Asymptotic analysis of solutions of ordinary differential equations with distribution coefficients

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Ordinary differential equations of the form $$\tau(y)- \lambda ^{2m} \varrho(x) y=0, \qquad \tau(y) =\sum_{k,s=0}^m(\tau_{k,s}(x)y^{(m-k)}(x))^{(m-s)},$$on the finite interval $x\in[0,1]$ are under consideration. Here the functions $\tau_{0,0}$ and $\varrho$ are absolutely continuous and positive and the coefficients of the differential expression $\tau(y)$ are subject to the conditions $$\tau_{k,s}^{(-l)}\in L_2[0,1], \qquad 0\le k,s \le m, \quad l=\min\{k,s\},$$where $f^{(-k)}$ denotes the $k$th antiderivative of the function $f$ in the sense of distributions. Our purpose is to derive analogues of the classical asymptotic Birkhoff-type representations for the fundamental system of solutions of the above equation with respect to the spectral parameter as $\lambda \to \infty$ in certain sectors of the complex plane $\mathbb C$. We reduce this equation to a system of first-order equations of the form $$\mathbf y'=\lambda\rho(x)\mathrm B\mathbf y+\mathrm A(x)\mathbf y+\mathrm C(x,\lambda)\mathbf y,$$where $\rho$ is a positive function, $\mathrm B$ is a matrix with constant elements, the elements of the matrices $\mathrm A(x)$ and $\mathrm C(x,\lambda)$ are integrable functions, and $\|\mathrm C(x,\lambda)\|_{L_1}=o(1)$ as $\lambda \to \infty$. For systems of this kind, we obtain new results concerning the asymptotic representation of the fundamental solution matrix, which we use to make an asymptotic analysis of the above scalar equations of high order. Bibliography: 44 titles.

About the authors

Artem Markovich Savchuk

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics; Moscow Center for Fundamental and Applied Mathematics

Email: artem_savchuk@mail.ru
Candidate of physico-mathematical sciences, Associate professor

Andrei Andreevich Shkalikov

Lomonosov Moscow State University, Faculty of Mechanics and Mathematics; Moscow Center for Fundamental and Applied Mathematics

