научная статья по теме ГРАНИЧНАЯ ЗАДАЧА НЕПРОТЕКАНИЯ ДЛЯ СТАЦИОНАРНОЙ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ СТОКСА Математика

Текст научной статьи на тему «ГРАНИЧНАЯ ЗАДАЧА НЕПРОТЕКАНИЯ ДЛЯ СТАЦИОНАРНОЙ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ СТОКСА»

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2015, том 460, № 6, с. 634-637

МАТЕМАТИКА

УДК 517.936.225;517.95

ГРАНИЧНАЯ ЗАДАЧА НЕПРОТЕКАНИЯ ДЛЯ СТАЦИОНАРНОЙ СИСТЕМЫ УРАВНЕНИЙ СТОКСА

© 2015 г. Ю. А. Дубинский

Представлено академиком РАН Е.И. Моисеевым 17.06.2014 г.

Поступило 02.07.2014 г.

DOI: 10.7868/S0869565215060043

ВВЕДЕНИЕ

В области О с границей Г рассмотрим систему уравнений Стокса

- А и (х) + Vр (х) = /(х), (1)

Шу и (х) = 0 (2)

при дополнительных граничных условиях

(u, n)г = 0,

д u . ч

-Г -P(x)n, n

.д n .

= 0.

(3)

Здесь и(х) = (и1(х), и2(х), и3(х)) ир(х) — векторная и скалярная составляющие искомого решения (и(х), р(х)); п = (п1(х), п2(х), п3(х)) — вектор нормали к границе в точке х е Г;

du

dn

дu1 ди2 дu3 дn' дn' дn

есть вектор нормальных производных от компонент и1(х), и2(х), и3(х). Наконец, символы (•, •), [•, •] показывают скалярное и векторное произведения в К3.

Цель работы — установить корректность задачи (1)—(3). Для этого необходимы некоторые пространства и вспомогательные результаты (см. также [1, 2]).

1. СОЛЕНОИДАЛЬНАЯ ФАКТОРИЗАЦИЯ.

ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ НОРМЫ

Пусть — пространство Соболева вектор-функций и(х) = (и1(х), и2(х), и3(х)) в области О с К3 с нормой

u i = u

; + ||v i

где символ ||-||о означает норму в пространстве Ле-

бега L2.

Национальный исследовательский университет "Московский энергетический институт" E-mail: julii_dubinskii@mail.ru

Через 1апв обозначим подпространство пространства Ж, состоящее из вектор-функций и(х), нормальная часть которых на границе Г равна ну-

лю, т.е.

W, tang = { u(x)6 W: (u, n)r = 0}.

Это подпространство играет в дальнейшем базовую роль как самостоятельное пространство при решении задачи (1)—(3). Сопряженное к нему пространство обозначим через W-2tang , а действие h(x) е

е W-1tang на функцию v(x) е W2, tang через <h(x), v(x)>.

Далее пусть б'1, tang — подпространство солено-идальных функций, т.е.

tang = {U(x) е W2>tang: divu(x) = 0, x е G}.

Положим

W2, tang/S2, tang = { U (x) е W2, tang: (U Ф)Х2 = 0 Уф(х) е S2, tang }

и будем называть это подпространство фактор-пространством пространства W, tang по соленои-дальным функциям.

Утверждение 1. На фактор-пространстве Wtang/S2,tang нормы ||u||i и ||divu||0 эквивалентны.

Доказательство. Очевидно неравенство ||divu||0 < M||u||b M> 0 — постоянная.

Установим обратное неравенство. Пусть u(x) е е W2, tang/ S2, tang. Определим скалярную функцию p(x) как решение задачи Неймана

Ap(x) = divu (x), x (Vp, n)r = 0, и покажем, что u(x) = Vp(x).

G,

г

2

2

0

По выбору потенциала p(x) функция ^л) = u(x) — — Vp(x) е ^ (. В то же время для любой солено-идальной функции ф(x) е ^ (

|( V, ф)йх = и, ф)йх - ф)йх =

ООО

= |(р, ё1уф)йх = 0.

О

Следовательно, у^) = 0, т.е. u(x) = Vp(x). Остается заметить, что по хорошо известной теореме о гладкости решений задачи Неймана функция

p(x) е У (ибо е Х2) и при этом

IIVр||! < Щ|ё1уН| 0

или, что то же

1|и(х)||! < Щ|ё1уи(х)||0 , где M > 0 — постоянная.

Таким образом, утверждение 1 доказано.

