一类具有复权函数和两个不连续点的Dirac算子的逆问题

刘杰 ,  高云兰

内蒙古工业大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 43 ›› Issue (01) : 6 -11.

PDF (596KB)
内蒙古工业大学学报(自然科学版) ›› 2024, Vol. 43 ›› Issue (01) : 6 -11. DOI: 10.13785/j.cnki.nmggydxxbzrkxb.2024.01.002
数理科学

一类具有复权函数和两个不连续点的Dirac算子的逆问题

作者信息 +

The inverse spectral problems of a class of Dirac operators with complex weight function and two discontinuities

Author information +
文章历史 +
PDF (609K)

摘要

本文考虑了一类具有转移条件和复值权函数的Dirac算子的逆问题,采用了谱映射的方法得到了具有两个不连续点的Dirac算子的势函数在整个区间能被两组谱或Weyl函数唯一确定。

Abstract

In this paper, the inverse problem of a class of Dirac operators with jump conditions and complex-valued weight functions is studied. The spectral mapping method is used to obtain that the potential function of Dirac operators with two discontinuities can be uniquely determined by two groups of spectra or Weyl-type functions on the whole interval.

关键词

Dirac算子 / 势函数 / Weyl函数

Key words

Dirac operator / the potential funcrtions / Weyl-type functions

引用本文

引用格式 ▾
刘杰,高云兰. 一类具有复权函数和两个不连续点的Dirac算子的逆问题[J]. 内蒙古工业大学学报(自然科学版), 2024, 43(01): 6-11 DOI:10.13785/j.cnki.nmggydxxbzrkxb.2024.01.002

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

近年来,许多学者对微分算子的逆问题进行了大量研究并已经取得了许多重要的研究成果[1-6]。因为微分算子的逆问题相对于正问题来说更加具有实用价值,所以越来越多的学者对微分算子的逆问题产生了兴趣。2000年Yurko研究了Sturm-Liouville算子中具有转移条件的边值问题[7-8],并且后续在文献中提出了谱映射的思想,成功运用谱映射的思想证明了Sturm-Liouville算子逆问题的唯一性[9]。后来Amirov把谱映射的方法推广到了Dirac算子中,这种方法将逆问题简化为主方程,使Dirac算子逆问题的唯一性问题对应于Banach空间中线性方程组解存在的唯一性问题,就可以证明Dirac算子中势函数的唯一性,并且可以得到Dirac算子可解的充要条件[10]。2018年Yurko[11]和2021年Zhang等[12]分别研究了Sturm-Liouville算子和Dirac算子具有复值权函数和转移条件的逆问题,证明了势函数在整个区间能被Weyl函数或两组谱唯一确定;本文将Dirac算子具有复值权函数和转移条件的逆问题推广到具有两个不连续点和复值权函数的Dirac算子的逆问题中,类似地,运用谱映射的方法得到势函数在整个区间能被Weyl函数或两组谱唯一确定。

1 预备知识

x0,b1b1,b2b2,T区间考虑如下Dirac方程

By'x+Qxyx=λrxyx

具有分离型边界条件0α, βπ

Uy:=y10cosα+y20sinα=0
Vy:=y1Tcosβ+y2Tsinβ=0

在点b1, b2处有转移条件

y1b1+0=d1y1b1-0,y2b1+0=d2y2b1-0+d3y1b1-0
y1b2+0=d2y1b2-0,y2b2+0=d3y2b2-0+d4y1b2-0

其中

B=01-10, Qx=pxqxqx-px
yx=y1xy2x, rx=a1,x0,b1a2,xb1,b2a3,xb2,T

λ是谱参数,px,qx,rx是复值函数,px,qx在区间0,b1,b1,b2,b2,T上绝对连续,可能有如下情况发生:

pbi+0pbi-0, qbi+0qbi-0,i=1,2ak, djk=1,3¯;  j=1,4¯是复数,假设a1a2a3,d1d2,d1d22d3,d2+d3-id4d1+d2-id3,d2+d3-id4-d1+d2+id3,-d2+d3+id4-d1+d2-id3,-d2+d3+id4d1+d2+id3,-d2+d3-id4d1+d2-id3,-d2+d3-id4-d1+d2+id3,d2+d3+id4-d1+d2-id3,d2+d3+id4d1+d2+id3是非零的,并用L=LQx, rx, α, β表示式(1)~(6)。当边界条件为y10sinα-y20cosα=Vy=0时,用L0表示。

