Федеральное государственное
бюджетное учреждение науки 119333, Москва, ул.
Вавилова, дом 40, ВЦ РАН |
|
||
|
ОТДЕЛ
ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МЕТОДОВ А.А.
Абрамов, А.И. Александрович, Н.Б. Конюхова, Б.В. Пальцев (Гипертекстовый выпуск на основе одноимённой статьи из книги «50 лет
ВЦ РАН: История, люди, достижения». При создании Вычислительного центра АН СССР была
образована лаборатория теоретических исследований, позже переименованная в
отдел вычислительных методов. Отдел с момента его образования по Основным направлением работ отдела является разработка и
исследование методов решения различных актуальных задач вычислительной
математики, возникающих в механике, математической и теоретической физике,
решение важных прикладных задач. Главной характерной чертой работы
сотрудников отдела, позволяющей добиваться значительных и фундаментальных
результатов, является то, что она, как правило, опирается на проводимые
теоретические исследования возникающих и сопутствующих математических задач,
представляющих и самостоятельный научный интерес. Это привело к
усовершенствованию разрабатываемых, а также и к созданию принципиально новых
методов, что дало возможность решать те задачи, которые в связи с трудностью
их решения до этого не решались или решались в ограниченных постановках и с
недостаточной точностью. Кроме того, такой подход позволил создать по
некоторым из направлений работ достаточно целостные математические теории. За прошедшие 50 лет число публикаций сотрудников и
аспирантов отдела, в их числе ряда обзоров, книг и монографий, превысило 800.
Ввиду ограниченности объёма данного обзора даются краткие описания основных,
наиболее значимых направлений работ отдела. В целях сокращения в списке
литературы приводятся зачастую ссылки на более поздние публикации, так что
заинтересованный читатель сможет при желании дополнить приведённый список
многими представляющими для него интерес достаточно важными работами
сотрудников отдела по имеющимся в публикациях ссылкам. Оглавление |
|
|
|
|
||
|
|
||
|
·
Сингулярные КрЗ и устойчивые начальные многообразия. ·
Методы решения однопараметрических спектральных КрЗ (регулярных
и сингулярных). ·
Многопараметрические спектральные задачи и специальные
функции. ·
Корректная постановка и методы решения сингулярных
нелинейных КрЗ. ·
Аналитико-численные решения и исследования конкретных
прикладных задач. ·
Задачи физики твёрдого тела и ядерной физики. ·
Задачи акустики и теории оболочек. ·
Задачи устойчивости солитонов в нелинейной теории поля. ·
Применение к некоторым нелинейным задачам механики несжимаемой
жидкости. |
|
|
|
|
||
|
4. Разработка и расчёты линейных ускорителей и других
электротехнических устройств. |
|
|
|
|
||
|
6. Работы по океанологии и численному моделированию
гидрофизических процессов в водоёмах. |
|
|
|
|
||
|
|
||
|
|
||
|
10. Работы по теории колебаний оболочек. Исследования по колебаниям
жидкости в сосудах. |
|
|
|
|
||
|
|
||
|
13. Вклад в разработку систем
автоматизированного проектирования самолётов. |
|
|
|
14. Решение задач линейной теории
упругости для многослойных и непрерывно неоднородных сред. |
|
|
|
|
||
|
16. Работы по геофизике. |
|
|
|
|
||
|
|
||
|
|
||
|
20. Развитие теории векторной задачи
Гильберта линейного сопряжения. |
|
|
|
|
||
|
Перенос граничных условий и решение регулярных
краевых задач (КрЗ) для систем линейных обыкновенных дифференциальных
уравнений (ОДУ). Разработан
эффективный универсальный метод переноса граничных условий (вариант метода
прогонки) в [1] – для одного линейного ОДУ
второго порядка, в [2] – для общих систем линейных ОДУ.
Эти методы осуществляют перенос (по отрезку изменения независимого
переменного t) линейного многообразия значений искомых функций,
удовлетворяющих ОДУ и граничному условию, как целого. Это важно, в частности,
при решении КрЗ на длинных интервалах, так как в этом случае отдельные
решения, порождающие это многообразие, могут дать совокупность значений,
близкую к вырождению. Решение возникающей задачи Коши (ЗК) для той
вспомогательной системы (нелинейных) ОДУ, которая непосредственно решается,
существует на всём отрезке изменения t; это
решение меняется настолько плавно, насколько плавно перемещается переносимое
многообразие. В [1] доказано, что если решаемая
двухточечная КрЗ хорошо обусловлена, то применение метода [1]
даёт численно устойчивые результаты. В [3]
исследована обусловленность результирующей системы линейных алгебраических
уравнений, возникающей при применении каких-либо вариантов метода прогонки.
Первые численно устойчивые методы решения КрЗ со связанными краевыми
условиями (условиями периодичности) предложены в [4]. Для
различных типов ОДУ были предложены и другие методы переноса граничных
условий, учитывающие специфику КрЗ и рассматриваемых ОДУ (см., например, [5-7]
и следующий раздел данной статьи). В [8] разработан
метод решения общих многоточечных КрЗ и задач с условиями интегрального типа.
В [9,
10]
предложен и исследован метод решения некоторых классов жёстких КрЗ,
содержащих большой параметр, сводящийся к решению вспомогательных КрЗ без большого
параметра; метод является итерационным, сходящимся тем быстрее, чем больше
значение параметра. Теоретические основы и аналитико-численные методы
решения сингулярных задач для систем ОДУ. Приложения к моделям в естественных
науках. Сингулярные КрЗ и устойчивые начальные многообразия. На протяжении многих лет в отделе разрабатываются
теория и методы переноса граничных условий из особых точек для систем
(не)линейных ОДУ, заданных на бесконечном интервале изменения независимого
переменного t или вырождающихся по t в
конечных точках. Изучены вопросы правильной постановки предельных условий в
особой точке и их точного или приближённого переноса в близкую неособую точку
для корректной аппроксимации сингулярных КрЗ регулярными КрЗ. Значения
решений, удовлетворяющих таким условиям, порождают в фазовом пространстве
устойчивое начальное многообразие (УНМ), зависящее от t как от параметра.
Перенос граничных условий из особой
точки осуществляется решением возникающей локальной сингулярной ЗК,
описывающей изменение по t
УНМ как целого (без изучения сложного
поведения отдельных решений внутри УНМ) породила красивые сопутствующие
математические проблемы – однозначно разрешимые сингулярные ЗК для систем
нелинейных ОДУ (для описания поведения по t линейных УНМ),
а также интересные алгебраические задачи. Полученные здесь результаты
представляют существенный самостоятельный интерес. Начало теории и
методов положено в [11], где для систем линейных ОДУ с
регулярной особенностью поставлена и решена проблема переноса из особой точки
условия ограниченности решения. Первые результаты по переносу условий
ограниченности решения из иррегулярной особой точки для достаточно широких
классов систем линейных ОДУ получены в [12] и др.
работах. В [11, 12], в частности, показано, что
поведение линейного УНМ по t
является гладким в отличие от
отдельных решений, гладкость которых может нарушаться в особой точке. Это
поведение описывается решением сингулярной ЗК для матричного уравнения типа
Риккати; в [12] поставлены и исследованы более
общие однозначно разрешимые сингулярные ЗК для классов систем нелинейных ОДУ,
включающие сингулярные ЗК для матричных уравнений типа Риккати как частный
случай. В [13] введено теоретически и
практически важное понятие допустимого граничного условия в особой точке для
однородной системы линейных ОДУ и в случае регулярной особенности дано
решение задачи о выделении всех таких условий – построении всех возможных
линейных УНМ. В [14] изучено поведение граничных
условий, переносимых в окрестности регулярной особой точки; методы решения
сопутствующих алгебраических задач предложены в [13, 15]. В [16,
17] выделены
классы допустимых граничных условий для систем линейных ОДУ с иррегулярной
особой точкой и более общей неинтегрируемой особенностью, описано поведение
УНМ по t и сингулярно входящему
в ОДУ большому параметру. Эти классы включают
в себя такие практически важные предельные условия как условия типа излучения.
О других работах этого направления см., например, в [6, 18-20],
где наряду с дополнительными исследованиями отражено состояние теории в
разные годы; из последующих работ укажем [21-24]. Наряду с [12]
в последующих работах, например в [25, 26],
поставлены и исследованы однозначно разрешимые сингулярные ЗК для достаточно
широких классов систем нелинейных ОДУ; они охватывают и некоторые задачи,
непосредственно возникающие в приложениях, например, в астрофизике и
космологии. Результаты работ [25, 26] оказались также востребованными
для корректной постановки нелинейных сингулярных КрЗ с граничными условиями
типа существования конечного предела в особой точке. Обобщения теорем
существования и единственности решения сингулярной ЗК (или задачи без
начальных данных) для класса систем нелинейных функционально-дифференциальных
уравнений (ФДУ) с (не)вольтерровыми операторами и (не)суммируемой
особенностью получены, например, в [27] и
цитированных там работах. Рассмотренные системы ФДУ включают в себя системы
(обобщённых) ОДУ, в том числе с отклоняющимся аргументом, системы
интегродифференциальных уравнений (ИДУ) и др. Развитие этого направления было
стимулировано, в частности, задачами квантовой механики для сингулярных ИДУ
типа Шрёдингера с нелокальными потенциалами. С проблемами
решения линейных КрЗ с особенностями имеют дело также следующие работы. В [28,
29] предложены и исследованы методы решения сингулярных
КрЗ, возникающих при применении метода прямых для решения УрЧП эллиптического
типа в неограниченных областях или областях неправильной формы. В [30]
получены первые результаты по переносу граничных условий из бесконечности для
некоторых систем линейных дифференциально- алгебраических уравнений (ДАУ). В [18,
31] для
некоторых линейных эволюционных задач для УрЧП в пространственно
неограниченных областях были предложены методы замены заданных условий
поведения решения на бесконечности эквивалентным условием на границе
ограниченной области и тем самым осуществлено сведение таких задач к решению
начально- краевых задач в ограниченных областях (это направление получило, в
частности, развитие в работах других авторов). Создание
разделов теории гладких УНМ для систем нелинейных ОДУ было начато в 70-е гг.
В [32]
и цитированных там работах поставлены и решены задачи по переносу граничных
условий из иррегулярной особой точки для некоторых классов систем нелинейных
ОДУ. На бесконечном интервале по независимой переменной t рассматривается
система нелинейных ОДУ с экспоненциально дихотомической главной линейной
частью и ставится задача о выделении всего семейства решений, стремящихся к
нулю при t®
¥, т.е. построении в фазовом пространстве нелинейного
УНМ, порождённого значениями решений этого семейства. Предполагается, что
заданные в ОДУ функции являются голоморфными функциями по искомым переменным
в окрестности начала координат фазового пространства. Поведение нелинейного
УНМ по t описывается решением
сингулярной ЗК для системы квазилинейных УрЧП первого порядка. В предположениях работы [32]
такое УНМ является аналитическим многообразием, зависимость которого от
времени определяется асимптотическими рядами по неположительным целым
степеням t. Это позволяет строить УНМ
приближённо и получать тем самым приближённые граничные условия в конечной точке. При t
® ¥ такое УНМ стремится к УНМ предельной автономной
системы, которое описывается с помощью сингулярной задачи типа Ляпунова для
системы квазилинейных УрЧП с вырождением по начальным данным. Аналогичные задачи
для систем нелинейных ОДУ с регулярной особенностью при t = 0
исследованы в [33], где, в частности, было
замечено, что сопутствующую описанию УНМ сингулярную ЗК для системы УрЧП
первого порядка с вырождением на начальной гиперплоскости можно отождествить
с частным случаем сингулярной задачи типа Ляпунова. Состояние разделов
нелинейной теории в 80-е гг. коротко отражено в [18, 19]. В последующих
работах были ослаблены условия, налагаемые на гладкость рассматриваемых
систем нелинейных ОДУ и на их главные линейные части (линеаризаторы), вплоть
до обобщённых ОДУ и асимптотически автономных систем. В силу единой схемы
построения УНМ, описанной, например, в [32], достаточно
изучать только сопутствующие сингулярные ЗК (или задачи без начальных данных)
для систем квазилинейных УрЧП первого порядка при различных предположениях. В
этом направлении достаточно общие теоремы получены в [34, 35]
и цитированных там работах. Отдельно
проведены исследования автономных систем нелинейных ОДУ на бесконечном
интервале независимого переменного t
с точками (псевдо)гиперболического равновесия в фазовом пространстве. Инвариантные
по t гладкие УНМ в
окрестности такой точки описываются с помощью
решения сингулярной задачи типа Ляпунова для системы квазилинейных УрЧП
первого порядка с вырождением по начальным данным в этой точке. Задачи типа
Ляпунова для описания дифференцируемых (необязательно аналитических) УНМ, их
частные случаи (в том числе для систем нелинейных ОДУ с регулярной
особенностью) и применения к корректной постановке и аппроксимации
сингулярных нелинейных КрЗ изучены, например, в [36-38] и
цитированных там работах, где даны также приложения результатов к конкретным
прикладным задачам. Существование
нелинейного УНМ в окрестности начала координат фазового пространства
установлено в [39] и для достаточно общих систем
нелинейных ФДУ, рассматриваемых на полубесконечном интервале по независимой
переменной t в декартовом
произведении фазовых пространств, т.
е. в виде двух подсистем. Теоремы статьи [39] (и других
работ этого направления) обобщают, в частности, известные теоремы
существования многообразий условной устойчивости по Ляпунову для систем
нелинейных ОДУ. Методы решения однопараметрических спектральных КрЗ (регулярных и
сингулярных). На основе
созданных методов локального устойчивого переноса граничных условий из особых
точек, вариантов устойчивого в делом переноса краевых условий и
дополнительных алгоритмических приёмов в отделе разработаны эффективные
устойчивые численные методы поиска спектра и вычисления нормированных
собственных функций (СФ) самосопряжённых, а также и несамосопряжённых
сингулярных КрЗ для систем ОДУ, вычисления несобственных интегралов от СФ без
вычисления самих СФ и без хранения в памяти ЭВМ какой-либо промежуточной
информации. Обзор некоторых таких методов дан в [5]. Для однопараметрических спектральных
задач при произвольной размерности систем ОДУ методы и алгоритмы расчёта собственных
значений (СЗ), СФ и функционалов от СФ вещественного дискретного спектра
(включая сингулярные КрЗ) достаточно полно изложены в [6],
где также перечислены некоторые приложения методов к решению конкретных
задач. В [40] предложены и исследованы
экономичные методы вычисления спектра, СФ и несобственных интегралов от них в
сингулярных самосопряжённых спектральных задачах для векторных систем ОДУ
второго порядка, основанные на матричных преобразованиях типа Прюфера и
методах переноса граничных условий из особых точек. В работах [41-43]
для общих гамильтоновых систем линейных ОДУ, в том числе для систем ОДУ с
особенностями и нелинейным вхождением спектрального параметра (СП) (в
предположениях монотонной зависимости от СП матриц системы и граничных
условий), предложены и исследованы новые варианты метода прогонки,
позволяющие вычислять общее число точек спектра, лежащих на заданном
интервале вещественной оси. Введено понятие номера СЗ, и дан метод вычисления
СЗ с заданным номером. Для одного ОДУ второго порядка в [44]
предложен и исследован метод решения самосопряжённой задачи Штурма-Лиувилля
со связанными граничными условиями и нелинейным вхождением СП в ОДУ и
граничные условия. В [45] дана постановка и предложен
метод решения нелинейной по СП самосопряжённой спектральной задачи для класса
систем линейных ДАУ. Несамосопряжённые
спектральные КрЗ (или самосопряжённые с нелинейным вхождением СП) для систем
линейных ОДУ на отыскание точек дискретного спектра на комплексной плоскости
СП являются весьма сложными спектральными задачами. Для решения сингулярных
несамосопряжённых задач типа Штурма-Лиувилля (и задач с непрерывным спектром)
для одного комплексного ОДУ второго порядка удобным оказался вариант
устойчивой дифференциальной прогонки [46], который
широко применялся в сочетании с методами движения по параметрам. Важным
достижением отдела являются разработанные общие методы локализации
комплексных СЗ и их вычисления. Для КрЗ, аналитически зависящих от СП, в [47,
48] и
цитированных там работах разработаны топологические методы и методы типа
принципа аргумента (хотя функции, к которым непосредственно применяются
методы, не являются аналитическими) для вычисления совокупности СЗ, лежащих в
заданной области комплексной плоскости СП. Многопараметрические спектральные задачи и специальные
функции. К числу теоретически
мало исследованных и особо сложных для численного решения спектральных задач
относятся многопараметрические, которые, в частности, встречаются в ряде
важных конкретных приложений. В отделе получены значительные достижения по
разработке методов решения таких задач и их применению. С начала 80-х гг. в отделе (по инициативе Акустического института и при поддержке ИФП и ИАЭ АН СССР) разрабатывались универсальные методы расчёта сложных специальных функций, возникающих при разделении переменных в трёхмерном уравнении Гельмгольца в сфероидальных (сплюснутых и вытянутых) и эллипсоидальной системах координат (СК). Такое разделение приводит: к сингулярным самосопряжённым задачам Штурма-Лиувилля для угловых волновых сфероидальных функций (ВСФ), где роль СП играет параметр разделения; к двухпараметрической самосопряжённой спектральной задаче для системы из двух слабосвязанных ОДУ второго порядка (для угловых волновых эллипсоидальных функций (ВЭФ)) с двумя СП как параметрами разделения и к задачам с непрерывным спектром для ОДУ второго порядка на полубесконечном интервале (для радиальных ВСФ и ВЭФ). Здесь и далее под слабосвязанной понимается система ОДУ, в которой каждое ОДУ содержит только одну компоненту искомой СФ и связано с другими ОДУ только искомыми СП. Необходимость вычисления ВСФ и ВЭФ, а также решения некоторых задач квантовой физики привела к разработке высокоэффективных модификаций амплитудно-фазового метода решения сингулярных самосопряжённых задач Штурма-Лиувилля и задач с непрерывным спектром, в том числе при наличии больших параметров и при сильных осцилляциях решений [49-53]. Основой разработки устойчивых методов вычисления несобственных интегралов от СФ дискретного спектра (без вычисления самих СФ) послужила работа [54] ; для интегралов от СФ непрерывного спектра метод развит в [51]. На основе метода
фазовых функций в [55, 56] и других статьях разработаны
и исследованы быстросходящиеся процессы глобального поиска спектра в двух- и
трёхпараметрических самосопряжённых КрЗ для слабосвязанных систем ОДУ второго
порядка и методы вычисления сразу нормированных СФ с заданным числом узлов по
каждой компоненте. В частности, созданы универсальные алгоритмы расчёта
угловых ВЭФ как СФ двухпараметрической КрЗ. Разработке общих методов
предшествовали работы [57, 58] по вычислению точек
дискретного спектра в сингулярной двухпараметрической самосопряжённой
спектральной задаче, связанной с высокоточным вычислением уровней энергии
ионизированной молекулы водорода и подобных ионов. Эта задача возникает при
разделении переменных в уравнении Шрёдингера в сфероидальной СК. Для её
решения был предложен и обоснован глобально сходящийся итеративный метод с
использованием метода фазовых функций. Работа [55]
стимулировала создание общих методов решения многопараметрических
спектральных задач. В [59] разработан общий подход к
решению многопараметрических самосопряжённых спектральных задач для
слабосвязанных систем ОДУ второго порядка, возникающих при разделении
переменных для УрЧП. В [60, 61] разработан новый метод
решения многопараметрических самосопряжённых КрЗ для слабосвязанных систем
ОДУ второго порядка при произвольном числе СП, в том числе для ОДУ с
особенностями. Метод даёт возможность вычислять СЗ и СФ при заранее заданном
числе нулей по каждой из компонент СФ. Практически
важный класс составляют также сложные многопараметрические несамосопряжённые
КрЗ для слабосвязанных систем ОДУ второго порядка. Один подход к решению
таких задач осуществлён в [62, 63] на примере решения
двухараметрических несамосопряжённых сингулярных КрЗ, возникающих в задачах
радиофизики, с применением методов переноса граничных условий из особых
точек, варианта прогонки из работы [46] и методов
движения по параметрам. Корректная постановка и методы решения сингулярных
нелинейных КрЗ. Основой
правильной постановки сингулярных КрЗ для систем нелинейных ОДУ, их
корректной аппроксимации регулярными КрЗ и аналитико-численного исследования являются
результаты по сингулярным ЗК и гладким нелинейным УНМ в сочетании с
использованием параметрических рядов Ляпунова, методов оптимальной стрельбы
(с УНМ) по граничным данным на несингулярном конце интервала (с минимизацией
целевых функционалов) и других итеративных методов. Аналитико-численные решения и исследования конкретных
прикладных задач. Методы,
изложенные выше, применялись к решению многих конкретных задач из различных
областей физики и техники, в том числе совместно с сотрудниками различных институтов
АН, высших учебных заведений и отраслевых институтов, а также совместно с
некоторыми зарубежными партнёрами (Венгрия, Швеция, Португалия, Англия). Задачи физики твёрдого тела и ядерной физики. Эти задачи объединяет использование
"неполного" метода Галёркина для приближённого решения многомерного
уравнения Шрёдингера в (гипер)сферической СК с выбором базиса только по
угловым переменным из (гипер)сферических функций, для отбора которых
используются групповые свойства модели. Для неизвестных базисных функций,
зависящих от (гипер)радиальной переменной, возникают спектральные задачи для
векторных систем линейных ОДУ второго порядка на полуоси и с особенностью в
нуле. Цикл работ по расчёту мелких акцепторных и донорных состояний в
полупроводниках выполнен совместно с ИРЭ и МИИТ (см., например, [64]);
расчёты использовались специалистами для развития применяемого в
промышленности метода фотоэлектрической спектроскопии примесей в
полупроводниках. Большой цикл работ выполнен совместно с ИТЭФ и ИАЭ по
решению задач ядерной физики и квантовой хромодинамики на связанные
состояния, резонансы и рассеяние частиц (см., например, [65,
66] и библиографию в [40]);
результаты исследований использовались в ИТЭФ для развития теории
элементарных частиц и подготовки новых физических экспериментов. Задачи радиофизики. Задачи, поставленные в ИФП, сводятся (разделением
переменных в уравнениях Максвелла) к решению спектральных задач для
комплексных ОДУ второго порядка и слабосвязанных систем таких ОДУ, заданных
на полубесконечном интервале и с особенностями в нуле или внутри интервала. В
[46]
рассматривалась задача В.А. Фока о распространении электромагнитных волн
от вертикального диполя, расположенного над абсолютно проводящей сферой Земли
(решались сингулярные несамосопряжённые задачи типа Штурма-Лиувилля). В [67]
рассматривалась задача, описывающая эксперимент по волновой диагностике
плазменного шнура П.Л. Капицы (математическая модель эксперимента была
предложена Л.А. Вайнштейном): решалась задача рассеяния радиоволн на
плазменном цилиндре в предположении, что диэлектрическая проницаемость плазмы
есть монотонно возрастающая функция расстояния от оси цилиндра; величины,
измеряемые в эксперименте, определялись решением задач с непрерывным спектром
для комплексных ОДУ второго порядка с особенностью в нуле и движущейся
особенностью внутри интервала, т. е. с особенностью, положение которой
на оси зависит от параметра. Решена также задача о скин-эффекте в плазменном
шнуре – явлении проникновения электромагнитной волны в плазму. Результаты
исследований использовались в ИФП для сравнения с экспериментальными данными
и уточнения математической модели эксперимента. В [62, 63]
решались сложные несамосопряжённые двухпараметрические сингулярные
спектральные задачи для слабосвязанных систем линейных ОДУ второго порядка по
расчёту комплексных квазичастот собственных внешних осесимметричных
электрических колебаний идеально проводящих вытянутых и сплюснутых сфероидов
как открытых резонаторов. В целях сравнения с результатами статьи [62]
разработанные в отделе методы вычисления ВСФ применялись для расчёта
характеристик излучения открытого резонатора в форме вытянутого сфероида при
различных видах его возбуждения. Задачи акустики и теории оболочек. Разработанные в отделе эффективные методы
вычислений ВСФ и ВЭФ применялись к решению широкого круга задач (в том числе
и другими авторами). В частности, по инициативе Акустического института
решались задачи дифракции плоской звуковой волны на акустически идеальных
вытянутых и сплюснутых сфероидах и трёхосных эллипсоидах в широком диапазоне
изменения параметров задач, в том числе для сфероидов и эллипсоидов больших
волновых размеров. Внешние КрЗ с условиями излучения на бесконечности для
трёхмерного уравнения Гельмгольца решались методом разделения переменных в
сфероидальных и эллипсоидальной СК (см., например, [68, 69] и
приведённую там библиографию). В [70] методы
вычисления ВСФ применялись для приближённого решения задач обработки сигналов
и изображений. В [56] решалась трёхпараметрическая
самосопряжённая спектральная задача для нахождения частот собственных
колебаний акустической среды внутри трёхосного эллипсоида как полого
замкнутого резонатора. Достаточно
сложные и разнообразные сингулярно возмущённые сингулярные КрЗ для систем
линейных ОДУ поставляет теория свободных колебаний в вакууме и теория
собственных и вынужденных колебаний в сжимаемой среде тонкостенных замкнутых
вытянутых упругих оболочек вращения, а также задачи дифракции плоской
звуковой волны на вытянутых упругих телах или оболочках вращения, заполненных
акустической средой: неоднородные КрЗ с особыми точками, в том числе с
разрывными элементами матрицы системы и обобщёнными функциями в правых частях
ОДУ; сингулярные КрЗ для гамильтоновых систем ОДУ на отыскание вещественных
СЗ со сложным распределением сгущающегося спектра; сингулярные КрЗ на
отыскание комплексных СЗ вблизи вещественной оси для изучения резонансных
свойств оболочек в сжимаемой среде, и др. Такие задачи возникают при (асимптотическом)
разделении переменных в системе УрЧП теории оболочек типа Лява и при
различных асимптотических подходах, использующих входящие в задачу малые
параметры (малая толщина оболочки или её сильная вытянутость). Большой цикл
работ этого направления (см., например, [71, 72]),
выполнен совместно с Акустическим институтом, в котором результаты
исследований использовались для развития теории приёмно-излучающих систем и
их практического применения. Задачи квантовой механики, В [73] методы вычисления обобщённых
ВЭФ, возникающих при разделении переменных в трёхмерном уравнении Шрёдингера
в эллипсоидальной СК, применялись для решения задач квантовомеханического
рассеяния частиц на "эллипсоидальных" потенциалах, появляющихся в
моделях молекул в квантовой химии. К задачам квантовой химии относятся также
задачи, решённые в [57, 58]. В [51-53]
разработаны методы решения задач квантовой механики на связанные состояния и
рассеяние частиц, сводящиеся к ОДУ второго порядка с потенциалами достаточно
общего вида. В [53] методы применялись к задаче об
атоме водорода в однородном электрическом поле. Задача возникает при разделении
переменных в трёхмерном уравнении Шрёдингера в параболоидной СК и является
одной из признанно сложных задач квантовой механики (она важна для развития
методов лазерной спектроскопии материалов). В [53], в
частности, указано на неточные постановки в других работах сингулярных задач
с параметрами для возникающих здесь ОДУ второго порядка на полуоси и с
особенностью в нуле, на неверные или необоснованные подходы к решению этих
задач, приводящие к расхождениям в расчётах. Для задачи рассеяния электрона
на ядре атома водорода в присутствии однородного электрического поля
задействован весь "арсенал" вычислительных средств. Указано, что
для более строгого решения задачи о Штарк-эффекте (снятии вырождения
энергетических уровней атома водорода в электрическом поле) следует поставить
и решать двухпараметрическую несамосопряжённую сингулярную спектральную
задачу (аналогичную задачам в [62, 63]). Задачи устойчивости солитонов в нелинейной теории поля. Исследования устойчивости в рамках линейной теории
возмущений точных или численно найденных регулярных решений нелинейных
волновых уравнений и систем таких уравнений, определённых во всём
пространстве, приводят к сложным спектральным задачам для векторных систем
ОДУ второго порядка на полуоси с (не)линейным вхождением СП. Цикл работ по
решению таких задач выполнен совместно с ИТЭФ [74, 75]. Применение к некоторым нелинейным задачам механики
