Уравнение КдФ было впервые введено Жозефом Валентином Буссинеском (1877, сноска на стр. 360) и заново открыто Дидериком Кортевегом и Густавом де Вризом в 1895 году, которые нашли простейшее решение — односолитонное решение. [3] [4] Понимание уравнения и поведения решений значительно продвинулось вперед благодаря компьютерному моделированию Нормана Забуски и Крускала в 1965 году, а затем благодаря разработке обратного преобразования рассеяния в 1967 году.
В 1972 году Т. Кавахара предложил уравнение типа КдФ пятого порядка, известное как уравнение Кавахары , которое описывает дисперсионные волны, особенно в случаях, когда коэффициент уравнения КдФ становится очень малым или равен нулю. [5]
где учитывает дисперсию, а нелинейный элемент представляет собой адвективный член.
Для моделирования мелководных волн — это смещение высоты водной поверхности от ее равновесной высоты.
Константа перед последним членом является общепринятой, но не имеет большого значения: умножение , , и на константы можно использовать для того, чтобы сделать коэффициенты любого из трех членов равными любым заданным ненулевым константам.
где - константа интегрирования . Интерпретируя независимую переменную выше как виртуальную переменную времени, это означает удовлетворяет уравнению движения Ньютона частицы единичной массы в кубическом потенциале
.
Если
тогда потенциальная функция имеет локальный максимум при ; существует решение, в котором начинается в этой точке в «виртуальное время» , в конечном итоге скатывается к локальному минимуму , затем возвращается на другую сторону, достигая равной высоты, а затем меняет направление, снова оказываясь на локальном максимуме в момент времени . Другими словами, приближается к . Это характерная форма решения для уединенной волны .
Точнее, решение такое
где обозначает гиперболический секанс , а — произвольная константа. [7] Это описывает праводвижущийся солитон со скоростью .
Н-солитонное решение
Известно выражение для решения, которое является -солитонным решением, которое в поздние моменты времени распадается на отдельные одиночные солитоны. [8] Решение зависит от набора убывающих положительных параметров и набора ненулевых параметров . Решение дается в виде , где компоненты
матрицы
Этот результат получен с помощью метода обратного рассеяния.
Интегралы движения
Уравнение КдФ имеет бесконечно много интегралов движения , функционалов на решении , которые не меняются со временем. [9] Они могут быть заданы явно как
где полиномы определяются рекурсивно с помощью
Первые несколько интегралов движения:
масса
импульс
энергия .
Только нечетные члены приводят к нетривиальным (то есть ненулевым) интегралам движения. [10]
где — коммутатор такой, что . [11] Пара Лакса учитывает бесконечное число первых интегралов уравнения КдФ. [12]
Фактически, является не зависящим от времени оператором Шредингера (без учета констант) с потенциалом . Можно показать, что благодаря этой формулировке Лакса собственные значения фактически не зависят от . [13]
Представление нулевой кривизны
Задание компонентов связности Лакса в виде
уравнения КдФ эквивалентно уравнению нулевой кривизны для связности Лакса,
Подразумевается сумма, поэтому уравнение (2) на самом деле выглядит так:
3
Оцените пять членов уравнения (3), подставив в уравнение (1),
Запомните определение , и используйте его для упрощения приведенных выше терминов.
Наконец, подставьте эти три ненулевых члена обратно в уравнение (3), чтобы увидеть
что в точности соответствует уравнению КдФ
Долгосрочная асимптотика
Можно показать, что любое достаточно быстро распадающееся гладкое решение в конечном итоге распадется на конечную суперпозицию солитонов, движущихся вправо, и распадающуюся дисперсионную часть, движущуюся влево. Это впервые наблюдали Забуски и Крускал (1965) и может быть строго доказано с помощью нелинейного анализа наискорейшего спуска для колебательных задач Римана–Гильберта . [14]
История
История уравнения Кортевега-де-Вриза началась с экспериментов Джона Скотта Рассела в 1834 году, за которыми последовали теоретические исследования лорда Рэлея и Жозефа Буссинеска около 1870 года и, наконец, Кортевега и Де Фриза в 1895 году.
Уравнение КдФ не изучалось после этого, пока Забуски и Крускал (1965) не обнаружили численно, что его решения, по-видимому, распадаются на большие времена на набор «солитонов»: хорошо разделенных уединенных волн. Более того, солитоны, по-видимому, почти не изменяют форму, проходя друг через друга (хотя это может вызвать изменение их положения). Они также установили связь с более ранними численными экспериментами Ферми, Пасты, Улама и Цингоу, показав, что уравнение КдФ было пределом непрерывности системы FPUT . Разработка аналитического решения с помощью обратного преобразования рассеяния была выполнена в 1967 году Гарднером, Грином, Крускалом и Миурой. [2] [15]
Теперь мы видим, что уравнение КдФ тесно связано с принципом Гюйгенса . [16] [17]
Приложения и соединения
Уравнение КдФ имеет несколько связей с физическими проблемами. Помимо того, что оно является основным уравнением струны в задаче Ферми–Паста–Улама–Цингоу в пределе континуума, оно приблизительно описывает эволюцию длинных одномерных волн во многих физических условиях, включая:
Следовательно, для определенного класса решений обобщенного GPE ( для истинного одномерного конденсата и при использовании трехмерного уравнения в одном измерении) два уравнения являются одним. Более того, принимая случай со знаком минус и действительным, получаем притягивающее самовзаимодействие, которое должно дать яркий солитон. [ необходима цитата ]
Вариации
Было изучено много различных вариаций уравнений КдФ. Некоторые из них перечислены в следующей таблице.
