction of original problem to the equation with a monotone operator.

Рассматривается нелинейное функционально-операторное уравнение типа Гаммерштейна, представляющее собой удобную форму описания широкого класса управляемых распределенных систем. Для указанного уравнения доказываются теорема единственности решения, а также мажорантный признак тотально (по всему множеству допустимых управлений) глобальной разрешимости, использующий предположения о вольтерровости операторной составляющей и о дифференцируемости по переменной состояния функциональной составляющей правой части. Кроме того, используются предположения о глобальной разрешимости исходного уравнения для фиксированного допустимого управления $u=v$, а также о глобальной разрешимости некоторого мажорантного уравнения с правой частью, зависящей от максимального отклонения допустимых управлений от управления $v$. В качестве примера рассматривается первая краевая задача для параболического уравнения второго порядка с правой частью $f\bigl( t, x(t),u(t)\bigr)$, $t=\{ t_0,\overline{t}\}\in\Pi=(0,T)\times Q$, $Q\subset\mathbb{R}^n$, $x$ - фазовая переменная, $u$ - управляющая переменная. Здесь решение мажорантного уравнения можно представить как решение начально-краевой задачи аналогичного вида с правой частью $bx^{q/2}+a_0x+Z$, при нулевых начально-краевых условиях, $Z(t)=\max\limits_{u\in\mathcal{V}(t)} |f(t,x[v](t),u)-f(t,x[v](t),v(t))|$, $\mathcal{V}(t)\subset\mathbb{R}^s$ - множество допустимых значений управления при $t\in\Pi$, $q>2$, $s\in\mathbb{N}$; $a_0(.)$ и $b\geqslant0$ - параметры, определяемые по $f^\prime_x$.

We consider a nonlinear functional operator equation of the Hammerstein type which is a convenient form of representation for a wide class of controlled distributed parameter systems. For the equation under study we prove a solution uniqueness theorem and a majorant sign for the totally (with respect to a whole set of admissible controls) global solvability subject to Volterra property of the operator component and differentiability with respect to a state variable of the functional component in the right hand side. Moreover, we use hypotheses on the global solvability of the original equation for a fixed admissible control $u=v$ and on the global solvability for some majorant equation with the right hand side depending on maximal deviation of admissible controls from the control $v$. For example we consider the first boundary value problem associated with a parabolic equation of the second order with right hand side $f\bigl( t, x(t),u(t)\bigr)$, $t=\{ t_0,\overline{t}\}\in\Pi=(0,T)\times Q$, $Q\subset\mathbb{R}^n$, where $x$ is a phase variable, $u$ is a control variable. Here, a solution to majorant equation can be represented as a solution to the zero initial-boundary value problem of the same type for analogous equation with the right hand side $bx^{q/2}+a_0x+Z$, where $Z(t)=\max\limits_{u\in\mathcal{V}(t)} |f(t,x[v](t),u)-f(t,x[v](t),v(t))|$, $\mathcal{V}(t)\subset\mathbb{R}^s$ is a set of admissible values for control at $t\in\Pi$, $q>2$, $s\in\mathbb{N}$; $a_0(.)$ and $b\geqslant0$ are parameters defined from $f^\prime_x$.

Рассматривается нелинейное эволюционное операторное уравнение второго рода $\varphi=\mathcal{F}\bigl[f[u]\varphi\bigr]$, $\varphi\in W[0;T]\subset L_q\bigl([0;T];X\bigr)$, в произвольном банаховом пространстве $X$, с эволюционными (вольтерровыми) операторами $\mathcal{F}\colon L_p\bigl([0;\tau];Y\bigr)\to W[0;T]$, $f[u]\colon W[0;T]\to L_p\bigl([0;T];Y\bigr)$ общего вида, $Y$ - произвольное банахово пространство, $u\in\mathcal{D}$ - управляющий параметр. Для указанного уравнения доказываются теорема единственности решения, а также теорема о достаточных условиях тотально (по множеству допустимых управлений) глобальной разрешимости при варьировании управления. При некоторых естественных предположениях, связанных с поточечными по времени $t$ оценками, заключение об однозначной тотально глобальной разрешимости делается, исходя из факта глобальной разрешимости системы сравнения, в качестве которой выступает система функционально-интегральных неравенств (можно заменить ее системой уравнений аналогичного типа, а в некоторых случаях - системой обыкновенных дифференциальных уравнений) относительно функций одного переменного $t\in[0;T]$ со значениями в пространстве $\mathbb{R}$. В качестве примера устанавливаются условия однозначной тотально глобальной разрешимости управляемой нелинейной нестационарной системы уравнений Навье-Стокса.