Замечание 1. Отметим, что в доказанном утверждении включение е L2 было следствием того, что u(x) е у2,1апё. Но все проведенные рассуждения справедливы и в том случае, если u(x) е L2 и при этом divu(x) е L2. В этом случае получаем представление произвольной функции u(x) е L2 в виде

и (х) = и5 (х) + Vр (х),

где Vp(x) е У. Следовательно, и u(x) — us(x) е У , т.е.

Ь2/Б2 с У.

Это является свойством сглаживания соленои-дальной факторизации фактор-пространства L2/S2.

Аналогичная ситуация справедлива для полной шкалы соболевских пространств, а также при градиентно-дивергентной нормировке [4].

2. ЭКВИВАЛЕНТНЫЕ НОРМЫ

В ПРОСТРАНСТВЕ У2, ьшв.

НЕРАВЕНСТВО ТИПА НЕРАВЕНСТВА ФРИДРИХСА

Начнем с определения допустимой области и укажем эквивалентные нормы в пространстве У2.

Определение 1. Область G е К3 называется допустимой, если выполнены два условия:

1) вложение У с L2 компактно;

2) множество нормалей п = (п1, п2, п3) на границе Г содержит хотя бы одну некомпланарную тройку векторов.

Ут верждение 2. Пусть G с [3 — допустимая область. Тогда в пространстве W нормы 1|и||1 = IMI о + IIV и\\0

= I J(и, n)2dy + || Vи\

1/2

эквивалентны.

Следствие 1. Если область G допустима, то

для любой функции u(x) = у2 справедливо неравенство типа неравенства Фридрихса

( \

N10 < M

IIVU2 + j"(и, n)2dy

в том числе для u(x) е W2, tang

||и||2 < Ml V 42, где M > 0 — постоянная.

Следствие 2. С учетом следствия 1 норма

||u||1 и норма ||Vu||0 в пространстве W2,tang эквивалентны.

Доказательства имеются в [1].

3. ОБЩИЙ ВИД ЛИНЕЙНОГО ФУНКЦИОНАЛА НАД ФАКТОР-ПРОСТРАНСТВОМ

W2, tang , tang

Ут верждение 3. Всякий линейный ограниченный функционал h(x) над пространством

W tang, обращающийся в нуль на подпространстве ¿2, tang, можно представить в виде

h (x) = Vp (x), где p(x) е L2 — скалярная функция, а функционал

Vp(x) е W-2tang действует по формуле

(Vp(x), v(x)) = — j(P(x), div v(x))dx.

G

Это утверждение является аналогом классической теоремы Де Рама о градиентном представлении обобщенной функции, обращающейся в нуль на подмножестве соленоидальных основных функций.

Доказательство. Будем искать p(x) в виде p(x) = divw(x), где w(x) е W2, tang/ ¿2, tang .

Очевидно, функция w(x) должна являться решением краевой задачи

Vdiv w (x) = h (x), (4)

(w, n)r = 0, (5)

и

и

0

г

г

636 ДУБИНСКИИ

где (4) — это равенство функционалов над про странством у2, 1аПЁ, т.е.

-|ёг^(х)div у(х)йх = <к(х), у(х)>

для любой функции v(x) е Wl, tang.

Покажем, что задача (4), (5) имеет единственное решение w(x) е Wl, tang/б'1, tang. Для этого используем метод Галёркина.

Пусть vj(x), v2(x), • •• — базисная система в фактор-пространстве Wtang/S{tang и

WN(x )) = C2 N v2(x) + ... + CNNvN( X) ,

N = 2,1,.,

есть последовательность приближенных решений задачи (4), (5), определяемая системой линейных моментных уравнений Галёркина

-jdivwN(x)divvy-(x)dx = (h(x), Vj(x)>,

G

j = 2,1, ..., N.

Априорная оценка. Из системы (6) для любого N верно равенство

|| divWn(x)||1 = < h (x), Wn(x)> . (7)

В соответствии с утверждением 1 на фактор-

пространстве W2, tang/tang норма ||dÍVW^(x)||o и норма ||w^(x)||1 эквивалентны. Тем самым, учитывая равенства (7), получим

11

(6)

т.е.

flo|| WN(x)|| 1 ^ ||divWN(x)|| 0 ^ llh(x)ll-l|| WN(x)|| 2,

«01 Wn(X)|| 2 ^ IIh(x)||-2,

где a0 > 0 постоянная.

