Boundary Value Problems for the Three-Dimensional Helmholtz Equation in the Unbounded Octant, Square and Half Space

封面

如何引用文章

全文:

详细

At present, the results of the study of boundary value problems for the two-dimensional Helmholtz equation with one and two singular coefficients are known. In the presence of two positive singular coefficients in the two-dimensional Helmholtz equation, explicit solutions of the Dirichlet, Neumann and Dirichlet-Neumann problems in a quarter plane are expressed through a confluent hypergeometric function of two variables. The established properties of the confluent hypergeometric function of two variables allow us to prove the theorem of uniqueness and existence of a solution to the problems posed.In this paper, we study the Dirichlet, Neumann, and Dirichlet-Neumann problems for the three-dimensional Helmholtz equation at zero values of singular coefficients in an octant, a quarter of space, and a half-space. Uniqueness and existence theorems are proved under certain restrictions on the data. The uniqueness of solutions of which is proved using the extremum principle for elliptic equations. Using the known fundamental (singular) solution of the Helmholtz equation, solutions to the problems under study are written out in explicit forms.

全文:

Introduction

It’s known, that the Helmholtz equation has a variety of applications in physics and other sciences, including the wave equation, the diffusion equation, and the Schrödinger equation for a free particle.

The Helmholtz equation often arises in the study of physical problems involving partial differential equations (PDEs) in both space and time. The Helmholtz equation, which represents a time-independent form of the wave equation, results from applying the technique of separation of variables to reduce the complexity of the analysis [15].

The two-dimensional analogue of the vibrating string is the vibrating membrane, with the edges clamped to be motionless. The Helmholtz equation was solved for many basic shapes in the 19th century: the rectangular membrane by Siméon Denis Poisson in 1829, the equilateral triangle by Gabriel Lamé in 1852, and the circular membrane by Alfred Clebsch in 1862. The elliptical drumhead was studied by Émile Mathieu, leading to Mathieu’s differential equation.

Two- and more-dimensional Helmholtz equations

j=1n2uxj2+μu=0

and their related boundary-value problems have been investigated in a large number of papers [1–3, 12–14].

On the other hand, the equation has important applications. In 1952 Kapilevich [18] has solved Dirichlet and Neumann problems for multidimensional Helmholtz equation with singular coefficient

j=1n2uxj2+2αx1ux1+μu =0,  0<2α<1 (1)

in the half-space. In 1978 Marichev [19] has investigated two-dimensional Helmholtz equation with two singular coefficients

2ux2+2uy2+2αxux+2βyuy+μu=0,  0< 2α,  2β<1

There are many works [6–9, 11] devoted to the Helmholtz equation (1). For instance, in the work [10] the Dirichlet problem fot the singular Helmholtz equation (1) for μ=λ2 is solved explicitly.

Generally speaking, our further goal is to pose and investigate boundary value problems for Helmholtz equation with three singular coefficients

2ux2+2uy2+2uz2+2αxux+2βyuy+2γyuz+μu=0,   02α,  2β,2γ<1 (2)

 in some infinite domains.

For beginning, in the present paper, we study the Dirichlet, Neumann and Dirichlet-Neumann boundary value problems for equation (2) at α=β=γ=0 and μ=λ2 in the unbounded domains – in an octant, square of the space and half-space.

The Dirichlet problem D33 for the Helmholtz equation in the first octant

Let us consider the following Helmholtz equation

uxx+uyy+uzzλ2u =0     (3)

in the infinite domain Ω3x,y,z:x>0,  y>0,  z>0

The Dirichlet problem D33. Find a regular solution ux,y,z to the Helmholtz equation (3) in the class of functions CΩ3¯C2Ω3, satisfying the conditions

ux,y,0=τ1x,y,      0x,y<, (4)

ux,0,z=τ2x,z,      0x,z<, (5)

u0,y,z=τ3y,z,      0y,z<, (6)

limRux,y,z=0,    R=x2+y2+z2, (7)

×

作者简介

Zafarjon Arzikulov

Fergana Polytechnic Institute

编辑信件的主要联系方式.
Email: zafarbekarzikulov1984@gmail.com
ORCID iD: 0009-0004-2965-4566

