Содержание к диссертации
Введение
1. Групповая классификация и инвариантные решения уравнения теплопроводности в двумерном и трехмерном случаях (точечные преобразования Ли) 14
1. Трехмерный случай 15
2. Двумерный случай 23
3. Случаи наиболее широкой группы 28
4. Инвариантные решения: канализация тепла,"спиральные" решения 37
2. Групповая классификация и инвариантные решения уравнения теплопроводности в одномерном, двумерном и трехмерном случаях (преобразования Ли-Беклунда) 44
1. Одномерный случай 45
2. Двумерный и трехмерный случаи. 58
3. Инвариантные решения 62
4. Уравнение теплопроводности в неодно родной среде 68
3. Групповые свойства системы уравнений теплопроводности гиперболического типа 73
1. Постановка задачи.Определяющие уравнения 74
2. Точечные преобразования 75
3. Касательные преобразования первого порядка 78
4. Законы сохранения 87
Заключение 92
- Двумерный случай
- Инвариантные решения: канализация тепла,"спиральные" решения
- Инвариантные решения
- Касательные преобразования первого порядка
Введение к работе
В настоящее время в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза весьма актуальным является изучение различных задач физики высокотемпературной плазмы.
Наиболее эффективным методом теоретического исследования таких задач является вычислительный эксперимент/<г/ - численное моделирование физических процессов и дальнейшее их изучение с помощью ЭВМ.
Вычислительный эксперимент включает в себя не только выбор адекватных моделей,разработку вычислительных алгоритмов и реализацию их на ЭВМ, но и предварительное качественное изучение особенностей рассматриваемых явлений.Знание этих особенностей позволяет в каждой конкретной ситуации проводить вычисления более рациональным образом,сделать вычислительный эксперимент более целенаправленным.В связи с этим важны традиционные методы математического исследования - изучение асимптотик,анализ размерностей,методы теории возмущений,инвариантно-групповые методы и т.д.
Широкое применение находит изучение отдельных классов частных решений: стационарных,бегущих волн,автомодельных решений.Известно, что все они являются частным случаем более общего класса инвариантных решений,которые отыскиваются средствами группового анализа дифференциальных уравнений///.
Значение таких решений не исчерпывается тем,что они дают описание процессов в некоторых частных случаях или являются тестами для отладки вычислительных алгоритмов. Важно подчеркнуть, что часто эти решения описывают асимптотики (промежуточные асимптотики) процессов для достаточно общих начальных условий [?, $7 . В ряде случаев такие решения оказываются
5 устойчивыми не только к возмущениям начальных данных,но и к возмущениям коэффициентов уравнений (см./^у ).
Понимание отдельных черт сложных нелинейных процессов достигается также за счет рассмотрения различных упрощенных моделей.Например,в физике плазмы,наряду с исследованием системы уравнений рациональной магнитной гидродинамики,учитывающей большое число физических процессов,- рассматриваются и "чистая" газодинамика, "чистая" теплопроводность и т.д.
Важной составной частью исследования уравнений,описывающих тот или иной процесс,является изучение групповых свойств этих уравнений: отыскание группы преобразований Ли /У/или более общих преобразований Ли-Беклунда [2] относительно которых эти уравнения инвариантны.Отыскание группы преобразований выполняется с помощью алгоритмов группового анализа дифференциальных . уравнений[1,2.] и сводится к решению некоторых переопределенных систем линейных уравнений (определяющих урав' нений группы),интегрирование которых во многих,важных для практики случаях,удается довести до конца.
Поскольку преобразование,допускаемое уравнением,переводит всякое его решение снова в решение, то знание группы позволяет из известных частных решений получать многопараметрические (или даже зависящие от произвольных функций - в случае бесконечной группы) семейства решений.Кроме того,это облегчает построение так называемых инвариантных решений,которые под действием некоторой подгруппы допускаемой группы преобразований переходят в себя: их отыскание сводится к решению уравнения меньшей размерности,чем исходное.Как отмечалось выше, к классу инвариантных относятся многие широко используемые решения.Так,например,бегущие волны инвариантны относительно преобразований переноса,автомодельные решения - относительно
растяжений и так далее.
Другое применение допускаемой уравнением группы преобразований состоит в использовании ее для построения законов сохранения.Для задач,допускающих вариационную постановку,законы сохранения строятся по теореме Нетер [Ю] ,в общем случае - с использованием теории преобразований Ли-Беклунда/^?7 .
Групповые свойства уравнений используются также при изучении вопроса о существовании преобразования,связывающего различные уравнения,в частности преобразования,переводящего данное уравнение в линейное.
Настоящая работа посвящена исследованию групповых свойств двух математических моделей теплопроводности,встречающихся в физике плазмы: классической модели Фурье и сравнительно недавно используемой в этой области/8?»/«3/ модели гиперболической теплопроводности.
Первая из них формулируется в виде уравнения
U^^durfoMpaetu)*- Ш, (1)
где U - температура среды, К(и) - коэффициент теплопроводности, Q(U) - источник (или сток) тепла.
