научная статья по теме ТОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВЫХ КЛАССОВ РЕАКЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫХ УРАВНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ ЗАПАЗДЫВАНИЕ И ПРОИЗВОЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ТОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВЫХ КЛАССОВ РЕАКЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫХ УРАВНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ ЗАПАЗДЫВАНИЕ И ПРОИЗВОЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 2, с. 175-181

УДК 536+532+517.9

ТОЧНЫЕ РЕШЕНИЯ НОВЫХ КЛАССОВ РЕАКЦИОННО-ДИФФУЗИОННЫХ УРАВНЕНИЙ, СОДЕРЖАЩИХ ЗАПАЗДЫВАНИЕ

И ПРОИЗВОЛЬНЫЕ ФУНКЦИИ

© 2015 г. А. Д. Полянин

Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, Москва Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва

polyanin@ipmnet.ru Поступила в редакцию 31.10.2013 г.

Рассматриваются нелинейные одномерные реакционно-диффузионные уравнения с запаздыванием

ut = [G(u)ux ]x + F(u, w),

где u = u(x, t),w = u(x, t — т), т — время запаздывания. Описаны новые классы таких уравнений, зависящих от одной или двух произвольных функций одного аргумента, которые имеют точные решения с простым, обобщенным и функциональным разделением переменных. Для поиска решений применяется метод функциональных связей. Приведены некоторые точные решения более сложных трехмерных реакционно-диффузионных уравнений с запаздыванием

и, = &\у[0(и)Ч и] + Г (и, т).

Все полученные решения являются новыми, содержат свободные параметры и могут быть использованы для решения некоторых задач и тестирования приближенных аналитических и численных методов решения подобных и более сложных нелинейных уравнений с запаздыванием.

Ключевые слова: дифференциальные уравнения с запаздывающим аргументом, нелинейные реакционно-диффузионные уравнения с запаздыванием, точные решения с простым, обобщенным и функциональным разделением переменных, метод функциональных связей, время запаздывания, уравнение Гельмгольца, уравнение Пуассона.

БО1: 10.7868/80040357115020104

ВВЕДЕНИЕ

Дифференциальные уравнения и системы уравнений с запаздывающим аргументом возникают в различных приложениях, таких как биохимия, химия, биология, биофизика, физическая химия, медицина, гидродинамика, экология, теория климатических моделей, теория управления, математическая экономика и многих других (см., например, работы [1—12] и ссылки в них). Отметим также, что подобные уравнения встречаются в теории искусственных нейронных сетей, результаты которой используются для обработки сигналов и изображений и проблем распознавания образов [13, 14].

В данной статье рассматриваются нелинейные реакционно-диффузионные уравнения с запаздыванием следующего вида:

ы, = Щи)ых ]х + Г (и, т), ш = ы(х,, - т), (1)

где т — время запаздывания.

Точные решения уравнения теплопроводности с нелинейным источником, которое является частным случаем уравнения (1) без запаздывания при Г (и, т) = / (и), описаны в [15—18] (в [18, 19] приведено большое число точных решений соответствующих нелинейных реакционно-диффузионных систем уравнений без запаздывания).

Скорость изменения искомых величин в биохимических, биологических, физико-химических, экологических и других системах в общем случае зависит не только от их состояния в фиксированный момент времени, но и от всей предыдущей эволюции системы или определяется значениями искомой величины в конкретные моменты времени в прошлом. Последний случай часто моделируется уравнениями вида (1), в которых скорость биохимической реакции Ш зависит от функции с

запаздывающим аргументом w. При F(u, w) = f (w) в уравнении (1) физический смысл запаздывания заключается в том, что процессы массо- и тепло-переноса в локально-неравновесных средах обладают инерционными свойствами: система реагирует на диффузионное (тепловое) воздействие не в тот же момент времени t, как в классическом локально-равновесном случае, а на время релаксации т позже.

Простейшим нелинейным уравнением вида (1) является диффузионное логистическое уравнение (уравнение Фишера с запаздыванием) с кинетической функцией F(u,w) = au(1 - bw) и G(u) = = const [2, 3]. Системой из двух уравнений вида (1) с квадратичной нелинейностью и запаздыванием моделируется реакция Белоусова—Жаботинского [2].

Наличие запаздывания в уравнении (1) резко усложняет его исследование. В последнее время был получен ряд результатов по точным решениям уравнения (1) для G (u) = const, которые описаны ниже. Проведенный в [6] групповой анализ позволил найти два реакционно-диффузионных уравнения, допускающих невырожденные инвариантные решения. В работах [20—24] были получены точные решения с простым, обобщенным и функциональным разделением переменных ряда уравнений вида (1) при G(u) = const. Многие из рассмотренных в [20—24] уравнений содержали функциональный произвол, причем некоторые решения включали большое (любое) число произвольных постоянных.

Замечание 1. В общем случае уравнение (1) допускает простые точные решения типа бегущей волны u = u(kx + Х t), которые здесь не рассматриваются.

Замечание 2. В данной статье термин точные решения нелинейных дифференциально-разностных уравнений в частных производных (в том числе и уравнений с запаздыванием вида (1)) применяется, когда решения выражаются [20—24]:

(i) через элементарные функции и интегралы (неопределенные и определенные),

(ii) через решения обыкновенных дифференциальных или обыкновенных дифференциально-разностных уравнений (или систем таких уравнений),

(iii) через решения линейных уравнений в частных производных.

Допустимы также комбинации решений из пп. (i)-(iii).

Замечание 3. Методы решения и различные приложения линейных и нелинейных обыкновенных дифференциально-разностных уравнений, которые существенно проще нелинейных дифференциально-разностных уравнений в частных производных, описаны, например, в [7—9, 25].

Замечание 4. В теории тепло- и массопереноса и гидродинамике встречаются также дифферен-

циально-разностные модели с конечным временем релаксации [20, 26—28], в которых запаздывание входит в производные искомых величин.

МЕТОД ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВЯЗЕЙ.

ВИД ТОЧНЫХ РЕШЕНИЙ

Будем рассматривать нелинейные реакционно-диффузионные уравнения с запаздыванием вида (1), зависящие от произвольной функции одного аргумента / (г):

/ = /(г), I = г(и, м), м = и(х, ? - т), (2)

где г = 1(и, м) — некоторая функция.

Точные решения с обобщенным разделением переменных ищем в виде

и = Ф:(хМ(0 + Ф2(х)у 2(*\ (3)

где функции фп(х) и уопределяются в ходе дальнейшего анализа. Простому разделению переменных соответствуют решения и = ф(х)у(?) и и = ф(х) + , которые являются частными случаями (3).

Для определения вида аргумента г = г(и, м) произвольной функции /(г) используем метод функциональных связей, который основан на поиске точных решений вида (3), удовлетворяющих одной из двух функциональных связей [23]:

г(и, м) = р(х), м = и(х, ( - т); (4)

г(и, м) = дЦ), м = и(х, ? - т). (5)

Эти связи представляют собой разностные уравнения относительно переменной I, где х играет роль свободного параметра. Функции р(х) и д^) неявно зависят от х и I и выражаются в терминах функций фп(х) и у$), соответственно.

Частное решение разностного уравнения (4) или (5) с учетом (3) определяет допустимый вид точного решения, окончательный вид которого определяется путем подстановки (3) в рассматриваемое реакционно-диффузионное уравнение (1). Попутно находятся также функции G(u) и ¥ (и, м).

Помимо решений с обобщенным разделением переменных (3) рассматривались также некоторые более сложные решения с функциональным разделением переменных, в том числе, допускающие представление в неявной форме

и (и) = ф1(х)^(0 + Ф2(х)у 2(0, (6)

где и (и) — некоторая заданная или произвольная функция.

Далее приводятся только реакционно-диффузионные уравнения с запаздыванием, зависящие от произвольных функций /(и) и g(u), и их точные решения с простым, обобщенным и функциональным разделением переменных. Все промежуточные выкладки опускаются.

УРАВНЕНИЯ СОДЕРЖАТ ОДНУ ПРОИЗВОЛЬНУЮ ФУНКЦИЮ

Уравнение 1. Рассмотрим уравнение (1) вида щ = а(иких) х + и/ (Щи), (7)

где /(г) — произвольная функция.

Уравнение (7) имеет точное решение в виде произведения функций разных аргументов

и = ф(х)у(0, (8)

где функции ф(х) и описываются обыкновенными дифференциальным и дифференциально-разностным уравнениями

а(ф кфХ )Х = Ьф, (9)

¥'(0 = Ь¥ к+1(0 + ¥(,)/(¥(, - х)/¥(,)), (10) где Ь — произвольная постоянная.

При Ь = 0 общее решение уравнения (9) имеет вид

\(С1х + С2)1/(к+1) при к Ф-1, [С ехр(С2х) при к = -1, где С1, С2 — производные постоянные.

При к ф - 2 и к ф 0 частное решение уравнения (9) имеет вид

Ф =

Ф = Ах2к,

А =

Ьк2

1/ к

(11)

(12)

(15)

3. Уравнение (11) при к = -1 имеет решение в виде произведения функций разных аргументов

и = С1 ехр (—Ьх2 + С2 х) 2а

(16)

где С1, С2 — произвольные постоянные, а функция у(,) описывается обыкновенным дифференциально-разностным уравнением (14).

Уравнение 3. Рассмотрим уравнение

и, = а(иких)х + Ь + и~к/(ик+1 - тк+1), к ф-1. (17)

1. Уравнение (17) имеет решение с функциональным разделением переменных

"|1/(к+1)

и =

Аг - Ь(к±1)х2 + С1 х + С2 2а

(18)

где С1, С2 — произвольные постоянные, А — решение алгебраического (трансцендентного) уравнения А = (к + 1) / (А т).

2. Уравнение (17) имеет более сложное решение с функциональным разделением переменных вида

и = м,) - Ь(к±1)х2 + С1х + С2]1/(к+1), 2а

(19)

2а(к + 2)_

Уравнение 2. Рассмотрим уравнение

и, = а(иких )х + и/ (ш/и) + Ьи +1, которое является обобщением уравнения (7).

1. Уравнение (11) при Ь(к + 1) > 0 имеет решение в виде произведения функций разных аргументов

и = [С1 ео8(рх) + С2 Бшфх)]1/(к+1)),

в = л] Ь(к + 1)/а, где С1, С2 — произвольные постоянные, а функция описывается обыкновенным дифференциально-разностным уравнением

V'(,) = М0/№ -т)/ у(,)). (13)

Частным решением уравнения (14) является экспоненциальная функция

у(0 = Ае ^, (14)

где А — произвольная постоянная, а X — решение алгебраического (трансцендентного) уравнения X - /(е_Хт) = 0.

2. Уравнение (11) при Ь(к + 1) < 0 имеет решение в виде произведения функций разных аргументов

и = [С1 ехр(-р х) + С2 ехр (в х)]1/(к+1)у(,),

в = ^-Ь(к + 1)1 а, где С1, С2 — произвольные постоянные, а функция описывается обыкновенным дифференциально-разностным уравнением (13).

где С1, С2 — произвольные постоянные, а функция описывается обыкновенным дифференциально-разностным уравнением

у'(,) = (к + 1)/(у(0 -т)). (20)

Уравнение 4. Уравнение

и, = а(и~

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком