Korteweg – de Vriesova rovnice - Korteweg–de Vries equation
v matematika, Korteweg – de Vriesova rovnice (KdV) je matematický model vln na mělkých vodních plochách. To je zvláště pozoruhodné jako prototypový příklad přesně řešitelný model, tj. Nelineární parciální diferenciální rovnice jejichž řešení lze přesně a přesně specifikovat. KdV lze vyřešit pomocí inverzní rozptylová transformace. Matematická teorie za rovnicí KdV je předmětem aktivního výzkumu. KdV rovnici poprvé představil Boussinesq (1877, poznámka pod čarou na straně 360) a znovu objeven Diederik Korteweg a Gustav de Vries (1895 ).[2]
Definice
Rovnice KdV je nelineární, disperzní parciální diferenciální rovnice pro funkce ze dvou nemovitý proměnné, prostor X a čas t :[3]
s ∂X a ∂t označující částečné derivace s ohledem na X a t.
Konstanta 6 před posledním členem je konvenční, ale nemá velký význam: násobení t, X, a pomocí konstant lze použít k tomu, aby se koeficienty kteréhokoli ze tří termínů rovaly libovolným daným nenulovým konstantám.
Řešení Soliton
Zvažte řešení, ve kterých forma pevné vlny (daná vztahem F(X)) si udržuje svůj tvar, když se pohybuje doprava na rychlost fáze C. Takové řešení je dáno (X,t) = F(X − ct − A) = F(X). Když jej dosadíme do rovnice KdV, dostaneme obyčejná diferenciální rovnice
nebo integraci s ohledem na X,
kde A je konstanta integrace. Interpretace nezávislé proměnné X výše jako proměnná virtuálního času, to znamená F uspokojuje Newtona pohybová rovnice částice jednotkové hmotnosti v kubickém potenciálu
Li
pak potenciální funkce PROTI(F) má místní maximum na F = 0, existuje řešení, ve kterém F(X) začíná v tomto bodě ve „virtuálním čase“ −∞, případně sklouzne dolů k místní minimum, pak ustupte na druhou stranu, dosáhnete stejné výšky, pak otočíte směr a skončíte u místní maximum znovu v čase ∞. Jinými slovy, F(X) se blíží 0 jako X → ± ∞. Toto je charakteristický tvar osamělá vlna řešení.
Přesněji řečeno, řešení je
kde sech znamená hyperbolický sekans a A je libovolná konstanta.[4] To popisuje pohyb vpravo soliton.
Integrály pohybu
Rovnice KdV má nekonečně mnoho integrály pohybu (Miura, Gardner a Kruskal 1968 ), které se časem nemění. Mohou být uvedeny výslovně jako
kde polynomy Pn jsou rekurzivně definovány pomocí
Prvních několik integrálů pohybu je:
- hmotnost
- hybnost
- energie
Pouze liché termíny P(2n+1) mít za následek netriviální (tedy nenulové) integrály pohybu (Dingemans 1997, str. 733).
Laxové páry
Rovnice KdV
lze přeformulovat jako Laxova rovnice
s L A Provozovatel Sturm – Liouville:
a to odpovídá nekonečnému počtu prvních integrálů KdV rovnice (Lax 1968 ).
Princip nejméně akce
Korteweg – de Vriesova rovnice
je Euler-Lagrangeova rovnice pohybu odvozeného z Lagrangeova hustota,
s definován
Protože Lagrangeova (eq (1)) obsahuje druhé deriváty, Euler-Lagrangeova rovnice pohybu pro toto pole je
kde je derivát ve vztahu k součástka.
Součet přes je implicitní, takže eq (2) opravdu čte,
Vyhodnoťte pět podmínek eq (3) připojením eq (1),
Pamatujte si definici , tak použijte pro zjednodušení výše uvedených výrazů,
Nakonec připojte tyto tři nenulové výrazy zpět do eq (3), abyste viděli
což je přesně rovnice KdV
Dlouhodobá asymptotika
Je možné ukázat, že jakékoli dostatečně rychle se rozpadající hladké řešení se nakonec rozdělí na konečnou superpozici solitonů cestujících doprava plus rozpadající se disperzní část cestujících doleva. Toto bylo poprvé pozorováno uživatelem Zabusky & Kruskal (1965) a lze je důsledně dokázat pomocí nelineárního nejstrmější sestup analýza oscilační Problémy Riemann – Hilbert.[5]
Dějiny
Historie KdV rovnice začala experimenty od John Scott Russell v roce 1834, následovaná teoretickým vyšetřováním Lord Rayleigh a Joseph Boussinesq kolem roku 1870 a nakonec Korteweg a De Vries v roce 1895.