Это уравнение может служить иллюстрацией того,что учет нелинейности часто приводит к качественно новым явлениям,не имеющим места в линейной теории. Так,исследования,проведенные в большом цикле работ (см./*///и приведенную там библиографию), показали,что при определенных условиях в среде,распространение тепла в которой описывается уравнением (I),могут возникать устойчивые самоподдерживающиеся структуры.Характерными свойствами решений,описывающих такие структуры,является компактность носителя (локализация) и несуществование решения в целом (за
конечное время функция U -температура-обращается в бесконечность). При этом говорят ff/J >что горение происходит в режиме с обострением.Эти исследования показывают также,насколько глубокими и содержательными могут быть относительно простые модели.
Известно [№,&] ,что поток тепла, вычисленный по закону Фурье,может в случае больших градиентов температуры превысить некоторый максимальный поток тепла,переносимый электронами в условной ситуации,когда все они движутся в одном направлении. Поэтому при изучении высокоинтенсивных процессов используют различные модели,учитывающие ограничения теплового потока. Одна из них-модель "обратных потоков",используемая в большинстве программ для численного решения задач лазерного термоядерного синтеза (см.,например,/"/7,1Z] ),- описывается уравнением
Ц *(-!** ) , (2)
где ос иу5 - некоторые постоянные.
Более предпочтительной в ряде задач (и,кроме того,более физичной) - см./*2,*/<2/,а также библиографию в/У&7 - оказывается так называемая модель гиперболической теплопроводности:
w+*№s:+u -о , (3)
ч.
И vfr) dec tfr)
где / - температура, // - тепловой поток, Су - удельная теплоемкость, J* - плотность, 32 - коэффициент теплопроводности, V - время релаксации теплового потока.Это - вторая модель,рассматриваемая в диссертации.
Следует отметить,что область применения уравнений (I) - (3) не ограничивается задачами физики плазмы.Так,уравнение (I) исполь-
зуется для описания процессов теплопроводности и диффузии [?, S9-J2, 6,2? -30'У ,в теории фильтрации [Зі], в биологии [32] и в других областях [&~2] .Уравнение (2) применяется в физике моря для описания распространения колебаний температуры поверхности моря на глубину и для определения солености; как функции глубины и времени^/» ЗЗ-ЗГ/тСистема уравнений (3) в случае постоянных se и ^применяется для описания теплопереноса в разреженных газах (см., например,/^3/ ),где наблюдается конечная скорость распространения тепла.(Как известно, линейное уравнение Фурье дает бесконечную скорость распространения тепла.) Эта система применяется также в задачах термоупругости [з?] и в ряде других задач/5^/.
В диссертации изучаются групповые свойствадвух из названных выше моделей,а именно моделей (I) и (3).Вопрос о групповых свойствах уравнения (2) можно считать решенным,поскольку заменой переменных _
t-t >
sc ~js>U -hccoc , (4)
и - sc . (в /?/7эта замена используется при рассмотрении задач физики моря) оно переводится в линейное уравнение
*? - *%с>? > групповые свойства которого известны (см./^/ ).
Диссертация состоит из введения,трех глав и заключения.
Первая глава посвящена исследованию групповых свойств и инвариантных решений уравнения (1),а также более общего уравнения анизотропной теплопроводности в двумерном и трехмерном случаях.Рассматриваются локальные группы Ли точечных преобразований. Относительно таких групп для указанных уравнений в I и 2 решена задача групповой классификации,то есть (ом[і])\
найдена группа преобразований,которая допускается уравнением при произвольных коэффициентах {К(и) miQ(U)~ в случае уравнения
а));
перечислении все частные виды коэффициентов,которые приводят к расширению этой группы;соответствующие дополнительные преобразования также найдены.
В I рассмотрен трехмерный случай,в 2 - двумерный.Одномерный случай исследован в [3-5] .
Проведенная классификация показывает,что в изотропном случае наиболее широкая группа преобразований допускается при коэффициенте теплопроводности и источнике вида
JL
KOi) = U ~*** , (5)
Q(U) - ail , (б)
где л/ - размерность пространства, ос - произвольная постоянная. Это утверждение справедливо и в случае Особо выделяется случай N"2 ,когда допускаемая группа бесконечномерна. Нетрудно указать преобразование,позволяющее исключить источник (6),то есть сделать
Qfa)~0 . (7)
В анизотропном случае наибольшее расширение допускаемой группы происходит при тех же зависимостях коэффициента теплопроводности от U по одним направлениям при наличии линейной теплопроводности по другим.
Изотропные случаи (5),(7) (иА/,-2,^ ) подробно изучены в 3.Показано,что преобразования,которые добавляются к допускаемой группе по сравнению со случаем более общих степенных коэффициентов К ,подобны сдвигам по пространственным переменным,
причем преобразование подобия не меняет вида рассматриваемого уравнения.В случае У=> ,когда допускаемая группа бесконечномерна, это преобразование используется для описания всех инвариантных решений.
