Homogenization of elliptic and parabolic equations with periodic coefficients in a bounded domain under the Neumann condition
- Authors: Suslina T.A.1
-
Affiliations:
- Saint Petersburg State University
- Issue: Vol 88, No 4 (2024)
- Pages: 84-167
- Section: Articles
- URL: https://bakhtiniada.ru/1607-0046/article/view/261166
- DOI: https://doi.org/10.4213/im9520
- ID: 261166
Cite item
Abstract
Let $\mathcal{O}\subset\mathbb{R}^d$ be a bounded domain of class $C^{1,1}$. In $L_2(\mathcal{O};\mathbb{C}^n)$, we consider a selfadjoint second-order matrix elliptic differential operator $B_{N,\varepsilon}$, $0<\varepsilon\leqslant1$, under the Neumann boundary condition. The principal part of this operator is given in a factorized form. The operator includes first-order and zero-order terms. The coefficients of the operator $B_{N,\varepsilon}$ are periodic and depend on $\mathbf{x}/\varepsilon$. We study the generalized resolvent $(B_{N,\varepsilon}-\zeta Q_0(\cdot/\varepsilon))^{-1}$, where $Q_0$ is a periodic bounded and positive definite matrix-valued function, and $\zeta$ is a complex parameter. We obtain approximations of the generalized resolvent in the operator norm in $L_2(\mathcal{O};\mathbb{C}^n)$ and in the norm of operators acting from $L_2(\mathcal{O};\mathbb{C}^n)$ to the Sobolev class $H^1(\mathcal{O};\mathbb{C}^n)$, with two-parametric (with respect to $\varepsilon$ and $\zeta$) error estimates. The results are applied to study the behavior of solutions of the initial boundary value problem with the Neumann condition for the parabolic equation $Q_0(\mathbf{x} / \varepsilon) \partial_t \mathbf{u}_\varepsilon(\mathbf{x},t) = -( B_{N,\varepsilon} \mathbf{u}_\varepsilon)(\mathbf{x},t)$ in the cylinder $\mathcal{O} \times (0,T)$, where $0 < T\leqslant\infty$
About the authors
Tatiana Aleksandrovna Suslina
Saint Petersburg State University
Author for correspondence.
Email: suslina@list.ru
Doctor of physico-mathematical sciences, Professor
References
- A. Bensoussan, J.-L. Lions, G. Papanicolaou, Asymptotic analysis for periodic structures, Stud. Math. Appl., 5, North-Holland Publishing Co., Amsterdam–New York, 1978, xxiv+700 pp.
- Н. С. Бахвалов, Г. П. Панасенко, Осреднение процессов в периодических средах. Математические задачи механики композиционных материалов, Наука, М., 1984, 352 с.
- О. А. Олейник, Г. A. Иосифьян, A. С. Шaмaев, Мaтемaтические зaдaчи теоpии сильно неодноpодных упpугих сpед, Моск. гос. ун-т, М., 1990, 312 с.
- В. В. Жиков, С. М. Козлов, О. А. Олейник, Усреднение дифференциальных операторов, Физматлит, М., 1993, 464 с.