Email: shkalikov@mi-ras.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

References

  1. G. D. Birkhoff, “On the asymptotic character of the solutions of certain linear differential equations containing a parameter”, Trans. Amer. Math. Soc., 9:2 (1908), 219–231
  2. G. D. Birkhoff, “Boundary value and expansion problems of ordinary linear differential equations”, Trans. Amer. Math. Soc., 9:4 (1908), 373–395
  3. А. М. Савчук, А. А. Шкаликов, “Операторы Штурма–Лиувилля с сингулярными потенциалами”, Матем. заметки, 66:6 (1999), 897–912
  4. А. М. Савчук, А. А. Шкаликов, “Операторы Штурма–Лиувилля с потенциалами-распределениями”, Тр. ММО, 64, УРСС, М., 2003, 159–219
  5. A. А. Владимиров, “О сходимости последовательностей обыкновенных дифференциальных операторов”, Матем. заметки, 75:6 (2004), 941–943
  6. И. М. Гусейнов, Р. Т. Пашаев, “Об одном классе дифференциальных операторов с сингулярными коэффициентами”, Докл. НАН Азербайджана, 62:1 (2006), 7–10
  7. К. А. Мирзоев, А. А. Шкаликов, “Двучленные дифференциальные операторы с сингулярным коэффициентом”, Международная конференция “Дифференциальные уравнения и смежные вопросы”, посвященная 110-й годовщине со дня рождения И. Г. Петровского: тезисы докладов, XXIII совместное заседание ММО и сем. им. И. Г. Петровского (Москва, 2011), Изд-во МГУ, М.; ООО “ИНТУИТ.РУ”, М., 2011, 274–275
  8. J. Eckhardt, F. Gesztesy, R. Nichols, G. Teschl, “Weyl–Titchmarsh theory for Sturm–Liouville operators with distributional potentials”, Opuscula Math., 33:3 (2013), 467–563
  9. A. Goriunov, V. Mikhailets, K. Pankrashkin, “Formally self-adjoint quasi-differential operators and boundary-value problems”, Electron. J. Differential Equations, 2013 (2013), 101, 16 pp.
  10. К. А. Мирзоев, “Операторы Штурма–Лиувилля”, Тр. ММО, 75, № 2, МЦНМО, М., 2014, 335–359
  11. К. А. Мирзоев, А. А. Шкаликов, “Дифференциальные операторы четного порядка с коэффициентами-распределениями”, Матем. заметки, 99:5 (2016), 788–793
  12. Э. А. Коддингтон, Н. Левинсон, Теория обыкновенных дифференциальных уравнений, ИЛ, М., 1958, 474 с.
  13. O. Perron, “Über lineare Differentialgleichungen, bei denen die unabhängig Variable reel ist. I”, J. Reine Angew. Math., 142 (1913), 254–270
  14. Я. Д. Тамаркин, О некоторых общих задачах теории обыкновенных линейных дифференциальных уравнений и о разложении произвольных функций в ряды, Тип. М. П. Фроловой, Петроград, 1917, xiv+308 с.
  15. G. D. Birkhoff, R. E. Langer, “The boundary problems and developments associated with a system of ordinary differential equations of the first order”, Proc. Amer. Acad. Arts Sci., 58:2 (1923), 51–128
  16. J. Tamarkin, “Some general problems of the theory of ordinary linear differential equations and expansion of an arbitrary function in series of fundamental functions”, Math. Z., 27:1 (1928), 1–54
  17. М. А. Наймарк, Линейные дифференциальные операторы, 2-е изд., Наука, М., 1969, 526 с.
  18. В. Е. Владыкина, А. А. Шкаликов, “Асимптотика решений уравнения Штурма–Лиувилля с сингулярными коэффициентами”, Матем. заметки, 98:6 (2015), 832–841
  19. В. А. Марченко, Операторы Штурма–Лиувилля и их приложения, Наукова думка, Киев, 1977, 331 с.
  20. R. O. Hryniv, Ya. V. Mykytyuk, “Transformation operators for Sturm–Liouville operators with singular potentials”, Math. Phys. Anal. Geom., 7:2 (2004), 119–149
  21. S. Albeverio, R. O. Hryniv, Ya. V. Mykytyuk, “Inverse spectral problems for Dirac operators with summable potentials”, Russ. J. Math. Phys., 12:4 (2005), 406–423
  22. М. М. Маламуд, “Вопросы единственности в обратных задачах для систем дифференциальных уравнений на конечном интервале”, Тр. ММО, 60, УРСС, М., 1999, 199–258
  23. A. A. Lunyov, M. M. Malamud, “On the Riesz basis property of root vectors system for $2times 2$ Dirac type operators”, J. Math. Anal. Appl., 441:1 (2016), 57–103
  24. A. M. Savchuk, A. A. Shkalikov, “Spectral properties of Dirac operators on $(0,1)$ with summable potentials”, The sixth International conference on differential and functional differential equations. Abstracts (Moscow, 2011), 2011, 63
  25. А. М. Савчук, А. А. Шкаликов, Оператор Дирака с комплекснозначным суммируемым потенциалом
  26. И. М. Рапопорт, О некоторых асимптотических методах в теории дифференциальных уравнений, Изд-во АН УССР, Киев, 1954, 292 с.
  27. А. И. Вагабов, “Об уточнении асимптотической теоремы Тамаркина”, Дифференц. уравнения, 29:1 (1993), 41–49
  28. V. S. Rykhlov, “Asymptotical formulas for solutions of linear differential systems of the first order”, Results Math., 36:3-4 (1999), 342–353
  29. А. И. Вагабов, “Об асимптотике по параметру решений дифференциальных систем с коэффициентами из класса $L_q$”, Дифференц. уравнения, 46:1 (2010), 16–22
  30. В. Вазов, Асимптотические разложения решений обыкновенных дифференциальных уравнений, Мир, М., 1968, 464 с.
  31. А. А. Шкаликов, “Краевые задачи для обыкновенных дифференциальных уравнений с параметром в граничных условиях”, Тр. сем. им. И. Г. Петровского, 9, 1983, 190–229
  32. A. A. Lunyov, M. M. Malamud, “On the completeness and Riesz basis property of root subspaces of boundary value problems for first order systems and applications”, J. Spectr. Theory, 5:1 (2015), 17–70
  33. M. M. Malamud, L. L. Oridoroga, “On the completeness of root subspaces of boundary value problems for first order systems of ordinary differential equations”, J. Funct. Anal., 263:7 (2012), 1939–1980
  34. А. М. Савчук, А. А. Шкаликов, “Обратные задачи для оператора Штурма–Лиувилля с потенциалами из пространств Соболева. Равномерная устойчивость”, Функц. анализ и его прилож., 44:4 (2010), 34–53
  35. C. Bennewits, “Spectral asymptotics for Sturm–Liouville equations”, Proc. London Math. Soc. (3), 59:2 (1989), 294–338
  36. A. Fleige, Spectral theory of indefinite Krein–Feller differential operators, Math. Res., 98, Akademie Verlag, Berlin, 1996, 133 pp.
  37. A. Zettl, Sturm–Liouville theory, Math. Surveys Monogr., 121, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2005, xii+328 pp.
  38. J. Behrndt, F. Philipp, C. Trunk, “Bounds on the non-real spectrum of differential operators with indefinite weights”, Math. Ann., 357:1 (2013), 185–213
  39. А. А. Шкаликов, В. Т. Плиев, “Компактные возмущения сильно демпфированных пучков операторов”, Матем. заметки, 45:2 (1989), 118–128
  40. Р. Х. Амиров, И. М. Гусейнов, “Некоторые классы операторов Дирака с сингулярными потенциалами”, Дифференц. уравнения, 40:7 (2004), 999–1001
  41. А. М. Савчук, А. А. Шкаликов, Асимптотические формулы для фундаментальной системы решений обыкновенных дифференциальных уравнений высокого порядка с коэффициентами распределениями
  42. F. V. Atkinson, W. N. Everitt, A. Zettl, “Regularization of a Sturm–Liouville problem with an interior singularity using quasi-derivatives”, Differential Integral Equations, 1:2 (1988), 213–221
  43. W. N. Everitt, “A note on linear ordinary quasi-differential equations”, Proc. Roy. Soc. Edinburgh Sect. A, 101:1-2 (1985), 1–14
  44. В. Е. Владыкина, “Асимптотика фундаментальных решений уравнения Штурма–Лиувилля по спектральному параметру”, Вестн. Моск. ун-та. Сер. 1. Матем., мех., 2019, № 1, 57–61

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Savchuk A.M., Shkalikov A.A.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».