Следует отметить,что степенные зависимости Л* от U с отрицательными показателями степени используются в различных задачах теплопроводности [^> &&] и диффузии [» ^4/ . В определенных температурных диапазонах коэффициент теплопроводности является убывающей функцией температуры для многих веществ f*2. 2*,&,&$39j.
В 4 рассмотрены два инвариантных решения для уравнений более общего вида,чем в 3.
Первое решение удовлетворяет двумерному анизотропному уравнению теплопроводности с источником и описывает направленное распространение тепла,при котором горение происходит лишь в канале вдоль одной из осей координат (канализация тепла).Существование и устойчивость такого решения были подтверждены численными расчетами на ЭВМ.
Второе решение удовлетворяет изотропному уравнению теплопроводности с источником (рассматривались двумерный и трехмерный случаи).Оно характеризуется тем,что траекториями неоднород-ностей поля температуры,описываемого этим решением,являются спирали.
Во второй главе продолжается исследование групповых свойств той же модели теплопроводности,что и в гл.1,но . с точки зрения более общих групп преобразований Ли-Беклунда.Одномерный случай также включен в рассмотрение.Более того,только этот случай оказывается содержательным:в 2 доказано,что при »>f нетривиальная (то есть не сводящаяся к точечным преобразованиям Ли) группа Ли-Беклунда допускается лишь линейными уравнениями. Здесь // ,как и выше,-размерность пространства.
В I рассматривается уравнение (I) при У*/ . Доказано, что нетривиальная группа Ли-Беклунда допускается лишь линейным уравнением и уравнением
U± a ((JU і-А) "Я4 + ли У , <8)
где J , & , cl , гґ - произвольные постоянные {*Яг О )9
причем **<> (9)
Уравнение (8) без источника ( О.** *=- 0 ) было исследовано в работе Рю] ,где также указано преобразование,переводящее это уравнение в линейное.В настоящей работе найдены линеаризующие преобразования и для случаев я. 0 і**0 и#«<7, 4*0 .
В 3 рассмотрены некоторые решения уравнения (8),инвариантные относительно преобразований Ли-Беклунда.Получено общее выражение для широкого класса таких решений.
4 посвящен групповой классификации с точки зрения преобразований Ли-Беклунда одномерного уравнения теплопроводности в неоднородной среде {Л и $ - функции от U , Ot ). Перечислены все нелинейные уравнения,допускающие нетривиальную группу Ли-Беклунда. Показано,что эти уравнения сводятся некоторой точечной заменой переменных к уравнению (8).
Уравнения вида (8) встречаются в различных задачах математической физики. TaKjB/^/w&z'.ir, J-&J показано,что такое уравнение может описывать диффузию красителей в полимерных материалах, в /«?<$/ оно используется для описания теплопроводности некоторых металлов,а в /"^У - кристаллического водорода. Из (8) заменой U *-*U^ получается рассмотренная выше модель (2).
Преобразование,переводящее (8) при aBtsA О в линейное уравнение,впервые найдено в /2
В главе III изучаются групповые свойства системы уравнений гиперболической теплопроводности (3). В I эта система сводится к одному уравнению
иы + JVx)at = лггьИж (ю)
для функции U(t,x) удовлетворяющей соотношениям
^ - Т > u^-W , (ID
здесь
Предполагается,что Cyj2**
Выделяется случай А=*Qo/ist , К^^о^ис ( или»в исходных переменных, ^«^fl-vZ1, ,<Э2 =3^ ),когда допускаемая группа касательных преобразований Ли бесконечномерна. В этом случае найдено преобразование (касательное первого порядка),переводящее (10) в телеграфное уравнение
Ч * % " ttUss
В 4 рассматривается случай:Л"Ссп4^ , > - произвольная функция.Полученные ранее результаты групповой классификации используются для построения (по теореме Нетер) законов сохранения,то есть (см.,например, №J ) дивергентных соотношений вида
где 0> и 1&& - операторы полного дифференцирования по "6 и за соответственно,а функции " и^ зависят от " ,^, # и,в данном случае,от первых производных.
С помощью (II) эти результаты записываются в терминах исходной системы (З).При этом функции оказываются зависящими от zf ,7" ,// и,в некоторых случаях,от С/ .Таким образом найдено три закона сохранения,которые допускаются при произвольной функции К , и по одному дополнительному закону сохранения для случаев K^KqT жК-^оё .Полученные законы сохранения можно использовать при построении разрывных решений, при создании полностью консервативных разностных схем и в других целях.
Основные результаты диссертации,приведенные в Заключении, опубликованы в работах t4/m MJ и доложены на Международной конференции по физике плазмы и УТС (г.Звенигород,март 1983 г.), на XKIX научной конференции МФТИ (г.Москва,ноябрь 1983 г.),на научном семинаре ИПМ им.М.В.Келдыша АН СССР (руководитель -академик А.А.Самарский),на научном семинаре академика Н.Н.Моисеева в ВЦ АН СССР,на научном семинаре МЭИ по нелинейным дифференциальным уравнениям (руководители - член-корреспондент АН СССР С.И.Похожаев,профессора Ю.А.Дубинский,С.А.Ломов).
Автор благодарен своим научным руководителям С.П.Курдю-мову и В.А.Дородницыну за постоянное внимание и помощь в работе^ также академику А.А.Самарскому за проявленное к работе внимание.
Двумерный случай
В настоящее время в связи с проблемой управляемого термоядерного синтеза весьма актуальным является изучение различных задач физики высокотемпературной плазмы. Наиболее эффективным методом теоретического исследования таких задач является вычислительный эксперимент/ г/ - численное моделирование физических процессов и дальнейшее их изучение с помощью ЭВМ. Вычислительный эксперимент включает в себя не только выбор адекватных моделей,разработку вычислительных алгоритмов и реализацию их на ЭВМ, но и предварительное качественное изучение особенностей рассматриваемых явлений.Знание этих особенностей позволяет в каждой конкретной ситуации проводить вычисления более рациональным образом,сделать вычислительный эксперимент более целенаправленным.В связи с этим важны традиционные методы математического исследования - изучение асимптотик,анализ размерностей,методы теории возмущений,инвариантно-групповые методы и т.д. Широкое применение находит изучение отдельных классов частных решений: стационарных,бегущих волн,автомодельных решений.Известно, что все они являются частным случаем более общего класса инвариантных решений,которые отыскиваются средствами группового анализа дифференциальных уравнений///. Значение таких решений не исчерпывается тем,что они дают описание процессов в некоторых частных случаях или являются тестами для отладки вычислительных алгоритмов. Важно подчеркнуть, что часто эти решения описывают асимптотики (промежуточные асимптотики) процессов для достаточно общих начальных условий [?, $7 . В ряде случаев такие решения оказываются устойчивыми не только к возмущениям начальных данных,но и к возмущениям коэффициентов уравнений (см./ у ). Понимание отдельных черт сложных нелинейных процессов достигается также за счет рассмотрения различных упрощенных моделей.Например,в физике плазмы,наряду с исследованием системы уравнений рациональной магнитной гидродинамики,учитывающей большое число физических процессов,- рассматриваются и "чистая" газодинамика, "чистая" теплопроводность и т.д.
Важной составной частью исследования уравнений,описывающих тот или иной процесс,является изучение групповых свойств этих уравнений: отыскание группы преобразований Ли /У/или более общих преобразований Ли-Беклунда [2] относительно которых эти уравнения инвариантны.Отыскание группы преобразований выполняется с помощью алгоритмов группового анализа дифференциальных . уравнений[1,2.] и сводится к решению некоторых переопределенных систем линейных уравнений (определяющих урав нений группы),интегрирование которых во многих,важных для практики случаях,удается довести до конца. Поскольку преобразование,допускаемое уравнением,переводит всякое его решение снова в решение, то знание группы позволяет из известных частных решений получать многопараметрические (или даже зависящие от произвольных функций - в случае бесконечной группы) семейства решений.Кроме того,это облегчает построение так называемых инвариантных решений,которые под действием некоторой подгруппы допускаемой группы преобразований переходят в себя: их отыскание сводится к решению уравнения меньшей размерности,чем исходное.Как отмечалось выше, к классу инвариантных относятся многие широко используемые решения.Так,например,бегущие волны инвариантны относительно преобразований переноса,автомодельные решения - относительно растяжений и так далее. Другое применение допускаемой уравнением группы преобразований состоит в использовании ее для построения законов сохранения.Для задач,допускающих вариационную постановку,законы сохранения строятся по теореме Нетер [Ю] ,в общем случае - с использованием теории преобразований Ли-Беклунда/ 7 . Групповые свойства уравнений используются также при изучении вопроса о существовании преобразования,связывающего различные уравнения,в частности преобразования,переводящего данное уравнение в линейное.
Инвариантные решения: канализация тепла,"спиральные" решения
Это уравнение может служить иллюстрацией того,что учет нелинейности часто приводит к качественно новым явлениям,не имеющим места в линейной теории. Так,исследования,проведенные в большом цикле работ (см./ ///и приведенную там библиографию), показали,что при определенных условиях в среде,распространение тепла в которой описывается уравнением (I),могут возникать устойчивые самоподдерживающиеся структуры.Характерными свойствами решений,описывающих такие структуры,является компактность носителя (локализация) и несуществование решения в целом (за конечное время функция U -температура-обращается в бесконечность). При этом говорят ff/J что горение происходит в режиме с обострением.Эти исследования показывают также,насколько глубокими и содержательными могут быть относительно простые модели. Известно [№,&] ,что поток тепла, вычисленный по закону Фурье,может в случае больших градиентов температуры превысить некоторый максимальный поток тепла,переносимый электронами в условной ситуации,когда все они движутся в одном направлении. Поэтому при изучении высокоинтенсивных процессов используют различные модели,учитывающие ограничения теплового потока. Одна из них-модель "обратных потоков",используемая в большинстве программ для численного решения задач лазерного термоядерного синтеза (см.,например,/"/7,1Z] ),- описывается уравнением где ос иу5 - некоторые постоянные. Более предпочтительной в ряде задач (и,кроме того,более физичной) - см./ 2, / 2/,а также библиографию в/У&7 - оказывается так называемая модель гиперболической теплопроводности: где / - температура, // - тепловой поток, Су - удельная теплоемкость, J - плотность, 32 - коэффициент теплопроводности, V - время релаксации теплового потока.Это - вторая модель,рассматриваемая в диссертации.
Следует отметить,что область применения уравнений (I) - (3) не ограничивается задачами физики плазмы.Так,уравнение (I) исполь- зуется для описания процессов теплопроводности и диффузии [?, S9-J2, 6,2? -30 У ,в теории фильтрации [Зі], в биологии [32] и в других областях [& 2] .Уравнение (2) применяется в физике моря для описания распространения колебаний температуры поверхности моря на глубину и для определения солености; как функции глубины и времени /» ЗЗ-ЗГ/тСистема уравнений (3) в случае постоянных se и применяется для описания теплопереноса в разреженных газах (см., например,/ 3/ ),где наблюдается конечная скорость распространения тепла.(Как известно, линейное уравнение Фурье дает бесконечную скорость распространения тепла.) Эта система применяется также в задачах термоупругости [з?] и в ряде других задач/5 /. В диссертации изучаются групповые свойствадвух из названных выше моделей,а именно моделей (I) и (3).Вопрос о групповых свойствах уравнения (2) можно считать решенным,поскольку заменой переменных _ и - sc . (в /?/7эта замена используется при рассмотрении задач физики моря) оно переводится в линейное уравнение - %с ? групповые свойства которого известны (см./ / ). Диссертация состоит из введения,трех глав и заключения. Первая глава посвящена исследованию групповых свойств и инвариантных решений уравнения (1),а также более общего уравнения анизотропной теплопроводности в двумерном и трехмерном случаях.Рассматриваются локальные группы Ли точечных преобразований. Относительно таких групп для указанных уравнений в I и 2 решена задача групповой классификации,то есть (ом[і])\ найдена группа преобразований,которая допускается уравнением при произвольных коэффициентах {К(и) MIQ(U) В случае уравнения перечислении все частные виды коэффициентов,которые приводят к расширению этой группы;соответствующие дополнительные преобразования также найдены. В I рассмотрен трехмерный случай,в 2 - двумерный.Одномерный случай исследован в [3-5] . Проведенная классификация показывает,что в изотропном случае наиболее широкая группа преобразований допускается при коэффициенте теплопроводности и источнике вида где л/ - размерность пространства, ос - произвольная постоянная. Это утверждение справедливо и в случае Особо выделяется случай N"2 ,когда допускаемая группа бесконечномерна. Нетрудно указать преобразование,позволяющее исключить источник (6),то есть сделать В анизотропном случае наибольшее расширение допускаемой группы происходит при тех же зависимостях коэффициента теплопроводности от U по одним направлениям при наличии линейной теплопроводности по другим. Изотропные случаи (5),(7) (иА/,-2, ) подробно изучены в 3.Показано,что преобразования,которые добавляются к допускаемой группе по сравнению со случаем более общих степенных коэффициентов К ,подобны сдвигам по пространственным переменным, причем преобразование подобия не меняет вида рассматриваемого уравнения.В случае У= ,когда допускаемая группа бесконечномерна, это преобразование используется для описания всех инвариантных решений. Следует отметить,что степенные зависимости Л от U с отрицательными показателями степени используются в различных задачах теплопроводности [ &&] и диффузии [» 4/ . В определенных температурных диапазонах коэффициент теплопроводности является убывающей функцией температуры для многих веществ f 2. 2 ,&,&$39j. В 4 рассмотрены два инвариантных решения для уравнений более общего вида,чем в 3. Первое решение удовлетворяет двумерному анизотропному уравнению теплопроводности с источником и описывает направленное распространение тепла,при котором горение происходит лишь в канале вдоль одной из осей координат (канализация тепла).
Существование и устойчивость такого решения были подтверждены численными расчетами на ЭВМ. Второе решение удовлетворяет изотропному уравнению теплопроводности с источником (рассматривались двумерный и трехмерный случаи).Оно характеризуется тем,что траекториями неоднород-ностей поля температуры,описываемого этим решением,являются спирали. Во второй главе продолжается исследование групповых свойств той же модели теплопроводности,что и в гл.1,но . с точки зрения более общих групп преобразований Ли-Беклунда.Одномерный случай также включен в рассмотрение.Более того,только этот случай оказывается содержательным:в 2 доказано,что при » f нетривиальная (то есть не сводящаяся к точечным преобразованиям Ли) группа Ли-Беклунда допускается лишь линейными уравнениями. Здесь // ,как и выше,-размерность пространства. В I рассматривается уравнение (I) при У / . Доказано, что нетривиальная группа Ли-Беклунда допускается лишь линейным уравнением и уравнением где J , & , CL , гґ - произвольные постоянные { Яг О )9 причем (9) Уравнение (8) без источника ( О. =- 0 ) было исследовано в работе Рю] ,где также указано преобразование,переводящее это уравнение в линейное.В настоящей работе найдены линеаризующие преобразования и для случаев я. 0 і 0 и#« 7, 4 0 . В 3 рассмотрены некоторые решения уравнения (8),инвариантные относительно преобразований Ли-Беклунда.Получено общее выражение для широкого класса таких решений. 4 посвящен групповой классификации с точки зрения преобразований Ли-Беклунда одномерного уравнения теплопроводности в неоднородной среде {Л и $ - функции от U , Ot ). Перечислены все нелинейные уравнения,допускающие нетривиальную группу Ли-Беклунда. Показано,что эти уравнения сводятся некоторой точечной заменой переменных к уравнению Уравнения вида (8) встречаются в различных задачах математической физики. TaKjB/ /w&z .ir, J-&J показано,что такое уравнение может описывать диффузию красителей в полимерных материалах, в /«? $/ оно используется для описания теплопроводности некоторых металлов,а в /" У - кристаллического водорода. Из (8) заменой U - U получается рассмотренная выше модель (2).
