非线性偏微分方程

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非线性偏微分方程

非线性偏微分方程

应用
研究方向
突破
1.变分不等式理论与能量泛函的凸性密切相关,由于现代科学技术的需要,特别是研究自由边界和固体力学 问题的需要,传统的方法往往都无法解决这类问题,人们对H-半变分不等式进行研究,研究涉及现代分析及应用、 偏微分方程以及科学计算等众多领域中亟待解决和发展的重要课题。
2.该研究是现代数学与电力生产的交叉学科研究课题,它对电力生产及管理有着十分重要的理论指导意义和 实际应用价值,为控制系统设计、分析和计算都可提供一些重要的理论依据。在应用数学学科的这一研究领域中 本课题属于国内外前沿性研究工作。
发展情况
目前微分方程研究的主体是非线性微分方程,特别是非线性偏微分方程(NLPDE)。很多意义重大的自然科学 和工程技术问题都可归结为非线性偏微分方程的研究。现实生活的许多领域内数学模型都可以用NLPDE来描述, 很多重要的物理、力学等学科的基本方程本身就是NLPDE。另外,随着研究的深入,有些原先可用线性微分方程 近似处理的问题,也必须考虑非线性的影响,所以对NLPDE的研究,特别是NLPDE求解精确解的研究工作就显示出 了很重要的理论和应用价值,但是数学研究的结果,在目前还未能提供一种普遍有效的求精确解的方法.20世纪 50年代以来,人们对非线性现象的研究中提出了“孤子”的概念,进而使得对NLPDE求解的研究成为非线性科学 中的热点。
3.应用现代数学所获得的理论,研究最有控制系统的微分方程,为控制系统设计、分析和计算提供一些重要 的理论依据和方法。
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定义
非线性偏微分方程(NLPDE),又称非线性数学物理方程、非线性演化方程。它是描述现代诸多科学工程领域 如物理化学、生物,大气空间科学等中的非线性现象的数学模型。
函数是一个广义的偏微分方程,如果 u,v是此微分方程的两个解,而(au+bv)也是此微分方程的解,则此 偏微分方程则为线性偏微分方程,否则为非线性偏微分方程 。

数学中的偏微分方程与非线性现象

数学中的偏微分方程与非线性现象

数学中的偏微分方程与非线性现象数学中的偏微分方程是一门研究函数的偏导数的方程学科。

它在数学和其他学科中发挥着重要的作用,并且在实际问题的建模和解决过程中得到了广泛的应用。

而非线性现象则是揭示了物理世界中存在着许多非线性关系,无法通过简单的线性方程来描述。

本文将介绍偏微分方程及其与非线性现象之间的关系。

第一部分:偏微分方程的基础知识偏微分方程是一个包含未知函数及其偏导数的方程。

它常出现在各种自然科学、工程技术和社会科学的问题中。

常见的偏微分方程包括波动方程、热传导方程和扩散方程等。

这些方程描述了物理系统的演化规律,求解偏微分方程可以得到系统的解析解或数值解,从而对问题进行定量分析和预测。

第二部分:非线性现象的表现形式非线性现象在自然界和人类社会中普遍存在。

在物理学中,非线性现象包括混沌现象、自激振荡和孤立子等。

在生物学、经济学和社会科学中,非线性现象也具有重要意义。

与线性系统相比,非线性系统的行为更加丰富多样,无法用简单的线性关系来描述。

第三部分:偏微分方程中的非线性现象在实际问题的建模中,往往需要考虑到系统的非线性特性。

偏微分方程中的非线性现象主要表现在方程本身的非线性形式,这使得方程的求解变得更加困难。

非线性的偏微分方程在物理、生物、化学等领域中都有重要的应用。

例如,格里高利-里奇方程和可压缩流体动力学方程等。

第四部分:非线性现象对偏微分方程的影响非线性现象的存在使得偏微分方程的分析和求解更加具有挑战性。

非线性现象会导致方程解的非唯一性、稳定性的丧失以及奇异解的出现。

因此,研究非线性现象对偏微分方程解的性质和行为的影响,对于深入理解系统的演化规律具有重要意义。

结论偏微分方程是研究自然界和社会科学中复杂系统行为的重要工具。

非线性现象的存在使得偏微分方程的研究更加具有挑战性,需要采用适当的数学方法和技巧进行分析和求解。

进一步研究偏微分方程与非线性现象之间的相互关系,将有助于揭示系统的动力学特性和行为规律,为实际问题的解决提供重要的参考和指导。

非线性偏微分方程的BACKLUND变换

非线性偏微分方程的BACKLUND变换
关键词
w T C方法,扩展齐次平衡法,可积系统, B{icklund变换,Miura变换
Abstract(英文摘要)
With the development of science,non-linear phenomena appear in the natu-
ral sciences,engineering technology and many other areas,then the correspond- ing non.1inear models are complicated.Non-linear equations,describing the above models,become an important research topic.There are many methods to solve non—linear partial differential equations,one of which is B{icklund trans- formation.On one hand,this approach could construct a new solution from the known solution,and obtain Multi—soliton solutions of the original equation by repeated application.On the other hand,the solution of another equation could be deduced from the one of known equation via the approach.Thus B/icklund transformation is an effective method to solve partial differential equations.

微分方程罗兆富等编第九章非线性偏微分方程Adomian分解法全篇

微分方程罗兆富等编第九章非线性偏微分方程Adomian分解法全篇
F(u)是非线性项, g是自由项 .
学者们已证明, 无论是从算子方程Lxu还是从Lyu开始
都可得到解
u
un
并且这样得到的解都是等价的并且都
收敛于精确解. n0
然而, 在Lx 和Ly 选用哪一个来求解定解问题则依赖 于下列两个基点:
具(1体)能而使言计之算, 量我达们最考小虑;算子形式的非线性微分方程 (2)具有L使xu解 L级yu数具Ru有加F (速u)收 敛g 的附加条件. (9.2.01)
y
),
Lx
4 x4
.
(9.2.04)
(9.2.01)
14
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un
0
Lx1g
Lx1
Ly
un
Lx1
R
un
Lx1
An
n0
n0
n0
n0
(9.2.04)
Adomian分解法指出, 通项un的递推公式是
也就是
u0 0 Lx1g,
uun
0LxL1Lx1ygun1Lx1LLyx1uR(uLnx11R)uLxL1xA1nF1(,un)
t xt2dt 0
0
u(x,t) un (x,t)
n0
uu32.((..xx.,,.tt.)).......LL.ntt.11.0.AA.u12.n..(.x.,..t00.t)t00tddtxtt0013
xt
3
x
Lt 1
(
n0
An
)
xt ■
18
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例2. 求解非齐次偏微分方程
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例3. 计算F(u)=uux的Adomian多项式.

