• 検索結果がありません。

ON A SEMI‑LINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATION OF PARABOLIC TYPE

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "ON A SEMI‑LINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATION OF PARABOLIC TYPE"

Copied!
6
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)

Bulletin of Faculty of Liberal Arts, Nagasaki University Vol. 2, No. 1

ON A SEMI‑LINEAR PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATION OF PARABOLIC TYPE

By Takasi KUSANO

(August 25, 1961)

Introduction

We consider the first boundary value problem for a semi‑linear partial differential equation of parabolic type

gu≡豊一芸‑f(fi,V,u).

Let 7 i and F2 be two arcs having the equations x‑gi(y), x‑g2(y), yoく

yく2/i, respectively, with g^y), g2(y) continuous and gi(y)<gサ(y) for yo<y<yi

We denote by Ci and C2, respectively, two segments gi(yo)くxく92(vo), 2/‑2/o gi(yi)<xく92(Vi), V‑Vu

We propose to find the solution in the domain bounded by the arcs il, 71 and the segments d, C2. We call such a domain a normal domain. The

boundary data <p the solution is required to assume are prescribed on the so‑

called fundamental boundary D of D, consisting of /I, C¥ and F2. We suppose throughout this paper that to each point of D there corresponds a barrier function*3 for the equation 3?u‑0, which permits the solution to assume the prescribed boundary value at that point.

In order to solve our boundary value problem we adopt the method of iteration ; i. e., we define a sequence of functions {un} by the iterative scheme

&un+i‑f{%,y,un) in D\D , un+i‑(f on D.

Under appropriate assumptions on the domain D, its fundamental boundary D, the prescribed boundary data (p and the function in the equation f(x,y,u) we can prove the possibility of such an iteration and the uniform convergence

See B. Pini [2, 3コand T. KUSANO [4].

(2)

of the {un} thus defined to the unique solution of the problem in question. We

note that un must be defined as a solution of a linear non‑homogeneous partial

differential equation with given boundary values. We, therefore, treat in

Section 1 a boundary value problem for a non‑homogeneous equation of para‑

bolic type

<pu‑h(x, y).

There we shall obtain by employing the maximum principle for sub func‑

tions of j5P%‑0 a basic inequality for solutions of such a problem.

In Section 2 the construction of the approximate solutions by means of the iteration mentioned above will be explained in detail. The existence of the solution as well as the uniqueness will be established.

1. Non‑homogeneous Equation We丘rst consider the simplest equation (A) 3>u ‑ 0,

the fundamental solution of which is expressed as follows :

U(x,y; f,ワ)‑ J4π(y ‑り) exp<一浩(y>v),

0 (yくり).

It is known that there exists m D a unique regular solution of (A) as‑

summg the prescribed boundary data.

Ifweset

(1.1) V(〟, y)‑

JDJ

h(S,り)U(〟, y; 」, y)dJdy

where h(π,y) is in the class Cl{D), we can verify that V(〟,y) satisfies a non‑

homogeneous partial differential equation (B) cBu‑h{x, y).

We are thus led in a natural way to the solution of the equation (B) satisfying the boundary condition

(*) u‑<p onD,

(3)

On a Semi‑linear Partial Differential Equation of Parabolic Type

Let w be a solution of the equation (A) satisfying the boundary condition w‑ダーv onD

andset

u‑V+W.

Then u is evidently the unique solution of the problem (B), (*).

For solutions of the problem (B), (*) there holds an inequality which is of great use in the sequel.