We consider the nonlinear evolutionary operator equation of the second kind as follows $\varphi=\mathcal{F}\bigl[f[u]\varphi\bigr]$, $\varphi\in W[0;T]\subset L_q\bigl([0;T];X\bigr)$, with Volterra type operators $\mathcal{F}\colon L_p\bigl([0;\tau];Y\bigr)\to W[0;T]$, $f[u]$: $W[0;T]\to L_p\bigl([0;T];Y\bigr)$ of the general form, a control $u\in\mathcal{D}$ and arbitrary Banach spaces $X$, $Y$. For this equation we prove theorems on solution uniqueness and sufficient conditions for totally (with respect to set $\mathcal{D}$) global solvability. Under natural hypotheses associated with pointwise in $t\in[0;T]$ estimates the conclusion on univalent totally global solvability is made provided global solvability for a comparison system which is some system of functional integral equations (it could be replaced by a system of equations of analogous type, and in some cases, of ordinary differential equations) with respect to unknown functions $[0;T]\to\mathbb{R}$. As an example we establish sufficient conditions of univalent totally global solvability for a controlled nonlinear nonstationary Navier-Stokes system.

Пусть $H$ — банахово пространство, $T>0$, $\sigma\in[1;\infty]$ и задана шкала банаховых пространств $W[0;\tau]$, $\tau\in(0;T)$, индуцированная сужениями из пространства $W=W[0;T]$; $\mathcal{F}\colon L_\sigma(0,T;H)\to W$ — вольтерров оператор; $f[u]\colon W\to L_\sigma(0,T;H)$ — управляемый вольтерров оператор, зависящий от управления $u\in U$. Рассматривается уравнение вида $$ x=\mathcal{F}\bigl( f[u](x)\bigr),\quad x\in W. $$ Для этого уравнения устанавливаются признаки тотально (по множеству допустимых управлений) глобальной разрешимости при условии глобальной разрешимости некоторого функционально-интегрального неравенства в пространстве $\mathbb{R}$. Во многих частных случаях указанное неравенство может быть конкретизировано как задача Коши для обыкновенного дифференциального уравнения. Фактически, развивается аналогичный результат, доказанный автором ранее, на этот раз при других, более удобных для практического использования условиях (хотя и в более частной постановке). Отдельно рассматриваются случаи: 1) компактного вложения пространств и непрерывности операторов $\mathcal{F}$, $f[u]$ (такой подход автором ранее не использовался); 2) выполнения локально-интегрального аналога условия Липшица относительно указанных операторов. Во втором случае доказывается также единственность решения. В первом случае применяется теорема Шаудера, во втором — технология продолжения решения по времени, то есть продолжения вдоль вольтерровой цепочки. В качестве примера рассматривается нелинейное волновое уравнение в пространстве $\mathbb{R}^n$.

