научная статья по теме О РАВНОМЕРНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЯХ К РЕШЕНИЮ ИНТЕГРАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ АБЕЛЯ Математика

Текст научной статьи на тему «О РАВНОМЕРНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЯХ К РЕШЕНИЮ ИНТЕГРАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ АБЕЛЯ»

ЖУРНАЛ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ МАТЕМАТИКИ И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ, 2015, том 55, № 10, с. 1703-1712

УДК 519.642.5

О РАВНОМЕРНЫХ ПРИБЛИЖЕНИЯХ К РЕШЕНИЮ ИНТЕГРАЛЬНОГО УРАВНЕНИЯ АБЕЛЯ1

© 2015 г. Г. В. Хромова

(410012 Саратов, ул. Астраханская, 83, Сарат. гос. ун-т) e-mail: KhromovAP@info.sgu.ru Поступила в редакцию 26.03.2015 г.

Для интегрального уравнения Абеля с непрерывным решением и приближенно заданной правой частью предложен метод регуляризации, не требующий ограничений на параметр, входящий в это уравнение. Библ. 6.

Ключевые слова: интегральное уравнение Абеля, равномерные приближения, метод регуляризации, сходимость.

DOI: 10.7868/S0044466915100142

1. Рассматривается интегральное уравнение Абеля

Au

x

= J1

X - t)

в - 1

Г(в)

-u( t) dt = f(x),

(1)

где Г(р) — гамма-функция, 0 < р < 1, и(х) е С[0, 1],/(х) задана ее 5-приближением в Х2[0, 1] : ||/ — —/\\ь < 5. Решается задача нахождения равномерных приближений к и(х) по заданным/ и 5.

Уравнение (1) является уравнением I рода, поэтому для него применяются методы регуляризации из [1], каждый из которых состоит из двух моментов:

1) построение семейства так называемых регуляризирующих операторов Яа (а > 0 — параметр), дающих равномерную сходимость функций Яа/к и(х) при а —»- 0;

2) согласование а = а(5), обеспечивающее сходимость к и(х) функций Яа(5)/ при 5 —»- 0.

В [2] для операторных уравнений I рода был предложен метод построения регуляризирующих операторов в виде Яа = ТаЛ-1, где, применительно к нашей задаче, Та — любое семейство операторов, дающее равномерные приближения к непрерывной функции на отрезке, Л-1 — оператор, обратный к А.

Для уравнения (1) при р е (0, 1) этот метод был реализован с помощью операторов Та, сконстру-

1 -х + а

ированных из оператора Стеклова: в [3] брался за основу оператор — I и(Л, из которого стро-

2 а - а

ился "расширенный" до всего отрезка [0, 1] оператор с областью значений из непрерывных функций и обеспечивающий сходимость приближенных решений к точному в равномерной метрике.

В [4] рассматривалось семейство так называемых "разрывных" операторов Стеклова:

SnU =

Sa u, x е

Sa u, x е

0, 1 . 2.

1

.2'

1) Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства образования и науки России (проект 1.1520.2014К).

1703

0

2

1704

ХРОМОВА

где

л

¿а и = 1 Г и (&,

1 а J

л - а л + а

^а2и = 1 I" и(г) йг.

2 а J

л

Несмотря на разрывность функций Sau в точке х = 1/2 они равномерно по х е [0, 1] сходятся к любой и(х) е С[0, 1], только теперь мы считаем их элементами пространства Lcю[0, 1] с нормой

= ■"» У 11 с-[о. 2] И1 ^! 1

Достоинство построенных в [4] операторов Ra по сравнению с соответствующими операторами из [3] состоит в их более простой конструкции, что приводит и к более простым доказательствам при обосновании метода.

В настоящей работе на базе "разрывных" операторов Стеклова построен метод регуляризации для всего диапазона изменений параметра р — для р е (0, 1).

Возьмем вместо функций £а. и , ] = 1, 2, функции , рассмотрим операторы

¿л = ]

¿аи,

л е

и, л е

1 2]

21

и построим семейство

Я/ = ^АУ =

Яа/, л е

Яа/,

(2)

ле

12' ^

Яа/ = ^У, 1 = 1, 2.

Теорема 1. Операторы Ra являются интегральными операторами с ядрами Ra(x, О, имеющими вид

Яа(х, г) = а-2( 1 - Р)-1(Г( 1 - Р))-1

Яа2 (л, г), л е Яа1(л, г), л е

о, 1

I 2.

