Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Аналитическая теория нелинейных дифференциальных уравнений
.pdf
3.10. ТЕСТ АБЛОВИЦА-РАМАНИ-СИГУРА 161
с помощью которого можно было бы установить, является ли нелинейное
уравнение точно решаемым или нет.
В этой связи М. Абловиц и Х. Сигур в 1978 г. обратили внимание [100]
на то, что если в нелинейных уравнениях в частных производных, имеющих решения в виде солитонов, искать решения, используя автомодельные
переменные или переменные бегущей волны, то полученные обыкновенные
дифференциальные уравнения имеют свойство Пенлеве.
Действительно, если, например, решение модифицированного уравнения Кортевега – де Вриза
− 3v2vx+ v
v
t
=0 (3.154)
xxx
искать в переменных бегущей волны
v (x, t)=V (ξ) ,ξ= x − c
t, (3.155)
0
то для V (ξ) получаем уравнение:
− V3− c0V + c1=0, (3.156)
V
ξξ
которое имеет свойство Пенлеве, поскольку решение уравнения (3.156) может быть выражено через эллиптическую функцию Якоби.
Модифицированное уравнение Кортевега – де Вриза (3.154) допускает
группу преобразований неоднородного растяжения [20,33,80,194], и поэтому его решение можно также искать в виде
v (x, t)=(3t)
−1/3
F (θ) ,θ= x (3t)
−1/3
. (3.157)
Подставляя (3.157) в уравнение (3.154) и интегрируя по θ, имеем второе
уравнение Пенлеве:
=2F3+ θF + α, (3.158)
F
θθ
также обладающее свойством Пенлеве.
Из этих примеров видно, что переход от точно решаемого уравнения (3.154) к обыкновенным дифференциальным уравнениям ведет к уравнениям, имеющим свойство Пенлеве.
Если искать решения уравнения Кортевега – де Вриза:
u
в переменных бегущей волны
u (x, t)=U (ξ) ,ξ= x − c
+6uux+ u
t
=0 (3.159)
xxx
t, (3.160)
0
162 ГЛАВА 3. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ УЧП
то для U (ξ) получается уравнение:
U
+3U2− c0U − c1=0, (3.161)
ξξ
имеющее также свойство Пенлеве.
Уравнение (3.159), как и уравнение (3.154), также допускает группу
неоднородного растяжения, и его решение можно искать в виде
u (x, t)=(3t)
−2/3
f (θ) ,θ= x (3t)
−1/3
. (3.162)
При этом уравнение для f (θ) имеет вид
+6ffθ− θfθ− 2f =0. (3.163)
f
θθθ
Оно также имеет свойство Пенлеве. Его решение может быть получено,
если использовать преобразование Миуры
f = F
− F2, (3.164)
θ
где F (θ) — решение уравнения (3.158).
Если решение уравнения (3.159) искать в виде
2
u = q (z) −λt, z= x +3λt
, (3.165)
где λ — параметр, то после интегрирования по z для q (z) получаем первое
уравнение Пенлеве:
q
+3q2− λz = c1. (3.166)
zz
В качестве еще одного примера рассмотрим нелинейное уравнение
Колмогорова – Петровского – Пискунова [43, 148,167]:
u
= uxx+ αu− 6u2. (3.167)
t
В переменных бегущей волны уравнение (3.167) принимает вид
− c0Uξ+ αU − 6U2=0. (3.168)
U
ξξ
Оно не имеет свойства Пенлеве, и, следовательно, исходное уравнение (3.167) не является точно решаемым.
Таким образом, действительно, если от точно решаемых нелинейных
уравнений в частных производных переходить к обыкновенным дифференциальным уравнениям, то последние оказываются имеющими свойство
3.11. МЕТОД ВАЙСА – ТАБОРА – КАРНЕВЕЙЛЯ 163
Пенлеве. Это наблюдение позволило М. Абловицу, А. Рамани и Х. Сигуру высказать гипотезу о свойстве Пенлеве, которую можно рассматривать
как критерий интегрируемости нелинейного уравнения в частных производных [1, 99].
