On properties and error of 2nd order parabolic and hyperbolic perturbations of a 1st order symmetric hyperbolic system
- Authors: Zlotnik A.A.1,2, Chetverushkin B.N.2
-
Affiliations:
- HSE University
- Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences
- Issue: Vol 214, No 4 (2023)
- Pages: 3-37
- Section: Articles
- URL: https://journal-vniispk.ru/0368-8666/article/view/133510
- DOI: https://doi.org/10.4213/sm9800
- ID: 133510
Cite item
Abstract
The Cauchy problems are studied for a first-order multidimensional symmetric linear hyperbolic system of equations with variable coefficients and its singular perturbations that are second-order strongly parabolic and hyperbolic systems of equations with a small parameter τ>0 multiplying the second derivatives with respect to x and t. The existence and uniqueness of weak solutions of all three systems and τ-uniform estimates for solutions of systems with perturbations are established. Estimates for the difference of solutions of the original system and the systems with perturbations are given, including ones of order O(τα/2) in the norm of C(0,T;L2(Rn)), for an initial function w0 in the Sobolev space Hα(Rn), α=1,2, or the Nikolskii space Hα2(Rn), 0<α<2, α≠1, and under appropriate assumptions on the free term of the first-order system. For α=1/2 a wide class of discontinuous functions w0 is covered. Estimates for derivatives of any order with respect to x for solutions and of order O(τα/2) for their differences are also deduced. Applications of the results to the first-order system of gas dynamic equations linearized at a constant solution and to its perturbations, namely, the linearized second-order parabolic and hyperbolic quasi-gasdynamic systems of equations, are presented.
About the authors
Alexander Anatol'evich Zlotnik
HSE University; Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences
Author for correspondence.
Email: alexander.zlotnik@gmail.com
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor
Boris Nikolaevich Chetverushkin
Keldysh Institute of Applied Mathematics of Russian Academy of Sciences
Email: office@keldysh.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor
References
- Б. Н. Четверушкин, Кинетические схемы и квазигазодинамическая система уравнений, МАКС Пресс, М., 2004, 328 с.
- Т. Г. Елизарова, Квазигазодинамические уравнения и методы расчета вязких течений, Научный мир, М., 2007, 349 с.
- Б. Н. Четверушкин, “Гиперболическая квазигазодинамическая система”, Матем. моделирование, 30:2 (2018), 81–98
- Л. К. Эванс, Уравнения с частными производными, Тамара Рожковская, Новосибирск, 2003, 562 с.
- Дж. Коул, Методы возмущений в прикладной математике, Мир, М., 1972, 274 с.
- J. Genet, M. Madaune, “Singular perturbations for a class of nonlinear hyperbolic-hyperbolic problems”, J. Math. Anal. Appl., 64:1 (1978), 1–24
- Л. Р. Волевич, М. Г. Джавадов, “Равномерные оценки решений гиперболических уравнений с малым параметром при старших производных”, Дифференц. уравнения, 19:12 (1983), 2082–2090
- A. van Harten, R. R. van Hassel, “A quasi-linear, singular perturbation problem of hyperbolic type”, SIAM J. Math. Anal., 16:6 (1985), 1258–1267
- S. Schochet, “Hyperbolic-hyperbolic singular limits”, Comm. Partial Differential Equations, 12:6 (1987), 589–632
- H. O. Fattorini, “The hyperbolic singular perturbation problem: an operator theoretic approach”, J. Differential Equations, 70:1 (1987), 1–41
- E. M. de Jager, F. Jiang, The theory of singular perturbations, North-Holland Ser. Appl. Math. Mech., 42, North-Holland Publishing Co., Amsterdam, 1996, xii+340 pp.
- C. Мизохата, Теория уравнений с частными прооизводными, Мир, М., 1977, 504 с.
- С. К. Годунов, Уравнения математической физики, 2-е изд., испр. и доп., Наука, М., 1979, 391 с.