1

2

где

Яа2 (л, г) =

(л - г)1 - в - 2(л - г + а)1 -в + (л - г + 2а)1 -в, о < г < л, (л - г - 2а)1 - в - 2 (л - г + а)1 - в

л < г < л + а,

(л - г - 2а)1 в, л + а< г < л + 2а, о, л + 2а < г< 1,

I

о

о

Яа1(л, г) =

(л-г-2а)1-в-2(л-г-а)1 -в + (л-г)1 -в, о < г<л-2а, (л-г)1 в-2(л-г-а)1 в, л-2а< г<л — а, (л-г)1 -в, л-а<г<л,

о, л< г< 1,

(4)

о < а < -. 4

Доказательство проводится по схеме аналогичного доказательства из [4], содержит принципиальные технические трудности и поэтому является более сложным

Операторы Б2а ,] = 1, 2, имеют вид

¿а и = —-

а

л + 2а

¿а и = А

а

| (г-л)и(г)йг + | (2а-(г-л))и(г)йг

л л + а

■ х - а л

| (2а - (г-л))и(г)йг + | (г-л)и(г)йг

а для ^ 1 справедливо выражение

1 / = й Г (л - -)

У = - Г

йл

Г( 1 -в)

/(г) йг.

(5)

(6)

Пусть х е [0, ^ ]. Тогда по формулам (2), (5), (6) имеем

Яа/ = Яа/ = ¿А-1/ = а-2(Г( 1 -Р))-1[^1 (л) + ^(х)],

где

1(л) = I (г-л)1(г-т)-в/(т)йтйг,

с + 2а

2(л) = I (2 а - (г-л)) --1( г-т)-У(т) йт йг.

х + а о

Берем интегралы по частям. Тогда подстановки взаимно уничтожатся и получится выражение

х + а г х + 2 а г

Е1 (л) + Е2(х) = - I |( г-т)-У(т) йт йг + I |( г-т)-У(т) йт йг.

о

л+а о

Меняем порядок интегрирования в полученных интегралах, учитываем, что при интегрировании степени ^ — т)—в выходит множитель (1 — р)-1, и приходим к формулам (3).

Теперь пусть х е [ 1, 1]. Если мы в выражениях функций и из (5) сделаем замену х1 = х — 2а,

то ¿а и = б!и , где в выражении для ¿Ци х заменен на х1. Тогда выражение (4) получается из формулы (3) при замене в последней х на х — 2а.

Теорема 2. Операторы Ra, рассматриваемые как операторы из L2 [0, 1] в Lcю[0, 1], являютсяре-гуляризирующими для уравнения (1) при любом р из интервала (0, 1).

л+а

2

л 2а

х - а

л

о

л + а

о

л

л

1706 ХРОМОВА

Доказательство. Согласно [1] утверждения теоремы будут справедливы, если будут установлены свойства:

1) Яа е (^[0, 1] — хш[0, 1]);

2) ||ЯаАи - и||£ —0 при а —- 0 и любой и е С[0, 1]; (7)

3) Яа — ограниченные операторы при каждом фиксированном а.

Свойство 1) из (7) вытекает из вида операторов Яа — для любой/(х) е Х2[0, 1] функции Яа / являются непрерывными: на [0, 1 ] — при ] = 2 , на [ 1, 1] — при ] = 1.

Свойство 2) вытекает из сходимости Цб^и - и||—» 0 при а —0 для любой и е С[0, 1].

Свойство 3) следует из (2), (3), если к интегралам, входящим в эти выражения, применить неравенство Буняковского.

Теорема 3. Для норм операторов Яа справедлива двусторонняя оценка:

С2а 2 <| |ЯЛ х2 г < С а 2 + О (а2 ), (8)

где

C = (1 - в)-1 (Г( 1 - в))-162, C2 = (1 - в)-1(Г( 1 - в))-1(3 - 2в)-1. Доказательство. Поскольку

IKII, ^ L = maxillRJ ' \\Ra

"l2[0,1 ] ^ с[0, 1]'11 L2[0,1 ] ^ C^, 1 у '

1

то для получения оценок (8) достаточно получить их для норм ||Яа ||ь ^ С, где С = С[0, - ] при] = 2 и

2

С = С[ 1 , 1] при j = 1.

(9)

Возьмем сначала операторы R . Имеем из (3)

IRaJIl2с = а-2( 1 - в)-1(Г( 1 - в))-1 max i JR^x, t)dt

0 < x <' 20

12

Положим I(x) = I R (x, t)dt и представим I(x) в соответствии с (3) в виде

02

I(x) = I1 (x) + I2 (x) + I3(x), (10)

где

I1(x) = J[(x -1)1 - в - 2(x -1 + a)1 - в + (x -1 + 2 a)1 - в ]2 dt,

0

x + a

I2W = J [(. - t + 2a)--в - 2<x - t + a) 1 -в]2dt,

x

x + 2a

I3(x) = I (x -1 + 2a)2 -2вdt.

x

x + a

После замены переменных х — t = т в 11(х), х — t + а = т в /2(х), х — t + 2а = т в 13(х) получим

л

11 (х) = I [т1 -в-2(т + а)1-в + (т + 2а)1 -в]2йт, (11)

о

а

12 (х) = I [(т + а)1 -в-2т1-в]2йт, (12)

о

а 3-2 в

1з( л) = {т2-2 вйт = 3^. (13)

о

Заметим, что 12(л) и 13(л) не зависят от х.