KdV rovnice nebyla po tomto studiu příliš studována, dokud Zabusky & Kruskal (1965) numericky zjistil, že se zdálo, že se jeho řešení rozkládá ve velké době na sbírku „solitonů“: dobře oddělených solitérních vln. Kromě toho se zdá, že solitony procházejí navzájem navzájem téměř nedotčeny (i když by to mohlo způsobit změnu jejich polohy). Také se připojili k dřívějším numerickým experimentům od Fermi, těstoviny, Ulam a Tsingou ukázáním, že rovnice KdV byla limitem kontinua v FPUT Systém. Vývoj analytického řešení pomocí inverzní rozptylová transformace v roce 1967 provedli Gardner, Greene, Kruskal a Miura.[6][7]
Rovnice KdV je nyní považována za úzce spojenou s Huygensův princip.[8][9]
Aplikace a připojení
Rovnice KdV má několik souvislostí s fyzickými problémy. Kromě toho, že je řídící rovnicí řetězce v Problém Fermi – Pasta – Ulam – Tsingou v limitu kontinua přibližně popisuje vývoj dlouhých jednorozměrných vln v mnoha fyzikálních podmínkách, včetně:
- mělké vodní vlny se slabě nelineární obnovení sil,
- dlouho vnitřní vlny v hustotě rozvrstvené oceán,
- iontové akustické vlny v plazma,
- akustický vlny na a krystalová mříž.
Rovnici KdV lze také vyřešit pomocí inverzní rozptylová transformace jako jsou ty, které se vztahují na nelineární Schrödingerova rovnice.
Rovnice KdV a rovnice Gross – Pitaevskii
Vzhledem k zjednodušeným řešením formuláře
získáme rovnici KdV jako
nebo
Integraci a převzetí zvláštního případu, ve kterém je integrační konstanta nulová, máme:
který je zvláštní případ generalizovaného stacionáře Gross – Pitaevskiova rovnice (GPE)
Proto pro určitou třídu řešení generalizovaného GPE ( pro pravý jednorozměrný kondenzát a při použití trojrozměrné rovnice v jedné dimenzi) jsou dvě rovnice jedna. Kromě toho, přičemž případ se znaménkem mínus a ve skutečnosti získá atraktivní interakce se sebou, která by měla přinést a jasný soliton.[Citace je zapotřebí ]
Variace
Bylo studováno mnoho různých variací rovnic KdV. Některé jsou uvedeny v následující tabulce.
název | Rovnice |
---|---|
Korteweg – de Vries (KdV) | |
KdV (válcový) | |
KdV (deformovaný) | |
KdV (zobecněné) | |
KdV (zobecněné) | |
KdV (Lax 7.) Darvishi, Kheybari & Khani (2007) | |
KdV (upravené) | |
KdV (upravené upravené) | |
KdV (sférické) | |
KdV (super) | |
KdV (přechodné) | |
KdV (variabilní koeficienty) | |
Rovnice Korteweg – de Vries – Burgers[10] | |
nehomogenní KdV |
q-analogy
Pro q-analog rovnice KdV, viz Frenkel (1996) a Khesin, Lyubashenko & Roger (1997) .
Viz také
- Benjamin – Bona – Mahonyho rovnice
- Boussinesqova aproximace (vodní vlny)
- Cnoidální vlna
- Disperze (vodní vlny)
- Disperzní rovnice
- Korteweg – de Vriesova rovnice pátého řádu
- Kadomtsev – Petviashviliho rovnice
- Upravená rovnice KdV – Burgers
- Novikov – Veselovova rovnice
- Korteweg – de Vriesova rovnice sedmého řádu
- Ursell číslo
- Vektorové soliton
Poznámky
- ^ N.J. Zabusky a M. D. Kruskal, Phy. Rev. Lett., 15, 240 (1965)
- ^ Darrigol, O. (2005), Worlds of Flow: A History of Hydrodynamics from the Bernoullis to Prandtl Oxford University Press, s.84, ISBN 9780198568438
- ^ Viz např. Newell, Alan C. (1985), Solitony v matematice a fyzice, SIAM, ISBN 0-89871-196-7, str. 6. Nebo Lax (1968), bez faktoru 6.
- ^ Alexander F. Vakakis (31. ledna 2002). Normální režimy a lokalizace v nelineárních systémech. Springer. 105–108. ISBN 978-0-7923-7010-9. Citováno 27. října 2012.
- ^ Viz např. Grunert & Teschl (2009)
- ^ Gardner, C.S .; Greene, J.M .; Kruskal, M.D .; Miura, R.M (1967), „Metoda řešení rovnice Korteweg – de Vries“, Dopisy o fyzické kontrole, 19 (19): 1095–1097, Bibcode:1967PhRvL..19.1095G, doi:10.1103 / PhysRevLett.19.1095.
- ^ Dauxois, Thierry; Peyrard, Michel (2006), Fyzika solitonů, Cambridge University Press, ISBN 0-521-85421-0
- ^ Fabio A. C. C. Chalub a Jorge P. Zubelli, “Huygensův princip pro hyperbolické operátory a integrovatelné hierarchie "
- ^ Berest, Yuri Y .; Loutsenko, Igor M. (1997). „Huygensův princip v Minkowských prostorech a solitonových řešeních Korteweg – de Vriesovy rovnice“. Komunikace v matematické fyzice. 190: 113–132. arXiv:solv-int / 9704012. doi:10,1007 / s002200050235. S2CID 14271642.