非线性偏微分方程

非线性偏微分方程

非线性偏微分方程及其几种解法综述姓名:柏宝红学号:BY1004120目录1、绪论 (3)1.1背景 (3)1.2 现状 (7)2、非线性偏微分方程的几种解法 (10)2.1逆算符法 (10)2.2 齐次平衡法 (11)2.3 Jacobi椭圆函数方法 (12)2.4 辅助方程方法 (14)2.5 F-展开法 (15)2.6 双曲正切函数展开法 (17)1、绪论以应用为目的,或以物理、力学等其他学科问题为背景的微分方程的研究,不仅是传统应用数学中一个最主要的内容,也是当代数学的一个重要组成部分.它是数学理论与实际应用之间的一座重要桥梁,研究工作一直十分活跃,研究领域日益扩大。

目前微分方程研究的主体是非线性微分方程,特别是非线性偏微分方程(NLPDE).很多意义重大的自然科学和工程技术问题都可归结为非线性偏微分方程的研究.现实生活的许多领域内数学模型都可以用NLPDE来描述,很多重要的物理、力学等学科的基本方程本身就是NLPDE,另外,随着研究的深入,有些原先可用线性微分方程近似处理的问题,也必须考虑非线性的影响,所以对NLPDE的研究,特别是NLPDE求解精确解的研究工作就显示出了很重要的理论和应用价值,但是数学研究的结果,在目前还未能提供一种普遍有效的求精确解的方法.20世纪50年代以来,人们对非线性现象的研究中提出了“孤子”的概念,进而使得对NLPDE求解的研究成为非线性科学中的热点。

下面介绍一下孤立子理论的研究背景、研究现状。

1.1背景孤立子理论己经成为应用数学和数学物理的一个重要组成部分,在流体力学,等离子物理,经典场论,量子论等领域有着广泛的应用。

随着近代物理学和数学的发展,早在1834年由英国科学家Russell发现的孤立波现象近二十多年来引起了人们的极大关注,对这一现象的兴趣与日俱增.这是因为一方面孤立子具有粒子和波的许多性能,在自然界中有一定的普遍性,利用孤立子理论也成功地解释了许多物理上长期用经典理论未能解答的现象;另一方面,随着孤立子物理问题的深入研究,孤立子的数学理论也应运而生,并已初步形成比较完善的理论体系。

非线性偏微分方程的数值分析(几何分析)及应用

非线性偏微分方程的数值分析(几何分析)及应用

[非线性偏微分方程的数值分析(几何分析)及应用----非小振幅振动下弦振动方程及近似解]摘 要本文在非小振幅振动下,推导出弦振动的非线性偏微分方程:()12010222121u x k L u d u x xx a dx u m dt u origin u x x ⎡⎤⎫*⎢⎥⎪*⎫⎝⎭⎢⎥==*+⎰⎪⎢⎥⎭++⎢⎥⎣⎦在特定条件:()e t x z →,、0→x u 和0→dtdx下,将上述ua 方程简化230121xxo r i g i n tt u u m kL u +*=并运用行波法和数学Maple 软件求出了tt u的行波解: ()()()pqc ec pqc ec t x u ccpq c L pq qL c c c pq c pq c ct qx 2222,2222ln 2222222ln 22222202022222+-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++-,用Maple 程序讨论了(,)u x t 解的物理性质。

关键词 非小振幅弦振动,偏微分方程,非线性,近似解ABSTRACTThe oscillation amplitude vibration in non-small, the study of nonlinear partial differential equation of string vibration:()()()⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎣⎡+-+*+*-+*+**==+⎰⎰222020202211121111x x x xx x x xx origin u u u x u dx u x dx u m L k dt u d a u u In specific terms,with the 12=ξq ,()212c d pq +-=ξξ,0→xu and 0→dtdx, will ua simplify the equation for equation: 23121xxorigin tt u u m kL u +*=. And the use of the law and mathematics wave of the wave of Maple software derive Xie oftt u :()()()pqc ec pqc ec t x u ccpq c L pq qL c c cpq c pq c ct qx 2222,2222ln 2222222ln 2222020222+-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+++⎪⎪⎭⎫⎝⎛+++- .Xie oftt u discussed by Maple procedures of the physical nature.Keywords : Non-small oscillation amplitude string vibration, being differentialequation, nonlinear, similar Xie目录摘要 (Ⅰ)A BSTRACT (Ⅱ)1 绪论 (2)1.1 课题背景 (2)1.1.1题目来源及研究目的 (2)1.1.2研究意义 (3)1.2课题所涉及的问题在国内外研究 (2)2 方程推导 (5)2.1 方程推导 (5)2.2 方程简化 (9)3 方程求解 (11)4讨论 (14)5 结束语 (19)参考文献 (20)附录A (21)致谢 (23)1 绪论1.1课题背景1.1.1 题目来源及研究目的题目来源:蒲利春教授给我们提出了非线性偏微分方程的数值分析的毕业设计课题,即《非线性偏微分方程的数值分析(几何分析)及应用》,课题来源于攀枝花学院自然科学科研项目:《非线性理论的应用研究》(项目:编号ZX2005-2)。

第九章 非线性偏微分方程

第九章 非线性偏微分方程

第九章 非线性偏微分方程前面几章索研究的偏微分方程都是线性的,但在实际工程级数及自然科学中索遇到的方程大多都是非线性的,在有些情况下,人们为了研究方便,对问题补充了一些附加的条件或略去一些次要的项,才得到线性方程。