Инвариантные решения
В главе III изучаются групповые свойства системы уравнений гиперболической теплопроводности (3). В I эта система сводится к одному уравнению для функции U(t,x) удовлетворяющей соотношениям здесь Предполагается,что Cyj2 Mt / (последнего всегда можно достигнуть изменением масштабов).Для уравнения (10) затем проводится групповая классификация: в 2 - с точки зрения точечных,а в 3 - (для случая степенных Я и К ) - с точки зрения касательных преобразований Ли. Выделяется случай А= Qo/ist , К о ис ( или»в исходных переменных, « fl-vZ1, , Э2 =3 ),когда допускаемая группа касательных преобразований Ли бесконечномерна. В этом случае найдено преобразование (касательное первого порядка),переводящее (10) в телеграфное уравнение В 4 рассматривается случай:Л"Ссп4 , - произвольная функция.Полученные ранее результаты групповой классификации используются для построения (по теореме Нетер) законов сохранения,то есть (см.,например, №J ) дивергентных соотношений вида где 0 и 1&& - операторы полного дифференцирования по "6 и за соответственно,а функции " и зависят от " , , # и,в данном случае,от первых производных. С помощью (II) эти результаты записываются в терминах исходной системы (З).При этом функции оказываются зависящими от zf ,7" ,// и,в некоторых случаях,от С/ .Таким образом найдено три закона сохранения,которые допускаются при произвольной функции К , и по одному дополнительному закону сохранения для случаев K KQT жК- оё .Полученные законы сохранения можно использовать при построении разрывных решений, при создании полностью консервативных разностных схем и в других целях. Основные результаты диссертации,приведенные в Заключении, опубликованы в работах t4/m MJ и доложены на Международной конференции по физике плазмы и УТС (г.Звенигород,март 1983 г.), на XKIX научной конференции МФТИ (г.Москва,ноябрь 1983 г.),на научном семинаре ИПМ им.М.В.Келдыша АН СССР (руководитель -академик А.А.Самарский),на научном семинаре академика Н.Н.Моисеева в ВЦ АН СССР,на научном семинаре МЭИ по нелинейным дифференциальным уравнениям (руководители - член-корреспондент АН СССР С.И.Похожаев,профессора Ю.А.Дубинский,С.А.Ломов).
Автор благодарен своим научным руководителям С.П.Курдю-мову и В.А.Дородницыну за постоянное внимание и помощь в работе также академику А.А.Самарскому за проявленное к работе внимание. решений уравнения теплопроводности с источником(или стоком) в двумерном {/J= 2. ) и трехмерном (У=з ) случаях. Для уравнения (I.I) решена задача групповой классификации, то есть (см ГО ) найдена группа точечных преобразований(локальная группа Ли преобразований),которую допускает уравнение (I.I) при произвольных К;(ц), %№ і-ґ, (эта группа называется ядром основных групп); перечислены все частные виды (специализации)функций i(u), fU), Is 1,лї ,которые приводят к расширению группы допустимых преобразований по сравнению со случаем произвольных -/ Q(u)? і --/, А/ , соответствующие группы также найдены. " ) Случаи,когда допускается наиболее широкая группа преобразований, подробно исследованы в 3. Показано,что преобразования, которые добавляются к допускаемой уравнением (I.I) группе по сравнению со случаем более общих степенных коэффициентов теплопроводности, подобны сдвигам по пространственным осям координат, причем преобразование подобия на меняет самого уравнения. В случае //= г. ,когда допускаемая группа бесконечна,это преобразование используется для описания всех инвариантных решений. " ) Говоря точнее, как правило найдены не сами группы преобразований соответствующие им алгебры Ли инфинитезимальных операторов.Как известно,группа однозначно восстанавливается по ее алгебре с помощью уравнений Ли. В 4 рассмотрены два инвариантных решения для уравнений более общего вида,чем в 3. Первое решение удовлетворяет анизотропному уравнению (I.I) и описывает направленное распространение (канализацию) тепла,при котором горение происходит лишь в канале вдоль одной из осей координат.Приводятся результаты численных расчетов,подтверждающие аналитические выводы и предположения.Второе решение интересно тем,что траекториями неоднороднос-тей поля температуры,описываемого этим решением,являются спирали.