Doktorant, Fac. of Phys. & Department of Higher Mathematics

乌兹别克斯坦, 150107, Ferganskaya str., 86, Fergana

参考

  1. Hu G., Rathsfeld A. Radiation conditions for the Helmholtz equation in a half plane filled by inhomogeneous periodic material, Journal of Differential Equations, 2024. vol.388, pp.215–252.
  2. Chandler-Wilde S. N. Boundary value problems for the Helmholtz equation in a half-plane, Conference: Third International Conference on Mathematical and Numerical Aspects of Wave Propagation Phenomena, 1994. vol. 94, pp. 1–12.
  3. Frank-Olme S., Ernst S. Boundary Value Problems for the Helmholtz Equation in an Octant, Integral Equations and Operator Theory, 2008. vol. 62, pp. 269–300.
  4. Sveshnikov A. G., Bogolyubov A. N., Kravtsov V. V. Lectures on Mathematical Physics. Moscow: Moscow State University, 1993. 352 pp. (in Russian)
  5. Gradshteyn I. S., Ryzhik I. M. Table of integrals, series and products. Amsterdam: Academic Press, 2007. 1172 pp.
  6. Ergashev T. G., Safarbaeva N. M. Holmgren’s problem for a multidimensional Helmholtz equation with one singular coefficient, Bulletin of the Institute of Mathematics, 2020. vol. 1, pp. 127 – 135.
  7. Ergashev T. G., Hasanov A. Holmgren problem for elliptic equation with singular coefficients, Vestnik KRAUNC. Fiz.-mat. nauki., 2020. vol. 32, no. 3, pp. 159 – 175.
  8. Ergashev T. G., Hasanov A. Fundamental solutions of the bi-axially symmetric Helmholtz equation, Uzbek Mathematical Journal, 2018. vol. 1, pp. 55 – 64.
  9. Ergashev T. G. Third double-layer potential for a generalized bi-axially symmetric Helmholtz equation, Ufa Mathematical Journal, 2018. vol. 10, pp. 111 – 121.
  10. Repin O. A., Lerner M. E. On the Dirichlet problem for the generalized bioxially symmetric Helmholtz equation in the first quadrant, Vestnik Samarsk. Gos. Tekh. Universiteta, Ser. fiz.-matem. nauki, 1998. vol. 6, pp. 5 – 8 (in Russian).
  11. Samko S.G., Kilbas A.A., Marichev O.I. Fractional integrals and derivatives. Theory and applications. Amsterdam: Gordon and Breach Science Publishers, 1993. 976 pp.
  12. Juraev D. A., Agarwal P., Elsayed E. E., Targyn N. Applications of the Helmholtz equation, Advanced Engineering Days, 2023. vol. 8, pp. 28 – 30.
  13. Juraev D. A. On the Cauchy problem for matrix factorizations of the Helmholtz equation in a bounded domain, Siberian Electronic Mathematical Reports, 2018. vol. 15, pp. 11 – 20.
  14. Juraev D. A. The construction of the fundamental solution of the Helmholtz equation, Reports of the Academy of Sciences of the Republic of Uzbekistan, 2012. vol. 2, pp. 14 – 17.
  15. Zwillinger D. Handbook of Differential Equations. Boston, MA Academic Press, 1997. 129 pp.
  16. Tikhonov, A. N. and Samarskii, A. A. Equations of Mathematical Physics, Dover Publ. New York: Dover Publ 1990. 829 pp.
  17. Budak, B. M., Samarskii, A. A., and Tikhonov, A. N. Collection of Problems on Mathematical Physics. Moscow: Nauka, 1980. 829 pp. (in Russian).
  18. Kapilevich M.B. On one equation of mixed elliptic-hyperbolic type., Matematicheskii sbornik, 1952. vol. 30(72), pp. 11 – 38 (in Russian).
  19. Marichev O.I. Integral representation of solutions of the generalized biaxially symmetric Helmholtz equation and its inversion formula., Differensialniye uravneniya, 1978. vol. 14, pp. 1824 – 1831 (in Russian).

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML

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».