Network of Sobolev spaces and boundary value problems for operators vortex and gradient of divergence

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

We will consider the scale of the Sobolev spaces Hm(G) vector fields in a bounded domain G of 3 with a smooth boundary of Γ. The gradient-ofdivergence and the rotor-of-rotor operators (div and rot2) and their powers are analogous to the scalar operator Δm in 3. They generate spaces A2k(G) and Wm(G) potential and vortex fields; where the numbers k, m > 0 are integers.
It is proven that A2k(G) and Wm(G) are projections of Sobolev spaces H2k(G) and Hm(G) in subspaces A and B in L2(G). Their direct sums A2k(G)Wm(G) form a network of spaces. Its elements are classes C(2k,m)≡A2kWm.
We consider at the properties of the spaces A-m and W-m and proved their compliance with the spaces Am and Wm. We also consider at the direct sums of Ak(G)Wm(G) for any integer numbers k and m>0. This completes the construction of the C(k,m)k,m network.
In addition, an orthonormal basis has been constructed in the space L2(G). It consists of the orthogonal subspace A and B bases. Its elements are eigenfields of the operators div and rot. The proof of their smoothness is an important stage in the theory developed.
The model boundary value problems for the operators rot+λIdiv+λI, their sum, and also for the Stokes operator have been investigated in the network C(k,m)k,m. Solvability conditions are obtained for the model problems considered.

About the authors

Romen S Saks

Institute of Mathematics with Computing Centre, Ufa Science Centre, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: romen-saks@yandex.ru
Scopus Author ID: 22981362000
http://www.mathnet.ru/person23104

Dr. Phys. & Math. Sci.; Professor

Russian Federation, 450077, Ufa, Chernyshevskiy st., 112.