Групповая классификация проводится с точностью до преобразований эквивалентности 6- ,не меняющих дифференциальной структуры уравнения (1.1),а изменяющих лишь функции KiM, &№L t ЇУ . Два уравнения типа (І.І),получающиеся одно из другого преобразованиями из S ,называются эквивалентными и допускают подобные группы преобразований.Вычисления по методике f/J приводят в данном случае к следующей группе преобразований эквивалентности: Групповая классификация уравнения (I.I) в одномерном случае проведена в работах № &J . _ При изложении результатов групповой классификации трехмерного уравнения (I.I) удобно рассмотреть три случая:все три функции KfM, і 2.Ш) Кз(ц) непропорциональны \ К КЛ Кз Ъ две из трех функций //, , Xj пропорциональны Кі } Kj fix где набор (г, Л ) получается из набора ( 1,2,3 ) произвольной подстановкой. (С помощью преобразований эквивалентности второй случай сводится к случаю K»t « Kj Ф fy . Без ограничения общности будем считать,что /«/, у " f = а то есть во втором случае X/ a #з Ф й .) Все три функции Kf, Кл, К$ пропорциональны: Kf K K .С помощью преобразований эквивалентности этот случай сводится к fy « /(л « Afj .Итак,в третьем случае считаем Л/ " КШ) При произвольных (в рамках рассматриваемого случая) U(ujt L 7,,3 t уравнение (I.I) допускает группу переносов вдоль осей 7 /,. 3 «которые соответствуют инфинитезимальным операторам Группа преобразований,определяемая алгеброй Ли / операторов (1.3) (ядро основных групп),может быть расширена лишь при таких специализациях функций /Сі , Q , г = ,, З , которым соответствуют заштрихованные клетки таблицы 1,где приведена общая схема групповых свойств уравнения (I.I) в рассматриваемом случае.
Касательные преобразования первого порядка
В этой главе продолжается изучение групповых свойств уравнения (1.1),но с точки зрения более общих преобразований, а именно касательных преобразований Ли-Беклунда / 7 Для Уравнения теплопроводности с источником (или стоком) в одномерном, двумерном и трехмерном случаях решена задача групповой классификации.Показано,что все уравнения вида (2.1),допускающие нетривиальные (то есть отличные от точечных и касательных преобразований Ли) преобразования Ли-Беклунда, допускают бесконечную группу таких преобразований,содержащую преобразования сколь угодно высокого порядка.Все такие уравнения являются либо линейными,либо переводятся в линейные некоторым преобразованием. В I показано,что в одномерном случае ( Ж= / ) нетривиальную группу преобразований Ли-Беклунда допускают лишь линейное уравнение & и -ё -произвольные постоянные, и уравнение J- , & , CL VLS -постоянные,причем йъ-О .Уравнение (2.2) без источника {& о ) было исследовано в работе C40J , где также указано преобразование,сводящее это уравнение к линейному .Ниже найдены и линеаризующие преобразования и для случаев Сі о і ё о и й ,// , Заметим,что уравнение вида (2.2) встречаются в различных задачах математической физики. Так в &,/х»іГ,з&] показано, что такое уравнение может описывать диффузию некоторых веществ (красителей) в полимерных материалах; в/йС/оно используется для описания теплопроводности в простых металлах, а в [&9J -в твердом кристаллическом водороде.Во Введении отмечалась также связь этого уравнения с используемой в физике плазмы моделью "обратных" потоков. Преобразование,переводящее (2.2) при а 6 0 в линейное уравнение, по-видимому, впервые найдено в Ш]. Эти вопросы рассматривались также в /?0,4t,A%SC J . В 2 показано,что неодномерное уравнение (2.1) допускает нетривиальную группу Ли-Беклунда лишь в линейном случае ( f , В 3 рассмотрены некоторые решения уравнения (2.1) приА/=/, инвариантные относительно преобразований Ли-Беклунда.Получено общее выражение для широкого класса таких решений. 4 посвящен групповой классификации с точки зрения преобразований Ли-Беклунда одномерного уравнения теплопроводности в неоднородной среде (# и Q - функции от и « ).