- ^ Shu, Jian-Jun (1987). „Správné analytické řešení rovnice Korteweg-de Vries-Burgers“. Journal of Physics A: Mathematical and General. 20 (2): 49–56. arXiv:1403.3636. Bibcode:1987JPhA ... 20L..49J. doi:10.1088/0305-4470/20/2/002.
Reference
- Boussinesq, J. (1877), Essai sur la theorie des eaux courantes, Memoires představuje par divers savants `l’Acad. des Sci. Inst. Nat. Francie, XXIII, s. 1–680
- de Jager, E.M. (2006). „O původu Korteweg – de Vriesovy rovnice“. arXiv:matematika / 0602661v1.
- Dingemans, M.W. (1997), Šíření vodní vlny po nerovném dněAdvanced Series on Ocean Engineering, 13, World Scientific, Singapur, ISBN 981-02-0427-2, 2 díly, 967 stran
- Drazin, P. G. (1983), Solitony, Série přednášek London Mathematical Society, 85, Cambridge: Cambridge University Press, str.viii + 136, doi:10.1017 / CBO9780511662843, ISBN 0-521-27422-2, PAN 0716135
- Grunert, Katrin; Teschl, Gerald (2009), „Long-Time Asymptotics for the Korteweg-de Vries Equation via Nonlinear Steepest Descent“, Matematika. Phys. Anální. Geom., 12 (3), s. 287–324, arXiv:0807.5041, Bibcode:2009MPAG ... 12..287G, doi:10.1007 / s11040-009-9062-2, S2CID 8740754
- Kappeler, Thomas; Pöschel, Jürgen (2003), KdV a KAM, Ergebnisse der Mathematik und ihrer Grenzgebiete. 3. Folge. Řada moderních průzkumů v matematice [Výsledky v matematice a souvisejících oblastech. 3. série. Řada moderních průzkumů v matematice], 45, Berlín, New York: Springer-Verlag, doi:10.1007/978-3-662-08054-2, ISBN 978-3-540-02234-3, PAN 1997070
- Korteweg, D. J .; de Vries, G. (1895), „O změně formy dlouhých vln postupujících v obdélníkovém kanálu a o novém typu dlouhých stacionárních vln“, Filozofický časopis, 39 (240): 422–443, doi:10.1080/14786449508620739
- Lax, P. (1968), „Integrály nelineárních evolučních rovnic a solitérních vln“, Sdělení o čisté a aplikované matematice, 21 (5): 467–490, doi:10,1002 / cpa.3160210503
- Miles, John W. (1981), „Korteweg – De Vriesova rovnice: Historická esej“, Journal of Fluid Mechanics, 106: 131–147, Bibcode:1981JFM ... 106..131M, doi:10.1017 / S0022112081001559.
- Miura, Robert M .; Gardner, Clifford S .; Kruskal, Martin D. (1968), "Korteweg – de Vriesova rovnice a zobecnění. II. Existence zákonů ochrany a konstanty pohybu", J. Math. Phys., 9 (8): 1204–1209, Bibcode:1968JMP ..... 9,1204 mil, doi:10.1063/1.1664701, PAN 0252826
- Takhtadzhyan, L.A. (2001) [1994], „Korteweg – de Vriesova rovnice“, Encyclopedia of Mathematics, Stiskněte EMS
- Zabusky, N.J .; Kruskal, M. D. (1965), „Interakce„ solitonů “v plazmě bez kolize a opakování počátečních stavů“, Phys. Rev. Lett., 15 (6): 240–243, Bibcode:1965PhRvL..15..240Z, doi:10.1103 / PhysRevLett.15.240
externí odkazy
- Korteweg – de Vriesova rovnice na EqWorld: Svět matematických rovnic.
- Korteweg – de Vriesova rovnice na NEQwiki, encyklopedii nelineárních rovnic.
- Válcová Korteweg – de Vriesova rovnice na EqWorld: Svět matematických rovnic.
- Upravená Korteweg – de Vriesova rovnice na EqWorld: Svět matematických rovnic.
- Upravená Korteweg – de Vriesova rovnice na NEQwiki, encyklopedii nelineárních rovnic.
- Weisstein, Eric W. „Korteweg – deVriesova rovnice“. MathWorld.
- Derivace Korteweg – de Vriesovy rovnice pro úzký kanál.
- Tři solitonové řešení rovnice KdV - [1]
- Tři solitonové (nestabilní) řešení rovnice KdV - [2]
- Matematické aspekty rovnic Typ Korteweg – de Vries jsou diskutovány na Disperzní PDE Wiki.
- Soliton z Korteweg – de Vriesovy rovnice autor: S. M. Blinder, Demonstrační projekt Wolfram.
- Soliton a nelineární vlnové rovnice