在这一章内,我们将从一个具体问题出发引入非线性偏微分方程的概念,然后重点讨论两类重要的非线性方程。

§9.1 极小曲面问题在第八章内已经说过,求解一个边值问题可以转化成求它所对应的一个泛函的最小值(当然,一般说来变分问题的解只是原边值问题的弱解)。

其实,在数学里也已证明了相反的结论,即在一定条件下一个变分问题的解必满足一个微分方程。

在这一节内,我们以极小曲面问题为例说明这个事实。

设Ω是平面上有界区域,它的边界∂Ω是充分光滑的,其方程为:(),(),x x s y y s ==00s s ≤≤ 其中00(0)(),(0)()x x s y y s ==即∂Ω是一条闭曲线。

现在在∂Ω上给定一条空间曲线l (即作一条空间曲线l ,使它到Ω所在平面的投影为∂Ω):0(),:(),0,(),x x s l y y s s s u s ϕ=⎧⎪=≤≤⎨⎪=⎩(9.1) 这里0(0)()s ϕϕ=。

所谓极小曲面问题就是要确定一张定义在Ω上的曲面S ,使得(1)S 以l 为周界;(2)S 的表面积在所有以l 为周界的曲面中是最小的。

假定空间曲面的方程为(,)v v x y =则由微积分学可知,这个曲面的表面积为()J v =⎰⎰(9.2) 于是上述极小曲面问题就变成求一个函数u ,使得(1)由(,)u u x y =所表示的曲面以l 为周界,即1(),u C u ϕ∂Ω∈Ω=,或者说,u M ϕ∈,其中M ϕ由(8.7)给出;(2)()min ()v M J u J v ϕ∈= (9.3) 这是一个变分问题。

如何求出变分问题(9.3)的解?我们先来看看假若u M ϕ∈是(9.3)的解,那么u 必需满足什么样的条件。

二阶偏微分方程的线形和非线形的区别

二阶偏微分方程的线形和非线形的区别

一、概述二阶偏微分方程是数学中一个重要的概念,它在物理、工程、经济等领域有着广泛的应用。

二阶偏微分方程分为线性和非线性两种类型,它们在性质和解的求解方法上有着显著的区别。

本文将深入探讨二阶偏微分方程的线性和非线性的区别,从数学角度分析二者的特点和解的求解方法。

二、线性偏微分方程的特点线性偏微分方程的一般形式可以表示为:\[a(x,y)\frac{{\partial^2 u}}{{\partial x^2}} +b(x,y)\frac{{\partial^2 u}}{{\partial x\partial y}} +c(x,y)\frac{{\partial^2 u}}{{\partial y^2}} = f(x,y,u,\frac{{\partial u}}{{\partial x}},\frac{{\partial u}}{{\partial y}})\]其中,\(u\)为未知函数,\(a(x,y), b(x,y), c(x,y), f(x,y,u,\frac{{\partial u}}{{\partial x}},\frac{{\partial u}}{{\partial y}})\)均为已知函数。

线性偏微分方程具有以下特点:1. 对未知函数\(u\)及其偏导数的求和2. 未知函数\(u\)及其偏导数的次数均为1或03. 叠加性质:如果\(u_1(x,y)\)和\(u_2(x,y)\)分别满足线性偏微分方程,则\(u(x,y) = u_1(x,y) + u_2(x,y)\)也满足同样的线性偏微分方程线性偏微分方程具有较为简单的性质,其解的求解方法通常基于分离变量、特征方程等数学方法进行分析。

由于其线性的性质,使得许多线性偏微分方程具有解析解,这使得线性偏微分方程在实际问题中有着重要的应用价值。

三、非线性偏微分方程的特点非线性偏微分方程的一般形式为:\[F(x,y,u,u_x,u_y,u_{xx},u_{xy},u_{yy}) = 0\]其中,\(F(x,y,u,u_x,u_y,u_{xx},u_{xy},u_{yy})\)为已知函数,\(u\)为未知函数。

普林斯顿方程

普林斯顿方程

普林斯顿方程引言普林斯顿方程,又称为普林斯顿方程组,是描述等离子体动态行为的一组非线性偏微分方程。

它由数学家M.G. 普林斯顿(M. G. Prandtl)于20世纪初提出,是等离子物理学中的重要理论工具。

本文将对普林斯顿方程进行全面、详细、完整且深入的探讨。

普林斯顿方程的概述普林斯顿方程组是描述等离子体中电离、扩散、湍流运输等现象的一组非线性偏微分方程。

它包括了等离子体的连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程和泊松方程。

连续性方程连续性方程描述了等离子体的质量守恒关系,用于描述等离子体中粒子的扩散和输运过程。

它可以写成以下形式:∂n∂t+∇⋅(nv)=S n其中,n是等离子体的粒子数密度,v是等离子体的速度场,S n是粒子源项。

动量守恒方程动量守恒方程描述了等离子体中动量的输运和转换过程,用于揭示等离子体中的湍流行为和推动力的产生机制。

它可以写成以下形式:∂v ∂t +(v⋅∇)v=−∇pm+qm(nE+v×B)+ν∇2v+F其中,v是等离子体的速度场,p是等离子体的压力,m是等离子体的质量,q是等离子体的电荷,E和B分别是电场和磁场,ν是等离子体的动力粘性系数,F是外力项。

能量守恒方程能量守恒方程描述了等离子体中能量的输运和转换过程,用于研究等离子体的加热、辐射和能量损失机制。

它可以写成以下形式:∂T ∂t +(v⋅∇)T=23n(∂q∂t+∇⋅q)+23n∇⋅(κ∇T)+Q其中,T是等离子体的温度,q是等离子体的热流密度,κ是等离子体的热导率,Q 是能量源项。

泊松方程泊松方程描述了等离子体中电势场的分布和电场的生成机制,用于研究等离子体中的电磁行为。

它可以写成以下形式:∇2ϕ=−ρϵ0其中,ϕ是电势场,ρ是等离子体的电荷密度,ϵ0是真空介电常数。

普林斯顿方程的应用普林斯顿方程在等离子体物理学的研究中具有广泛的应用。

以下是一些普林斯顿方程的典型应用领域:1.等离子体控制–利用普林斯顿方程可以研究等离子体在磁约束聚变装置中的控制方法,从而实现稳定的等离子体状态,为聚变实验提供可靠的等离子体环境。

偏微分方程的基本分类与解法

偏微分方程的基本分类与解法

偏微分方程的基本分类与解法偏微分方程(Partial Differential Equations)是数学领域中研究函数及其偏导数的方程。

它在物理、工程和金融等多个领域中具有广泛的应用。

本文将对偏微分方程的基本分类和解法进行介绍。

一、基本分类偏微分方程可以根据方程中未知函数的阶数、方程中未知函数及其偏导数的最高阶数、方程中出现的独立变量的个数等因素进行分类。

下面将介绍几种常见的偏微分方程类型:1. 线性偏微分方程(Linear PDEs):线性偏微分方程的未知函数及其偏导数在方程中以线性的方式出现,即未知函数及其偏导数之间没有乘积或除法的项。

典型的线性偏微分方程包括波动方程、热传导方程和拉普拉斯方程等。

2. 非线性偏微分方程(Nonlinear PDEs):非线性偏微分方程的未知函数及其偏导数在方程中以非线性的方式出现。

非线性偏微分方程的研究更加复杂和困难,因为它们通常没有简单的通解,需要依赖于数值方法或近似解法。

3. 偏微分方程的阶数(Order):偏微分方程的阶数指的是未知函数及其偏导数的最高阶数。

常见的偏微分方程阶数包括一阶、二阶和高阶偏微分方程等。

4. 线性度(Degree of Linearity):线性度是指方程中未知函数和它的偏导数的最高次数。

线性偏微分方程的线性度为一,非线性偏微分方程的线性度大于一。

二、解法解偏微分方程的方法有很多,下面将介绍几种常见的解法:1. 分离变量法(Separation of Variables):分离变量法适用于可以将偏微分方程的未知函数表示为各个独立变量的乘积形式的情况。

通过将未知函数表示为各个独立变量的乘积形式,并将方程中的偏导数转化为普通导数,从而将原方程转化为一系列的常微分方程。

通过求解这些常微分方程,并将解合并起来,即可得到原偏微分方程的解。

2. 特征线方法(Method of Characteristics):特征线方法是用于解一阶偏微分方程的一种常用方法。

非线性偏微分方程 偏微分方程数值方法

非线性偏微分方程 偏微分方程数值方法

非线性偏微分方程偏微分方程数值方法非线性偏微分方程偏微分方程数值方法非线性偏微分方程定义:各阶微分项有次数高于一的,该微分方程即为非线性微分方程(一)主要研究内容非线性偏微分方程是现代数学的一个重要分支,无论在理论中还是在实际应用中,非线性偏微分方程均被用来描述力学、控制过程、生态与经济系统、化工循环系统及流行病学等领域的问题。

利用非线性偏微分方程描述上述问题充分考虑到空间、时间、时滞的影响,因而更能准确的反映实际。

本方向主要研究非线性偏微分方程、H-半变分不等式、最优控制系统的微分方程理论及其在电力系统的应用。

1.非线性偏微分方程的研究:我们主要研究偏微分方程解的存在唯一性(和多解性)及稳定性;偏微分方程的初值问题、初边值问题的整体解(包括周期解和概周期解)的存在性及渐近性;平衡解的存在性,尤其是当问题依赖于某些参数时平衡解的分叉结构,以及平衡解的稳定性问题;非线性方程的数值解。

2.H-半变分不等式的研究:建立具有极大单调算子扰动的多值(S)型和伪单调型映象的广义度理论,广义不动点指标理论和具有非凸、不可微泛函的非线性发展型H-半变分不等式理论,由此来研究含间断项的非线性偏微分方程。

3.最优控制系统的微分方程理论及其在电力系统的应用:主要研究与电力生产有关的控制系统的理论和应用。

首先提出了对Banach空间中抽象非线性发展方程所描述的最优控制系统的研究。

引进非光滑分析,研究最优控制系统的微分方程,利用变分不等式理论研究多值问题、数值计算等,所获理论成果应用于电力系统的许多最优控制问题(如:电力系统励磁调节器传递函数的辨识、牛顿最优潮流的数学模型等)。

(二)研究方向的特色1.变分不等式理论与能量泛函的凸性密切相关,由于现代科学技术的需要,特别是研究自由边界和固体力学问题的需要,传统的方法往往都无法解决这类问题,人们对H-半变分不等式进行研究,研究涉及现代分析及应用、偏微分方程以及科学计算等众多领域中亟待解决和发展的重要课题。

几类非线性偏微分方程精确解的研究

几类非线性偏微分方程精确解的研究

几类非线性偏微分方程精确解的研究几类非线性偏微分方程精确解的研究摘要:非线性偏微分方程在数学和物理领域中有着广泛的应用,其求解是一个重要的研究方向。

精确解研究涉及到方法和技术,大大提高了求解的速度和精度。

本论文针对几类非线性偏微分方程进行研究,探讨其精确解。

首先,本文介绍了这些非线性偏微分方程的基本概念和性质,包括一些应用领域和模型的描述。

然后,我们提出了精确解研究的一般思路和流程,并阐述了具体实现方法。

接着,我们选择了几种典型的非线性偏微分方程,分别介绍其数学特性、求解方法、解的性质等方面,并通过实例进行验证和说明。

最后,我们评估了精确解研究的优缺点,探讨其未来发展方向。

关键词:非线性偏微分方程、精确解、方法、技术、数学特性。

正文:第一章绪论1.1 非线性偏微分方程的基本概念偏微分方程(Partial differential equation)是描述自然界中物理学、工程学、化学、社会学等学科中的数量关系的数学方法之一。