Let $H$ be a Banach space, $T>0$, $\sigma\in[1;\infty]$ and let $W[0;\tau]$, $\tau\in(0;T)$, be the scale of Banach spaces which is induced by restrictions from a space $W=W[0;T]$; $\mathcal{F}\colon L_\sigma(0,T;H)\to W$ be a Volterra operator (an operator with Volterra property); $f[u] \colon W\to L_\sigma(0,T;H)$ be a controlled Volterra operator depending on a control $u\in U$. We consider the equation as follows $$x=\mathcal{F}\bigl( f[u](x)\bigr),\quad x\in W.$$ For this equation we establish signs of totally (with respect to a set of admissible controls) global solvability subject to global solvability of some functional integral inequality in the space $\mathbb{R}$. In many particular cases the above inequality may be realized as the Cauchy problem associated with an ordinary differential equation. In fact, the analogous result which was obtained by the author formerly is developed, this time under other hypotheses, more convenient for practical usage (although in more particular statement). Separately, we consider the cases of compact embedding of spaces and continuity of the operators $\mathcal{F}$, $f[u]$ (such an approach has not been used by the author formerly), from one hand, and of local integral analogue of the Lipschitz condition with respect to that operators, from another hand. In the second case we prove also the uniqueness of solution. In the first case we use Schauder theorem and in the second case we apply the technique of solution continuation along with the time axis (id est continuation along with a Volterra chain). Finally, as an example, we consider a nonlinear wave equation in the space $\mathbb{R}^n$.

Пусть n,m, ℓ, s ∈ N – заданные числа, П ⊂ Rⁿ – измеримое по Лебегу множество, X, Z – банаховы идеальные пространства измеримых на П функций. Рассматривается нелинейное операторное уравнение:

x = θ + AF[x], x ∈ X^ℓ, (1)

где A : Z^m → X^ℓ – линейный ограниченный оператор, F : X^ℓ → Z^m – некоторый оператор. Уравнение (1) является естественной формой описания широкого класса сосредоточенных и распределенных систем. Ранее В.П. Политюковым был предложен метод монотонизации для обоснования разрешимости уравнения вида (1) и получения поточечных оценок решения. Суть его состояла в том, что разрешимость уравнения (1) доказывалась (помимо прочих условий) для случая, когда I) оператор F допускал поправку вида G = λI до монотонного оператора F[x] = F[θ+x]+G[x] такую, что II) (I +AG)⁻¹A > 0 (λ > 0, I  тождественный оператор). Как видно из примеров, приведенных в данной статье, условия I) и II) могут противоречить друг другу, что сужает сферу применения метода. Основной результат статьи в том, что в случае оператора A, обладающего свойством вольтерровости, естественным для эволюционных уравнений, требование монотонизируемости I) можно заменить требованием оценки оператора F на некотором конусном отрезке сверху и снизу через линейный оператор G плюс фиксированный элемент. Доказывается, что для глобальной разрешимости начально-краевой задачи, связанной с полулинейным эволюционным уравнением, достаточно, чтобы аналогичная начально-краевая задача, связанная с линейным уравнением, полученным путем оценки правой части исходного полулинейного уравнения на некотором конусном отрезке, имела положительное решение. В качестве иллюстрации рассматривается применение указанных результатов к системе Гурса–Дарбу, задаче Коши для волнового уравнения и первой краевой задаче для уравнения диффузии.

Let  n,m, ℓ, s ∈ N be given numbers, П ⊂ Rⁿ be a set measurable by Lebesgue and  X, Z  be some Banach ideal spaces of functions measurable on . We consider a nonlinear operator equation of the form as follows:

x = θ + AF[x], x ∈ X^ℓ, (1)

where A : Z^m → X^ℓ is bounded linear operator, F : F : X^ℓ → Z^m is some operator. Equation (1) is a natural form of lumped and distributed parameter systems from a wide enough class. Formerly, by V.P. Polityukov it was suggested monotonization method for justification of solvability of equation (1) and obtaining pointwise estimations for solutions. The matter of this method consisted in that solvability of equation (1) was proved (besides other conditions) under following: I) operator F allows some correction of the form G = λI to monotone operator F[x] = F[θ+x]+G[x] such that II) (I +AG)⁻¹A > 0 (λ > 0, I is identity operator). As our examples show, conditions I) and II) may be contradictory to each other, that narrows a sphere of application of the method. The main result of the paper is that for the case of operator A, possessing the Volterra property, which is natural for evolutionary equations, the requirement I) of ability to be monotonized can be replaced by the requirement of some upper and lower estimates for operator F on some cone segment through linear operator G and additional fixed element. We prove that for global solvability of a boundary value problem associated with a semilinear evolutionary equation it is sufficient that analogous boundary value problem associated with linear equation, derived from the original equation by estimating of a right-hand side on some cone segment, have a positive solution. The application of results obtained is illustrated by Goursat–Darboux system, Cauchy problem associated with wave equation and first boundary value problem associated with diffusion equation.