^ Кавахара, Т. «Осцилляционные уединенные волны в дисперсионных средах». Журнал Физического общества Японии . 33 (1): 260–264 .
^ Полянин и Зайцев 2003, Глава 9.1.1. Уравнение Кортевега-де Фриза.
^ Вакакис 2002, стр. 105–108.
^ Дунайский 2009.
^ Миура, Гарднер и Крускал 1968.
^ Дингеманс 1997, стр. 733.
^ Полянин и Зайцев 2003, Глава S.10.1. Метод пары Лакса.
^ Лакс 1968.
^ Дунайский 2009, стр. 31–32.
^ Грюнерт и Тешль 2009.
^ Доксуа и Пейрард 2006.
^ Чалуб и Зубелли 2006.
^ Берест и Луценко 1997.
Ссылки
Берест Юрий Юрьевич; Луценко, Игорь М. (1997). «Принцип Гюйгенса в пространствах Минковского и солитонные решения уравнения Кортевега-де Фриза». Связь в математической физике . 190 (1): 113–132 . arXiv : solv-int/9704012 . дои : 10.1007/s002200050235. ISSN 0010-3616.
Буссинеск, Ж. (1877), «Очерк теории курантов», «Мемуары представляют собой par divers savants `l'Acad. де Sci. Инст. Нат. Франция, XXIII, стр. 1–680 .
Chalub, Fabio ACC; Zubelli, Jorge P. (2006). «Принцип Гюйгенса для гиперболических операторов и интегрируемых иерархий» (PDF) . Physica D: Nonlinear Phenomena . 213 (2): 231– 245. doi :10.1016/j.physd.2005.11.008.
Гарднер, Клиффорд С.; Грин, Джон М.; Крускал, Мартин Д.; Миура, Роберт М. (1967). «Метод решения уравнения Кортевега-де Фриза». Physical Review Letters . 19 (19): 1095– 1097. doi :10.1103/PhysRevLett.19.1095. ISSN 0031-9007.
Грюнерт, Катрин; Тешль, Джеральд (2009), "Долгосрочная асимптотика для уравнения Кортевега–де Фриза с помощью нелинейного наискорейшего спуска", Матем. физика. анал. геом. , т. 12, № 3, стр. 287–324 , arXiv : 0807.5041 , Bibcode : 2009MPAG...12..287G, doi : 10.1007/s11040-009-9062-2, S2CID 8740754
Кортевег, DJ; де Вриз, Г. (1895). "XLI. Об изменении формы длинных волн, распространяющихся в прямоугольном канале, и о новом типе длинных стоячих волн". Лондонский, Эдинбургский и Дублинский философский журнал и научный журнал . 39 (240): 422– 443. doi :10.1080/14786449508620739. ISSN 1941-5982.
Лакс, Питер Д. (1968). «Интегралы нелинейных уравнений эволюции и уединенные волны». Сообщения по чистой и прикладной математике . 21 (5): 467– 490. doi :10.1002/cpa.3160210503. ISSN 0010-3640. OSTI 4522657.
Миура, Роберт М.; Гарднер, Клиффорд С.; Крускал, Мартин Д. (1968), «Уравнение Кортевега–де Фриза и его обобщения. II. Существование законов сохранения и констант движения», J. Math. Phys. , 9 (8): 1204– 1209, Bibcode : 1968JMP.....9.1204M, doi : 10.1063/1.1664701, MR 0252826
Полянин, Андрей Д.; Зайцев, Валентин Ф. (2003). Справочник по нелинейным уравнениям в частных производных . Бока-Ратон, Флорида: Chapman and Hall/CRC. ISBN978-1-58488-355-5.
Вакакис, Александр Ф. (2002). Нормальные моды и локализация в нелинейных системах . Дордрехт; Бостон: Springer Science & Business Media. ISBN978-0-7923-7010-9.
Забуски, Нью-Джерси; Крускал, Мэриленд (1965). «Взаимодействие «солитонов» в бесстолкновительной плазме и повторение начальных состояний». Physical Review Letters . 15 (6): 240– 243. doi :10.1103/PhysRevLett.15.240. ISSN 0031-9007.
Внешние ссылки
Викискладе есть медиафайлы, связанные с уравнением Кортевега – де Фриза .
Уравнение Кортевега–де Фриза в EqWorld: Мир математических уравнений.
Уравнение Кортевега – Де Фриза в NEQwiki, энциклопедии нелинейных уравнений.
Цилиндрическое уравнение Кортевега–де Фриза в EqWorld: Мир математических уравнений.
Модифицированное уравнение Кортевега–де Фриза в EqWorld: Мир математических уравнений.
Модифицированное уравнение Кортевега – Де Фриза в NEQwiki, энциклопедии нелинейных уравнений.