fbpx
维基百科

特征线法

数学中的特征线法是求解偏微分方程的一种方法,适用于准线性偏微分方程的求解。只要初始值不是沿着特征线给定,即可通过特征线法获得偏微分方程的精确解。 其基本思想是通过把双曲线型的准线性偏微分方程转化为两组常微分方程,再对常微分方程进行求解。两组常微分方程中的一组用于定义特征线,另一组用以描述解沿给定特征线变化。

基本方法

设所需求解的准线性偏微分方程为

 

 

 

 

 

(1)

其中  

取某变量  ,令    求导數,可得

 

 

 

 

 

(2)

若定义  ,可知

 

 

 

 

 

(3)

即,求解的偏微分方程(1)的过程变作对联立的常微分方程组作积分

 

 

 

 

 

(4)

积分过程需要给定初始条件。一般初始条件给定的形式为   空间中的流形

 

 

 

 

 

(5)

将此曲面对应为  

设想    依赖于变量  ,则   可作方程(5)中的初始值,即

 

 

 

 

 

(6)

从方程组(4)和初始条件(6)确定    后,可以得到解的隐式形式。如果可以解析消掉  ,则可获得显式形式的解。

一阶偏微分方程的特征线法

沿着一阶偏微分方程的特征线, 偏微分方程简化为一个常微分方程. 沿着特征线求出对应常微分方程的解就可以得到偏微分方程的解.

为了更好地解释这一方法, 考虑具有以下形式的偏微分方程

 

 

 

 

 

(1)

假设解 u 已知, 考虑R3中的曲面 z = u(x,y). 曲面的法向量

 

那么,[1] 方程 (1) 表示向量场

 

与曲面 z = u(x,y) 在任意点处相切. 换句话说, 解函数的图像必定是该向量场的积分曲线的并. 这些积分曲线被称作偏微分方程的特征线.

注记

参考资料

  • Courant, Richard; Hilbert, David, Methods of Mathematical Physics, Volume II, Wiley-Interscience, 1962 
  • Delgado, Manuel, The Lagrange-Charpit Method, SIAM Review, 1997, 39 (2): 298–304, doi:10.1137/S0036144595293534 
  • Evans, Lawrence C., Partial Differential Equations, Providence: American Mathematical Society, 1998, ISBN 0-8218-0772-2 
  • John, Fritz, Partial differential equations 4th, Springer, 1991, ISBN 978-0387906096 
  • Polyanin, A. D.; Zaitsev, V. F.; Moussiaux, A., Handbook of First Order Partial Differential Equations, London: Taylor & Francis, 2002, ISBN 0-415-27267-X 
  • Polyanin, A. D., Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists, Boca Raton: Chapman & Hall/CRC Press, 2002, ISBN 1-58488-299-9 
  • Sarra, Scott, The Method of Characteristics with applications to Conservation Laws, Journal of Online Mathematics and its Applications, 2003 [2010-04-06], (原始内容于2020-02-22) .
  • Streeter, VL; Wylie, EB, Fluid mechanics International   Revised, McGraw-Hill Higher Education, 1998 

外部链接

  • Prof. Scott Sarra tutorial on Method of Characteristics (页面存档备份,存于互联网档案馆
  • Prof. Alan Hood tutorial on Method of Characteristics (页面存档备份,存于互联网档案馆

特征线法, 数学中的是求解偏微分方程的一种方法, 适用于准线性偏微分方程的求解, 只要初始值不是沿着特征线给定, 即可通过获得偏微分方程的精确解, 其基本思想是通过把双曲线型的准线性偏微分方程转化为两组常微分方程, 再对常微分方程进行求解, 两组常微分方程中的一组用于定义特征线, 另一组用以描述解沿给定特征线变化, 目录, 基本方法, 一阶偏微分方程的, 注记, 参考资料, 外部链接基本方法, 编辑设所需求解的准线性偏微分方程为, displaystyle, left, boldsymbol, right, fra. 数学中的特征线法是求解偏微分方程的一种方法 适用于准线性偏微分方程的求解 只要初始值不是沿着特征线给定 即可通过特征线法获得偏微分方程的精确解 其基本思想是通过把双曲线型的准线性偏微分方程转化为两组常微分方程 再对常微分方程进行求解 两组常微分方程中的一组用于定义特征线 另一组用以描述解沿给定特征线变化 目录 1 基本方法 2 一阶偏微分方程的特征线法 3 注记 4 参考资料 5 外部链接基本方法 编辑设所需求解的准线性偏微分方程为 a 1 x u u x 1 a 2 x u u x 2 a N x u u x N b x u displaystyle a 1 left boldsymbol x u right frac partial u partial x 1 a 2 left boldsymbol x u right frac partial u partial x 2 cdots a N left boldsymbol x u right frac partial u partial x N b left boldsymbol x u right 1 其中 u x u x 1 x 2 x N displaystyle u left boldsymbol x right u left x 1 x 2 ldots x N right 取某变量 s displaystyle s 令 u x displaystyle u boldsymbol x 对 s displaystyle s 求导數 可得 d u d s x 1 s u x 1 x 2 s u x 2 x N s u x N displaystyle frac text d u text d s left frac partial x 1 partial s right frac partial u partial x 1 left frac partial x 2 partial s right frac partial u partial x 2 ldots left frac partial x N partial s right frac partial u partial x N 2 若定义 x k s a k x u displaystyle frac partial x k partial s a k left boldsymbol x u right 可知 d u d s a 1 x u u x 1 a 2 x u u x 2 a N x u u x N b x u displaystyle frac text d u text d s a 1 left boldsymbol x u right frac partial u partial x 1 a 2 left boldsymbol x u right frac partial u partial x 2 ldots a N left boldsymbol x u right frac partial u partial x N b left boldsymbol x u right 3 即 求解的偏微分方程 1 的过程变作对联立的常微分方程组作积分 x k s a k x u d u d s b x u displaystyle left begin array rcl dfrac partial x k partial s amp amp a k left boldsymbol x u right 1em dfrac text d u text d s amp amp b left boldsymbol x u right end array right 4 积分过程需要给定初始条件 一般初始条件给定的形式为 x displaystyle x 空间中的流形 g x u 0 displaystyle g left boldsymbol x u right 0 5 将此曲面对应为 s 0 displaystyle s 0 设想 x displaystyle boldsymbol x 和 u displaystyle u 依赖于变量 s t 1 t 2 t N 1 displaystyle s t 1 t 2 t N 1 则 t 1 t 2 t N 1 displaystyle t 1 t 2 t N 1 可作方程 5 中的初始值 即 x 1 s 0 h 1 t 1 t 2 t N 1 x 2 s 0 h 2 t 1 t 2 t N 1 u s 0 v t 1 t 2 t N 1 displaystyle begin array rcl x 1 left s 0 right amp amp h 1 left t 1 t 2 ldots t N 1 right x 2 left s 0 right amp amp h 2 left t 1 t 2 ldots t N 1 right vdots u left s 0 right amp amp v left t 1 t 2 ldots t N 1 right end array 6 从方程组 4 和初始条件 6 确定 x displaystyle boldsymbol x 和 u displaystyle u 后 可以得到解的隐式形式 如果可以解析消掉 s t 1 t 2 t N 1 displaystyle s t 1 t 2 t N 1 则可获得显式形式的解 一阶偏微分方程的特征线法 编辑沿着一阶偏微分方程的特征线 偏微分方程简化为一个常微分方程 沿着特征线求出对应常微分方程的解就可以得到偏微分方程的解 为了更好地解释这一方法 考虑具有以下形式的偏微分方程 a x y u u x b x y u u y c x y u displaystyle a x y u frac partial u partial x b x y u frac partial u partial y c x y u 1 假设解 u 已知 考虑R3中的曲面 z u x y 曲面的法向量为 u x x y u y x y 1 displaystyle u x x y u y x y 1 那么 1 方程 1 表示向量场 a x y z b x y z c x y z displaystyle a x y z b x y z c x y z 与曲面 z u x y 在任意点处相切 换句话说 解函数的图像必定是该向量场的积分曲线的并 这些积分曲线被称作偏微分方程的特征线 注记 编辑 John 1991参考资料 编辑Courant Richard Hilbert David Methods of Mathematical Physics Volume II Wiley Interscience 1962 Delgado Manuel The Lagrange Charpit Method SIAM Review 1997 39 2 298 304 doi 10 1137 S0036144595293534 Evans Lawrence C Partial Differential Equations Providence American Mathematical Society 1998 ISBN 0 8218 0772 2 John Fritz Partial differential equations 4th Springer 1991 ISBN 978 0387906096 Polyanin A D Zaitsev V F Moussiaux A Handbook of First Order Partial Differential Equations London Taylor amp Francis 2002 ISBN 0 415 27267 X Polyanin A D Handbook of Linear Partial Differential Equations for Engineers and Scientists Boca Raton Chapman amp Hall CRC Press 2002 ISBN 1 58488 299 9 Sarra Scott The Method of Characteristics with applications to Conservation Laws Journal of Online Mathematics and its Applications 2003 2010 04 06 原始内容存档于2020 02 22 Streeter VL Wylie EB Fluid mechanics International 9 t h displaystyle 9 th Revised McGraw Hill Higher Education 1998 外部链接 编辑Prof Scott Sarra tutorial on Method of Characteristics 页面存档备份 存于互联网档案馆 Prof Alan Hood tutorial on Method of Characteristics 页面存档备份 存于互联网档案馆 取自 https zh wikipedia org w index php title 特征线法 amp oldid 69643321, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

文章

,阅读,下载,免费,免费下载,mp3,视频,mp4,3gp, jpg,jpeg,gif,png,图片,音乐,歌曲,电影,书籍,游戏,游戏。