несжимаемой жидкости. В ряде
работ, начиная с [37, 38], даны корректные
постановки и предложены аналитико-численные методы исследования (на уровне
автомодельных решений) трёх сингулярных КрЗ механики несжимаемой жидкости,
сводящихся к решению на (полу)бесконечном интервале автономных систем
нелинейных ОДУ, обладающих в фазовом пространстве бесконечным множеством
точек псевдогиперболического равновесия: о двумерном течении в слое смешения
при нулевом градиенте давления (в рамках теории пограничного слоя), о трёхмерном
осесимметричном течении вблизи вращающегося диска бесконечно большого
радиуса, а также вблизи бесконечной неподвижной плоскости при вращении над
нею жидкости с постоянной угловой скоростью на бесконечности, в том числе и
при наличии магнитного поля. В частности, устранены порой существеные
неточности, допущенные при постановке этих задач в публикациях некоторых
авторов. В [76]
и других работах даны корректные постановки и проведено аналитико-численное
исследование сингулярных ЗК и КрЗ для нелинейных ОДУ второго порядка типа
Эмдена-Фаулера (на примере конкретных задач астрофизики, атомной физики и
теории пограничного слоя). В частности, сингулярная КрЗ с вырождением по
фазовой переменной в граничной точке возникает в теории пограничного слоя, а
именно в задаче обтекания бесконечной пластины потоком несжимаемой жидкости
со степенным законом для касательного напряжения. Получены новые
аналитические результаты для этой известной задачи, связанные с выделением
однопараметрических семейств решений, ограниченных в точке вырождения ОДУ, и
построены верхние и нижние функции в явном виде. Нелинейные задачи релятивистской космологии. В [77] и цитированных там работах
совместно с ИТЭФ были начаты исследования по изучению объектов типа
сферических пузырей, порождённых скалярными полями Хиггса (ПХ) в пространстве
Минковского. Решалась (методом характеристик) начально-краевая задача для
нелинейного волнового уравнения в сферически-симметричном случае на полуоси
(по радиальной переменной) с особенностью в нуле. Найдены пульсирующее
решение типа пузыря, излучающего энергию на бесконечность, и долгоживущие
малые локализованные осциллирующие решения типа бризеров. Устойчивость
последних (а также устойчивость точных решений типа бризеров для уравнения
Клейна-Гордона и синус-уравнения Гордона) изучалась в [74].
Эти исследования связаны с поисками моделей элементарных частиц, классические
образы которых описываются ПХ в пространстве Минковского. С середины 90-х
гг. выполнен большой цикл работ по правильной постановке, качественному
анализу и аналитико-численному исследованию сингулярных ЗК и КрЗ для
нелинейных ОДУ второго порядка, возникающих в моделях релятивистской
космологии со скалярным нейтральным ПХ или системой таких взаимодействующих
полей. В [78] дано строгое математическое
описание динамики сферических доменов (пузырей) ПХ в пространствах Минковского,
Фридмана и де Ситтера в приближении тонкой стенки, когда можно пренебречь
толщиной оболочки пузыря по сравнению с его радиусом. Нелинейные ОДУ второго
порядка в этом приближении вырождаются по фазовой переменной (при коллапсе
пузыря), имеют особенность по временной переменной t при t ® ¥ и в случае
пространств Фридмана – особенность при t = 0. В [79-81] поставлены и изучаются сингулярные задачи для описания различных объектов в космологических моделях ранней Вселенной – инфляционной космологии, когда пространство- время аппроксимируется пространством де Ситтера и в нём изучаются скалярные нейтральные ПХ и порождённые ими объекты. В результате многочисленных исследований в отделе была предложена наиболее общая математическая постановка задачи, охватывающая ранее полученные результаты. В [81] рассматриваются системы N взаимодействующих ПХ в (D + 1)-мерном пространстве де Ситтера (D ³ 1, 1 |