Non-Local Initial-Boundary Value Problem for a Degenerate Second Order Equation with Fractional Caputo Derivative and Riemann-Liouville Integral

Recently, initial-boundary problems in a rectangular domain for differential equations in partial derivatives of both even and odd order have been intensively studied. In this case, non-degenerate equations or equations that degenerate on one side of the quadrilateral are taken as the object of study. But initial boundary problems (both local and non-local) for equations with two or three lines of degeneracy remain unexplored. In this paper, in a rectangular domain, a second-order equation degenerating on two sides of the rectangular and contains the with fractional Caputo derivative and Riemann-Liouville integro operators has been considered. For this equation, an initial-boundary problem is formulated and investigated, with non-local conditions connecting the values of the desired function and its derivatives up to the third order (inclusive), taken on the sides of the rectangle. From the beginning, the uniqueness of the solution of the formulated problem was proved by the method of energy integrals. Then, the spectral problem that arises when applying the Fourier method based on the separation of variables to the considered initial-boundary problem has been investigated. The Green’s function of the spectral problem was constructed, with the help of which it is equivalently reduced to an integral Fredholm equation of the second kind with a symmetric kernel, which implies the existence of a countable number of eigenvalues and eigenfunctions of the spectral problem. A theorem is proved for expanding a given function into a uniformly convergent series in terms of a system of eigenfunctions. The solution of the considered is written as the sum of a Fourier series with respect to the system of eigenfunctions of the spectral problem. The uniform convergence of this series and the series obtained from it by term-by-term differentiation is studied. An estimate for solution to problem is obtained, from which follows its continuous dependence on the given functions В последнее время интенсивно изучаются начально-краевые задачи в прямоугольной области для дифференциальных уравнений в частных производных как четного, так и нечетного порядка. При этом в качестве объекта исследования берутся невырожденные уравнения или уравнения, вырождающиеся на одной стороне четырехугольника. Однако начально-краевые задачи (как локальные, так и нелокальные) для уравнений с двумя или тремя линиями вырождения остаются неисследованными. В данной работе в прямоугольной области рассматривается уравнение второго порядка, вырождающееся на двух сторонах прямоугольника и содержащее с дробной производной Капуто и интегрооператоры Римана-Лиувилля. Для этого уравнения формулируется и исследуется начально-краевая задача с нелокальными условиями, связывающими значения искомой функции и ее производных до третьего порядка (включительно), взятые на сторонах прямоугольника. С самого начала единственность решения сформулированной задачи доказывалась методом интегралов энергии. Затем исследована спектральная задача, возникающая при применении метода Фурье, основанного на разделении переменных, к рассматриваемой начально-краевой задаче. Построена функция Грина спектральной задачи, с помощью которой она эквивалентно сводится к интегральному уравнению Фредгольма второго рода с симметричным ядром, что влечет существование счетного числа собственных значений и собственных функций спектральной задачи. Доказана теорема о разложении заданной функции в равномерно сходящийся ряд по системе собственных функций. Решение рассматриваемой задачи записывается в виде суммы ряда Фурье по системе собственных функций спектральной задачи. Исследуется равномерная сходимость этого ряда и ряда, полученного из него почленным дифференцированием. Получена оценка решения задачи, из которой следует его непрерывная зависимость от заданных функций.