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        基于Jacobi橢圓函數(shù)的CH方程的求解方法

        2021-10-29 02:07:52鄒靈果
        關鍵詞:橢圓函數(shù)波解行波

        鄒靈果

        (廈門海洋職業(yè)技術學院 公共教育學院,福建 廈門 361009)

        近年來,研究非線性方程的方法已趨于成熟,學者們利用各種方法研究典型的非線性方程,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,并且很多典型的非線性偏微分方程有豐富的行波解。 例如:KdV方程ut-6uux+uuxxx=0[1]有光滑的孤立波解;CH方程(Camassa-Holm方程)ut-uxxt+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,Burgers方程、Sine-Gordon方程、KP方程等都有豐富的行波解。輔助方程法[4](代數(shù)方法)、廣義橢圓方程法[5]、F-展開法[6]和平面動力系統(tǒng)分支理論[7]都被運用到非線性偏微分方程領域的研究中,這4種數(shù)學方法一直都是很好的非線性分析工具。本研究利用Rui[8]提出的一種改進的方法即積分分支法來求解非線性偏微分方程,這種改進的方法不像分支理論那樣涉及復雜的相圖分析,它很容易就能夠滿足,可為用積分分支法解非線性偏微分方程奠定基礎。

        1 非線性偏微分方程的積分分支法

        1.1 積分分支法概述

        對于一個給定的(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)

        反復對式(2)積分,直到它變成式(3)這樣的二階非線性常微分方程后進行下一步:

        G(φ,φξ,φξξ)=0。

        (3)

        (4)

        (5)

        這里的τ是參數(shù)。

        如果方程(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)

        這里的h是積分常數(shù)。一般情況下,函數(shù)(6)滿足如下關系:

        y=y(φ,h),

        (7)

        如果式(7)是一個積分表達式,那么把式(7)代入系統(tǒng)(4)的第一個方程并進行積分運算,得到

        (8)

        如果式(7)是一個分式,那么把式(7)代入式(5)的第一個方程并進行積分運算,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)也一樣,所以稱這些積分表達式為積分分支,不同的積分分支相當于不同的行波解。

        以上為積分分支法的全部過程。

        1.2 積分分支法的改進

        Rui[8]在積分分支法的基礎上結合Jacobi橢圓函數(shù)積分對積分分支法進行了一些改進。

        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,結合表1可以得到方程(1)的解。

        表1 方程F′2=RF2+QF3+PF4的參數(shù)選擇Tab.1 Parameter selection of equation F′2=RF2+QF3+PF4

        2 采用積分分支法求CH方程的精確解

        2.1 對CH方程約化

        ut+c0ux+3uux-α2(uxxt+uxxx+3uxuxx)+γuxxx=0。

        (12)

        首先對方程(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,則方程(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)?/p>

        (17)

        由式(17)得

        (18)

        化簡得

        (19)

        解方程(19),得

        (20)

        式中的h為積分常數(shù),即

        (21)

        結合式(16),方程(21)可以變形為

        (22)

        2.2 求CH方程的精確解

        (1)情形Ⅰ:h=0。

        方程(22)變形為

        (23)

        dξ=D(1+Eφ)dτ。

        (24)

        (25)

        類似地,結合表1和方程(24)得到方程(12)的解:

        (26)

        (27)

        (28)

        (29)

        (30)

        (31)

        (32)

        (33)

        由此可知,解(33)是孤立波解。

        (2)情形Ⅱ:h≠0。

        (34)

        φ(τ)=sn(τ,r)。

        (35)

        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)

        (37)

        (38)

        (39)

        2.2.2求CH-γ方程的顯式解

        由方程(20)定義

        (40)

        (41)

        當-α2c-γ=0時,即當γ=-α2c時,hs=0,取h=hs(α≠0),則方程(20)可變形為

        (42)

        (43)

        所以

        (44)

        把方程(44)分離變量,兩邊積分得

        (45)

        (46)

        3 結語

        本研究采用積分分支法結合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,并與現(xiàn)有文獻相比得到了一些新的結果。

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