Гипотеза о свойстве Пенлеве. Нелинейное уравнение в частных производных является точно решаемым уравнением, только в том случае, если
любое нелинейное обыкновенное дифференциальное уравнение, полученное из него в результате замены переменных (автомодельные переменные,
переменные бегущей волны и т.д.), имеет (возможно после дополнительного
преобразования) свойство Пенлеве.
Эту гипотезу можно использовать как тест для определения точно решаемого нелинейного уравнения в частных производных, который применяется следующим образом.
Пусть задано нелинейное уравнение в частных производных:
E (u, u
тогда, используя инвариантные переменные (переменные бегущей волны,
автомодельные переменные и т.д.), уравнение (3.169) преобразуется к обыкновенному дифференциальному уравнению. Далее анализируется полученное обыкновенное дифференциальное уравнение на свойство Пенлеве. Это
может быть сделано путем сравнения со списками уравнений, имеющих
свойство Пенлеве, или путем специального анализа полученного уравнения.
Если исследуемое уравнение имеет свойство Пенлеве, то следует проверить, к каким уравнениям приводят другие подстановки. В случае, если все
полученные обыкновенные дифференциальные уравнения имеют свойство
Пенлеве, есть основание надеяться, что исходное нелинейное уравнение в
частных производных является точно решаемым. Если же какое-либо из
обыкновенных дифференциальных уравнений не имеет свойства Пенлеве,
то весьма вероятно, что исходное нелинейное уравнение в частных производных не будет интегрируемым. Однако возможны случаи, когда исходное
уравнение является точно решаемым, хотя обыкновенное дифференциальное уравнение имеет свойство Пенлеве только после соответствующего преобразования.
, ..., x, t)=0, (3.169)
x,ut
3.11. Метод Вайса – Табора – Карневейля для анализа
нелинейных уравнений
Применение гипотезы Абловица – Рамани – Сигура для анализа нелинейных уравнений в частных производных является трудоемкой процеду-
164 ГЛАВА 3. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ УЧП
рой. Это связано с тем, что, во-первых, требуется найти все преобразования,
с помощью которых решения исходного нелинейного уравнения в частных производных можно найти через решения ОДУ. Для этой цели обычно
используется групповой анализ дифференциальных уравнений, открытый
норвежским математиком Софусом Ли [33,80]. Во-вторых, требуется исследовать на свойство Пенлеве все ОДУ, полученные из исходного уравнения
в частных производных, которых может оказаться достаточно много.
Этот недостаток был устранен в обобщении теста Пенлеве, предложенного в 1983 г. в работе Дж. Вайса, М. Табора и Г. Карневейля [262].
Идея метода Вайса – Табора – Карневейля (ВТК) состоит в следующем.
Пусть задано нелинейное уравнение в частных производных:
E (u
, ...,x, t)=0. (3.170)
x,ut
Его решение ищется в виде разложения [141, 174, 228, 240, 241,262]
∞
u (x, t)=
j=0
j−p
ujz
, (3.171)
где z (x, t) — новая функция, p — число, которое определяется при подстановке
u = u
−p
z
0
(3.172)
в ведущие члены уравнения (3.170). Из сравнения выражений с наименьшими степенями находятся семейства решений с конкретными p и u
этом коэффициенты u
в (3.171) зависят от производных функции z (x, t).
j
.При
0
Метод, предложенный Вайсом, Табором и Карневейлем, во многом напоминает алгоритм Ковалевской, но отличается тем, что вместо переменной
ξ = z−z
та a
используется функция z (x, t) и вместо постоянного коэффициен-
0
предполагается, что коэффициент ujзависит от производных функции
0
z (x, t). Новая функция z (x, t) является сингулярным многообразием, и поэтому метод ВТК часто называется методом сингулярных многообразий.
Как и в случае алгоритма Ковалевской, на первом этапе в методе ВТК предполагается, что уравнение (3.170) проходит тест Пенлеве, если p в (3.171) —
целое.