Перечислены все нелинейные уравнения,допускающие нетривиальную группу Ли-Беклунда. I. Одномерный случай. В этом параграфе проведена групповая классификация одномерного уравнения теплопроводности то есть найдены все пары функций ,при которых уравнение (2.3) допускает нетривиальную группу Ли-Беклунда. I. Введем некоторые понятия теории групп Ли-Беклунда (см. Г&З Рассмотрим эволюционное уравнение їїусть#? -многообразие,заданное уравнением (2.4) и всеми его дифференциальными следствиями в пространстве точек и т.д.Однопараметрическая группа Ли-Беклунда,допускаемая многообразием 1ц ,задается преобразованиями вида где , і? , V e # ,$ -пространство аналитических функций от конечного числа (своего для каждой функции) аргументов 4 и utt иі » " і &- -"параметр" группы;многоточие означает продолжение формул преобразования на производные,встречающиеся в уравнении (2.4). Символомofa)обозначен остаток формального степенного ряда по CL ;в случае,когда ряды в (2.5) сходятся, символ cfii) приобретает обычное свое значение . В число аргументов функций i- , f , V не включены переменные вида 11 t%%i поскольку их можно выразить через U , Uf , иг ,.. с помощью исходного уравнения (2.4). Преобразования (2.5) можно задавать операторами вида , -операторы полного дифференцирования: Операторы /f образуют алгебру Ли с обычным определением коммутатора. Необходимое и достаточное условие инвариантности уравнения (2.4)(точнее многообразия #j ) относительно преобразования (2.5) записывается в виде Можно показать,что операторы где Mf о/С? -произвольные функции из ,допускаются любым уравнением (2.4) и образуют идеал / в алгебре / операторов /Г .Поэтому имеет смысл рассматривать фактор-алгебру /J, , ,элементы которой (называемые каноническими операторами) имеют вид Критерий инвариантности уравнения (2.4) принимает тогда вид С учетом (2.6) это уравнение можно представить в виде где введен дифференциальный оператор Знание одного решения V уравнения (2.8) часто дает возможность строить последовательности решений этого уравнения. Именно,пусть для Р# и некоторого дифференциального оператора /л определен коммутатор/& AJ-f l "А/ . .Тогда (см./Зт/), если на решениях (2.4) /, удовлетворяет уравнению Лакса где /,, определяется выражением S?/ =/ Л5 (то есть получается дифференцированием коэффициентов оператора А по г ) , то оператор / переводит всякое решение У уравнения (2.8) в решение IV того же уравнения.Действительно,(2.9) эквивалентно уравнению и,следовательно,на решениях (2.4) Таким образом,действие дифференциального оператора / порождает бесконечную цепочку решений уравнения (2.8). Заметим (см. / /),что разрешимость уравнения (2.9)(в определенном классе операторов L ,вообще говоря,не дифференциаль- ных)является необходимым условием того,что (2.8) имеет решения V(i,«яг,и, и1, v ttm) сколь угодно высокого порядка 17?_ и,значит, уравнение (2.4) допускает бесконечную группу преобразований Ли-Беклунда.Этот факт имеет большое практическое значение, поскольку решение уравнения Лакса (2.9) зачастую представляет собой более простую задачу,чем решение определяющего уравнения (2.8). 2. Ниже излагается процедура решения определяющего уравнения (2.8).
Подставив в (2.8) вместоР правую часть уравнения (2.3) и заменив производные U. через (2.3),получим уравнение для определения фуНКЦИИ V(if X, a,Uft иъ) ТГ (/ и +м иг)и + ЛМ/И/Тґ + MV X+O!V, (2.10) где штрих обозначает дифференцирование по U , Можно показать,что при К d2 уравнение (2.10) определяет группу Ли точечных преобразований (вычисленную в f3 -A J , поэтому в дальнейшем полагается,что_ h J . Заметим,что выразив , через правую часть уравнения (2.3), мы исчерпали все имеющиеся связи между производными.Поэтому уравнение (2.10),левая и правая части которого являются полиномами относительно л+2 і /гі-f »Д0ЛЖН0 удовлетворяться тождественно. Так как V(x,t, u,at, ,. mj иА ) не зависит от у/ ил г , то коэффициенты при а г , U, + f , в уравнении (2.10) следует приравнять нулю.В результате получаем систему Решая эти уравнения,получим где функции dft) и Wit 1 ut " л- ; подлежат определению. Подставив (2.II) в (2.10),повторяем процедуру расщепления-приравниваем к нулю коэффициенты при Un и ,откуда получаем Эти коэффициенты позволяют уточнить зависимость У от _/ : где F fi & и) удовлетворяет системе Кроме того,получаем,что при о(Ф 0 ( в противном случае V не зависит от U -см.(2.II))необходимо,чтобы MfU) удовлетворяла уравнению интегрирование которого дает где 2, 6 -произвольные постоянные. Из (2.14) при # О , -ёФ О и при ЯїО получим,соответственно, с помощью очевидной линейной замены,не меняющей структуры уравнения (2.3),две возможности В случае а) из (2.13) следует В случае б) система (2.13) дает Так как Jb не зависит от U ,то отсюда следует,что 2- , -произвольные постоянные,причем Дальнейший анализ случаев а) и б) приводит к следующему классификационному результату. Уравнение (2.3) допускает нетривиальную группу преобразований Ли-Беклунда лишь в случаях: I) K = f Q aU- --& a. , -произвольные постоянные, 3) g = и , Q aU , О. -произвольная постоянная, 4) #-и 2 0. = , & -произвольная постоянная. Заметим,что при А Ф о уравнение (случай 3) точечной заменой переменных переводится в уравнение Также легко указать точечное преобразование,переводящее уравнение, соответствующее случаю 1,в линейное уравнение теплопроводности без источника. Поскольку указанные точечные замены не меняют структуры группы преобразований Ли-Беклунда,в дальнейшем ограничимся анализом следующих случаев: Случай I.