φx, λωx, λ是方程(1)满足如下初始条件和转移条件(4)和(5)的解

φ0, λ=φ10, λφ20, λ=sinα-cosα,ω0, λ=ω10, λω20, λ=cosαsinα

记式(1)~(6)的特征函数是Δλ=Vφ,那么这个函数是关于λ的一阶整函数,并且它的零点λnnZL的特征值一致。

ϕx, λ=ϕ1x, λϕ2x, λ是方程(1)满足式(4)式(5)和边界条件U(ϕ)=1, Vϕ=0的解,则有:

ϕx, λ=ωx, λ+Mλφx, λ

MλL=LQx, rx, α, β的Weyl函数,代入式(3)得到

Vϕ=Vω+MλVφ=0

接下来由式(8)可得

Mλ=-VωVφ=-Δ0λΔλ

其中,Δ0λ=VωL0的特征函数,且Δ0λ是关于λ的一阶整函数,它的零点λn0nZL0的特征值。

Ψx, λ=φ1x, λϕ1x, λφ2x, λϕ2x, λ

由上式和式(4)、(5)可得:

detΨx, λ=1,d1d2,d1d22d3,x<b1b1x<b2xb2

为了解决如下逆问题,首先令ak, djk=1, 3¯j=1, 4¯α是已知的。

逆问题1 已知Weyl函数Mλ,确定Qxβ

逆问题2 已知两组谱λnnZ,λn0nZβ,确定Qx

L˜是与L形式相同但系数不同的边值问题,如果v表示与L有关的量,那么,v˜也同样能表示与L˜有关的类似的量,则有b=b˜T=T˜ak=a˜kk=1, 3¯dj=d˜jj=1, 4¯,并且α=α˜

2 重要引理

首先引入一组符号:Ωk±:=λC:±Imλak>0Akλ, x=Λk-λx,Λkλx,λΩk+λΩk-Λkλ=expiλak

c0=0, c1=b1, c2=b2, c3=T

类似于文献[12]的引理3.1可以得到方程(1)的Birkhoff型解。

引理1 对于k=1, 2, 3, xck-1, ck, λΩk±,存在方程(1)的一组基本解ekx, λ, Ekx, λ

ekx, λ=ek1x, λek2x, λ=ie-iλakx-ck-11-e-iλakx-ck-11
Ekx, λ=Ek1x, λEk2x, λ=-ieiλakx-ck-11-eiλakx-ck-11

其中1=1+Ολ-1λ,当λΩk±λ>λ*时,向量函数ek(x, λ)Ekx, λx属于ck-1, ck上连续,且是解析的。

接下来类似于文献[12]把λ复平面划分为一些扇形:

Dj:=λ:argλθj, θj+1, j=1, 3s¯,
0θ1<<θ3s<2π,θ3s+1:=θ1,

使得Reiλak, k=1, 2, 3,在每一部分Dj内保持符号,显然在λ复平面上的划分依赖于ak,由此决定了s,且1s3,对充分小的ς>0,则有

Sj,ς:=λ:argλθj+ς, θj+1-ςSς=j=13sSj,ς

xck-1, ck中,当λSς时,式(11)和(12)的余项估计Ολ-1是一致的。

引理2λSςλ>λ*, j=1, 2,并且x在区间0, b1, b1, b2b2, T上时,下列估计成立。

φjx, λCA1λ, x, x0, b1
φjx, λCA1λ, b1A2λ, x-b1,xb1, b2
φjx, λCA1λ, b1A2λ, b2-b1A3λ, x-b2,xb2, T
φjx, λ-φ˜jx, λCλA1λ, x,x0, b1
φjx, λ-φ˜jx, λCλA1λ, b1A2λ, x-b1,xb1, b2
φjx, λ-φ˜jx, λCλA1λ, b1A2λ, b2-b1A3λ, x-b2,xb2, T

在区间0, b1上,有φb1, λ=φb1-0, λ,在区间b1, b2上,有φb1, λ=φb1+0, λ, φb2, λ=φb2-0, λ,在区间b2, T上,有φb2, λ=φb2+0, λ