На втором этапе ищутся индексы Фукса точно так же, как для обыкновенных дифференциальных уравнений. С этой целью в ведущие члены
уравнения (3.170) подставляется выражение:
u = u
z−p+ urz
0
r−p
. (3.173)
4.2. ПЕНЛЕВЕ-АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ БЮРГЕРСА 165
Третий этап исследования состоит в определении произвольных функций для коэффициентов разложения (3.171) с номерами, равными индексам
Фукса.
Как и в случае ОДУ, считается, что (3.170) проходит тест Пенлеве,
если индексы Фукса – целые, и число произвольных функций совпадает с
порядком исходного уравнения. Проверка исходного уравнения на свойство
Пенлеве, как и в случае ОДУ, позволяет сделать вывод лишь о необходимом
условии интегрируемости уравнения.
Однако Вайс, Табор и Корневейль пошли дальше и для целого ряда
нелинейных уравнений получили достаточное условие интегрируемости.
С этой целью они предположили, что u
≡ 0 при j>pв (3.171) и в
j
результате пришли к преобразованию:
u
u
0
u =
z
1
+
p
+ ... + up, (3.174)
p−1
z
позволяющему найти ряд свойств, характерных для точно решаемых нелинейных уравнений в частных производных.
3.12. Пенлеве-анализ уравнения Бюргерса методом ВТК
Проанализируем уравнение Бюргерса:
u
+ uux− νuxx=0 (3.175)
t
методом ВТК [262]. Ведущими членами этого уравнения являются второе
и третье слагаемые. Поэтому, подставляя
u
0
u =
u
xx
0,xx
=
p
z
u
−
,ux=
p
z
2pu
0,xzx
p+1
z
u
−
z
pu
0,x
p
z
0zxx
p+1
pu
0zx
−
p+1
z
+ p (p +1)
,
2
u
z
0
x
p+2
z
в уравнение (3.175) и приравнивая выражения при наименьшей степени
z (x, t), получаем соотношение:
pu
z
2
z
0
2p+1
νp(p +1)u
x
−
z
p+2
2
z
0
x
=0. (3.176)
166 ГЛАВА 3. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ УЧП
Из равенства (3.176) следует, что если u0=0и zx=0, то, во-первых,
2p +1=p +2,откудаp = −1 и, во-вторых,
= −2νzx. (3.177)
u
0
Таким образом, для уравнения Бюргерса имеем одно семейство решений:
p = −1,u
= −2νzx. (3.178)
0
Поскольку p = −1, то выполняется первое необходимое условие для
того, чтобы уравнение Бюргерса проходило тест Пенлеве.
На втором этапе в ведущие члены уравнения (3.175) подставляется
соотношение:
2νz
u = −
x
z
+ u
j−1
z
. (3.179)
j
Поскольку
2
= −
u
x
u
+u
(j −1) (j − 2) z
j
2νz
xx
= −
2νz
xx
z
+
2νz
x
+ uj(j −1) z
2
z
xxx
+
z
2
j−3
z
x
6νz
xzxx
−
2
z
+ uj(j −1) z
j−2
zx+ ...,
3
z
4ν
x
+
3
z
j−2
zxx+ ... ,
то после подстановки u, u
приравнивания выражений при первой степени u
2
j−1
νz
z
u
j
x
и uxxв ведущие члены уравнения (3.175) и
x
, имеем соотношение:
j
[2 − 2(j −1) − (j −1) (j − 2)] = 0, (3.180)
откуда приходим к уравнению для индексов Фукса:
2
− j −2=0, (3.181)
j
имеющему корни j
= −1,j2=2.
1
Таким образом, второе необходимое условие теста Пенлеве для уравнения Бюргерса также выполняется.
Индекс j
z (x, t), а коэффициент u
= −1 соответствует произвольно выбранной функции
1
в (3.171) должен быть произвольным.