Поскольку 1(х) > 13(х) при любом х е [0, 1 ], то из (13) получаем оценку снизу в (8). Получим оценку сверху для 1(х). Возьмем /2(х). Имеем из (11)

а

12 (х) = I [(т + а)2-2 в + 4 т2-2в-4 т1 -в(т + а)1 -в ]йх.

о

Из очевидной оценки, поскольку т2 — 2в < т1 — в(т + а)1 —

12(х)< !(т + а)2 2вйт,

получаем оценку

2з-в 1

12(х)< 2-— а3-2в. (14)

2 3 2р

Теперь возьмем 11 из (11):

ч2-2в -в,

1

л

11 (х) = I [т2-2 в + 4(т + а)2-2в + (т + 2а)2-2 в - 4 т1-в (т + а)1-в +

о

+ 2т1 -в (т + 2 а)1 -в- 4 (т + а)1 -в(т + 2 а)1 -в ]йт.

Из очевидных оценок

т1-в(т + а)1-в > т2-2в(т + а)1-в(т + 2а)1-в > (т + а)2-2в, т1-в(т + 2а)1 -в <(т + 2а)2-2в

получаем

л

11 (х)< 31[(т + 2а)2-2в- т2-2в]йт = -р^-р[(х + 2а)3-2в-х3"2в- (2а)3-2в]<

о

3 ГГ . о \3-2в 3-2вт <-[(х + 2а) -х ].

3-2р 7 J

По теореме о среднем где х < < х + 2а.

(х + 2 а)3-2в-х3-2в = (3-2 р)^2-2в 2 а,

а

о

1708 ХРОМОВА

Так как < 1, то отсюда получаем оценку

1\(х) < 6а. (15)

Из (10), (13), (14), (15) получаем оценку

I(х )< 6 а + О (а3 - 2 в), а из нее и формулы (9) получаем оценку сверху в (8) для нормы ||Яа|— С.

Замечание. Недостаток оценки (8) — "разбаланс" в показателях степеней а слева и справа. При этом чем больше р, тем ближе показатель степени у а слева к показателю справа.

Поскольку Яа £ = Яа £ с заменой в правой части х на х1 = х — 2а, то такая же оценка получается и для нормы К II . Отсюда следует утверждение теоремы.

¿2 - 4 1]

2. При конкретных значениях параметра р оценку (8) можно улучшить — получить в ней точную степень а. Рассмотрим классическое уравнение Абеля с р = 1/2.

При р = 1/2 формулы (11)—(13) принимают вид

х_ 1 1 1_2

йт, (16)

II (х) = I

т2 - 2 (т + а)2 + (т + 2а)2

I

(х) = I

1 2

(т + а)2 - 2 т2

а2

йт, (17)

I

(х) = |т йт = а, (18)

3

0

а оценка (8) — вид

3 з

С2а-1 < ||Яа||-^ < С:а 2 + о(а2). (19)

Чтобы улучшить оценку (19), вычислим более точно интегралы (16) и (17). Тогда, как будет показано, справедлива

Теорема 4. В случае р = 1/2 для норм операторов Яа выполняется двусторонняя оценка

С2 а-1 < ||Яа|| ¿2 - ^ < С:а-1 + О (а2), (20)

где

С2 = (П)2, С: = С2 (21п6)2.

Доказательство. Рассмотрим сначала интеграл 12(х). Раскрыв квадрат скобки в подынтегральном выражении (17), придем к формуле

^ (х) = 2 а2 - 4 [ Л (т)]а, (21)

где

1 1

Д(т) = |т2 (т + а)2 йт. (22)

Известно (см. [5]): если Я(т) = т2 + Ьт + а, А = 4а — Ь2, то

1

|( Я(т))1 йт = ( 2 т + Ь )( Я ( т ) ) 2 + А |( Я (т))-1 йт, (23)

0

а

0

|(Я(т)) 2йт = 1п(2(Я(т))2 + 2т + ь). (24)

В нашем случае

1 1 2 1 1 Р:(т) = т2 (т + а)2 - а1п ( 2 т2 (т + а)2 + 2 т + а)). (25)

Отсюда

2

л (0) = -|1п а,

2

Р1 (а) = 3----2а2 - а1п(2,Д + 3)а.

(26)

Из (26) и (21) получаем представление

I2(х) = - 3л/2)а2 + а1п(2^2 + 3). (27)

Теперь рассмотрим /1(х).

Раскроем квадрат в подынтегральном выражении в формуле (16) и представим 11(х) в виде

^ х) = 11 (х) + /2( х), (28)

где в !1(х) собраны слагаемые, не содержащие дробных степеней, а !2(х) — содержащие дробные степени.

Легко видеть, что

х

11 (х) = б|(т + а) йт = 3х2 + 6ах, (29)

0

х 1 11 1 1 1

/2 (х) = |(-4т2 (т + а)2 + 2 т2 (т + 2 а)2 - 4(т + а)2 (т + 2 а) 2)йт. (30)

0

Вычислим интегралы от каждого

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