Доказываются достаточные условия поточечной управляемости по нелинейному функционалу для нелинейных распределенных систем, допускающих представление в виде вольтеррова функционально-операторного уравнения в лебеговом пространстве, на заданном множестве D конечномерных аппроксимаций управления. Определяется множество глобальной разрешимости Ω как множество всех управлений из D, для каждого из которых уравнение имеет единственное глобальное решение. В качестве вспомогательного результата, представляющего самостоятельный интерес, доказывается, что при сделанных предположениях выполняется равенство Ω = D. Сведение управляемых распределенных систем к изучаемому функционально-операторному уравнению иллюстрируется на двух примерах: первой краевой задачи для параболического уравнения второго порядка и смешанной задачи для гиперболического уравнения второго порядка; и то, и другое уравнение достаточно общего вида.

For nonlinear distributed systems representable as a Volterra functional operator equation in a Lebesgue space, sufficient conditions for pointwise controllability with respect to a nonlinear functional are proved. The controls are assumed to belong to a given set D of piecewise constant vector functions id est can be regarded as discretized controls. For the equation under study we define the set Ω of global solvability as the set of all admissible controls for which the equation has a global solution. As an auxiliary result having a separate interest, we also establish under our hypotheses the equality Ω = D. The reduction of controlled distributed systems to the functional operator equation under study is illustrated by two examples, namely a Dirichlet boundary value problem for a second order parabolic equation and a mixed boundary value problem for a second order hyperbolic equation; both equations of a rather general form.

Пусть $U$ — множество допустимых управлений, $T>0$ и задана шкала банаховых пространств $W[0;\tau]$, $\tau\in(0;T]$, такая, что множество сужений функций из $W=W[0;T]$ на $[0;\tau]$ совпадает с $W[0;\tau]$, $F[\cdot;u]\colon W\to W$ — управляемый вольтерров оператор, $u\in U$. Для операторного уравнения $x=F[x;u]$, $x\in W$, вводится система сравнения в форме функционально-интегрального уравнения в пространстве $\mathbf{C}[0;T]$. Устанавливается, что при естественных предположениях относительно оператора $F$ для сохранения (относительно малых вариаций правой части) глобальной разрешимости операторного уравнения достаточно сохранения глобальной разрешимости указанной системы сравнения. Сам по себе этот факт аналогичен некоторым результатам, установленным автором ранее. Центральный результат статьи составляет ряд признаков устойчивой глобальной разрешимости функционально-интегральных уравнений, упомянутых выше, без предположения типа локальной липшицевости правой части. В качестве содержательного примера, представляющего самостоятельный интерес, рассматривается нелинейная нестационарная система Навье–Стокса в пространстве $\mathbb{R}^3$.

Let $U$ be the set of admissible controls, $T>0$ and it be given a scale of Banach spaces $W[0;\tau]$, $\tau\in(0;T]$, such that the set of constrictions of functions from $W=W[0;T]$ to a closed segment $[0;\tau]$ coincides with $W[0;\tau]$; $F[\cdot;u]\colon W\to W$ be a controlled Volterra operator, $u\in U$. For the operator equation $x=F[x;u]$, $x\in W$, we introduce a comparison system in the form of functional-integral equation in the space $\mathbf{C}[0;T]$. We establish that, under some natural hypotheses on the operator $F$, the preservation of the global solvability of the comparison system pointed above is sufficient to preserve (under small perturbations of the right-hand side) the global solvability of the operator equation. This fact itself is analogous to some results which were obtained by the author earlier. The central result of the paper consists in a set of signs for stable global solvability of functional-integral equations mentioned above which do not use hypotheses similar to local Lipschitz continuity of the right-hand side. As a pithy example of special interest, we consider a nonlinear nonstationary Navier–Stokes system in the space $\mathbb{R}^3$.