Równanie różniczkowe cząstkowe

W matematyce , a dokładniej w rachunku różniczkowym , równanie różniczkowe cząstkowe (czasami nazywane równaniem różniczkowym cząstkowym i w skrócie PDE ) jest równaniem różniczkowym, którego rozwiązaniami są nieznane funkcje zależne od kilku zmiennych spełniających określone warunki dotyczące ich pochodnych cząstkowych .

PDE często ma bardzo wiele rozwiązań, a warunki są mniej rygorystyczne niż w przypadku zwykłego równania różniczkowego z pojedynczą zmienną; problemy często obejmują warunki brzegowe, które ograniczają zestaw rozwiązań. Podczas gdy zbiory rozwiązań zwykłego równania różniczkowego są sparametryzowane przez jeden lub więcej parametrów odpowiadających dodatkowym warunkom, w przypadku PDE warunki brzegowe mają raczej postać funkcji  ; intuicyjnie oznacza to, że zestaw rozwiązań jest znacznie większy, co dotyczy prawie wszystkich problemów.

PDE są wszechobecne w naukach ścisłych, ponieważ pojawiają się zarówno w dynamice strukturalnej czy mechanice płynów, jak iw teoriach grawitacji , elektromagnetyzmu ( równania Maxwella ) czy matematyce finansowej ( równanie Blacka-Scholesa ). Są niezbędne w takich dziedzinach, jak symulacja lotnicza , synteza obrazów czy prognozowanie pogody . Wreszcie najważniejszymi równaniami ogólnej teorii względności i mechaniki kwantowej są również PDE.

Jednym z siedmiu problemów związanych z Nagrodą Milenijną jest wykazanie istnienia i ciągłości oryginalnych danych systemu PDE zwanego równaniami Naviera-Stokesa .

Wprowadzenie

Bardzo proste równanie różniczkowe cząstkowe to:

gdzie u jest nieznaną funkcją x i y . Z tego równania wynika, że ​​wartości u ( x , y ) są niezależne od x . Rozwiązania tego równania to:

gdzie f jest funkcją y .

Zwykłe równanie różniczkowe

ma na rozwiązanie:

gdzie c jest wartością stałą (niezależną od x ). Te dwa przykłady pokazują, że na ogół rozwiązanie zwykłego równania różniczkowego wymaga dowolnej stałej, podczas gdy cząstkowe równania różniczkowe obejmują dowolne funkcje. Rozwiązanie równań różniczkowych cząstkowych na ogół nie jest unikalne.

Trzy ważne kategorie PDE to liniowe i jednorodne cząstkowe równania różniczkowe drugiego rzędu zwane eliptycznymi , hiperbolicznymi i parabolicznymi .

Notacje

W matematyce

W przypadku PDE, dla uproszczenia, zwyczajowo zapisuje się u nieznaną funkcję i D x u (notacja francuska) lub u x (notacja anglosaska, bardziej rozpowszechniona) jej pochodną cząstkową względem x, tj. zapisy rachunku różniczkowego:

a dla drugiej pochodnej cząstkowej:

W fizyce

Używane są operatory analizy wektorowej .

Podsumowanie analizy wektorów Operator nabla reprezentuje zbiór pochodnych cząstkowych rzędu 1 Dla funkcji wektorowej , stosując do niej iloczyn skalarny , definiujemy dywergencję  : Korzystając z iloczynu poprzecznego , definiujemy rotację Dla funkcji, która w dowolnym miejscu w przestrzeni kojarzy liczbę skalarną, definiujemy gradient : Używamy również operatora Laplaciana , analogicznego do dywergencji dla wyprowadzenia drugiego rzędu. zobacz także wektorowy operator Laplaciana .  

Przykłady EDP

Równanie Laplace'a

Równanie Laplace'a jest bardzo ważnym podstawowym PDE:

gdzie u = u ( x , y , z ) oznacza nieznaną funkcję.

Funkcję tę można zapisać analitycznie w określonych warunkach granicznych i przy zadanej geometrii, na przykład ze współrzędnymi sferycznymi.

W notacji analizy wektorowej za pomocą operatora Laplaciana Δ

Albo funkcja falowa.

Równanie propagacji (lub równanie wibrującej struny)

To PDE, zwane równaniem propagacji fal , opisuje zjawisko propagacji fal dźwiękowych i fal elektromagnetycznych (w tym światła). Nieznaną funkcję falową oznaczamy u (x, y, z, t), t reprezentując czas:

Liczba c oznacza szybkość lub prędkość propagacji fali u.

W notacji analizy wektorowej, używając operatora Laplaciana Δ  :

Albo funkcja falowa. Równanie falowe, postać ogólna
Fala Część podłużna Część poprzeczna Rozpiętość Rozpusta

Zobacz także fala sejsmiczna , fala mechaniczna , Jego , fala na drgającej struny , stacjonarną fali w rurze , Maxwell równań

Równanie Fouriera

To PDE jest również nazywane równaniem ciepła . Funkcja u przedstawia temperaturę. Pochodna rzędu 1 względem czasu odzwierciedla nieodwracalność zjawiska. Liczba ta nazywana jest dyfuzyjnością cieplną ośrodka.

W notacji analizy wektorowej, używając operatora Laplaciana Δ  :

To znaczy funkcja fali temperatury.

Równanie Poissona

Używając operatora Laplaciana Δ  :

Niech będzie funkcją falową i gęstością ładunku.

Równanie adwekcji

Jednowymiarowe równanie adwekcji przestrzeni i czasu opisuje transport ilości przez tempo adwekcji

Ma do sporządzania roztworu do gdzie jest początkowy stan na .

Równanie adwekcji odgrywa fundamentalną rolę w badaniach metod numerycznej rozdzielczości metodą objętości skończonych hiperbolicznych układów praw zachowania, takich jak równania Eulera w dynamice płynów ściśliwych.

Równanie falowe Langmuira

Niech będzie funkcją falową i gęstością ładunku.

To równanie opisuje podłużne fale elektryczne rozchodzące się w plazmie .

Równanie Stokesa

Układ Stokesa, który opisuje przepływ nieściśliwego płynu Newtona w stanie ustalonym i niskiej liczbie Reynoldsa , jest napisany:

Oceny:  

Równanie Schrödingera

Oceny:  

Równanie Kleina-Gordona

Albo funkcja falowa.

Oceny:  

Metody rozdzielczości

Podejście analityczne

Rozdzielczość cyfrowa

Najczęściej stosowanymi metodami numerycznymi do rozwiązywania równań różniczkowych cząstkowych są:

Uwagi i odniesienia

  1. Stéphane Mottin , „Analitical solution of the Laplace equation with Robin conditions by apply Legendre transform”, Integral Transforms and Special Functions , tom. 27 ( n O  4), 2016, p.289-306. Czytaj online

Powiązane artykuły

Bibliografia

Linki zewnętrzne