Существование и гладкость решений уравнений Навье — Стокса

Существование и гладкость решений уравнений Навье — Стокса — одна из семи математических задач тысячелетия, сформулированных в 2000 году Математическим институтом Клэя.

Уравнения Навье — Стокса описывают движение вязкой ньютоновской жидкости и являются основой гидродинамики. Численные решения уравнений Навье — Стокса используются во многих практических приложениях и научных работах. Однако в аналитическом виде решения этих уравнений найдены лишь в некоторых частных случаях, поэтому нет полного понимания свойств уравнений Навье — Стокса. В частности, решения уравнений Навье — Стокса часто включают в себя турбулентность, которая остаётся одной из важнейших нерешённых проблем в физике, несмотря на её огромную важность для науки и техники.

Уравнения Навье — Стокса

Для трёхмерного вектора скорости жидкости ${\vec {v}}({\vec {x}},\;t)$ и давления $p({\vec {x}},\;t)$ уравнения Навье — Стокса записываются так:

{\frac {\partial {\vec {v}}}{\partial t}}+({\vec {v}}\cdot \nabla ){\vec {v}}=-{\frac {1}{\rho }}\nabla p+\nu \Delta {\vec {v}}+{\vec {f}}({\vec {x}},\;t)

,

где $\nu >0$ — это кинематическая вязкость, $\rho$ — плотность, ${\vec {f}}({\vec {x}},\;t)$ — внешняя сила, $\nabla$ — оператор набла и $\Delta$ — оператор Лапласа (лапласиан), который также обозначается, как $\nabla \cdot \nabla$ или $\nabla ^{2}$ . Это векторное уравнение, которое в трёхмерном случае может быть представлено как три скалярных уравнения. Если обозначить компоненты векторов скорости и внешней силы как:

{\vec {v}}({\vec {x}},\;t)=(v_{1}({\vec {x}},\;t),\;v_{2}({\vec {x}},\;t),\;v_{3}({\vec {x}},\;t)),\qquad {\vec {f}}({\vec {x}},\;t)=(f_{1}({\vec {x}},\;t),\;f_{2}({\vec {x}},\;t),\;f_{3}({\vec {x}},\;t))

,

то для каждого значения $i=1,\;2,\;3$ получается соответствующее скалярное уравнение:

{\frac {\partial v_{i}}{\partial t}}+\sum _{j=1}^{3}v_{j}{\frac {\partial v_{i}}{\partial x_{j}}}=-{\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial p}{\partial x_{i}}}+\nu \sum _{j=1}^{3}{\frac {\partial ^{2}v_{i}}{\partial x_{j}^{2}}}+f_{i}({\vec {x}},\;t).

Неизвестными величинами являются скорость ${\vec {v}}({\vec {x}},\;t)$ и давление $p({\vec {x}},\;t)$ . Поскольку в трёхмерном случае получается три уравнения и четыре неизвестных (три компоненты скорости и давление), то необходимо ещё одно уравнение. Дополнительным уравнением является закон сохранения массы — уравнение неразрывности, которое в случае несжимаемой среды преобразуется в условие несжимаемости жидкости:

\nabla \cdot {\vec {v}}=0.

Начальные условия к уравнениям Навье — Стокса задаются в виде:

{\vec {v}}({\vec {x}},0)={\vec {v^{0}}}({\vec {x}})

,

где ${\vec {v^{0}}}({\vec {x}})$ — заданная гладкая вектор-функция, удовлетворяющая уравнению неразрывности $\nabla \cdot {\vec {v^{0}}}=0$ .

Варианты постановки задачи

Институт Клэя сформулировал два основных варианта постановки задачи о существовании и гладкости решений уравнений Навье — Стокса. В первом варианте уравнения рассматриваются во всём трёхмерном пространстве $\mathbb {R} ^{3}$ с некоторыми ограничениями на скорость роста решения на бесконечности. Во втором варианте уравнения рассматриваются на трёхмерном торе $\mathbb {T} ^{3}=\mathbb {R} ^{3}/\mathbb {Z} ^{3}$ с периодическими граничными условиями. Для получения премии достаточно доказать или опровергнуть существование и гладкость решения в любом из двух вариантов.

В трёхмерном пространстве

Пусть начальная скорость ${\vec {v^{0}}}(x)$ — произвольная гладкая функция, удовлетворяющая уравнению неразрывности и такая, что для любого мультииндекса $\alpha$ и любого $K>0$ существует постоянная $C_{\alpha ,K}>0$ (зависящая только от $\alpha$ и $K$ ) такая, что

\vert \partial ^{\alpha }{\vec {v_{0}}}(x)\vert \leq {\frac {C}{(1+\vert {\vec {x}}\vert )^{K}}}\qquad

для всех

\qquad x\in \mathbb {R} ^{3}.

Пусть внешняя сила ${\vec {f}}({\vec {x}},t)$ — также гладкая функция, удовлетворяющая аналогичному неравенству (здесь мультииндекс включает также производные по времени):

\vert \partial ^{\alpha }{\vec {f}}({\vec {x}})\vert \leq {\frac {C}{(1+\vert {\vec {x}}\vert +t)^{K}}}\qquad

для всех

\qquad ({\vec {x}},t)\in \mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ).

Решения должны быть гладкими функциями, которые не возрастают неограниченно при $\vert {\vec {x}}\vert \to \infty$ . Требуется выполнение следующих условий:

${\vec {v}}({\vec {x}},t)\in \left[C^{\infty }(\mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ))\right]^{3}\,,\qquad p({\vec {x}},t)\in C^{\infty }(\mathbb {R} ^{3}\times [0,\infty ))$
Существует постоянная $E\in (0,\infty )$ такая, что $\int _{\mathbb {R} ^{3}}\vert {\vec {v}}({\vec {x}},t)\vert ^{2}dx<E$ для всех $t\geq 0$ .

Первое условие означает, что функции глобально определены и являются гладкими; второе — что кинетическая энергия глобально ограничена.

Требуется доказать одно из двух утверждений:

существование и гладкость решений уравнений Навье — Стокса в $\mathbb {R} ^{3}$ : для ${\vec {f}}({\vec {x}},t)\equiv 0$ и любого начального условия ${\vec {v_{0}}}({\vec {x}})$ , удовлетворяющего вышеописанным условиям, существует глобальное гладкое решение уравнений Навье — Стокса, то есть вектор скорости ${\vec {v}}({\vec {x}},t)$ и поле давления $p({\vec {x}},t)$ , удовлетворяющее условиям 1 и 2;
несуществование или негладкость решений уравнений Навье — Стокса в $\mathbb {R} ^{3}$ : существуют начальное условие ${\vec {v_{0}}}({\vec {x}})$ и внешняя сила ${\vec {f}}({\vec {x}},t)$ такие, что не существует решений ${\vec {v}}({\vec {x}},t)$ и $p({\vec {x}},t)$ , удовлетворяющих условиям 1 и 2.

Попытки решения

10 января 2014 года казахстанский математик Мухтарбай Отелбаев опубликовал статью, в которой утверждал, что дал полное решение проблемы[1], проверка результата осложнена тем, что работа написана на русском языке[2][3]. В сообществах математиков обсуждаются контрпримеры к основным утверждениям[4]. В 2014 году была найдена серьёзная ошибка в доказательстве, которую признал автор[5].

Примечания

Мухтарбай Отелбаев. Существование сильного решения уравнения Навье - Стокса (рус.) // Математический журнал. — 2013. — Т. 13, № 4 (50). — С. 5—104. — ISSN 1682-0525. Архивировано 17 августа 2014 года.: В работе дано решение шестой проблемы тысячелетия: доказаны существование и единственность сильного решения трёхмерной задачи Навье — Стокса с периодическими краевыми условиями по пространственным переменным
Liz Klimas. Math Problem Worth $1M May Be Solved, but There’s Still One Issue… (англ.) (недоступная ссылка). The Blaze (22 января 2014). — «The current issue with Otelbayev‘s paper is that it’s written in Russian.». Дата обращения: 23 января 2014. Архивировано 23 января 2014 года.
Jacob Aron, Katia Moskvitch. Kazakh mathematician may have solved $1 million puzzle (англ.). New Scientist (22 января 2014). Дата обращения: 24 января 2014.
Уравнение - налево! (рус.) (6 февраля 2014). Дата обращения: 12 февраля 2014.
Fiendish million-dollar proof eludes mathematicians

Литература

P. G. Lemarie-Rieusset. The Navier-Stokes Problem in the 21st Century (англ.). — CRC Press, 2016. — P. 740. — ISBN 1466566213.
Giovanni Galdi. An Introduction to the Mathematical Theory of the Navier-Stokes Equations: Steady-State Problems (англ.). — Springer, 2011. — P. 1032. — ISBN 0387096191.

Ссылки

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[1] Мухтарбай Отелбаев. Существование сильного решения уравнения Навье - Стокса (рус.) // Математический журнал. — 2013. — Т. 13, № 4 (50). — С. 5—104. — ISSN 1682-0525. Архивировано 17 августа 2014 года.: В работе дано решение шестой проблемы тысячелетия: доказаны существование и единственность сильного решения трёхмерной задачи Навье — Стокса с периодическими краевыми условиями по пространственным переменным

[2] Liz Klimas. Math Problem Worth $1M May Be Solved, but There’s Still One Issue… (англ.) (недоступная ссылка). The Blaze (22 января 2014). — «The current issue with Otelbayev‘s paper is that it’s written in Russian.». Дата обращения: 23 января 2014. Архивировано 23 января 2014 года.

[3] Jacob Aron, Katia Moskvitch. Kazakh mathematician may have solved $1 million puzzle (англ.). New Scientist (22 января 2014). Дата обращения: 24 января 2014.

[4] Уравнение - налево! (рус.) (6 февраля 2014). Дата обращения: 12 февраля 2014.

[5] Fiendish million-dollar proof eludes mathematicians