证明 因为方程(1)有基础解系ekx, λ,Ekx, λ,因此,

φx, λ=αkλekx, λ+βkλEkx, λ,k=1, 2, 3, xck-1, ck

其中αkλβkλ不依赖于x,根据φx, λ满足的初始条件和式(11)、(12),并且当λΩ1±, λ>λ*λ时,得α1λ, β1λ

2α1λ=e-iα[1], 2β1λ=eiα[1]

λΩ2±, λ>λ*λSς中余项估计一致时,运用式(4)、(5)、(11)和(12)得α2λ, β2λ

4α2λ=d1+d2-id3e-iα+λa1b11+-d1+d2+id3eiα+λa1b114β2λ=-d1+d2-id3e-iα+λa1b11+d1+d2+id3eiα+λa1b11

λΩ3±, λ>λ*λ时,由α2λ, β2λ和转移条件可得α3λ, β3λ

8α3λ=d2+d3-id4d1+d2-id3e-iα+λa1b1+a2b2-b11+d2+d3-id4-d1+d2+id3eiα+λa1b1-a2b2-b11+-d2+d3+id4-d1+d2-id3e-iα+λa1b1-a2b2-b11+-d2+d3+id4d1+d2+id3eiα+λa1b1+a2b2-b11
8β3λ=-d2+d3-id4d1+d2-id3e-iα+λa1b1+a2b2-b11+-d2+d3-id4-d1+d2+id3eiα+λa1b1-a2b2-b11+d2+d3+id4-d1+d2-id3e-iα+λa1b1-a2b2-b11+d2+d3+id4d1+d2+id3eiα+λa1b1+a2b2-b11

根据所求出的αkλ, βkλ渐进式,代入式(19),可知引理2的估计式(13)~(15)成立,并且式(11)、(12)、(20)~(23)不依赖于Qx, β,则估计式(16)~(18)成立。

引理3λSςλ>λ*, j=1, 2,其中x在区间0, b1, b1, b2b2, T上时,下列估计成立。

ϕjx, λCA1-1λ, x, x0, b1
ϕjx, λCA1-1λ, b1A2-1λ, x-b1,xb1, b2
ϕjx, λCA1-1λ, b1A2-1λ, b2-b1A3-1λ, x-b2,xb2, T
ϕjx, λ-ϕ˜jx, λCλA1-1λ, x,x0, b1
ϕjx, λ-ϕ˜jx, λCλA1-1λ, b1A2-1λ, x-b1,xb1, b2
ϕjx, λ-ϕ˜jx, λCλA1-1λ, b1A2-1λ, b2-b1A3-1λ, x-b2xb2, T

证明 由基础解系ekx, λ, Ekx, λ组成的解ϕx, λ如下:

ϕx, λ=ϑkλekx, λ+σkλEkx, λ, k=1, 2, 3, xck-1, ck

ϑkλσkλ不依赖于x,已知ϕx, λ满足式(4)、(5)、(30)和边界条件U(ϕ)=1, Vϕ=0由此得到ϑkλσkλ线性表示:

ϑ1λUe1x, λ+σ1λUE1x, λ=1ϑ3λVe3x, λ+σ3λVE3x, λ=0ϑ2λe21b1, λ+σ2λE21b1, λ-d1ϑ1λe11b1, λ+σ1λE11b1, λ=0ϑ2λe22b1, λ+σ2λE22b1, λ-d2ϑ1λe12b1, λ+σ1λE12b1, λ-d3ϑ1λe11b1, λ+σ1λE11b1, λ=0ϑ3λe31b2, λ+σ3λE31b2, λ-d2ϑ2λe21b2, λ+σ2λE21b2, λ=0ϑ3λe32b2, λ+σ3λE32b2, λ-d3ϑ2λe22b2, λ+σ2λE22b2, λ-d4ϑ2λe21b2, λ+σ2λE21b2, λ=0

κλ表示这个行列式,根据式(11)、(12),且在Sς中有λ,可得:

κλ=d2+d3-id4d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2-λb2-b1Λ3-λT-b2-eiβ-α1+d2+d3-id4-d1+d2+id3Λ1λb1Λ2-λb2-b1Λ3-λT-b2-eiβ+α1+-d2+d3+id4-d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2λb2-b1Λ3-λT-b2-eiβ-α1+-d2+d3+id4d1+d2+id3Λ1λb1Λ2λb2-b1Λ3-λT-b2-eiβ+α1+-d2+d3-id4d1+d2-id3Λ1-λb1
Λ2-λb2-b1Λ3λT-b2e-iβ+α1+-d2+d3-id4-d1+d2+id3Λ1λb1Λ2-λb2-b1Λ3λT-b2e-iβ-α1+d2+d3+id4-d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2λb2-b1Λ3λT-b2e-iβ+α1+d2+d3+id4d1+d2+id3Λ1λb1Λ2λb2-b1Λ3λT-b2e-iβ-α1

接下来运用Cramer法则能得到系数ϑkλ, σkλ的渐进式,代入式(30)与式(11)、(12)和(31)可得以上引理3的估计式(24)~(26),由上文可知式(11)、(12)不依赖于Qx β,且ϑkλσkλ不依赖于x可得估计式(27)~(29)。

引理4 (Liouville定理)有界整函数必为常数。

引理5 (Phragmen-Lindelöfs定理)设fzρ,并且fz是一个有限阶的整函数,其中α1ρ,令B为角παz平面上的扇形,如果在B的边界上fzC,则在B内部也有fzC,且常数C相同。

3 结论及证明

定理1Mλ=M˜λ,则有Qx=Q˜xβ=β˜,其中x0, b1b1, b2b2, T

证明 定义谱映射矩阵Px, λ=Pijx, λi. j=1, 2,有以下表示:

Px, λΨ˜x, λ=Ψx, λ

式(30)计算可得:

P11x, λ=detΨ˜x, λ-1φ1x, λϕ˜2x, λ-φ˜2x, λϕ1x, λP12x, λ=detΨ˜x, λ-1-φ1x, λϕ˜1x, λ+φ˜1x, λϕ1x, λ

且以下方程成立:

φ1x, λ-φ˜1x, λϕ˜2x, λ-ϕ1x, λ-ϕ˜1x, λφ˜2x, λ=φ1x, λϕ˜2x, λ-φ˜2x, λϕ1x, λ-φ˜1x, λϕ˜2x, λ-φ˜2x, λϕ˜1x, λ=P11x, λdetΨ˜x, λ-detΨ˜x, λ
=detΨ˜x, λP11x, λ-1

因此,

P11x, λ-1=detΨ˜x, λ-1φ1x, λ-φ˜1x, λϕ˜2x, λ-ϕ1x, λ-ϕ˜1x, λφ˜2x, λ

同理,则有:

P12x, λ=detΨ˜x, λ-1-φ1x, λ-φ˜1x, λϕ˜1x, λ+ϕ1x, λ-ϕ˜1x, λφ˜1x, λ

LL˜满足定理条件,即Mλ=M˜λ

根据式(7)式(33)可得:

P11x, λ=detΨ˜x, λ-1φ1x, λS˜2x, λ-φ˜2x, λS1x, λ+M˜λ-Mλφ1x, λφ˜2x, λ,P12x, λ=detΨ˜x, λ-1-φ1x, λS˜1x, λ+φ˜1x, λS1x, λ+Mλ-M˜λφ1x, λφ˜1x, λ

由已知x0, T,且P11x, λ, P12x, λ是关于λ的整函数,当λSς, λ>λ*时,通过引理2和引理3的估计式和表达式(35),(36),则下列估计成立:

P11x, λ-1Cλ, P12x, λCλ

同理

P22x, λ-1Cλ, P21x, λCλ

又根据引理4和引理5可得:

P11x, λP22x, λ1, P12x, λP21x, λ0

式(32)代入计算可得:

φkx, λ=φ˜kx, λ, ϕkx, λ=ϕ˜kx, λ, k=1, 2

接下来证明β=β˜。由式(2)可知:

φ1T, λcosβ+φ2T, λsinβ=0
φ1T, λcosβ˜+φ2T, λsinβ˜=0

φT, λ是一个非零解,那么有cosβsinβcosβ˜sinβ˜=sinβ˜-β=0,则有β=β˜

最后证明在式(1)中,Qx=Q˜x,其中x0, b1 b1, b2b2, T,有

Bφ'x, λ+Qxφx, λ=λrxφx, λ
Bφ'x, λ+Q˜xφx, λ=λrxφx, λ

式(38)减去式(39)Qx-Q˜xφx, λ=0,同样对于ϕx, λQx-Q˜xϕx, λ=0,也成立,则有:

Qx-Q˜xφ1x, λϕ1x, λφ2x, λϕ2x, λ=Qx-Q˜xΨx, λ=0

式(10)可知Ψx, λ可逆,则Ψx, λ不为零,则必有Qx=Q˜x,证毕。

定理2 如果全部nZβ=β˜,有λn=λ˜nλn0=λ˜n0,则Qx=Q˜x,其中x0, b1b1, b2b2, T

证明 由上文可知Δλ=Vφ,在Sς中,λ时,由引理1和引理2的式(19)、(22)、(23)可得下列渐进公式:

8Δλ=d2+d3-id4d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2-λb2-b1Λ3-λT-b2ieiβ-α1+d2+d3-id4-d1+d2+id3Λ1λb1Λ2-λb2-b1Λ3-λT-b2ieiβ+α1+-d2+d3+id4-d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2λb2-b1Λ3-λT-b2ieiβ-α1+-d2+d3+id4d1+d2+id3Λ1λb1Λ2λb2-b1Λ3-λT-b2ieiβ+α1+-d2+d3-id4d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2-λb2-b1Λ3λT-b2-ie-iβ+α1+-d2+d3-id4-d1+d2+id3Λ1λb1Λ2-λb2-b1Λ3λT-b2-ie-iβ-α1+d2+d3+id4-d1+d2-id3Λ1-λb1Λ2λb2-b1Λ3λT-b2-ie-iβ+α1+d2+d3+id4d1+d2+id3Λ1λb1Λ2λb2-b1Λ3λT-b2-ie-iβ-α1

nZβ=β˜时,有λn=λ˜n, λn0=λ˜n0。根据Hadamard Factorization定理和式(40),可以得到Δλ=Δ˜λ,同样能得到Δ0λ=Δ˜0λ。那么,由式(9)可知,Mλ=M˜λ,即满足定理1则可推出定理2成立,证毕。

参考文献

[1]

GASYMOV M G, LECITAN B M. The inverse problem for the Dirac system[J]. Doklady, Akademiya Nauk Azerbaĭdzhanskoĭ SSR, 1966, 167(5):967-970.

[2]

GUO Y X, WEI G S, YAO R X. Inverse problem for interior spectral data of discontinuous Dirac operator[J]. Applied Mathematics and Computation, 2015, 268:775-782.

[3]

王於平. 参数边界条件下Sturm-Liouville算子的逆谱问题[J]. 应用泛函分析学报, 2017, 19(3):294-298.

[4]

NABIEV I M. Solution of the inverse problem by two spectra for the Dirac equation on a finite interval[J]. Doklady, Akademiya Nauk Azerbaĭdzhanskoĭ SSR, 1966, 22(7):3-6.

[5]

张亮. 具有Atkinson类型的Sturm-Liouville问题的逆谱问题[D]. 呼和浩特:内蒙古工业大学, 2019.

[6]

孙奕欣. 正则AKNS算子的逆谱问题[D]. 西安:陕西师范大学, 2019.

[7]

YURKO V A. Boundary value problems with discontinuity conditions in an interior point of the interval[J]. Differential Equations, 2000, 36(8):1266-1269.

[8]

YURKO V A. Integral transforms connected with discontinuous boundary value problems[J]. Integral Transforms and Special Functions, 2000, 10(2):141-164.

[9]

FREILING G, YURKO V A. Inverse Sturm-Liouville problems and their applications[M]. Huntington:Nova Science Publishers, 2001.

[10]

AMIROV R, ARSLANTAŞ M. Application of spectral mapping method to Dirac operator[J]. Turkish Journal of Mathematics, 2020, 44(5):1852-1870.

[11]

YURKO V A. Inverse spectral problems for Sturm-Liouville operators with complex weight[J]. Inverse Problems in Science and Engineering, 2018, 26(10):1396-1403.

[12]

ZHANG R, YANG C F, BONDARENKO N P. Inverse spectral problems for the Dirac operator with complex-valued weight and discontinuity[J]. Journal of Differential Equations, 2021, 278:100-110.

基金资助

内蒙古自治区自然科学基金项目(2017MS(LH)0103

2021MS01020

AI Summary AI Mindmap
PDF (596KB)

83

访问

0

被引

详细

导航
相关文章

AI思维导图

/