- S. Benzoni-Gavage, D. Serre, Multidimensional hyperbolic partial differential equations. First-order systems and applications, Oxford Math. Monogr., The Clarendon Press, Oxford Univ. Press, Oxford, 2007, xxvi+508 pp.
- С. М. Никольский, Приближение функций многих переменных и теоремы вложения, Наука, М., 1969, 480 с.
- А. А. Злотник, Б. Н. Четверушкин, “О параболичности квазигазодинамической системы уравнений, ее гиперболической 2-го порядка модификации и устойчивости малых возмущений для них”, Ж. вычисл. матем. и матем. физ., 48:3 (2008), 445–472
- А. А. Злотник, Б. Н. Четверушкин, “Устойчивость неявных разностных схем для линеаризованной гиперболической квазигазодинамической системы уравнений”, Дифференц. уравнения, 56:7 (2020), 936–947
- А. А. Злотник, Б. Н. Четверушкин, “О параболическом и гиперболическом 2-го порядка возмущениях гиперболической системы 1-го порядка”, Докл. РАН. Матем., информ., проц. упр., 506 (2022), 9–15
- H. O. Fattorini, “Singular perturbation and boundary layer for an abstract Cauchy problem”, J. Math. Anal. Appl., 97:2 (1983), 529–571
- А. З. Ишмухаметов, “Управляемость гиперболических систем при сингулярных возмущениях”, Дифференц. уравнения, 36:2 (2000), 241–250
- Т. Е. Моисеев, Е. Е. Мышецкая, В. Ф. Тишкин, “О близости решений невозмущенных и гиперболизованных уравнений теплопроводности для разрывных начальных данных”, Докл. РАН, 481:6 (2018), 605–609
- B. N. Chetverushkin, A. A. Zlotnik, “On a hyperbolic perturbation of a parabolic initial-boundary value problem”, Appl. Math. Lett., 83 (2018), 116–122
- О. А. Ладыженская, В. А. Солонников, Н. Н. Уральцева, Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа, Наука, М., 1967, 736 с.
- О. А. Ладыженская, Краевые задачи математической физики, Наука, М., 1973, 407 с.
- Л. К. Эванс, Р. Ф. Гариепи, Теория меры и тонкие свойства функций, Научная книга (ИДМИ), Новосибирск, 2002, 216 с.
- Х. Гаевский, К. Грегер, К. Захариас, Нелинейные операторные уравнения и операторные дифференциальные уравнения, Мир, М., 1978, 336 с.
- А. А. Злотник, Б. Н. Четверушкин, “Спектральные условия устойчивости явной трехслойной разностной схемы для многомерного уравнения переноса с возмущениями”, Дифференц. уравнения, 57:7 (2021), 922–931
- Й. Берг, Й. Лефстрем, Интерполяционные пространства. Введение, Мир, M., 1980, 264 с.
- B. N. Chetverushkin, A. A. Zlotnik, “On some properties of multidimensional hyperbolic quasi-gasdynamic systems of equations”, Russ. J. Math. Phys., 24:3 (2017), 299–309
- А. А. Злотник, Проекционно-разностные методы для нестационарных задач с негладкими данными, Дисс. … канд. физ.-матем. наук, МГУ, М., 1979
- L. Tartar, An introduction to Sobolev spaces and interpolation spaces, Lect. Notes Unione Mat. Ital., 3, Springer, Berlin; UMI, Bologna, 2007, xxvi+218 pp.
- М. C. Агранович, Соболевские пространства, их обобщения и эллиптические задачи в областях с гладкой и липшицевой границей, МЦНМО, М., 2013, 378 с.
- A. Zlotnik, T. Lomonosov, “$L^2$-dissipativity of the linearized explicit finite-difference scheme with a kinetic regularization for 2D and 3D gas dynamics system of equations”, Appl. Math. Lett., 103 (2020), 106198, 7 pp.
- А. А. Злотник, А. С. Федченко, “Свойства агрегированной квазигазодинамической системы уравнений гомогенной газовой смеси”, Докл. РАН. Матем., информ., проц. упр., 501 (2021), 31–37
Supplementary files