Theorem 1.1. If u(x,y) is a solution of the problem (B), (*), then the following inequality holds :

(1.2) lu(x, y)1くmaxやけd2 max ¥h(x, y)¥/2

D D

or in terms of the uniform norm日日r, and the boundary norm ││ ¥¥b

(1.2.a) ‖u"Dく‖<p¥¥b+d2日>/2t

where d is the width of the domain D: d‑ max {g2(y)‑9i(y)}.

mm抱SfTlり

Proof: We setてノ(x,y)‑u(x,y)+t(㌶‑f) , A being a positive number and

S the abscissa of a fixed point in D. g>v>O for a su伍ciently large A>0, since

3>v‑h(x,y)+2A. We can take, for example, ^‑maxlh(〟,?/)│/2. Hence v is

上)

a subfunction**) for (A), the greatest value of which is attained at some point on the boundary D. Consequently we have

v(〟, y)‑u(x, y)+A(x‑E)2くmチx Mx, y)+t(x‑m

D

くmaxや+d2 max ¥h(x, y)│/2

D D

u(x, y)くmaxで+d2ma,x ¥h(x, y)¥/2 ・

I)

A similar argument for ‑u(〟, y) yields the inequality

(1.4) ‑u(x, y)くmax (‑ヂ)+d2 max ¥h(x, y)I/2.

D

From (1.3) and (1.4) immediately follows (1.2), which completes the proof.

See T. Kusano [4].

(4)

Corollary. The solution of the equation (A) defined in a normal do‑

main D assumes its greatest and least vαhes on the funda肌enta川oundary D.

m

2. Semi‑linear Equation

We now consider the semi‑linear partial differential equation 3?u‑f(x,y, u).

We assume that the following three conditions are∋ ful丘Iied.

f(〟,y,u)∈Cl for {x,y)∈D, ¥u¥くα.

¥f(x,y,u)‑f(x,y, v)¥く雷恒vl

where p is a positive constant less than unity.

(Ill) lf(〟,y,u)¥^2(α一maxl<p¥)/d2 for (〟,y)∈D, ¥u¥くα・

Condition (III) might be considered as a restriction on the function f{x, y, u).

It is, however, duly understood to be a restriction on the size of the normal domain D. We suppose that the domain has been chosen so small enough

that Condition (III) is satisfied.

We can丘rst of all prove the uniqueness of the solution of the boundary value problem (C), (*). Let uu u2 be two solutions of (C), (*). Let uu u2 be two solutions of (C), (*). The function v‑u¥‑u2 satisfies the equation

&v‑f(x, y, u,)‑f{π, y, u2) and the boundary condition: ^‑0 on D.

In view of the inequality (1.2) and Condition (II) we have max¥v(x, y)¥くcr max lf(x, y, ui)‑f(x, y, u2)¥/2

D

くp max ¥ui(x, y)‑u2(x, y)I ‑pma,x ¥v(x, y)¥.

D D

But this is impossible unless v(x,y) vanishes identically or ui≡w2 in D. This

completes the uniqueness proof.

Setting uo(x,y)‑O we define a sequence of functions {un(〟,y)} by the iterative schc)me

3un+i‑f(〟,y,un) m D\D,

un+i‑P on D.

(5)

On a Semi‑linear Partial Differential Equation of Parabolic Type

It is easily veri丘ed that such an iteration is indeed possible. In fact, if

¥un(x,y)¥くα in D, then by virtue of the inequality (1.2) and Condition (III) we obtain

¥un+l(X, V)lくmax │^>│+d2m旦x¥f(x, y, un)¥/2

D

2(α‑max困)

D

d2 d2

D

くmチⅩ Eや廿音

。D

=IY..

An induction shows that all the un(x,y) can actually be denned in this way mD.

The uniform convergence of the sequence {un(x, y)} is proved as follows.

Since vn(〟, y)‑un+i(x, y)‑un(x, y) satisfies

&vn‑f(〟, 2/, Wn)‑/(ォ, 2/, Wra̲i)

vn‑0 on D,

we have, by taking (1.2) and (II) into account, the estimate

Tv〟(%, y)¥くc」2 max │/(〟,y, un)‑f(〟, y, un^)¥/2 上)

<pmax│vn̲1(〟, y)¥

D or

¥vn¥¥Dく¥vn‑1¥¥D・

Consequently

ln+1 Wn││z>くU2‑Ui¥lDく2αpn‑l

Therefore un‑ui+(u2‑Wi)H ¥‑(un‑un‑i) is seen to be majonzed by a partial sum of a convergent geometric series 2α(1+p+‑ +pn‑2) and the uniform convergence of the {un(x, y)} is thus obvious. Let u(〟, y) be the limit function of the {un(〟, v)}.