References

  1. Sobolev S. L. Cubature Formulas and Modern Analysis: An introduction. Montreux, Gordon and Breach Science Publ., 1992, xvi+379 pp.
  2. Mikhailov V. P. Partial Differential Equations. Moscow, Mir, 1978, 397 pp.
  3. Solonnikov V. A., Ural’tseva N. N. Sobolev spaces, In: Izbrannye glavy analiza i vysshei algebry [Selected Chapters of Analysis and Higher Algebra]. Leningrad, Leningrad State Univ., 1981, 129–196 pp. (In Russian)
  4. Weyl H. The method of orthogonal projection in potential theory, Duke Math. J., 1940, vol. 7, no. 1, pp. 411–444. DOI: https://doi.org/10.1215/S0012-7094-40-00725-6.
  5. Sobolev S. L. On a new problem of mathematical physics, Izv. Akad. Nauk SSSR Ser. Mat., 1954, vol. 18, no. 1, pp. 3–50 (In Russian).
  6. Yoshida Z., Giga Y. Remarks on spectra of operator rot, Math. Z., 1990, vol. 204, pp. 235–245. DOI: https://doi.org/10.1007/BF02570870.
  7. Borchers W., Sohr H. On the equations div u = f and rot v = g with zero boundary conditions, Hokkaido Math. J., 1990, vol. 19, no. 1, pp. 67–87. DOI: https://doi.org/10.14492/hokmj/1381517172.
  8. R. S. Saks The eigenfunctions of curl, gradient of divergence and Stokes operators. Applications, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2013, no. 2(31), pp. 131–146 (In Russian). EDN: RAVQHN. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1166.
  9. Ladyzhenskaya O. A. The Mathematical Theory of Viscous Incompressible Flows. New York, Gordon and Breach, 1969, xviii+224 pp.
  10. Fridrichs K. Differertial form on Riemannian manifolds, Comm. Pure Appl. Math., 1955, vol. 8, no. 4, pp. 551–590. DOI: https://doi.org/10.1002/cpa.3160080408.
  11. Kochin N. E., Kibel’ I. A., Roze N.V. Teoreticheskaia gidromekhanika. Ch. 2 [Theoretical Hydromechanics, Vol. 2]. Moscow, Fizmatgiz, 1963, 728 pp. (In Russian)
  12. Bykhovskii É. B., Smirnov N. V. Orthogonal decomposition of the space of vector functions square-summable on a given domain, and the operators of vector analysis, In: Mathematical problems of hydrodynamics and magnetohydrodynamics for a viscous incompressible fluid, Collected papers, Trudy Mat. Inst. Steklov., 59. Moscow–Leningrad, Acad. Sci. USSR, 1960, pp. 5–36 (In Russian).
  13. Morrey C. B. Multiple Integrals in the Calculus of Variations, Classics in Mathematics. Berlin, Heidelberg, New York, Springer, 1966, xi+506 pp. DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-540-69952-1.
  14. Schwartz L. Kompleksnye mnogoobraziia. Ellipticheskie uravneniia s chastnymi proizvodnymi [Complex Analytic Manifolds. Elliptic Partial Differential Equations]. Moscow, Mir, 1964, 212 pp. (In Russian)
  15. Volevich L. R. Solubility of boundary value problems for general elliptic systems, Mat. Sb. (N.S.), 1965, vol. 68(110), no. 3, pp. 373–416 (In Russian).
  16. Solonnikov V. A. Overdetermined elliptic boundary value problems, In: Boundary-value problems of mathematical physics and related problems of function theory. Part 5, Zap. Nauchn. Sem. LOMI, 21. Leningrad, “Nauka”, Leningrad. Otdel., 1971, pp. 112–158 (In Russian).
  17. Saks R. S. Boundary-value problems for elliptic systems of differential equations. Novosibirsk, Novosibirsk State Univ., 1975, 162 pp. (In Russian)
  18. Temam R. I. Navier–Stokes Equations: Theory and Numerical Analysis. Amsterdam, North-Holland, 1984. DOI: https://doi.org/10.1090/chel/343.
  19. Zorich V. A. Mathematical analysis II. Berlin, Springer, 2016, xx+720 pp.
  20. Vainberg B. R., Grushin V. V. Uniformly nonelliptic problems. I, Math. USSR-Sb., 1967, vol. 1, no. 4, pp. 543–568. DOI: https://doi.org/10.1070/SM1967v001n04ABEH001999.
  21. Saks R. S. Sobolev spaces and boundary-value problems for the curl and gradient-ofdivergence operators, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2020, vol. 24, no. 2, pp. 249–274 (In Russian). EDN: FTOOME. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1759.
  22. Saks R. S. Operator ∇div and Sobolev spaces, Dinamicheskie Sistemy, 2018, vol. 8, no. 4, pp. 385–407 (In Russian). EDN: YWAJED.
  23. Vladimirov V. S. Equations of Mathematical Physics. New York, Marcel Dekker, 1971.
  24. Saks R. S. Solving of spectral problems for curl and Stokes operators, Ufa Math. J., 2013, vol. 5, no. 2, pp. 63–81. DOI: https://doi.org/10.13108/2013-5-2-63.
  25. Woltjer L. A theorem on force-free magnetic fields, Proc. Nat. Acad. Sci., 1958, vol. 44, pp. 489-491. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.44.6.489.
  26. Cantarella J., DeTurck D., Gluck H., Teytel M. The spectrum of the curl operator on spherically symmetric domains, Physics of Plasmas, 2000, vol. 7, pp. 2766–2775. DOI: https://doi.org/10.1063/1.874127.
  27. Woltjer L. The Crab Nebula, Bull. Astron. Inst. Netherlands, 1958, vol. 14, pp. 39–80.
  28. Islamov G. G. On a class of vector fields, Vestn. Samar. Gos. Tekhn. Univ., Ser. Fiz.-Mat. Nauki [J. Samara State Tech. Univ., Ser. Phys. Math. Sci.], 2015, vol. 19, no. 4, pp. 680–696 (In Russian). EDN: VQDCOD. DOI: https://doi.org/10.14498/vsgtu1382.
  29. Chandrasekhar S., Kendall P. C. On force-free magnetic fields, Astrophys. J., 1957, vol. 126, pp. 457–460. DOI: https://doi.org/10.1086/146413.
  30. Montgomery D., Turner L., Vahala G. Three-dimentional magnetohydrodyamic turbulence in cylindrical geometry, Phys. Fluids., 1978, vol. 21, no. 5, pp. 757–764. DOI: https://doi.org/10.1063/1.862295.
  31. Saks R. S., Islamov G. G. Eigenfunctions of the curl operator in L2(G), In: Actual Problems in Theory of Partial Differential Equations dedicated to the centenary of Andrey V. Bitzadze, Abstracts (Russia, 16–18 June, 2016). Moscow, Moscow State Univ., 2016, pp. 21–23.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Authors; Samara State Technical University (Compilation, Design, and Layout)

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

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».