← Назад Далее →

1.2. Простейшие обобщения

Однородное уравнение переноса (1.1) не представляет большого интереса с точки зрения приложений, поскольку его решение устроено слишком просто. Добавление в правую часть этого уравнения источника \(Q\left(x,t\right)\), не зависящего от решения, оставляет уравнение линейным и существенно расширяет возможный круг его практического применения.

Неоднородное линейное уравнение

$$\frac{\partial {\rm\phi }}{\partial t} +c\cdot \frac{\partial {\rm\phi }}{\partial x} =Q\left(x,t\right){\rm ,} (1.8)$$

описанным ранее способом сводится к системе обыкновенных дифференциальных уравнений:

$$\frac{1}{\sqrt{1+c^{2} } } \cdot \frac{\partial {\rm\phi }\left(s,{\rm\alpha }\right)}{\partial s} =Q\left(x,t\right);{\rm\; \; \; \; \; \; \; \; \; }x=x\left(s,{\rm\alpha }\right);t=t\left(x,{\rm\alpha }\right); (1.9)$$

где \(s\) - параметр, определяющий точку на характеристике; вводится как длина характеристики от точки пересечения ее с границей области на входном участке до требуемой точки, \({\rm\alpha }\)- идентификационный параметр характеристики в их однопараметрическом семействе.

Другое, важное обобщение уравнения (1.1), связано с введением в это уравнение нелинейности - зависимости скорости переноса от искомого решения:

$$\frac{\partial {\rm\phi }}{\partial t} +c\left({\rm\phi }\right)\cdot \frac{\partial {\rm\phi }}{\partial x} =0;{\rm\; \; \; \; \; } (1.10)$$

В простейшем случае, когда \(c\left({\rm\phi }\right)={\rm\phi }\), это уравнение называется уравнением Хопфа и обычно записывается в виде:

$$\frac{\partial {\rm\phi }}{\partial t} +u\cdot \frac{\partial {\rm\phi }}{\partial x} =0; (1.11)$$

Отличительной особенностью уравнения Хопфа является возможность возникновения в его решении т.н. «градиентной катастрофы». Поскольку угол наклона характеристик в нелинейном случае зависит от начальных условий, то даже при гладких начальных условиях характеристики могут пересекаться. Это приводит к потере однозначности решения. Например, если начальный профиль функции \({\rm\phi }(x,0)\) представляет собой «колокол» над нулевым фоном, то этот профиль будет двигаться вправо так, что передний фронт будет становиться более крутым, а задний - более пологим. При приближении к точке потери однозначности модуль градиента (тангенс угла наклона) решения устремляется к бесконечности, что и порождает градиентную катастрофу.

В месте пересечения характеристик возникает сильный разрыв, в окрестности которого дифференциальное уравнение (1.11) перестает быть корректным. Для описания решений с разрывами дифференциальное уравнение (1.11) преобразуют в интегральное уравнение, не содержащее производных. Для этого его приводят к т.н. «дивергентной форме»

$$\frac{\partial {\rm\phi }}{\partial t} +\frac{\partial F\left({\rm\phi }\right)}{\partial x} =0;{\rm\; \; \; \; \; }F\left({\rm\phi }\right)=\frac{1}{2} \cdot {\rm\phi }^{2}$$

и интегрируют по произвольной подобласти \(G_{*} \in G\).

$$\iint \nolimits _{G_{*} }\left[\frac{\partial {\rm\phi }}{\partial t} +\cdot \frac{\partial F\left({\rm\phi }\right)}{\partial x} \right] dxdt=\oint _{\partial G_{*} }\left\{{\rm\phi }dx-F\left({\rm\phi }\right)dt\right\}=0 ; (1.12)$$

Разрывная, вообще говоря, функция \(u\left(x,t\right)\), удовлетворяющая интегральному уравнению (1.12) для всех подобластей \(G*\) области \(G\) называется обобщенным решением дифференциального уравнения (1.11).

Более общее уравнение (1.10) также сводится к дивергентному представлению

$$\frac{\partial {\rm\phi }}{\partial t} +\frac{\partial F\left({\rm\phi }\right)}{\partial x} =0;{\rm\; \; \; \; \; }F\left({\rm\phi }\right)=\int c\left({\rm\phi }\right)d{\rm\phi } ; (1.13)$$

позволяющему перейти к интегральной формулировке задачи, определяющей обобщенное решение уравнения (1.10) в классе разрывных функций. Величины \(F\left({\rm\phi }\right)\) называются потоками.

← Назад Далее →