2
Подстановка
2νz
u = −
x
z
+ u2z (3.182)
+ u
1
3.12. ПЕНЛЕВЕ-АНАЛИЗ УРАВНЕНИЯ БЮРГЕРСА 167
в уравнение (3.175) и приравнивание выражений при одинаковых степенях
z (x, t) дает следующую цепочку уравнений:
+ u1zx− νzxx=0, (3.183)
z
t
∂
(z
+ u1zx− νzxx)=0, (3.184)
t
∂x
u
1,t
+ u1u
1,x
− νu
− u2zxx− 2u
1xx
=0. (3.185)
2,xzx
Очевидно, что если (3.183) удовлетворяется, то (3.184) переходит в
тождество. Коэффициент u
из (3.184) не определяется и поэтому его
2
можно взять произвольным. Таким образом, уравнение Бюргерса проходит
тест Пенлеве. Если коэффициент u
(x, t) взять равным нулю, то уравне-
2
ние (3.185) примет вид
u
1,t
+ u1u
1,x
− νu
=0. (3.186)
1,xx
Пусть u
является решением уравнения (3.186). В этом случае из ре-
1
шения линейного уравнения (3.183) можно найти z (x, t). Тогда формула (3.182) при u
=0примет вид
2
u = −2ν
∂
∂x
ln z + u
. (3.187)
1
Эта формула снова дает решение уравнения Бюргерса.
В частности, поскольку u
=0является тривиальным решением урав-
1
нения (3.175), то, принимая во внимание (3.187), имеем хорошо известное
преобразование Коула – Хопфа для решений уравнения Бюргерса [126,178]:
∂
u = −2ν
ln z. (3.188)
∂x
Это преобразование позволяет по решению уравнения теплопроводности:
z
− νzxx=0 (3.189)
t
находить решения уравнения (3.175). Полагая u
= z в (3.186), находим,
1
что если z (x, t) удовлетворяет уравнению Бюргерса, то формула (3.187)
запишется в виде
∂
u = −2ν
ln z + z. (3.190)
∂x
При известном решении уравнения Бюргерса эта формула позволяет
находить другие решения этого уравнения.
168 ГЛАВА 3. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ УЧП
Таким образом, анализ уравнения Бюргерса на свойство Пенлеве методом ВТК позволил, во-первых, установить, что это уравнение проходит
тест Пенлеве и, во-вторых, найти формулу Коула – Хопфа, с помощью которой исходное уравнение может быть сведено к линейному уравнению
теплопроводности.
3.13. Анализ уравнения Кортевега – де Вриза
Проверим уравнение Кортевега – де Вриза:
u
+6uux+ u
t
на свойство Пенлеве, используя метод ВТК [262].
Ведущими членами уравнения являются второе и третье слагаемые.
Подставляя (3.172) в эти слагаемые, находим, приравняв нулю выражения
при наименьшей степени z (x, t), соотношение:
=0 (3.191)
xxx
6pu
z
2
0
2p+1
p (p +1)(p +2)u
z
x
=
из которого следует, что p =2, u
= −2z
0
z
p+3
3
z
0
x
, (3.192)
2
. Таким образом, уравнение
x
Кортевега – де Вриза имеет одно семейство решений, у которого
p =2,u
0
= −2z
2
. (3.193)
x
Из (3.193) следует, что первое необходимое условие теста Пенлеве для
уравнения (3.190) выполняется.
Подставляя выражение:
u = −2z
2
z−2+ ujz
x
j−2
(3.194)
снова в ведущие члены уравнения и приравнивая нулю слагаемые при первой степени u
u
, имеем соотношение:
j
3
j−5
z
z
j
[(j −2) (j −3) (j − 4) −12 (j − 2) + 24] = 0, (3.195)
x
из которого следует уравнение для индексов Фукса:
3
j
− 9j2+14j +24=0. (3.196)
Это уравнение имеет корни j
= −1,j2=4,j3=6,откудаследует,
1
что уравнение Кортевега – де Вриза на втором этапе также проходит тест
Пенлеве.
