Текущий выпуск Выпуск 3, 2017 Том 27

Об одном подходе к решению неоднородных уравнений в частных производных

 pdf (241K)

Предложен подход к получению точных решений неоднородных дифференциальных уравнений в частных производных. Показано, что если правая часть уравнения задает поверхность уровня для решения уравнения, то в рамках этого подхода поиск решений рассматриваемого неоднородного уравнения сводится к решению обыкновенного дифференциального уравнения (ОДУ). В противном случае поиск решений уравнения приводит к решению системы ОДУ. Получение системы ОДУ опирается на наличие в рассматриваемом уравнении первых производных от искомой функции. Для уравнений в частных производных, которые явно не содержат первые производные искомой функции, предложена подстановка, позволяющая получить такие члены в уравнении. Чтобы свести исходное уравнение, содержащее первые производные от искомой функции, к системе ОДУ, рассматривается связанная с ним система двух уравнений в частных производных. Первое уравнение системы содержит в левой части частные производные только первого порядка, выбранные из исходного уравнения, в правой части - произвольную функцию, аргументом которой является искомая функция. Второе уравнение содержит члены исходного уравнения, не вошедшие в первое уравнение системы, и правую часть первого уравнения формируемой системы. Решение исходного уравнения сводится к поиску решения первого уравнения полученной системы уравнений в частных производных, обращающего в тождество второе уравнение системы. Такое решение удается найти, используя расширенную систему уравнений характеристик для первого уравнения и произвол в выборе функции из правой части этого уравнения. Описанный подход применен для получения некоторых точных решений уравнения Пуассона, уравнения Монжа-Ампера и уравнения конвекции-диффузии.

Ключевые слова: неоднородные уравнения в частных производных, точные решения, ОДУ, системы ОДУ
Цитата: Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2017, т. 27, вып. 3, с. 355-364
DOI: 10.20537/vm170306

On one approach to solving nonhomogeneous partial differential equations

An approach to obtaining exact solutions for nonhomogeneous partial differential equations (PDEs) is suggested. It is shown that if the right-hand side of the equation specifies the level surface of a solution of the equation, then, in this approach, the search of solutions of considered nonhomogeneous differential equations is reduced to solving ordinary differential equation (ODE). Otherwise, searching for solutions of the equation leads to solving the system of ODEs. Obtaining a system of ODEs relies on the presence of the first derivatives of the sought function in the equation under consideration. For PDEs, which do not explicitly contain first derivatives of the sought function, substitution providing such terms in the equation is proposed. In order to reduce the original equation containing the first derivative of the sought function to the system of ODEs, the associated system of two PDEs is considered. The first equation of the system contains in the left-hand side only first order partial derivatives, selected from the original equation, and in the right-hand side it contains an arbitrary function, the argument of which is the sought unknown function. The second equation contains terms of the original equation that are not included in the first equation of the system and the right-hand side of the first equation in the system created. Solving the original equation is reduced to finding the solutions of the first equation of the resulting system of equations, which turns the second equation of the system into identity. It has been possible to find such solution using extended system of equations for characteristics of the first equation and the arbitrariness in the choice of function from the right-hand side of the equation. The described approach is applied to obtain some exact solutions of the Poisson equation, Monge-Ampere equation and convection–diffusion equation.

Keywords: nonhomogeneous partial differential equations, exact solutions, ODE, systems of ODEs
Citation in English: Bulletin of Udmurt University. Mathematics, Mechanics, Computer Science, 2017, vol. 27, issue 3, pp. 355-364

Журнал индексируется в Scopus

Журнал входит в базы данных zbMATH, MathSciNet

Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science

Журнал включен в перечень ВАК.

Электронная версия журнала на Общероссийском математическом портале Math-Net.Ru.

Журнал включен в Crossref