Sobolev spaces and boundary-value problems for the curl and gradient-of-divergence operators

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We study boundary value and spectral problems in a bounded domain $G$ with smooth border for operators $\operatorname{rot} +\lambda I$ and $\nabla \operatorname{div} +\lambda I$ in the Sobolev spaces. For $\lambda\neq 0$ these operators are reducible (by B. Veinberg and V. Grushin method) to elliptical matrices and the boundary value problems and satisfy the conditions of V. Solonnikov's ellipticity. Useful properties of solutions of these spectral problems derive from the theory and estimates. The $\nabla \operatorname{div}$ and $ \operatorname{rot}$ operators have self-adjoint extensions $\mathcal{N}_d$ and $\mathcal{S}$ in orthogonal subspaces $\mathcal{A}_{\gamma }$ and $\mathbf{V}^0$ forming from potential and vortex fields in $\mathbf{L}_{2}(G)$. Their eigenvectors form orthogonal basis in $\mathcal{A}_{\gamma }$ and $\mathbf{V}^0$ elements which are presented by Fourier series and operators are transformations of series. We define analogues of Sobolev spaces $\mathbf{A}^{2k}_{\gamma }$ and $\mathbf{W}^m$ orders of $2k$ and $m$ in classes of potential and vortex fields and classes $ C (2k,m)$ of their direct sums. It is proved that if $\lambda\neq \operatorname{Sp}(\operatorname{rot})$, then the operator $ \operatorname{rot}+\lambda I$ displays the class $C(2k,m+1)$ on the class $C(2k,m)$ one-to-one and continuously. And if $\lambda\neq \operatorname{Sp}(\nabla \operatorname{div})$, then operator $\nabla \operatorname{div}+\lambda I$ maps the class $C(2(k+1), m)$ on the class $C(2k,m)$, respectively.

About the authors

Romen Semenovich Saks

Institute of Mathematics with Computing Centre, Ufa Federal Research Centre, Russian Academy of Sciences