偏微分方程的解法往往是比较困难的,因此近年来许多研究者将精力集中在非线性偏微分方程的求解上。

非线性偏微分方程是指,未知函数出现在方程的高次项、积、除法、指数函数等时,即同一方程中出现有关函数和其偏导数的非线性项。

1.2 非线性偏微分方程的应用领域非线性偏微分方程的求解方法及其精度和速度在科学和工程应用中具有广泛的应用。

例如,在流体力学中,非线性偏微分方程可用于描述涡旋流、湍流、振荡流、波浪等。

在分子生物学中,非线性偏微分方程可用于描述分子扩散、蛋白质演化等。

在量子力学中,非线性偏微分方程可用于描述玻色、费米子体系等。

在统计学中,非线性偏微分方程可用于描述随机微分方程、布朗运动等。

1.3 非线性偏微分方程的模型如果要用非线性偏微分方程来描述一个现象,我们需要构造出一个非线性偏微分方程模型。

偏微分方程模型一般包含几个要素,例如:基本方程、边界条件、初始条件、材料参数等。

第二章精确解研究的一般思路和流程2.1 精确解的定义和种类精确解是指以公式的形式表示的解。

数学物理方程第八章 非线性偏微分方程与积分方程

数学物理方程第八章 非线性偏微分方程与积分方程

t ≥ 0 都存在,而只是在某个有限时间内存在,见下例
例 3 考虑瑞卡提方程的初值问题
⎧ dv 2 ⎪ =v , t>0 ⎨ dt ⎪ ⎩v(0) = v0 (v0 是常数)
容易求出它的解
v(t ) =
v0 1 − v0 t
显然, 若 v0 < 0 , 则方程的解对所有 t ≥ 0 都存在, 简称存在整体解; 若 v0 > 0 , 则当 t →
v∈M ϕ
(8.1.2)
这是一个变分问题 如何求出变分问题式(8.1.2)的解?我们先来看看假若 u ∈ M ϕ 是式(8.1.2)的解,那
么 u 必需满足什么样的条件。为此,我们定义 M 0 = v v ∈ c (Ω), v
1
{
∂Ω
= 0}, 任取 v ∈ M 0 ,
对任意 ε ∈ (−∞,+∞), u + εv ∈ M ϕ , 记 j (ε ) = J (u + εv) 式中, J (u ) 由式(8.1.1)确定,从 式(8.1.1)可知 j (ε ) 是定义在 R 上的一个可微函数,由于 u 是式(8.1.2)的解,所以对任 意 ε ∈ R, j (ε ) ≥ j (0) ,即 j (ε ) 在 ε = 0 处取的是最小值,故 j ′(0) = 0) 不难算出 j ′(ε ) =
∂ 2u = eu ∂x∂y
(8.2.1)
这是一个半线性的二阶方程,若令 u1 是
∂ 2 u1 =0 ∂x∂y
的解,则再构造一个偏微分方程组
1 ( u + u1 ) ⎧ ∂u ∂u1 2 = − β e ⎪ ⎪ ∂x ∂x ⎨ 1 ⎪ ∂u = − ∂u1 − 2 e 2 ( u −u1 ) ⎪ ∂y β ⎩ ∂y

偏微分方程的基本方法

偏微分方程的基本方法

偏微分方程的基本方法偏微分方程(Partial Differential Equation,简称PDE)是数学中的一个重要分支,广泛应用于物理学、工程学、经济学等领域。

解决偏微分方程的问题是这些领域中的关键任务之一。

本文将介绍偏微分方程的基本方法,包括分类、求解技巧和应用。

一、偏微分方程的分类偏微分方程可以分为线性偏微分方程和非线性偏微分方程两大类。

1. 线性偏微分方程线性偏微分方程是指方程中的未知函数及其偏导数之间的关系是线性的。

常见的线性偏微分方程有波动方程、热传导方程和拉普拉斯方程等。

求解线性偏微分方程的方法主要包括分离变量法、变换法和特征线法等。

2. 非线性偏微分方程非线性偏微分方程是指方程中的未知函数及其偏导数之间的关系是非线性的。

非线性偏微分方程的求解相对复杂,常用的方法有变分法、数值方法和对称性方法等。

二、偏微分方程的求解技巧1. 分离变量法分离变量法是求解线性偏微分方程的常用方法。

它的基本思想是将多元函数的偏导数分离成各个变量的函数乘积,从而将偏微分方程转化为一系列常微分方程。

通过求解这些常微分方程,再将其合并,即可得到原偏微分方程的解。

2. 变换法变换法是通过引入适当的变换,将原偏微分方程转化为更简单的形式,从而求解。

常见的变换方法有特征变量法、相似变量法和积分变换法等。

3. 特征线法特征线法适用于一类特殊的偏微分方程,如一阶线性偏微分方程和一些非线性偏微分方程。

它的基本思想是通过沿着特征线进行变量替换,将原偏微分方程转化为常微分方程,从而求解。

4. 变分法变分法是求解非线性偏微分方程的重要方法。

它利用变分原理和变分运算,通过对泛函进行极值问题的求解,得到偏微分方程的解。

5. 数值方法数值方法是求解偏微分方程的一种有效途径。

常用的数值方法有有限差分法、有限元法和谱方法等。

这些方法将偏微分方程离散化为代数方程组,通过数值计算得到近似解。

三、偏微分方程的应用偏微分方程在科学研究和工程实践中有广泛的应用。

young-laplace方程

young-laplace方程

young-laplace方程
young-laplace方程即杨-拉普拉斯方程。

杨-拉普拉斯方程式是一非线性偏微分方程,用来计算两静态流体界间因表面张力或壁张力造成的毛细管压力差,如水与空气。

杨-拉普拉斯公式是指物理中的附加压力与曲率半径之间的关系式:
一般式: Ps=γ(1/R1+1/R2),特殊式Ps=2γ/R'
根据数学上规定,凸面的曲率半径取正值,凹面的曲率半径取负值。

所以,凸面的附加压力指向液体,凹面的附加压力指向气体,即附加压力总是指向球面的球心。

杨-拉普拉斯方程式连结了此压力差与表面形貌的关系,对静态毛细管表面的研究很有帮助。

此方程式描述了液体界面间正向压力的平衡(界面厚度为零)。

微分方程罗兆富等编第九章非线性偏微分方程Adomian分解法

微分方程罗兆富等编第九章非线性偏微分方程Adomian分解法

A2 u2xu0 u2u0x u1u1x
A3 u3xu0 u3u0x u2xu1 u2u1x
A4 u4xu0 u4u0x u3xu1u0 u3u1xu0 u3u1u0x u2u2xu0 21!u22u0x

7
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例4. 计算F(u)=sinu的Adomian多项式.
1.
u0 0 Lx1g,
u1 Lx1Lyu0
u u2
nL0xu1Ln y
u1
Lx1R(u0 ) Lx1 AF0(,u) Lx1R(u1) Lx1 A1,
n0
An
(9.2.05) (9.2.03)
u3 Lx1Lyu2 Lx1R(u2 ) Lx1 A2 ,
............................
1 3!
u13x
F
(u0
x
)
3u3u0x 6u2xu1xu0x u13x
A4
u4xF(u0x )
(u3xu1x
1 2!
u22x
)
F
(u0
x
)
21!u12xu2xF(u0x )
41!u14xF (4) (u0x )
3u4xu02x
6(u3xu1x
1 2!
u22x
)u0x
3u12xu2x .

