首次積分法下非線性偏微分方程的精確行波解＊

劉開宇，黨軍杰

（湖南大學數(shù)學與計量經(jīng)濟學院，湖南長沙 410082）

首次積分法下非線性偏微分方程的精確行波解＊

劉開宇?，黨軍杰

（湖南大學數(shù)學與計量經(jīng)濟學院，湖南長沙 410082）

針對一類非線性偏微分方程，提出行波解的存在性問題.通過引入波變量，利用基于交換代數(shù)環(huán)論的首次積分方法，直接得到2種非線性演化方程模型的精確行波解.首次積分法較之傳統(tǒng)的技巧更方便、更快捷.因此首次積分法在解決某些非線性方程的復(fù)雜孤波解時是一種有效并且有著巨大潛力的方法.

非線性微分方程；行波解；首次積分法

關(guān)于非線性偏微分方程行波解的探討在研究非線性物理現(xiàn)象中起著非常重要作用、非線性波動現(xiàn)象出現(xiàn)在各種科學和工程領(lǐng)域，如流體力學、等離子體物理、光學纖維、生物、固體物理、化學動力學、化學物理和地球化學等.非線性波的色散、耗散、擴散、反應(yīng)和對流現(xiàn)象在非線性波動方程中是非常重要的，新的精確行波解可以幫助人們發(fā)現(xiàn)新的現(xiàn)象.為此，在過去的幾十年里人們做了大量工作，提出了許多有效的方法，如齊次平衡法［1］、雙曲正切值擴展方法［2－3］、雅可比橢圓函數(shù)展開法［4－7］、sine-cosine法［8－9］、tanh函數(shù)法［10－11］等等.運用上述方法求解非線性演化方程的一個共同特點，就是要利用Maple或Mathematica軟件作繁瑣計算.近年來，出現(xiàn)了一個非常有效的新方法——首次積分法.該方法是基于交換代數(shù)環(huán)的理論［12］，我們可用它研究多種非線性演化方程的行波解［13－14］.運用首次積分可以方便、快捷地求出某些非線性演化方程的精確孤波解，與傳統(tǒng)方法相比它具有許多優(yōu)點，它主要避免了大量復(fù)雜和繁瑣的計算，提供了精確、明確的孤波解.

1 首次積分法

Raslan［15］對運用首次積分法的步驟作了如下總結(jié).

步驟1 考慮如下一般非線性偏微分方程（PDE）：

引入波變量ξ＝x－ct.于是方程（1）可表示為非線性常微分方程（ODE）：式中.如果式（2）中含有階數(shù)高于2的導數(shù)，我們假定通過積分后可使所含的最高導數(shù)階數(shù)是2（見方程（4））.

步驟2 在ODE式（2）中引入新的獨立變量

步驟3 由常微分方程的定性理論，如果能夠找到相同條件下式（3）的積分，則可以直接求出式（3）的解.然而，一般來說，這的確是很困難的.因為對于一個給定的平面自治系統(tǒng)，我們既沒有一個系統(tǒng)的理論，也沒有一個邏輯方法可用來獲得它的首次積分.我們將運用除法定理獲得式（3）的首次積分，通過求解這個方程從而得到方程（1）的精確解.下面我們給出除法定理.

除法定理 假設(shè)P（w，z），Q（w，z）是定義在復(fù)數(shù)域C（w，z）上的2個多項式，且P（w，z）是C（w，z）上的既約多項式.若Q（w，z）在P（w，z）的所有零點均為零，則存在C（w，z）上的多項式G（w，z）使得：

除法定理易由文獻［12］中的交換代數(shù)環(huán)定理得到.

2 Fornberg-Whitham方程

Fornberg-Whitham方程為：

方程（4）是在研究波裂的定性行為時由Fornberg-Whitham提出的［16－17］，它是一個非線性色散波動方程，由于式（4）是一個派生方程，關(guān)于它的研究并不多見.在文獻［17］中Fornberg和Whitham得到了一個如下形式的尖峰波解：

其中A為任意常數(shù).

下面我們用首次積分法進行研究.若方程（4）有如下形式的行波解：

利用式（3），方程（7）可改寫為二維自治系統(tǒng)：

式中：ai（X），i＝0，1，…，m為關(guān)于X的多項式且am（X）≠0.則方程（10）稱為式（9）的首次積分.由除法定理，存在復(fù)數(shù)域C［X，Y］上的多項式g（X）＋h（X）Y，使得

為簡便起見，對方程（10）我們?nèi)＝1.通過比較方程（11）兩邊Yi（i＝0，1）的系數(shù)，可得

3 變形Boussinesq方程

作為水波模型，u表示波速，H為總深度，方程中右下標記表示偏導數(shù).假設(shè)方程（16）有下面形式的行波解：

我們考慮如下變形Boussinesq方程［18］：

式中c0為積分常數(shù).

通過與文獻［18］中所得結(jié)果比較，我們所得到的解的表達式更為簡單.

4 結(jié) 論

本文利用首次積分建立2種非線性演化方程的精確行波解.許多為人們熟知的非線性波動方程均可用這種方法處理，由此可見這一方法是非常行之有效的.相比于其他傳統(tǒng)方法，它的優(yōu)勢在于避免了大量復(fù)雜和繁瑣的計算，提供精確和簡單行波解的表達式，同時能給出多個顯式解.

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Exact Travelling Wave Solutions of Nonlinear Partial Differential Equations by Using the First Integral Method

LIU Kai-yu?，DANG Jun-jie

（College of Mathematics and Econometrics，Hunan Univ，Changsha，Hunan 410082，China）

Considering the many models of nonlinear partial differential equations existing in physics and other fields，the existence of exact travelling wave solutions of equations was proposed.By introducing a wave variable and using the first integral method based on the ring theory of commutative algebra，we have obtained the exact travelling solitary wave solutions for two nonlinear evolution equations.It has many advantages over other traditional techniques，it is direct and concise.It also shows that the first integral method is an effective method with great potentials when finding complex solitary wave solutions of the nonlinear equations.

nonlinear differential equations；travelling wave solutions；first integral method

O175.12

A

1674-2974（2011）06-0089-04＊

2010-06-15

國家自然科學基金資助項目（10601016）；教育部留學回國人員科研啟動基金資助項目

劉開宇（1964－），女，湖南長沙人，湖南大學副教授，博士

?通訊聯(lián)系人，E-mail：Liukyhnu＠yahoo.com.cn