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        淺析CH-γ方程中解的求法

        2021-10-19 02:52:58鄒靈果
        攀枝花學(xué)院學(xué)報 2021年5期
        關(guān)鍵詞:波解波形圖行波

        鄒靈果

        (廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院,福建 廈門 361009)

        0 引言

        近年來,研究非線性方程的方法已趨于成熟,許多學(xué)者利用各種方法在研究一些典型的非線性方程中,得到了一些很有意義的解。其中行波解是非線性偏微分方程非常重要的一類解,并已經(jīng)發(fā)現(xiàn)很多典型的非線性偏微分方程有豐富的行波解。例如,著名的KdV方程:ut-6uux+uuxxx=0[1]有光滑的孤立波解;CH方程:ut-uuxxt+3uux=2uxuxx+uuxx[2]有孤立尖波解等行波解;Fornberg-Whitham方程:ut-uxxt+ux=uuxx-uux+3uxuxx[3]在一定條件下會出現(xiàn)爆破的行波解。除此之外像Burgers方程、Sine-Gordon方程、KP方程等都有豐富的行波解。像輔助方程法[4](代數(shù)方法),廣義橢圓方程法[5],F(xiàn)-展開法[6],和平面動力系統(tǒng)分支理論[7]都被運用到研究非線性偏微分方程領(lǐng)域中。這四種數(shù)學(xué)方法一直都是非線性分析很好的工具。本文利用W.Rui提出的一種改進(jìn)的方法[8]——積分分支法來求解非線性偏微分方程。這種改進(jìn)的方法不像分支理論那樣需要涉及復(fù)雜的相圖分析,它很容易就能夠滿足。為積分分支法在解非線性偏微分方程的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

        1 非線性偏微分方程的積分分支法

        1.1積分分支法的概述

        對一個給定的(n+1)維非線性偏微分方程:

        E(t,xi,uxi,uxixi,uxixj,utt,…)=0(i,j=1,2,…,n),

        (1)

        積分分支法簡單過程如下:

        P(ξ,φ,φξ,φξξ,φξξξ)=0

        (2)

        這里μi(i=1,2,…n)是任意非零常數(shù)。

        反復(fù)對(2)積分直到它變成下面的二階非線性常微分方程:

        G(φ,φξ,φξξ,φξξξ)=0

        (3)

        那么進(jìn)行下一步。

        (4)

        (5)

        這里的τ是參數(shù)。如果系統(tǒng)(4)是一個積分系統(tǒng),那么方程(4)與方程(5)有如下相同的積分:

        H(φ,y)=h

        (6)

        這里是積分常數(shù)。一般情況下,函數(shù)(6)滿足下面關(guān)系:

        y=y(φ,h)

        (7)

        (8)

        如果表達(dá)式(7)是一個分式,那么把(7)代入(5)的第一個方程并積分之,得到:

        (9)

        因為方程(1)的參數(shù)值和方程(6),(7)中的常數(shù)h是變化的,方程(8),(9)也是一樣,所以叫這些積分表達(dá)式為積分分支。不同的積分分支相當(dāng)于不同的行波解。以上為積分分支法的全部過程。

        1.2積分分支法的改進(jìn)

        W.Rui[8]在積分分支法的基礎(chǔ)上結(jié)合Jacobi橢圓函數(shù)積分對積分分支法進(jìn)行了一些改進(jìn):

        由系統(tǒng)(4)得到:

        (10)

        或者由系統(tǒng)(5)得到:

        (11)

        根據(jù)A,B,…,C或P,Q,…,R的取值結(jié)合表1、表2得到方程(1)的解。

        表1 方程F′2=RF2+QF3+PF4的解

        表2 方程F′2=RF2+QF3+PF4的參數(shù)選擇

        2 采用積分分支法求CH-γ方程的精確解

        2.1對CH-γ方程的約化

        首先對CH-γ方程:

        ut+c0ux+3uux-α2(uxxt+uuxxx+3uxuxx)+γuxxx=0,

        (12)

        作變換,令u=φ(ξ)=φ(x-ct),其中,ξ=x-ct,x為波長,t為時間都是變量,c為波速為待定參數(shù),

        則方程(12)變形為:

        (c0-c)φ′+3φφ′-α2(-cφ′′+φφ′′+3φ′φ′′)+γφ′′=0,

        (13)

        方程(13)兩邊對ξ積分得:

        2(c0-c)φ+3φ2+2(α2c+γ-α2φ)φ′′-2α2(φ′)2=0,

        (14)

        令φ′=y,則(14)變成下面兩個微分系統(tǒng):

        (15)

        再令dξ=2(α2c+γ-α2φ)dτ,

        (16)

        則系統(tǒng)(15)變?yōu)椋?/p>

        由(17a)/(17b)得:

        其中h為積分常數(shù)。

        (21)

        結(jié)合(16),(21)可以變形為:

        (22)

        2.2求CH-γ方程的精確解

        (1)求CH-γ方程的參數(shù)解

        情形I:h=0

        則方程(22)變形為:

        (23)

        dξ=D(1+Eφ)dτ。

        (24)

        (25)

        這里τ是參數(shù),圖1是其波形圖。

        圖1 波參數(shù)解(25)波形圖

        圖1b參數(shù)條件:α=1,γ=2,c=10,c0=2,ε=-1,τ=[-0.2…0.10609])

        類似的結(jié)合表1和方程(24),得到方程(12)的解如下:

        (26)

        (27)

        圖2是解(27)的波形圖。

        圖2 波參數(shù)解(27、33)波形圖

        圖2b參數(shù)條件:α=2,γ=3,c=5,c0=5,τ=[-4.5302…4.5])

        (28)

        圖3是解(28)的波形圖。

        圖3 波參數(shù)解(28)波形圖

        圖3b參數(shù)條件:α=4,γ=2,c=5,c0=2,ε=-1,τ=[-0.1005…5.3])

        (29)

        圖4是解(29)的波形圖。

        圖4 波參數(shù)解(29)波形圖

        圖4b參數(shù)條件:α=2,γ=3,c=1,c0=10,ε=-1,τ=[-2.93…4.8701])

        (30)

        圖5是解(30)的紐子波與反扭子波的波形圖。

        圖5 波參數(shù)解(30)波形圖

        (31)

        圖6是解(31)的波形圖。

        圖6 波參數(shù)解(31)波形圖

        (32)

        (33)

        解(33)是孤立波解,圖2是其波形圖。

        情形Ⅱ:h≠0

        (34)

        φ(τ)=sn(τ,r),

        (35)

        圖7b參數(shù)條件:r=0.99,c0=5,γ=-0.8126146357,τ=[-29.52…23.45]

        圖7 波參數(shù)解(36)波形圖

        把方程(35)代入方程(26),兩邊積分,可得到方程(12)一個特殊的周期波參數(shù)解:

        (36)

        圖7是其波形圖。

        (37)

        圖8是其波形圖。

        圖8 波參數(shù)解(37)波形圖

        (38)

        (39)

        (2)求CH-γ方程的顯式解

        從方程(20),定義

        (40)

        (41)

        (42)

        (43)

        (44)

        把方程(44)分離變量兩邊積分得:

        (45)

        (46)

        3 結(jié)論

        本文采用積分分支法結(jié)合Jacobi橢圓函數(shù)積分在不同的參數(shù)條件下得出了方程(12)的多種參數(shù)行波解和一種顯示解,包括紐子波解、反紐子波解、周期波解、孤立波解等行波解,并與原文獻(xiàn)相比出現(xiàn)了一些新的結(jié)果。

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