Из этой оценки следует, что последовательность wN(x) слабо компактна в W tang/ ¿^ tang. Повторяя стандартные рассуждения по замыканию равенств (6), убедимся, что слабо предельная функция w(x) е W2, tang/ ¿2, tang последовательности wN(x) удовлетворяет интегральному тождеству

-jdivw(x)div v(x)dx = (h(x), v(x)) (8)

G

для любой функции v(x) е W2, tang/ ¿2, tang •

Однако тождество (8) справедливо и для любой функции v(x) е W2, tang, поскольку:

1) каждая функция v(x) е W tang представляется в виде суммы (ортогональной в L2) V (x) = v, (x) + V q (x),

где vs(x) е ¿2, tang , Vq(x) е W2, tang / ¿2, tang 5

2) по условию (h(x), vs(x)) = 0.

Это означает, что w(x) — решение задачи (4), (5).

Остается напомнить, что функция p(x) = = div w(x) дает искомое представление функционала h(x) е W-2tang, обращающегося в нуль на подпространстве tang. Утверждение 3 доказано.

Замечание 2. Найденный потенциал p(x) е е L2/[1, где символом [ обозначено подпространство постоянных функций.

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОЛЕНОИДАЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ РЕШЕНИЯ ИСХОДНОЙ ЗАДАЧИ

Пусть G с [3 — допустимая область и fx) е L2 — произвольно заданная вектор-функция.

Утверждение 4. Для любой правой части f(x) е L2 существует единственная функция u(x) е

е ¿2, tang, такая что

j(Vи, Vv)dx = j(f(x), v(x))dx, (9)

GG

где v(x) е ¿2, tang — произвольная функция. При этом справедливо неравенство

\\и(x)||2 < M\f(x)\\о, (10)

где M> 0 — постоянная.

Доказательство утверждения 4 с учетом следствия 2 стандартно.

5. ОСНОВНАЯ ТЕОРЕМА Рассматривается краевая задача

- Дм(x) + Vp (x) = f(x), x е G, div u (x) = 0, x е G, 'du

(u, n )r = 0,

dn

- p (x) n, n

= 0,

(1) (2)

(3)

где правая часть f(x) е L2.

Определение 2. Обобщенным решением задачи (1)—(3) называется пара

(u(x), p(x)), где u(x) = (u1(x), u2(x), u3(x)) е ¿^ tang, p(x) е L2/[1, такая, что для любой функции v(x) е е W22, tang справедливо интегральное тождество

j(Vu, V v)dx - jp(x)divv(x)dx

GG

= j(f(x), v(x))dx.

(11)

G

г

G

Заметим, что если и(х) е Ж2, р(х) е Ь2 и при

этом — Аи + Vp е Ь2, то граничное выражение V — —

Vдп

—р(х)я ) — по определению линейный непре-

г

рывный функционал над пространством Ц^2 (Г), действующий по формуле

дn

- p(x)n, v^ = J(- Au + p, v)dx-

- j(Vu, Vv) dx + jpdivvdx,

G G

где v(x) e W2 — произвольная функция.

(*)

Условие

'c-u д n

— p(x)n, n

= 0 означает, что ле-

т.е. функционал к(х) е Ж,\апЕ обращается в нуль на подпространстве соленоидальных функций.

Следовательно, согласно утверждению 3, существует единственная скалярная функция р(х) е е Ь2/К\ такая что Н(х) = Vp(x), где оператор V

действует на v(x) е ^2,1апЕ по формуле

(Vр(х), v(x)) = -|р(х)ШУ v(x)йх.

о

Таким образом, для любой функции ^х) е справедливо равенство

2, tang

j(Vu (x)

, V v(x))dx - jp(x)div v(x)dx =

j(f(x), v(x))dx.

вая часть формулы (*) равна нулю, что и отражено в определении обобщенного решения.

Теорема. Пусть О — допустимая область. Тогда для любой правой части /(х) е Ь2 существует единственное обобщенное решение (и(х), р(х)) задачи (1)—(3), причем

ни 1 + 11р|| 0 < М\/\ 1о, где М> 0 — постоянная.

Доказательство. Пусть и(х) е ^2,1аПЁ — вектор-функция из утверждения 4. Рассмотрим линейный непрерывный функционал Н(х) над пространством ^2,1апЕ, значение которого на произвольной функции у(х) е ^2,1апЕ определяется формулой

(к(х), v(x)) = |(/(х), V(х))йх - V V)йх.

оо В соответствии с утверждением 4 для любой

функции v(x) е ^1апЕ верно

(к(х), v(х)) = 0,

Отсюда следует, что пара (u(x), p(x)) является обобщенным решением исходной задачи (1)—(3). Единственность найденного решения и оценка

IIu(x)|| 1 + ||p(x)||0 < Mf(x)||0 (M> 0) очевидны. Теорема доказана.

Результаты работы были получены в рамках выполнения государственного за

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком