Bitsadze-Samarskii Type Problem for the Diffusion Equation and Degenerate Hyperbolic Equation
Authors: M.Kh. Ruziev , R.T. Zunnunov , N.T. Yuldasheva , G.B. Rakhimova 
Published: November 2024

A boundary value problem of the Bitsadze-Samarskii type is studied in the article for a fractionalorder diffusion equation and a degenerate hyperbolic equation with singular coefficients at lower terms in an unbounded domain. The article considers a mixed domain where the parabolic part of the domain under consideration coincides with the upper half-plane and the hyperbolic part is bounded by two characteristics of the equation under consideration and a segment of the abscissa axis. The uniqueness of the solution to the problem under consideration is proven by the method of energy integrals. The existence of a solution to the problem under consideration is reduced to the concept of solvability of a fractional-order differential equation. An explicit form of the solution to the modified Cauchy problem is given in the hyperbolic part of the mixed domain under consideration. Using this solution, due to the boundary condition of the problem, the main functional relationship between the traces of the unknown function brought to the interval of the degeneracy line of the equation is obtained. Further, using the representation of the solution of the diffusion equation of fractional order, the second main functional relationship between the traces of the sought-for function on the interval of the abscissa axis from the parabolic part of the considered mixed domain is obtained. Through the conjugation condition of the problem under study, an equation with fractional derivatives is obtained from two functional relationships by eliminating one unknown function; its solution is written out in explicit form. In the study of the boundary value problem, generalized fractional integro-differentiation operators with the Gauss hypergeometric function are employed. The properties of the Wright and Mittag-Leffler type functions are extensively utilized in the study.

В статье изучается краевая задача типа Бицадзе-Самарского для дробного уравнения диффузии и вырождающегося гиперболического уравнения с сингулярными коэффициентами при младших членах в неограниченной области. В статье рассматривается смешанная область, в которой параболическая часть рассматриваемой области совпадает с верхней полуплоскостью, а гиперболическая часть ограничена двумя характеристиками рассматриваемого уравнения и отрезком оси абсцисс. Единственность решения рассматриваемой задачи доказывается методом интегралов энергии. Существование решения рассматриваемой задачи сводится к понятию разрешимости дробного дифференциального уравнения. Приводится явный вид решения модифицированной задачи Коши в гиперболической части рассматриваемой смешанной области. С помощью этого решения в силу граничного условия задачи получена основная функциональная связь между следами неизвестной функции, приведенными на интервал линии вырождения уравнения. Далее, используя представление решения уравнения диффузии дробного порядка, получено второе основное функциональное соотношение между следами искомой функции на отрезке оси абсцисс из параболической части рассматриваемой смешанной области. Через условие сопряжения исследуемой задачи из двух функциональных соотношений путем исключения одной неизвестной функции получено уравнение с дробными производными, решение которого выписано в явном виде. При исследовании краевой задачи используются обобщенные операторы дробного интегро-дифференцирования с гипергеометрической функцией Гаусса. При исследовании широко используются свойства функций типа Райта и Миттаг-Леффлера.