Kısmi diferansiyel denklem

Gelen matematik , daha kesin olarak diferansiyel hesap , bir kısmi diferansiyel denklem (bazen adı verilen kısmi diferansiyel denklem ve olarak kısaltılır PDE a,) diferansiyel denklem olan çözeltilerdir bilinmeyen işlevleri çeşitli bağlı olarak değişken bunların ilişkin bazı koşulları karşılayan kısmi türevleri .

Bir PDE'nin çoğu kez çok sayıda çözümü vardır, koşullar tek değişkenli sıradan bir diferansiyel denklem durumunda olduğundan daha az katıdır ; sorunlar genellikle çözüm kümesini kısıtlayan sınır koşullarını içerir. Sıradan bir diferansiyel denklemin çözüm setleri, ek koşullara karşılık gelen bir veya daha fazla parametre ile parametrelendirilirken, PDE'ler durumunda, sınır koşulları daha çok bir fonksiyon formundadır  ; sezgisel olarak bu, çözüm kümesinin çok daha büyük olduğu anlamına gelir ve bu neredeyse tüm problemler için geçerlidir.

PDE'ler, yerçekimi , elektromanyetizma ( Maxwell denklemleri ) veya finansal matematik ( Black-Scholes denklemi ) teorilerinde olduğu gibi yapısal dinamiklerde veya akışkanlar mekaniğinde de göründükleri için bilimlerde her yerde mevcuttur . Havacılık simülasyonu , görüntü sentezi veya hava tahmini gibi alanlarda çok önemlidirler . Son olarak, genel görelilik ve kuantum mekaniğinin en önemli denklemleri de PDE'lerdir.

Yedi Milenyum Ödülü probleminden biri , Navier-Stokes denklemleri adı verilen bir PDE sisteminin orijinal verileri üzerindeki varlığını ve sürekliliğini göstermektir .

Giriş

Çok basit bir kısmi diferansiyel denklem:

burada u bilinmeyen bir fonksiyonu olan x ve y . Bu denklem değerleri ifade eder , U ( x , y ) bağımsız x . Bu denklemin çözümleri:

burada f bir fonksiyonudur , y .

Sıradan diferansiyel denklem

çözümü var:

ile C sabit bir değere (bağımsız x ). Bu iki örnek, genel olarak, sıradan bir diferansiyel denklemin çözümünün keyfi bir sabit içerdiğini, kısmi diferansiyel denklemlerin ise keyfi fonksiyonları içerdiğini göstermektedir. Kısmi diferansiyel denklemlerin çözümü genellikle benzersiz değildir.

PDE'nin üç önemli kategorisi, eliptik , hiperbolik ve parabolik olarak adlandırılan doğrusal ve homojen ikinci dereceden kısmi diferansiyel denklemlerdir .

Notasyonlar

Matematikte

PDE'ler için, basitleştirme uğruna, u bilinmeyen fonksiyonu ve D x u (Fransız gösterimi) veya u x (Anglo-Sakson gösterimi, daha yaygın) x'e göre kısmi türevini yazmak gelenekseldir, yani olağan diferansiyel hesabın notasyonları:

ve ikinci kısmi türevler için:

Fizikte

Vektör analizi operatörleri kullanılmıştır.

Vektör analizi özeti Nabla operatörü , 1. dereceden kısmi türev kümesini temsil eder. Bir vektör fonksiyonu için , ona nokta çarpımı uygulayarak , diverjansı tanımlarız  : Kullanılması çapraz ürünü , biz tanımlamak dönme Uzayda herhangi bir noktada skaler bir sayıyı ilişkilendiren bir işlev için gradyanı tanımlarız : İkinci dereceden türetme için diverjansa benzer şekilde Laplacian operatörünü de kullanıyoruz . ayrıca vektör Laplacian operatörüne bakınız .  

EDP ​​örnekleri

Laplace denklemi

Laplace denklemi çok önemli bir temel PDE geçerli:

burada u = u ( x , y , z ) bilinmeyen-fonksiyonunun yerini tutmaktadır.

Bu işlevi, belirli sınırlayıcı koşullar altında ve belirli bir geometriyle, örneğin küresel koordinatlarla analitik olarak yazmak mümkündür.

Vektör analizi gösteriminde, Laplacian operatörünü kullanarak Δ

Ya bir dalga işlevi.

Yayılma denklemi (veya titreşimli dize denklemi)

Dalga yayılma denklemi olarak adlandırılan bu PDE, ses dalgalarının ve elektromanyetik dalgaların (ışık dahil) yayılma olaylarını açıklar. Bilinmeyen dalga fonksiyonu, zamanı temsil eden u (x, y, z, t), t ile gösterilir:

C sayısı, u dalgasının yayılma hızını veya hızını temsil eder.

Vektör analizi gösteriminde, Laplacian operatörü Δ kullanılarak  :

Ya bir dalga işlevi. Dalga denklemi, genel form
Dalga Boyuna kısım Enine kısım Yayılmış Dağılım

Ayrıca bkz sismik dalga , mekanik dalga , His , titreşimli bir dize dalga , bir boru sabit dalga , Maxwell Denklem

Fourier denklemi

Bu PDE'ye ısı denklemi de denir . U fonksiyonu sıcaklığı temsil eder. Zamana göre 1. derecenin türevi, fenomenin geri çevrilemezliğini yansıtır. Sayı , ortamın termal yayılımı olarak adlandırılır .

Vektör analizi gösteriminde, Laplacian operatörü Δ kullanılarak  :

Yani, bir sıcaklık dalgasının bir fonksiyonudur.

Poisson denklemi

Laplacian operatörünün kullanılması Δ  :

Let , dalga fonksiyonu ve olmak yük yoğunluğu.

Adveksiyon denklemi

Uzay ve zamanın 1 boyutlu adveksiyon denklemi , miktarın ilerleme oranına göre taşınmasını tanımlar.

Bu çözüm vardır için burada başlangıç durumdur .

Adveksiyon denklemi , sıkıştırılabilir akışkanlar dinamiğindeki Euler'in denklemleri gibi korunum yasalarının hiperbolik sistemlerinin sonlu hacim yöntemiyle sayısal çözünürlük yöntemlerinin çalışılmasında temel bir rol oynar .

Langmuir dalga denklemi

Let , dalga fonksiyonu ve olmak yük yoğunluğu.

Bu denklem, bir plazmada yayılan uzunlamasına elektrik dalgalarını tanımlar .

Stokes denklemi

Sıkıştırılamayan bir Newtoniyen sıvının kararlı durumda ve düşük Reynolds sayılı akışını tanımlayan Stokes sistemi şöyle yazılır:

Puanlar:  

Schrödinger denklemi

Puanlar:  

Klein-Gordon denklemi

Yani bir dalga fonksiyonu.

Puanlar:  

Çözünürlük yöntemleri

Analitik yaklaşım

Dijital çözünürlük

Kısmi diferansiyel denklemleri çözmek için en yaygın kullanılan sayısal yöntemler şunlardır:

Notlar ve referanslar

  1. Stéphane Mottin , "Legendre dönüşümü uygulayarak Robin koşullarıyla Laplace denkleminin analitik çözümü", İntegral Dönüşümler ve Özel Fonksiyonlar , cilt. 27 ( n o  4), 2016, s. 289-306. Çevrimiçi oku

İlgili Makaleler

Kaynakça

Dış bağlantılar