Варианты метода годографа для решения системы двух квазилинейных уравнений

Автор: Долгих Татьяна Федоровна, Жуков Михаил Юрьевич

Журнал: Владикавказский математический журнал @vmj-ru

Статья в выпуске: 2 т.23, 2021 года.

Бесплатный доступ

Строится решение задачи Коши для системы двух квазилинейных однородных уравнений в частных производных первого порядка при помощи метода годографа, позволяющего преобразовать решение квазилинейных уравнений в частных производных первого порядка к решению некоторого линейного дифференциального уравнения в частных производных второго порядка с переменными коэффициентами. Показано, что различные варианты метода годографа - стандартного, на основе закона сохранения и обобщенного метода годографа, позволяющие строить решение задачи Коши в неявной форме, в конечном итоге, приводят к одному и тому же результату и отличаются лишь объемом технической работы. Доказательство осуществляется путем вычисления инвариантов Лапласа для канонической формы линейного дифференциального уравнения в частных производных второго порядка. В случае, когда уравнения допускают явную связь исходных переменных с инвариантами Римана и соответствующее линейное уравнение метода годографа позволяет указать явную форму функции Римана - Грина, описан способ построения явного решения на линиях уровня неявного решения. Задача Коши для системы двух квазилинейных уравнений в частных производных первого порядка сводится к задаче Коши для некоторой системы обыкновенных дифференциальных уравнений. В качестве примера приведено точное неявное решение для системы слабо-нелинейных уравнений. Все рассмотренные методы и способ построения явного решения можно применять для уравнений гиперболического и эллиптического типов. В случае гиперболических уравнений возможно построение автомодельных и разрывных решений (после добавления условий на разрывах), а также решений многозначных по пространственной координате (если такие решения допускаются постановкой задачи). Несмотря на то, что на заключительном этапе метода задачу Коши для обыкновенных дифференциальных уравнений приходится решать численно, никаких аппроксимаций уравнений в частных производных, типичных для конечно-разностного метода, метода конечных элементов, метода конечных объемов и т. п. не используется. Метод является точным в том смысле, что погрешность вычислений связана лишь с точностью интегрирования обыкновенных дифференциальных уравнений.

Еще

Метод годографа, квазилинейное уравнение в частных производных первого порядка, инварианты лапласа, слабо-нелинейное уравнение

Короткий адрес: https://sciup.org/143175701

IDR: 143175701   |   УДК: 917.952   |   DOI: 10.46698/x8869-5899-2064-l

Variants of the hodograph method for solving a system of two quasilinear equations

The solution of the Cauchy problem for a system of two quasilinear homogeneous first-order partial differential equations is constructed using the hodograph method, which allows us transform the solution of quasilinear first-order partial differential equations to the solution of some second-order linear partial differential equation with variable coefficients. It is shown that various variants of the hodograph method (standard method, method based on the conservation law, and generalized hodograph method) to construct a solution to the Cauchy problem in implicit form, ultimately lead to the same result and differ only in the amount of technical work. The proof is given by calculating the Laplace invariants of the second-order linear partial differential equation in the canonical form. In the case when the equations permit an explicit connection of the initial variables with Riemann invariants and the corresponding linear equation of the hodograph method allows us to specify the explicit form of the Riemann-Green function, a method for constructing an explicit solution on the level-lines of the implicit solution is described. The Cauchy problem for a system of two quasilinear first-order partial differential equations reduces to the Cauchy problem for a certain system of ordinary differential equations. An exact implicit solution for a system of the linear degenerate equations is given as an example. All the methods presented and the method of constructing an explicit solution can be used for hyperbolic and elliptic equations. In the case of hyperbolic equations, it is possible to construct self-similar and discontinuous solutions (after adding discontinuity conditions), as well as multi-valued solutions in the spatial coordinate (if such solutions are allowed by the problem statement). Despite the fact that at the final stage of the method, the Cauchy problem for ordinary differential equations has to be solved numerically, no approximations of partial differential equations typical for the finite difference method, the finite element method, the finite volume method, etc. are used. The method is accurate in the sense that the error of calculations is related only to the accuracy of integration of ordinary differential equations.

Еще

Список литературы Варианты метода годографа для решения системы двух квазилинейных уравнений

  • Рождественский Б. Л., Яненко Н. Н. Системы квазилинейных уравнений._М.: Наука, 1978._668 с.
  • Senashov S. I., Yakhno A. Conservation laws, hodograph transformation and boundary value problems of plane plasticity // SIGMA._2012._Vol. 8._16 p. DOI: 10.3842/SIGMA.2012.071.
  • Жуков М. Ю., Ширяева Е. В., Долгих Т. Ф. Метод годографа для решения гиперболических и эллиптических квазилинейных уравнений._Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2015._126 с.
  • Царев С. П. Геометрия гамильтоновых систем гидродинамического типа. Обобщенный метод годографа // Изв. АН СССР. Сер. мат._1990._Т. 54, № 5._С. 1048–1068.
  • Овсянников Л. В. Групповой анализ дифференциальных уравнений._М.: Наука, 1978._339 с.
  • Елаева М. С.,Жуков М. Ю., Ширяева Е. В. Взаимодействие слабых разрывов и метод годографа для задачи о фракционировании двухкомпонентной смеси электрическим пoлeм //Журн. вычисл. матем. и мат. физ._2016._Т. 56, № 8._C. 1455–1469. DOI: 10.7868/S0044466916080056.
  • Shiryaeva E. V., Zhukov M. Yu. Hodograph Method and Numerical Integration of Two Hyperbolic Quasilinear Equations. Part I. The Shallow Water Equations._2014._19 p._arXiv: 1410.2832.
  • Shiryaeva E. V., Zhukov M. Yu. Hodograph Method and Numerical Integration of Two Quasilinear Hyperbolic Equations. Part II. The Zonal Electrophoresis Equations._2014._23 p._arXiv: 1503.01762.
  • Shiryaeva E. V., Zhukov M. Yu. Hodograph Method and Numerical Integration of Two Quasilinear Hyperbolic Equations. Part III. Two-Beam Reduction of the Dense Soliton Gas Equations._2015._22 p._arXiv: 1512.06710.
  • Долгих Т. Ф. Задача об опрокинутой мелкой воде // Современные проблемы механики сплошной среды: cб. тр. XX Междунар. конф. Т. I._Ростов н/Д.: Изд-во ЮФУ, 2020._С. 94–98.
  • Курант Р. Уравнения с частными производными._М.: Мир, 1964._830 с.
  • Copson E. T. On the Riemann-Green function // Arch. Ration. Mech. Anal._1958._Vol. 1._P. 324–348. DOI: 10.1007/BF00298013.
  • Zeitsch P. J. On the Riemann function // Mathematics._2018._Vol. 6._P. 316. DOI: 10.3390/math6120316.
  • Ибрагимов Н. Х. Групповой анализ обыкновенных дифференциальных уравнений и принцип инвариантности в математической физике (к 150-летию со дня рождения Софуса Ли) // Успехи мат. наук._1992._Т. 47, № 4 (286)._С. 83–144.
  • Daggit E. A. The use of infinitesimal transformations in predicting the form of the Riemann (-Green) function // J. Math. Anal. Appl._1970._Vol. 29, №1._P. 91–108. DOI: 10.1016/0022-247X(70)90103-4.
  • Баутин Н. Н., Леонтович Е. А. Методы и приемы качественного исследования динамических систем на плоскости._2-е изд., доп._M.: Наука, гл. ред. физ.-мат. лит., 1990._488 с.
  • El G. A., Kamchatnov A. M. Kinetic equation for a dense soliton gas // Phys. Rev. Lett._2005._Vol. 95, № 20._P. 204101. DOI: 10.1103/PhysRevLett.95.204101.
  • Peng Y.-J. Explicit solutions for 2Ч2 linearly degenerate systems // Appl. Math. Lett._1998._Vol. 11, № 5._P. 75–78. DOI: 10.1016/S0893-9659(98)00083-4.
  • Сенашов, С. И., Филюшина Е. В., Гомонова О. В. Построение упруго-пластических границ с помощью законов сохранения // Вестн. СибГАУ._Т. 16, № 2._С. 343–359.
  • Curro C., Oliveri F. Reduction of nonhomogeneous quasilinear 2 Ч 2 systems to homogeneous and autonomous form // J. Math. Phys._2008._Vol. 49._P. 103504. DOI: 10.1063/1.2992482.
  • Кузнецов Н. Н. Некоторые математические вопросы хроматографии // Вычислит. Методы и программирование._1967._№ 6._С. 242–258.
  • Ферапонтов Е. В., Царев С. П. Системы гидродинамического типа, возникающие в газовой хроматографии. Инварианты Римана и точные решения // Мат. моделирование._1991._Т. 3, № 2._С. 82–91.
  • Овсянников Л. В. Модели двухслойной .мелкой воды. // Прикл. мех. и техн. физика._1979._ Т. 20, № 2._С. 3–14.
  • Овсянников Л. В., Макаренко Н. И., Налимов В. И. и др. Нелинейные проблемы теории поверхностных и внутренних волн._Новосибирск: Наука, Сиб. отд., 1985._319 с.
  • Ivanov S. K., Kamchatnov A. M. Collision of rarefaction waves in Bose–Einstein condensates // Phys. Rev. A._2019._Vol. 99._P. 013609-1–013609-5. DOI:10.1103/PhysRevA.99.013609.
  • Жданов Б. А., Трубников С. К. Квазиустойчивые газовые среды._М.: Наука, 1991._176 с.
Еще