- T. A. Suslina, “Homogenization of the Neumann problem for elliptic systems with periodic coefficients”, SIAM J. Math. Anal., 45:6 (2013), 3453–3493
- Т. А. Суслина, “Усреднение эллиптических операторов с периодическими коэффициентами в зависимости от спектрального параметра”, Алгебра и анализ, 27:4 (2015), 87–166
- М. Ш. Бирман, Т. А. Суслина, “Периодические дифференциальные операторы второго порядка. Пороговые свойства и усреднения”, Алгебра и анализ, 15:5 (2003), 1–108
- М. Ш. Бирман, Т. А. Суслина, “Усреднение периодических эллиптических дифференциальных операторов с учетом корректора”, Алгебра и анализ, 17:6 (2005), 1–104
- M. Ш. Бирман, Т. А. Суслина, “Усреднение периодических дифференциальных операторов с учетом корректора. Приближение решений в классе Соболева $H^1(mathbb{R}^d)$”, Алгебра и анализ, 18:6 (2006), 1–130
- Т. А. Суслина, “Усреднение в классе Соболева $H^1(mathbb{R}^d)$ для периодических эллиптических дифференциальных операторов второго порядка при включении членов первого порядка”, Алгебра и анализ, 22:1 (2010), 108–222
- Т. А. Суслина, “Усреднение эллиптических систем с периодическими коэффициентами: операторные оценки погрешности в $L_2(mathbb{R}^d)$ с учетом корректора”, Алгебра и анализ, 26:4 (2014), 195–263
- Т. А. Суслина, “Об усреднении периодических параболических систем”, Функц. анализ и его прил., 38:4 (2004), 86–90
- T. A. Suslina, “Homogenization of a periodic parabolic Cauchy problem”, Nonlinear equations and spectral theory, Amer. Math. Soc. Transl. Ser. 2, 220, Adv. Math. Sci., 59, Amer. Math. Soc., Providence, RI, 2007, 201–233
- T. Suslina, “Homogenization of a periodic parabolic Cauchy problem in the Sobolev space $H^1(mathbb{R}^d)$”, Math. Model. Nat. Phenom., 5:4 (2010), 390–447
- Ю. М. Мешкова, “Усреднение задачи Коши для параболических систем с периодическими коэффициентами”, Алгебра и анализ, 25:6 (2013), 125–177
- В. В. Жиков, “Об операторных оценках в теории усреднения”, Докл. РАН, 403:3 (2005), 305–308
- В. В. Жиков, “О некоторых оценках из теории усреднения”, Докл. РАН, 406:5 (2006), 597–601
- V. V. Zhikov, S. E. Pastukhova, “On operator estimates for some problems in homogenization theory”, Russ. J. Math. Phys., 12:4 (2005), 515–524
- V. V. Zhikov, S. E. Pastukhova, “Estimates of homogenization for a parabolic equation with periodic coefficients”, Russ. J. Math. Phys., 13:2 (2006), 224–237
- В. В. Жиков, С. Е. Пастухова, “Об операторных оценках в теории усреднения”, УМН, 71:3(429) (2016), 27–122
- Д. И. Борисов, “Асимптотики решений эллиптических систем с быстро осциллирующими коэффициентами”, Алгебра и анализ, 20:2 (2008), 19–42
- N. N. Senik, “Homogenization for non-self-adjoint periodic elliptic operators on an infinite cylinder”, SIAM J. Math. Anal., 49:2 (2017), 874–898
- Sh. Moskow, M. Vogelius, “First-order corrections to the homogenised eigenvalues of a periodic composite medium. A convergence proof”, Proc. Roy. Soc. Edinburgh Sect. A, 127:6 (1997), 1263–1299
- S. Moskow, M. Vogelius, First order corrections to the homogenized eigenvalues of a periodic composite medium. The case of Neumann boundary conditions, preprint, Rutgers Univ., 1997
- G. Griso, “Error estimate and unfolding for periodic homogenization”, Asymptot. Anal., 40:3-4 (2004), 269–286
- G. Griso, “Interior error estimate for periodic homogenization”, Anal. Appl. (Singap.), 4:1 (2006), 61–79
- C. E. Kenig, Fanghua Lin, Zhongwei Shen, “Convergence rates in $L^2$ for elliptic homogenization problems”, Arch. Ration. Mech. Anal., 203:3 (2012), 1009–1036
- М. А. Пахнин, Т. А. Суслина, “Операторные оценки погрешности при усреднении эллиптической задачи Дирихле в ограниченной области”, Алгебра и анализ, 24:6 (2012), 139–177
- T. A. Suslina, “Homogenization of the Dirichlet problem for elliptic systems: $L_2$-operator error estimates”, Mathematika, 59:2 (2013), 463–476
- Qiang Xu, “Uniform regularity estimates in homogenization theory of elliptic system with lower order terms”, J. Math. Anal. Appl., 438:2 (2016), 1066–1107
- Qiang Xu, “Uniform regularity estimates in homogenization theory of elliptic systems with lower order terms on the Neumann boundary problem”, J. Differential Equations, 261:8 (2016), 4368–4423
- Qiang Xu, “Convergence rates for general elliptic homogenization problems in Lipschitz domains”, SIAM J. Math. Anal., 48:6 (2016), 3742–3788
- Zhongwei Shen, Periodic homogenization of elliptic systems, Oper. Theory Adv. Appl., 269, Adv. Partial Differ. Equ. (Basel), Birkhäuser/Springer, Cham, 2018, ix+291 pp.