6
u12
F
(u0
)
2u2u0 u12
A3 u3F(u0 ) u2u1F(u0 ) 31!u13F(u0 )
2u3u0 2u2u1
A4 u4F(u0 ) (u3u1 21!u22 )F(u0 ) 21!u12u2F(u0) 41!u14F (4) (u0)

非线性偏微分方程

非线性偏微分方程

非线性偏微分方程及其几种解法综述目录1、绪论 (3)1.1背景 (3)1.2 现状 (7)2、非线性偏微分方程的几种解法 (10)2.1逆算符法 (10)2.2 齐次平衡法 (11)2.3 Jacobi椭圆函数方法 (12)2.4 辅助方程方法 (14)2.5 F-展开法 (15)2.6 双曲正切函数展开法 (17)1、绪论以应用为目的,或以物理、力学等其他学科问题为背景的微分方程的研究,不仅是传统应用数学中一个最主要的内容,也是当代数学的一个重要组成部分.它是数学理论与实际应用之间的一座重要桥梁,研究工作一直十分活跃,研究领域日益扩大。

目前微分方程研究的主体是非线性微分方程,特别是非线性偏微分方程(NLPDE).很多意义重大的自然科学和工程技术问题都可归结为非线性偏微分方程的研究.现实生活的许多领域内数学模型都可以用NLPDE来描述,很多重要的物理、力学等学科的基本方程本身就是NLPDE,另外,随着研究的深入,有些原先可用线性微分方程近似处理的问题,也必须考虑非线性的影响,所以对NLPDE的研究,特别是NLPDE求解精确解的研究工作就显示出了很重要的理论和应用价值,但是数学研究的结果,在目前还未能提供一种普遍有效的求精确解的方法.20世纪50年代以来,人们对非线性现象的研究中提出了“孤子”的概念,进而使得对NLPDE求解的研究成为非线性科学中的热点。

下面介绍一下孤立子理论的研究背景、研究现状。

1.1背景孤立子理论己经成为应用数学和数学物理的一个重要组成部分,在流体力学,等离子物理,经典场论,量子论等领域有着广泛的应用。

随着近代物理学和数学的发展,早在1834年由英国科学家Russell发现的孤立波现象近二十多年来引起了人们的极大关注,对这一现象的兴趣与日俱增.这是因为一方面孤立子具有粒子和波的许多性能,在自然界中有一定的普遍性,利用孤立子理论也成功地解释了许多物理上长期用经典理论未能解答的现象;另一方面,随着孤立子物理问题的深入研究,孤立子的数学理论也应运而生,并已初步形成比较完善的理论体系。

求某些非线性偏微分方程特解的一个简洁解法

求某些非线性偏微分方程特解的一个简洁解法

求某些非线性偏微分方程特解的一个简洁解法目前我们已经能够掌握多种求解非线性偏微分方程特解的方法,但是,随着科学技术的深入研究,非线性方程的形式也是变化多端,因此,到目前为止,我们还是无法找到一个通用于任何形式非线性偏微分方程特解的求解办法,探索仍在继续.一、非线性偏微分方程研究情况简介在物理学及力学的研究过程中,要确切地描述各物理量之间的关系,我们经常需要建立起较复杂的非线性方程式.为了便于解决这些问题,诸多学者为研究求解非线性微分方程付出了巨大的努力,尝试过各式各样的途径,最后倒也形成了不少求解非线性片微分方程特解的办法,其中更是融入了计算机技術,例如,齐次平衡法、直接代数法、指数函数法、椭圆函数展开法、F—展开法等.通常情况下,非线性偏微分方程的求解都是按照一定的思路进行的:当我们遇到非线性偏微分方程,并且难于直接求出其解的时候,我们首先会利用现有知识分析解剖该非线性方程,使其转化成我们所能理解的形式;第二步就是进行运算,对于我们可以分辨的简单非线性方程,可以求解除其准确数值;最后,拆分后的非线性偏微分方程若是仍然无法直接解答,则可以利用数学技巧,转换思路,进而求出其近似解.上述思路是我们在探索非线性方程特解时重要线索,也是一直以来遵循的道路,下面提到的试探函数包括优化之后的试探函数法都将继续服从这一理论.二、试探函数法解非线性微分方程(一)试探函数法将求出的特解表达式代入上述要求解的非线性偏微分方程式中,利用最高阶导数项与最高幂次的非线性项之间的平衡关系,我们可以得出待定常数d的表达式:表示出d之后,将表示式代入原非线性偏微分方程及其特解表达式中,简单整理运算后,可以得出a,b,c,A,B等参数之间的特定关系了,很显然,该非线性偏微分方程的几个特解就可求解出来.(二)试探函数法的不足试探函数法自提出后,其与之前存在的关于求解非线性偏微分方程的解法有所不同,计算起来较为简便,一直广受工程技术研究者的喜爱,试探函数法尤其广泛在求解Burgers方程和KdV方程中使用.虽然说试探函数法的发现,为非线性偏微分方程特解的求解提供了相对简单便捷的途径,但是其适用范围仍有所局限,只能具体到求解某些特定非线性方程的特解,对于达到适用于所有非线性偏微分方程特解的万能公式,还差好大的距离,新式方法和理论的研究探索仍需继续进行,下面将简单介绍一种优化的试探函数法.三、优化试探函数法求解非线性微分方程特解优化试探函数法是在试探函数法求解某些非线性偏微分方程特解的理论基础上稍加修改和创新之后形成的,这是一次大胆的尝试,优化试探函数法的灵感来源于“Hopf-Cole变换法”的思想,通过这一变换思想,推导出一种可以用于直接解出Burgers方程特解的表达式,应用起来非常的方便,对于非线性偏微分方程特解的求解来说非常便捷快速,可广泛应用于工程技术中的非线性方程问题的解决.这样表示出参数d的表达式后,再代回方程式和特解表达式中,总结归纳出其他参数字母间的关系,进而求解非线性偏微分方程式的特解.很显然,从表达式的形式就可以看出,优化后的试探函数法的表达式更加的简单直观,计算步骤也直接易懂,相比较而言,原试探函数法就显得冗长烦琐,因此,在实际应用中,优化试探函数法更加适用于非线性偏微分方程特解的处理解决.四、结束语本文中介绍的优化之后的试探函数法相比较于之前的试探函数法来说,更加易于接受和理解,应用起来也更加高效快捷.非线性偏微分方程特解的求解方法还有很多,我们需要继续学习探索,在微分世界中寻求更便捷的方法,争取更高、更快、更强.。

