Сетевое издание
Международный студенческий научный вестник
ISSN 2409-529X

REGULARIZATION OF THE GENERALIZED SOLUTION OF ABEL'S EQUATION

Alymkulov Keldibaj 1 Belekov K.Z. 2
1 Institute of the fundamental and applied researches at Osh State University
2 Kyrgyz Russian Slavian university
Historically, the problem of Abel (1823) is the first task, which led to the need to consider integral equations. Abel’s task is as follows. The material point under the action of gravity moves in a vertical plane along a certain curve. It is required to define this curve so that the material point, having started its movement without the initial velocity at the point of the curve, reaches a certain axis in a certain time. In general, the Abel integral equation does not have a classical solution, since this solution at the origin is not a smooth function and has a singularity of degree less than one. Therefore, the question arises how to obtain a continuously differentiable solution of this equation. To obtain a smooth solution of this equation, we regularize this equation using a singularly perturbed first-degree integro-differential equation, and this equation is also a second-kind equation. The solution of the last equation is solved by the methods of the boundary functions and the fictitious parameter. As a result, the solution of the original Abel equation is approached by a continuously differentiable function that does not have a singularity at the origin of coordinates according to an independent variable.
abel equation
integral equation of the first kind
classical solution
generalized solution
solution asymptotics
integro-differential equation
singularly perturbed equation
regularized equation
boundary function method
fictitious parameter method.

1. Введение

Известно, что уравнением Абеля называется уравнения

где достаточно гладкая функция на отрезке [0,1], x – независимая переменная, которая изменяется на отрезке [0,1], неизвестная функция.

Ядро этого уравнения имеет в точке x=t слабую особенность. Позднее и более общее уравнение

(1)

где 0 также стали называть уравнением Абеля.

Определения 1. Решение уравнения (1) из класса будем назвать, классическим решением.

Справедлива

Теорема 1. Пусть , чтобы уравнения (1) имело классическое решение из необходимо и достаточно выполнение условия

(2)

Это теорема вытекает, из того что решение уравнения (1) представляется в виде

(3)

где

.

Очевидно, что функция равномерно ограничена, то есть , некоторой постоянной m . Здесь и далее все постоянные не зависящие от параметра будем обозначать через m.

Из (3) вытекает, что если f(0) , то это решение не принадлежит пространству

Из (3) также вытекает, что задача определения решения уравнения Абеля относится к некорректно поставленным задачам, так как малое изменения правой части уравнения может привести к большим изменениям решения.

Действительно, уравнение

имеет решение . Однако, малое возмущение правой части этого уравнения

где - малое положительное число, приводит большому изменению решения, так как решение этого уравнение выражается формулой

Очевидно, что функция не ограничена в точке x=0, то есть малое возмущение правой части уравнения привело к большому изменению решения уравнения.

Предположим, что в этом случае решение (3) не является классическим решением. Ставится вопрос, каким образом можно «регуляризовать» уравнение (1) и получить классическое решение близкое к решению (3) или иначе, какие «сингулярно возмущенные» уравнение полученные из (1) можно изучать?

Например, можно изучать сингулярно возмущенное уравнение

где некоторый линейный или нелинейный дифференциальный (обыкновенный или частных производных) оператор.

Известно, что при изучении уравнений типа Фредгольма, первого рода, чтобы получить приближенное решение этого уравнения сводят их к уравнению Фредгольма второго рода [3].

Здесь за регуляризованного уравнения Абеля первого рода берется опять же сингулярно возмущенное интегро- дифференциальное уравнение первого рода.

Отметим, что содержание этой статьи докладывался на конференции посвященной восьмидесятилетнему юбилею академика академии наук Украины А.М. Самойленко [1].

2. Сингулярно возмущенное линейное интегро-дифференциальное уравнение Абеля первого порядка

Рассмотрим уравнение (1) и его линейное регуляризованное уравнение

(4)

гденеизвестная функция. Для уравнения (4) поставим начальное условие

(5)

Задача (5) и (6) эквивалентна к следующей задаче.

, (6)

Решение невозмущенной задачи (6) не удовлетворяет условию так как Нам нужна следующая

Теорема 1. Задача (6) имеет классическое решение

и для него имеет место оценка

где

Доказательство. Имеем

где

Очевидно, функция ограничена некоторой постоянной. Чтобы получить оценку для функции после подстановки x-s=t запишем его в виде

разделим этот интеграл на два слагаемых

где

Из этих выражений получим оценки

Если параметр выбрать, так чтобы тогда

Теорема доказана.

3. Сингулярновозмущенное нелинейное интегро-дифференциальное уравнение Абеля первого порядка

Теперь вместо уравнения (1), рассмотрим нелинейное регуляризованное уравнение

(7)

где, с начальным условием (5)

Задача (7) и (5) эквивалентна к следующей задаче

. (8)

В силу теоремы 1 для решения линеаризованной задачи (8), то есть для задачи

имеет место оценка

Задачу (8) запишем в виде

, (9)

где

Лемма 1. Для любой непрерывной функции имеет место оценка

Доказательство леммы очевидно.

Теорема 2. Асимтотика решение задачи (9) можно представитьв виде обобщенного асимптотического ряда Пуанкаре

(10)

где равномерно ограниченные функции, причем этот ряд сходится равномерно на отрезке [0,1].

Доказательство проведем методом фиктивного параметра, т.е. в уравнении (9) введем параметр , который изменяется на отрезке [0,1]:

. (11)

Подставляя (10) в (11) и приравнивая коэффициенты при одинаковых степенях , для определения получим уравнения

,

,

,

…………………………………………..

В силу Леммы 1, из этих выражений все функции определяются ограниченными функциями.

Доказательство равномерной ограниченности ряда (10) вытекает из того, что мажорантным уравнением для (11) является алгебраическое уравнение

(12)

решение, которого можно представить в виде сходящего ряда

, (13)

так как уравнение (12) имеет решение

.

Постоянная а разлагается в ряд вида (13) при условии, что

8mle≤1 .

Это условие выполняется для любого lÎ[0,1], если параметр e мало. Теорема 2 доказана.

Заключение

Здесь неклассическое решение уравнения Абеля первого рода приближается сингулярно возмущенным линейным или нелинейным интегро- дифференциальным уравнением типа Абеля и в результате получим классическое приближенное решений этих уравнений.