- Zhongwei Shen, Jinping Zhuge, “Convergence rates in periodic homogenization of systems of elasticity”, Proc. Amer. Math. Soc., 145:3 (2017), 1187–1202
- Yu. M. Meshkova, T. A. Suslina, “Homogenization of initial boundary value problems for parabolic systems with periodic coefficients”, Appl. Anal., 95:8 (2016), 1736–1775
- Jun Geng, Zhongwei Shen, “Convergence rates in parabolic homogenization with time-dependent periodic coefficients”, J. Funct. Anal., 272:5 (2017), 2092–2113
- Yu. M. Meshkova, T. A. Suslina, “Two-parametric error estimates in homogenization of second order elliptic systems in $mathbb{R}^d$”, Appl. Anal., 95:7 (2016), 1413–1448
- Т. А. Суслина, “Теоретико-операторный подход к усреднению уравнений типа Шрeдингера с периодическими коэффициентами”, УМН, 78:6(474) (2023), 47–178
- О. А. Ладыженская, Краевые задачи математической физики, Наука, М., 1973, 407 с.
- Yu. M. Meshkova, T. A. Suslina, Homogenization of the Dirichlet problem for elliptic systems: two-parametric error estimates, 2017
- Ю. М. Мешкова, Т. А. Суслина, “Усреднение задачи Дирихле для эллиптических и параболических систем с периодическими коэффициентами”, Функц. анализ и его прил., 51:3 (2017), 87–93
- Ю. М. Мешкова, Т. А. Суслина, “Усреднение первой начально-краевой задачи для параболических систем: операторные оценки погрешности”, Алгебра и анализ, 29:6 (2017), 99–158
- Yu. M. Meshkova, “On homogenization of the first initial-boundary value problem for periodic hyperbolic systems”, Appl. Anal., 99:9 (2020), 1528–1563
- J. Nečas, Direct methods in the theory of elliptic equations, Transl. from the French, Springer Monogr. Math., Springer, Heidelberg, 2012, xvi+372 pp.
- W. McLean, Strongly elliptic systems and boundary integral equations, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2000, xiv+357 pp.
- В. А. Кондратьев, С. Д. Эйдельман, “Об условиях на граничную поверхность в теории эллиптических граничных задач”, Докл. АН СССР, 246:4 (1979), 812–815
- В. Г. Мазья, Т. О. Шапошникова, Мультипликаторы в пространствах дифференцируемых функций, Изд-во Ленингр. ун-та, Л., 1986, 404 с.
- И. Стейн, Сингулярные интегралы и дифференциальные свойства функций, Мир, М., 1973, 342 с.
- V. S. Rychkov, “On restrictions and extensions of the Besov and Triebel–Lizorkin spaces with respect to Lipschitz domains”, J. London Math. Soc. (2), 60:1 (1999), 237–257
- О. А. Ладыженская, Н. Н. Уральцева, Линейные и квазилинейные уравнения эллиптического типа, Наука, М., 1964, 538 с.
- Т. Като, Теория возмущений линейных операторов, Мир, М., 1972, 740 с.
Supplementary files
