Метод двобічних наближень розв’язання першої крайової задачі для нелінійних звичайних диференціальних рівнянь на основі використання функції Гріна

Abstract

UK: Актуальність. Розглянуто питання побудови двобічного ітераційного процесу знаходження додатного розв’язку першої крайової задачі для звичайного диференціального рівняння другого порядку на основі використання метода функцій Гріна. Об’єктом дослідження є перша крайова задача для нелінійного звичайного диференціального рівняння другого порядку. Мета роботи – користуючись методами теорії нелінійних операторів у напівупорядкованих просторах розробити метод двобічних наближень розв’язання поставленої задачі. Метод. За допомогою функції Гріна вихідна нелінійна крайова задача для звичайного диференціального рівняння замінюється еквівалентним інтегральним рівнянням Гаммерштейна, що розглядається у просторі неперервних функцій, який напівупорядковано за допомогою конуса невід’ємних функцій. Інтегральне рівняння подається у вигляді нелінійного операторного рівняння з гетеротонним оператором. Для нього знаходиться сильно інваріантний конусний відрізок, кінці якого є початковими наближеннями для двох ітераційних послідовностей, перша з яких, монотонно зростаючи, наближає точний розв’язок задачі знизу, а друга, монотонно спадаючи, – зверху. Наведено дві умови існування єдиного додатного розв’язку розглядуваної крайової задачі та двобічної збіжності до нього послідовних наближень. Також наведено загальні рекомендації з побудови сильно інваріантного конусного відрізка. Розроблений метод має просту обчислювальну реалізацію і зручну для використання на практиці апостеріорну оцінку похибки. Результати. Розроблений метод програмно реалізовано та досліджено при розв’язанні тестових задач. Результати обчислювального експерименту проілюстровано графічною та табличною інформаціями. Висновки. Проведені експерименти підтвердили працездатність та ефективність розробленого метода і дозволяють рекомендувати його для використання на практиці при розв’язання задач математичного моделювання нелінійних процесів. Перспективи подальших досліджень можуть полягати у розробленні двобічних методів розв’язання задач для рівнянь з частинними похідними та нестаціонарних задач, використовуючи напівдискретні методи (наприклад, метод прямих Роте). EN: Context. The questions of constructing a two-sided iterative process for finding a positive solution of the first boundary value problem for an ordinary second-order differential equation on the basis of the method of Green’s functions are considered. The object of the study is the first boundary value problem for an ordinary second-order differential equation The purpose of the paper is to develop a method of two-sided approximations of the problem solution by using the methods of the nonlinear operators theory in semi-ordered spaces. Method. With the Green’s function help the original nonlinear boundary value problem for an ordinary differential equation is replaced by an equivalent integral equation, considered in the space of continuous functions, which is semi-ordered by means of the cone of nonnegative functions. The integral equation is represented as a nonlinear operator equation with a heterotone operator. For this equation a strongly invariant conic segment, the ends of which serve as initial approximations for two iterative sequences, is sought. The first of the sequences, monotonically increasing, approximates the exact solution of the problem from below, and the second one, monotonically decreasing, approximates it from above. Two conditions for the existence of a unique positive solution of the boundary value problem under consideration and two-sided convergence of successive approximations to it are given. General recommendations on the construction of a strongly invariant conic segment are also given. The developed method has a simple computational implementation and a posteriori error estimate, convenient for use in practice. Results. The developed method was programmed and investigated in solving test problems. The results of the computational experiment are illustrated graphically and with the help of tables. Conclusions. The conducted experiments have confirmed the efficiency and effectiveness of the developed method and allow to recommend it for use in practice for solving the problems of mathematical modeling of nonlinear processes. The prospects for further research may include the development of two-sided methods for solving problems for partial differential equations and non-stationary problems using semi-discrete methods (for example, the Rothe’s method of lines).