Инвариантные решения двумерного уравнения теплопроводности

 pdf (158K)

Группой симметрии данного дифференциального уравнения называется группа преобразований, которые переводят решения уравнения в решения. Если известны инфинитезимальные образующие группы симметрий, то мы можем находить инвариантные решения относительно этой группы. Для систем уравнений с частными производным группу симметрий можно использовать, чтобы явно найти частные типы решений, которые сами являются инвариантными относительно некоторой подгруппы полной группы симметрий системы. Например, решения уравнения с частными производными от двух независимых переменных, инвариантные относительно заданной однопараметрической группы симметрий, находятся решением системы обыкновенных дифференциальных уравнений. Класс инвариантных относительно группы решений включает в себя точные решения, имеющие непосредственное математическое или физическое значения. В работе с помощью известных инфинитезимальных образующих некоторых групп симметрий двумерного уравнения теплопроводности найдены решения, инвариантные относительно этих групп. Сначала рассматривается двумерное уравнение теплопроводности с источником тепловыделения (с источником теплопоглощения), которое описывает процесс распространения тепла на плоской области. Для этого случая найдено семейство точных решений, зависящее от произвольных постоянных. Затем найдены инвариантные решения уравнения теплопроводности без источника тепла и без источника поглощения.

Ключевые слова: группа симметрий, уравнение теплопроводности, инфинитезимальная образующая, векторное поле
Цитата: Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2019, т. 29, вып. 1, с. 52-60
DOI: 10.20537/vm190105

Invariant solutions of the two-dimensional heat equation

The symmetry group of a given differential equation is the group of transformations that translate the solutions of the equation into solutions. If the infinitesimal generators of symmetry groups are known, then we can find solutions that are invariant under this group. For systems of partial differential equations, the symmetry group can be used to explicitly find particular types of solutions that are themselves invariant under a certain subgroup of the full symmetry group of the system. For example, solutions of an equation with partial derivatives of two independent variables, invariant under a given one-parameter symmetry group, are found by solving a system of ordinary differential equations. The class of solutions that are invariant with respect to a group includes many exact solutions that have immediate mathematical or physical meaning. In this paper, using the well-known infinitesimal generators of some symmetry groups of the two-dimensional heat conduction equation, solutions are found that are invariant with respect to these groups. First we consider the two-dimensional heat conduction equation with a source that describes the process of heat propagation in a flat region. For this case, a family of exact solutions was found, depending on an arbitrary constant. Then invariant solutions of the two-dimensional heat conduction equation without source are found.

Keywords: symmetry group, heat equation, infinitesimal generator, vector field
Citation in English: Bulletin of Udmurt University. Mathematics, Mechanics, Computer Science, 2019, vol. 29, issue 1, pp. 52-60

Журнал индексируется в Web of Science (Emerging Sources Citation Index)

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