3.14. ПОСТРОЕНИЕ ПАРЫ ЛАКСА ДЛЯ УРАВНЕНИЯ КДВ 169
На третьем этапе исследования проверяется произвольность коэффициентов u
и u6. С этой целью в уравнение (3.191) подставляется выражение:
4
2
u = −z
Приравнивая нулю выражения при степенях z
z−2+ u1z−1+ u2+ u3z + u4z2+ u5z3+ u6z4. (3.197)
x
−4,z−3
, ...,z−1и z
соответственно получаем
u
=2zxx, (3.198)
1
∂
∂x
z
tzx
z
xt
z
+4zxz
xxx
+6u2zxx+ z
+ z
xt
+6u2zxx− 6u3z
xxxx
− 3z
xxxx
2
xx
− 6u3z
+6u2z
2
=0, (3.199)
x
2
=0, (3.200)
x
2
=0. (3.201)
x
Из (3.201) следует, что при выполнении (3.200), уравнение (3.201) также удовлетворяется, и, следовательно, коэффициент u
может быть взят
4
произвольным. Продолжая вычисления дальше, устанавливаем, что коэффициент u
Полагая u
можно также взять произвольным.
6
=0при j 2, из (3.197) имеем
j
0
,
2
2z
2z
xx
x
u = −
удовлетворяет опять же уравнению Кортевега – де Вриза
где u
2
z
u
2t
+
2
+6u2u
+ u
2,x
2
+ u
z
2
∂
=2
2, xxx
ln z + u2, (3.202)
2
∂x
=0. (3.203)
Таким образом, применение теста Пенлеве для уравнения Кортевега – де Вриза показало, что необходимое условие интегрируемости для
него выполняется. В работах Дж. Вайса [257–264] проиллюстрировано, что
уравнение sin-Гордона, нелинейное уравнение Шредингера и ряд других
нелинейных уравнений в частных производных также проходят тест Пенлеве.
3.14. Построение пары Лакса для уравнения Кортевега –
де Вриза методом ВТК
Пара Лакса для уравнения Кортевега – де Вриза может быть получена из системы уравнений (3.199), (3.200) при условии, что u
решением уравнения (3.203) [262].
является
2
170 ГЛАВА 3. СВОЙСТВА НЕЛИНЕЙНЫХ УЧП
Из уравнения (3.199) имеем
2
3z
xx
=
z
t
− 6u2zx− 4z
z
x
. (3.204)
xxx
Подставляя (3.204) в (3.200), получаем
3
откуда находим
6z
xxzxxx
z
x
z
xxx
z
x
3z
xx
−
− 6u2xzx− 3z
2
z
x
2
z
1
xx
−
2
2
z
x
=0, (3.205)
xxxx
+2u2= λ(t) , (3.206)
где λ — функция, появившаяся при интегрировании по x.
Пусть
=Ψ2, (3.207)
z
x
тогда из (3.206) имеем
Ψ
+(u2− λ)Ψ =0. (3.208)
xx
С другой стороны, подставляя (3.207) в уравнение (3.200), при u
3
=0
приходим к уравнению:
Ψ
+6u2Ψx− Ψx(u2+ λ)+Ψ
t
=0. (3.209)
xxx
Система уравнений (3.208), (3.209), в которой λ — постоянная, является
парой Лакса для уравнения Кортевега – де Вриза. Таким образом, используя
метод ВТК можно получить пару Лакса для уравнения Кортевега – де Вриза.
Найдем уравнение для функции z (x, t) . Из (3.199) можно выразить u
2
Подставляя u
z
xt
z
1
xx
=
u
2
2
z
в (3.200), имеем при u3=0уравнение:
2
3
6z
tzxx
−
z
3z
xx
+
x
2z
x
z
xxx
2
−
+ z
3
xxxx
z
2
x
2
z
t
−
. (3.210)
z
x
x
4z
xxzxxx
−
=0. (3.211)
z
x
Откуда после интегрирования по x приходим к уравнению:
xxx
z
x
3z
xx
−
= c1(t) . (3.212)
2
2z
x
z
z
t
+
z
x
2
Таким образом, если известно решение z (x, t) уравнения (3.212), то по фор-
муле (3.210) можно найти другие решения уравнения Кортевега – де Вриза.
:
2
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]