Email: romen-saks@yandex.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor

References

  1. Соболев С. Л., Введение в теорию кубатурных формул, Наука, М., 1974, 810 с.
  2. Михайлов В. П., Дифференциальные уравнения в частных производных, Наука, М., 1975, 392 с.
  3. Weyl H., "The method of orthogonal projection in potential theory", Duke Math. J., 7:1 (1940), 411-444
  4. Borchers W., Sohr H., "On the equations and with zero boundary conditions", Hokkaido Math. J., 19:1 (1990), 67-87
  5. Соболев С. Л., "Об одной новой задаче математической физики", Изв. АН СССР. Сер. матем., 18:1 (1954), 3-50
  6. Ладыженская O. A., Математические вопросы динамики вязкой несжимаемой жидкости, Наука, М., 1970, 288 с.
  7. Friedrichs K. O., "Differential forms on riemannian manifolds", Comm. Pure Appl. Math., 8:2 (1955), 551-590 pp.
  8. Быховский Э. Б., Смирнов Н. В., "Об ортогональном разложении пространства вектор-функций, квадратично суммируемых по заданной области, и операторах векторного анализа", Математические вопросы гидродинамики и магнитной гидродинамики для вязкой несжимаемой жидкости, Сборник работ, Тр. МИАН СССР, 59, Изд-во АН СССР, М.-Л., 1960, 5-36
  9. Yoshida Z., Giga Y., "Remarks on spectra of operator rot", Math. Z., 204 (1990), 235–245
  10. Зорич В. А., Математический анализ. Часть II, Наука, М., 1984, 640 с.
  11. Солонников В. А., "Переопределенные эллиптические краевые задачи", Краевые задачи математической физики и смежные вопросы теории функций. 5, Зап. научн. сем. ЛОМИ, 21, Изд-во «Наука», Ленинград. отд., Л., 1971, 112-158
  12. Сакс Р. С., "О краевых задачах для системы ", Дифференц. уравнения, 8:1 (1972), 126-133
  13. Волевич Л. Р., "Разрешимость краевых задач для общих эллиптических систем", Матем. сб., 68(110):3 (1965), 373-416
  14. Bourguignon J. P., Brezis H., "Remarks on the Euler equation", J. Funct. Anal., 15:4 (1974), 341-363
  15. Foias C., Temam R., "Remarques sur les equations de Navier-Stokes stationnaireset les phenomènes successifs de bifurcation", Annali della Scuola Normale Superiore di Pisa - Classe di Scienze, Serie 4, 5:1 (1978), 29-63
  16. Вайнберг Б. Р., Грушин В. В., "О равномерно неэллиптических задачах. I", Матем. сб., 72(114):4 (1967), 602-636
  17. Сакс Р. С., "Решение спектральных задач для операторов ротора и Стокса", Уфимск. матем. журн., 5:2 (2013), 63-81
  18. Владимиров В. С., Уравнения математической физики, Наука, М., 1988, 512 с.
  19. Сакс Р. С., "Оператор градиент дивергенции и пространства Соболева", Динамические системы, 8:4 (2018), 385-407
  20. Сакс Р. С., "О свойствах обобщенно эллиптических псевдодифференциальных операторов на замкнутых многообразиях", Краевые задачи математической физики и смежные вопросы теории функций. 28, Зап. научн. сем. ПОМИ, 243, ПОМИ, СПб., 1997, 215-269
  21. Temam R. I., Navier-Stokes Equations: Theory and Numerical Analysis, North-Holland, Amsterdam, 1984
  22. Woltjer L., "A theorem on force-free magnetic fields", Proc. Nat. Acad. Sci., 44 (1958), 489-491
  23. Taylor J. B., "Relaxation of toroidal plasma and generation of reverse magnetic fields", Phys. Rev. Letters, 33:19 (1974), 1139-1141
  24. Arnold V. I., "Sur la topologie des ecoulements stationnaires des fluides parfaits", C. R. Acad. Sci. Paris, 261 (1965), 17-20
  25. Козлов В. В., Общая теория вихрей, Удмурт. гос. унив., Ижевск, 1998, 240 с.
  26. Woltjer L., "The Crab Nebula", Bull. Astron. Inst. Netherlands, 14 (1958), 39-80
  27. "The spectrum of the operator on spherically symmetric domains", Physics of Plasmas, 7 (2000), 2766-2775
  28. Сакс Р. С., "Спектр оператора вихря в шаре при условии непротекания и собственные значения колебаний упругого шара, закрепленного на границе", Труды конф. «Комплексный анализ, дифференциальные уравнения и смежные вопросы», IV. Прикладная математика, Уфа, 2000, 61-68
  29. Saks R. S., "On the spectrum of the operator ", Progress in Analysis, Proceedings of the 3rd ISAAC Congress (Berlin, Germany, 20–25 August 2001), v. 1, 2003, 811-819
  30. Сакс Р. С., "Собственные функции операторов ротора, градиента дивергенции и Стокса. Приложения", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 2013, № 2(31), 131-146
  31. Сакс Р. С., "Глобальные решения уравнений Навье-Стокса в равномерно вращающемся пространстве", ТМФ, 162:2 (2010), 196-215
  32. Сакс Р. С., Хайбуллин А. Г., "Об одном методе численного решения задачи Коши для уравнений Навье-Стокса и рядах Фурье оператора ротор", Докл. РАН, 429:1 (2009), 22-27
  33. Сакс Р. С., "Задача Коши для уравнений Навье-Стокса, метод Фурье", Уфимск. матем. журн., 3:1 (2011), 53-79
  34. Исламов Г. Г., "Об одном классе векторных полей", Вестн. Сам. гос. техн. ун-та. Сер. Физ.-мат. науки, 19:4 (2015), 680-696
  35. Боговский М. Е., "Решение некоторых задач векторного анализа, связанных с операторами и ", Труды семинара С. Л. Соболева, 1980, № 1, 5–40
  36. Масленникова В. Н., Боговский М. Е., "Аппроксимация потенциальных и соленоидальных векторных полей", Сиб. матем. журн., 24:5 (1983), 149–171
  37. Heywood J. G., "On uniquness questions in theory of viscous flow", Acta Math., 136:2 (1976), 61-102
  38. Сакс Р. С., "Ортогональные подпространства пространства и самосопряженные расширения операторов ротора и градиента дивергенции", Докл. РАН, 462:3 (2015), 278-282
  39. Сакс Р. С., "Оператор градиент дивергенции в ", Докл. РАН, 462:5 (2015), 61-65
  40. Сакс Р. С., "Оператор ротор в пространстве ", Таврический вестник информатики и математики, 2015, № 1, 87-103

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2020 Samara State Technical University

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).