具有快慢层的非光滑奇异摄动问题的空间对照结构
The Contrast Structure for the Singularly Perturbed Problem with Slow-Fast Layers and Discontinuous Righthand Side
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收稿日期: 2017-12-12
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Received: 2017-12-12
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该文研究了具有快慢层的非光滑奇异摄动问题的空间对照结构.利用边界层函数法构造了该问题的形式渐近解,并运用"缝接法"证明了问题光滑解的存在性以及渐近解的一致有效性.最后,通过例子验证了所得结果的有效性.
关键词:
This paper discusses the contrast structure solution for the singularly perturbed problem with slow-fast layers and discontinuous righthand side. By applying the boundary function method, the asymptotic solution of this problem is constructed. Then using the sewing connection method, the existence of the solution is shown and the asymptotic solution is proved to be uniformly valid. Finally, an example is given to illustrate the main results.
Keywords:
本文引用格式
陈华雄, 王岩岩, 倪明康.
Chen Huaxiong, Wang Yanyan, Ni Mingkang.
1 引言
其中,
本文将研究一类具有快慢层的非光滑奇异摄动问题的空间对照结构,而这类快慢层出现在不同端点的邻域附近内.
考虑如下的奇异摄动方程
其中,
令
先提出下列假设.
假设1.1 函数
假设1.2 函数
在上述的假设下,方程(1.3)在区间
左问题:
右问题:
其中,
2 渐近解的构造
在上述的假设下,此时左问题(1.4)在
其中,
正则部分
这里
将(2.1)-(2.5)式分别代入上述相应的左问题和右问题中,通过分离变量并比较
(1)正则级数(2.1)各项系数的确定.
确定主项
其中,
确定
这里
这样就确定正则级数(2.1)的所有系数.
(2)左边界层级数(2.2)各项系数的确定.
确定
其中, “
考虑到假设1.2,方程(2.7)可改写为
其中,函数
为了保证问题(2.8)的解
假设2.1 初值
确定
其中,
从方程(2.11)则可确定
引理2.1 左边界层函数满足下列不等式
其中,
证 当
故可解得
结合(2.9)式,所以存在常数
于是就可得到
则有
(3)内部层级数(2.4), (2.5)各项系数的确定.
确定主项
作变量替换
故可得确定求
方程(2.14)有衡点
同样地,从方程(2.14)可得
根据光滑性条件(1.6),可得
即得确定
引理2.2 在区间
证 根据
故由介值定理得,存在
确定了参数
确定
其中, “
由光滑性条件(1.6),可得
从(2.17)和(2.18)式,得到
解得
其中
这样内部层级数(2.4), (2.5)的各项系数就确定了,且满足以下估计式.
引理2.3 内部层函数满足下列不等式
其中,
(4)右边界层级数(2.3)各项系数的确定
确定
其中, “
根据假设1.2,方程(2.19)可改写为
方程(2.20)有平衡点
为确保问题(2.20)的解
假设2.2 初值
确定
其中,
引理2.4 右边界层函数满足下列不等式
其中,
注2.1 针对左问题(1.4),作变量替换
通过消去方程(2.22)中的第一个和第二个方程最高阶导数前的
当
类似于(2.7)式的讨论,方程(2.23)有平衡点
当
类似于(2.12)式的讨论,方程(2.24)有平衡点
3 解的存在性与余项估计
利用“缝接法”[8]证明问题多尺度渐近解的存在性.令
作差值函数
考虑到多尺度渐近解的构造,则有
可见,当
将上述对问题(1.2)所得到的光滑渐近解归结为如下的定理.
定理3.1 在假设1.1、1.2、2.1和2.2下,则存在充分小的
4 例子
考虑如下的奇异摄动方程
根据本文的算法,方程(4.1)的左问题的正则部分的主项为
和
解方程(4.2)和(4.3)可得
这里,
对于方程(4.1)的右问题,同样有
从表达式(2.15),则可知
因此,方程(4.1)存在如图 1所示的空间对照结构解.
图 1
参考文献
一类大气等离子体反应扩散模型的解法
,
Solving method of a class of reactive diffusion model for atmospheric plasmas
Canard limit cycles and global dynamics in a singularly perturbed predator-prey system with non-monotonic functional response
,
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