数学中的非线性偏微分方程与方法论

数学中的非线性偏微分方程与方法论

总结
物理意义
非线性偏微分方程是描述 自然界中很多现象的数学 模型,具有重要的物理意 义。
数学难题
应用前景
研究进展
非线性偏微分方程的数学 性质复杂,相关的数学难 题是数学家们研究的重点 之一。
非线性偏微分方程在物理 学、工程学等领域具有广 泛的应用前景,对于理解 和解决实际问题具有重要 意义。
目前关于非线性偏微分方 程的研究进展迅速,涉及 到数值方法、理论分析等 多个方面。
数学难题和研究进展
Navier-Stokes方程的非线 性性质导致了很多数学难 题,目前研究仍在进行中, 取得了一些进展。
S c h r öd i n g e r 方 程
01 量子力学中的地位和作用
量子力学是描述微观粒子行为的重要理论, 而Schrödinger方程是量子力学的基础方程之 一。
02 波函数解释和统计物理学意义
非线性反应-扩散 方程的数值解法
非线性反应-扩散方 程是描述许多物理现 象的重要数学模型。 在数值模拟中,我们 需要考虑扩散系数和 反应速率对解的影响。 误差分析和收敛性检 验是评估数值解法有 效性的重要步骤。
非线性波动方程的数值模拟
有限差分离 散
离散化过程
波的传播和 干涉
现象分析
稳定性分析
数值模拟性质
● 04
第四章 非线性偏微分方程的 解析理论
非线性偏微分方程的解的存在 性定理
01 Leray-Schauder定理
解的存在性和唯一性
02 Sobolev空间
在存在性定理中的应用
03 解的存在性与正则性
关系及应用
拉普拉斯算子的谱理论
本征函数
描述 性质
谱理论应用
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FINITE DIMENSIONAL REDUCTION OF NONAUTONOMOUS DISSIPATIVESYSTEMSAlain MiranvilleUniversit´e de Poitiers Collaborators:Long time behavior of equations of the formy′=F(t,y)For autonomous systems:y′=F(y)In many situations,the evolution of the sys-tem is described by a system of ODEs:y=(y1,...,y N)∈R N,F=(F1,...,F N)Assuming that the Cauchy problemy′=F(y),y(0)=y0,is well-posed,we can define the family of solv-ing operators S(t),t≥0,acting on a subset φ⊂R N:S(t):φ→φy0→y(t)This family of operators satisfiesS(0)=Id,S(t+s)=S(t)◦S(s),t,s≥0We say that it forms a semigroup onφQualitative study of such systems:goes back to Poincar´eMuch is known nowadays,at least in low di-mensionsEven relatively simple systems can generate very complicated chaotic behaviorsThese systems are sensitive to perturbations: trajectories with close initial data may diverge exponentially→Temporal evolution unpredictable on ti-me scales larger than some critical value→Show typical stochastic behaviorsExample:Lorenz systemx′=σ(y−x)y′=−xy+rx−yz′=xy−bzObtained by truncature of the Navier-Stokes equationsGives an approximate description of a layer of fluid heated from belowSimilar to what is observed in the atmosphereFor a sufficiently intense heating:sensitive dependence on the initial conditions,repre-sents a very irregular convection→Butterfly effectVery often,the trajectories are localized in some subset of the phase space having a very complicated geometric structure(e.g.,locally homeomorphic to the product of R m and a Cantor set)→Strange attractor(Ruelle and Takens)Main feature of a strange attractor:dimen-sionSensitivity to initial conditions:>2(dimen-sion of the phase space≥3,say,3)Contraction of volumes:its volume is equal to0→noninteger,strictly between2and3→Fractal dimensionExample:Lorenz system:dim F A=2.05...Distributed systems:systems of PDEsφis a subset of an infinite dimensional func-tion space(e.g.,L2(Ω)or L∞(Ω))Solution:y:R+→φt→y(t)x→y(t,x)If the problem is well-posed,we can define the semigroup S(t):S(t):φ→φy0→y(t)The analytic structure of a PDE is much more complicated than that of an ODE:the global well-posedness can be a very difficult problemSuch results are known for a large class of PDEs→it is natural to investigate whether the notion of a strange attractor extends to PDEsSuch chaotic behaviors can be observed in dissipative PDEsChaotic behaviors arise from the interaction of•Energy dissipation in the higher part of the Fourier spectrum•External energy income in the lower part•Energyflux from the lower to the higher modesThe trajectories are localized in a”thin”in-variant region of the phase space having a very complicated geometric structure→the global attractor1.The global attractor.S(t)semigroup acting on E:S(t):E→E,t≥0S(0)=Id,S(t+s)=S(t)◦S(s),t,s≥0 Continuity:x→S(t)x is continuous on E,∀t≥0A set A⊂E is the global attractor for S(t)if(i)it is compact(ii)it is invariant:S(t)A=A,t≥0(iii)∀B⊂A,lim t→+∞dist(S(t)B,A)=0dist(A,B)=supa∈A infb∈Ba−b EEquivalently:∀B⊂φbounded,∀ǫ>0,∃t0= t0(B,ǫ)s.t.t≥t0implies S(t)B⊂UǫThe global attractor is uniqueIt is the smallest closed set enjoying(iii)It is the maximal bounded invariant setTheorem:(Babin-Vishik)We assume that S(t)possesses a compact attracting set K, i.e.,∀B⊂E bounded,lim t→+∞dist(S(t)B,K)=0Then S(t)possesses the global attractor A.The global attractor is oftenfinite dimen-sional:the dynamics,restricted to A isfinite dimensionalFractal dimension:Let X be a compact setdim F X=lim supǫ→0+ln Nǫ(X)ǫNǫ(X):minimum number of balls of radius ǫnecessary to cover XIf Nǫ(X)≤c(1Theorem:(H¨o lder-Ma˜n´e theorem)Let X⊂E compact satisfy dim F X=d and N>2d be an integer.Then almost every bounded linear projector P:E→R N is one-to-one on X and has a H¨o lder continuous inverse.This result is not valid for other dimensions (e.g.,the Hausdorffdimension)If A hasfinite fractal