Редукция переопределенных систем дифференциальных уравнений математической физики

Автор: Зайцев Максим Леонидович, Аккерман Вячеслав Борисович

Журнал: Математическая физика и компьютерное моделирование @mpcm-jvolsu

Рубрика: Математика

Статья в выпуске: 4 (41), 2017 года.

Бесплатный доступ

Разработан технический прием редукции переопределенных систем дифференциальных уравнений. В предыдущих работах авторов была показана возможность сокращения размерности у переопределенных систем дифференциальных уравнений. В данной работе эта идея развивается, а именно найдены новые достаточные условия, при которых сокращается размерность и находятся явные представления решений переопределенных систем дифференциальных уравнений. Показывается, как, решая редуцированные уравнения на поверхности, можно составлять и находить в том числе решения исходной системы дифференциальных уравнений во всем объеме. Для примера, приведены по-новому преобразованные, переопределенные системы уравнений Эйлера, Навье - Стокса, уравнений аналитической механики и тестовые аналитические примеры. На основе данного метода предлагается способ явного представления их решения с помощью программных средств. Исследуется задача Коши для редуцированных переопределенных систем дифференциальных уравнений.

Еще

Переопределенные системы дифференциальных уравнений, навье - стокса, уравнения эйлера, дифференциальные уравнения на поверхности, оду, размерность дифференциальных уравнений, задача коши, уравнения в частных производных

Короткий адрес: https://sciup.org/14968917

IDR: 14968917   |   УДК: 530.182,   |   DOI: 10.15688/mpcm.jvolsu.2017.4.5

Reduction of overdetermined differential equations of mathematical physics

A technical method of reducing the overdetermined systems of differential equations is further extended. Specifically, the fundamentals and validity limits of the method are identified, and the method is justified within its validity domain. Starting with an overview of the previous results, we subsequently employ them in deriving and justifying the new outcomes. In particular, overdetermined systems of ordinary differential equations (ODE) are studied as the simplest case. It is demonstrated that, if a determinant deviates from zero for an ODE system, then the solution to this system can be found. Based on this, we subsequently arrive to a more general statement for a system of partial differential equations (PDE). On a separate basis, a Cauchy problem for reduced overdetermined systems of differential equations is considered, and it is shown that such a problem cannot be with arbitrary initial conditions. It is also shown and substantiated how to employ a Cauchy problem to reduce the dimension of PDEs. A novel approach of how to transform ODE and PDE systems (such as Euler and Navies-Stokes equations as well as the analytical mechanics system of equations) into the overdetermined systems is presented. Finally, the results are generalized in such a manner that it is shown how to reduce an overdetermined system of deferential equations to that having a complete and explicit solution. The work also includes two appendices. The first appendix presents the algorithm of searching for a solution to an overdetermined system of differential equations, in particular, by means of the computational approaches. The second appendix is devoted to the study of the variety of the solutions to an overdetermined system of equations. In particular, it is shown that a certain condition for the determinant, associated with this system of equations, breaks the possibility, that such a variety of solutions can depend on a continuous factor (for instance, from Cauchy conditions). For instance, it could be not more than a countable set. The paper is concluded with a brief summary, where the major results of the work are listed again and discussed, including their potential practical applications such as developing and testing of new computer codes to solving systems of differential equations.

Еще

Список литературы Редукция переопределенных систем дифференциальных уравнений математической физики

  • Аккерман, В. Б. Снижение размерности в уравнениях гидродинамики/В. Б. Аккерман, М. Л. Зайцев//Журнал вычислительной математики и математической физики. -2011. -Т. 51, № 8. -С. 1518-1530.
  • Беклемишев, Д. В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры/Д. В. Беклемишев. -М.: Физматлит, 2005. -304 c.
  • Зайцев, М. Л. Гипотеза об упрощении переопределенных систем дифференциальных уравнений и ее применение к уравнениям гидродинамики/М. Л. Зайцев, В. Б. Аккерман//Вестник ВГУ. Серия: Физика. Математика. -2015. -№ 2. -С. 527.
  • Зайцев, М. Л. Еще один способ нахождения частных решений уравнений математической физики/М. Л. Зайцев, В. Б. Аккерман//Вестник Волгоградского государственного университета. Серия 1, Математика. Физика. -2016. -№ 6 (37). -С. 119-127.
  • Курант, Р. Уравнения с частными производными/Р. Курант. -М.: Мир, 1964. -830 с.
  • Ландау, Л. Д. Теоретическая физика: учеб. пособие: в 10 т. Т. I. Механика/Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. -М.: Наука, 1988. -216 c.
  • Ландау, Л. Д. Теоретическая физика: Гидродинамика/Л. Д. Ландау, Е. М. Лифшиц. -М.: Наука, 1986. -Т. VI. -736 с.
  • Лурье, А. И. Аналитическая механика/А. И. Лурье. -М.: ГИФМЛ, 1961. -824 c.
  • Полянин, А. Д. Методы решения нелинейных уравнений математической физики и механики/А. Д. Полянин, В. Ф. Зайцев, А. И. Журов. -М.: Физматлит, 2005. -256 с.
  • Полянин, А. Д. Справочник по нелинейным уравнениям математической физики: Точные решения/А. Д. Полянин, В. Ф. Зайцев. -М.: Физматлит, 2002. -432 с.
  • Самарский, А. А. Разностные методы решения задач газовой динамики/А. А. Самарский, Ю. П. Попов. -М.: Наука, 1980. -352 с.
  • Седов, Л. И. Механика сплошной среды: в 2 т./Л. И. Седов. -М.: Наука, 1978. -Т. 1. -492 с.; Т. 2. -568 с.
  • Сидоров, А. Ф. Метод дифференциальных связей и его приложения к газовой динамике/А. Ф. Сидоров, В. П. Шапеев, Н. Н. Яненко. -Новосибирск: Наука, 1984. -271 c.
  • Cхоутен, Я. А. Тензорный анализ для физиков/Я. А. Cхоутен. -М.: Наука, 1965. -456 c.
  • Тихонов, А. Н. Уравнения математической физики/А. Н. Тихонов, А. А. Самарский. -M.: Наука, 1966. -742 с.
  • Федорюк, М. В. Обыкновенные дифференциальные уравнения/М. В. Федорюк. -СПб.: Лань, 2003. -448 c.
Еще