As was observed in Section 1, the approximate solution un+i(〟,y) can be decomposed into the sum of two functions

y>n+i(x, y)‑vn+1(x, y)+wn+1(x, y) where

vn+i(x, y)‑ mで, un(」,り))u(.x, y, e,り)dSdク

(6)

and wn+1(x, y) is the solution of the problem 5>wn+1‑0 in D\D ,

wn+l‑ダーvn+i onD.

We observe that vn+i(〟, y) converges in D uniformly to the function

V(〟, y)‑

JDJ

/(」ワt u(」,ワ))U(x, y, e,ヴ)dHヴ

as n tends to infinity. We observe further that wn+i then tends uniformly

toダーv on D. The uniform convergence of a sequence of solutions of (A) on the fundamental boundary implies the uniform convergence in the whole domain and so our wn+i(x,y) converges uniformly to the solution w(x,y) of the equation (A) satisfying the boundary condition: w‑甲‑v on D.

We have after all that

u(x, y)‑v(〟, y)+w(〟, v).

This shows that the uniform limit u{x,y) of the un(x,y) turns out to be a solution of our boundary value problem (C), (*), for, we have

S'U‑3>V‑>rS>W‑f(〟, y, u) in D\D , u‑v+(早‑v)‑P on D.

Theorem 2.1. Let us suppose that given an equation (C) and a boundary condition (*) the conditions (I), (II), (III) are satisfied. Then, there exists one and only one solution of the problem (C), (*).

References

[1j Gevrey, M.: Sur les equations aux derivees partielles du type parabolique, Journal de Methematiques Pures et Appliquees, Vol. 9 (1913).

[ 2 j Pint, B.: Maggioranti e minoranti delle equazioni paraboliche, Annali di Mate‑

matica Pura ed Applicata., S. 4 (37) (1954).

[ 3 ] ‑ Sulle soluzione generalizzata di Wiener per il primo problema di valori al contorno nel caso parabolico, Rendiconti del Seminario Matematico della Universita di Padova, 23 (1954).

[4] Kusano, T.: Subfunction of a parabolic partial differential equation, Bull

Fac. Liberal Arts,, Nagasaki University, Vol. 1 (1960).

参照

関連したドキュメント

Suppose D is a linear system. On the other hand, by the definition of a system composed with a pencil, the general curve of such a system may have a singular point only at the

We have verified experimentally for the porous-medium equation that the computational cost of our scheme is O(1) flops per unknown per temporal step while the accuracy remains the same

In this paper, we establish a Stroock-Varadhan support theorem for the global mild solution to a d (d ≤ 3)-dimensional stochastic Cahn-Hilliard partial differential equation driven by

Meanwhile, in the scalar method [2–4, 14, 15, 28, 32, 33] the asymptotic behavior of solutions for scalar linear differential equations of Poincaré type is obtained by a change

If in the infinite dimensional case we have a family of holomorphic mappings which satisfies in some sense an approximate semigroup property (see Definition 1), and converges to

In this paper, we generalize the concept of Ducci sequences to sequences of d-dimensional arrays, extend some of the basic results on Ducci sequences to this case, and point out

This paper gives a decomposition of the characteristic polynomial of the adjacency matrix of the tree T (d, k, r) , obtained by attaching copies of B(d, k) to the vertices of

Kashiwara and Nakashima [17] described the crystal structure of all classical highest weight crystals B() of highest weight explicitly. No configuration of the form n−1 n.