dimension,then,fixing a projector P satisfying the assumptions of the theorem,we obtain a reduced dynamical system(S),S= P(A),which isfinite dimensional(in R N)and H¨o lder continuousDrawbacks:(S)cannot be realized as a system of ODEs which is well-posedReasonable assumptions on A which would ensure that the Ma˜n´e projectors are Lipschitz are not knownComplicated geometric structure of A and AThe lower semicontinuitydist(A0,Aǫ)→0asǫ→0is more difficult to prove and may not hold It may be unobservable:∂y∂x2+y3−y=0,x∈[0,1],ν>0y(0,t)=y(1,t)=−1,t≥0A={−1}There are many metastable”almost station-ary”equilibria which live up to t⋆≡eν−12.Inertial manifolds.A Lipschitzfinite dimensional manifold M⊂E is an inertial manifold for S(t)if(i)S(t)M⊂M,∀t≥0(ii)∀u0∈E,∃v0∈M s.t.S(t)u0−S(t)v0 E≤Q( u0 E)e−αt,α>0,Q monotonicM contains A and attracts the trajectories exponentiallyConfirms in a perfect way thefinite dimen-sional reduction principle:The dynamics reduced to M can be realized as a Lipschitz system of ODEs(inertial form)Perfect equivalence between the initial sys-tem and the inertial formDrawback:all the known constructions are based on a restrictive condition,the spectral gap condition→The existence of an inertial manifold is not known for several important equations, nonexistence results for damped Sine-Gordon equations3.Exponential attractors.A compact set M⊂E is an exponential at-tractor for S(t)if(i)It hasfinite fractal dimension(ii)S(t)M⊂M,∀t≥0(iii)∀B⊂E bounded,dist(S(t)B,M)≤Q( B E)e−αt,α>0,Q monotonicM contains AIt is stillfinite dimensional and one has a uni-form exponential control on the rate of at-traction of trajectoriesIt is no longer smoothDrawback:it is not unique→One looks for a simple algorithm S→M(S)Initial construction:non-constructible and valid in Hilbert spaces onlyConstruction in Banach spaces:Efendiev, Miranville,Zelik→Exponential attractors are as general as global attractorsMain tool:Compact smoothing property on the difference of2solutionsLet S:E→E.We consider the discrete dynamical system generated by the iterations of S:S n=S◦...◦S(n times)Theorem:(Efendiev,Miranville,Zelik)We consider2Banach spaces E and E1s.t.E1⊂E is compact.We assume that•S maps theδ-neighborhood Oδ(B)of a bounded subset B of E into B•∀x1,x2∈Oδ(B),≤K x1−x2 ESx1−Sx2 E1Then the discrete dynamical system gener-ated by the iterations of S possesses an ex-ponential attractor M(S)s.t.(i)M(S)⊂B,is compact in E anddim F M(S)≤c1(ii)S M(S)⊂M(S)(iii)dist(S k B,M(S))≤c2e−c3k,k∈N,c3>0 (iv)The map S→M(S)is H¨o lder continu-ous:∀S1,S2,dist sym(M(S1),M(S2))≤c4 S1−S2 c5,c5>0, wheredist sym(A,B)=max(dist(A,B),dist(B,A))S =supSh Eh∈Oδ(B)Furthermore all the constants only depend on B,E,E1,δand K and can be computed explicitly.Remarks:1)We have a mapping S→M(S)and,due to the H¨o lder continuity,we can construct continuous families of exponential attractors2)Exponential attractors for a continuous semigroup S(t):Prove that∃t⋆>0s.t.S⋆=S(t⋆)satisfies the assumptions of the theorem→M⋆for S⋆If(x,t)→S(t)x is Lipschitz(or H¨o lder)on B×[0,t⋆],setS(t)M⋆M=∪t∈[0,t⋆]We again have a mapping S(t)→M(S)which is H¨o lder continuous3)For damped hyperbolic equations:asymp-totically smoothing property4.Finite dimensional reduction of nonau-tonomous systems.Systems of the form∂yDrawback:the uniform attractor has infinite dimension in general.Example:∂yThe family{A(t),t∈R}is a pullback attrac-tor for U(t,τ)if(i)A(t)is compact in E,∀t∈R(ii)U(t,τ)A(τ)=A(t),∀t≥τ(iii)∀B⊂E bounded,dist(U(t,t−s)B,A(t))=0lims→+∞Remarks:1)The pullback attractor is unique2)If the system is autonomous,we recover the global attractor3)In general,A(t)hasfinite fractal dimen-sion,∀t∈RDrawback:The forward convergence does not hold in generalExample:y′=f(t,y),where f(t,y)=−y if y≤0,(−1+2t)y−ty2 if t∈[0,1],and y−y2if t≥1Then A(t)={0},∀t∈R,but every trajectory starting from a neighborhood of0leaves this neighborhood never to enter it againThe forward convergence does not hold be-cause the rate of attraction is not uniform in t→This can be solved by constructing ex-ponential attractorsWe can construct a family{M(t),t∈R}, called nonautonomous exponential attractor, s.t.(i)dim F M(t)≤c1,∀t∈R,c1independent of t(ii)U(t,τ)M(τ)⊂M(t),∀t≥τ,(iii)∀B⊂E bounded,dist(U(t,τ)B,M(t+τ))≤Q( B E)e−αt,t∈R,t≥τ,α>0,Q monotonic(iii)implies the pullback attraction,but also the forward attraction→(i)and(iii)yield a satisfactoryfinite di-mensional reduction principle for nonautono-mous systemsRemarks:1)The time dependence is arbitrary2)The map U(t,τ)→{M(t),t∈R}is also H¨o lder continuous。

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