Дифференциальные уравнения в частных производных в физике

Методы решения задач математической физики, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных

5.2. Методы решения задач математической физики, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных

5.2.1. Обзор методов решения задач математической физики, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных

Дифференциальные уравнения в частных производных классифицируют либо в зависимости от их математической природы — эллиптические, параболические и т. п. — либо в зависимости от физического смысла решаемых с их помощью задач — уравнение диффузии, волновое уравнение и т. п. Приведем классификацию наиболее часто встречающихся простейших уравнений в частных производных и области их использования.

Примеры задач, в которых встречается уравнение

Установившееся течение жидкости. Стационарные тепловые поля.

Теплопередача с внутренними источниками тепла.

Распространение звуковых волн.

Здесь: ; D 2f=

В настоящее время можно выделить три основных подхода к решению задач математической физики. Прежде всего это широкий спектр математических методов, известных под названием взвешенных невязок (рисунок ниже).

К другому классу относят различные сеточные или конечно-разностные методы, получившие широкое распространение вследствие простоты и наглядности формулировки и, наконец, интенсивно развивающиеся в последнее время вероятностные методы.

Широкому распространению некоторых модификаций этих методов способствовало прежде всего появление ЭВМ, а также достаточно степень алгоритмизации, разрешаемая структурой этих методов.

5.2.2. Метод конечных разностей для уравнений в частных производных.

Также как и при решении методом конечных разностей обыкновенных дифференциальных уравнений в основе решения уравнений в частных производных тем же методом лежит конечно-разностная аппроксимация производных. В области изменения независимых переменных уравнения L(f)=0 вводится сетка с достаточно малым шагом h. Отсюда МКР, применяемый для решения двумерных задач, часто называют методом сеток. Алгебраическое (или трансцендентное) уравнение Lh(f)=0 ,определенное в узлах сетки путем замены производных их конечно-разностными соотношениями и называемое сеточным или разностным уравнением, должно обеспечивать при неограниченном измельчении сетки при h®0 для любой достаточно гладкой функции Lh(f) ® L(f). При этом величина | Lh(f) — L(f)|. называется локальной погрешностью или погрешностью аппроксимации (дискретизации). Погрешность аппроксимации легко определяется при помощи разложений в окрестности данного узла сетки достаточно гладкой функции в соответствующие ряды Тейлора.

В основе решения уравнения в частных производных методом конечных разностей лежит конечно-разностная схема аппроксимации производных, которая во многом напоминает описанную ранее процедуру для обыкновенных дифференциальных уравнений.

Аппроксимация осуществляется в три этапа:

Сначала в области решения вводят равномерную сетку ²узловых точек², соответствующую характеру задачи и граничным условиям. Затем решаемое уравнение в частных производных записывают в наиболее удобной системе координат и, представляя производные в конечно-разностной форме, приводят его к виду разностного уравнения.

Полученное разностное уравнение используют в дальнейшем для описания функциональной связи между соседними узлами сетки. Разностное уравнение записывают для всех узлов сетки и получают в результате систему n уравнений с n неизвестными. На последнем этапе полученную систему n уравнений с n неизвестными решают одним из численных методов. На первый взгляд эта процедура, состоящая из трех этапов, может показаться простой и прямо ведущей к решению, однако это не так — широкое разнообразие типов и размеров сеток, видов уравнений, возможных конечно-разностных аппроксимаций и методов решения получаемых систем уравнений делают задачу численного решения уравнений в частных производных исключительно многогранным исследованием.

Наиболее часто используются следующие виды сеток:

а) прямоугольная; б) полярная; в) треугольная; г) скошенная.

Запишем несколько формул, выражающих производные функции двух переменных в конечных разностях, для сетки с квадратной ячейкой и — шагом сетки (см. рисунок):

Получим также формулу для смешанной производной:

Можно выразить и лапсиан:

Информацию о коэффициентах при значениях функции в выражениях для конечно-разностных аналогов производных удобно представлять с помощью вычислительных шаблонов, являющихся диаграммами, показывающими, какой вклад вносят узлы сетки в рассматриваемую производную. Ниже приводятся вычислительные шаблоны для наиболее часто встречающихся производных.

Аналогично , , и т. д., например:

Напомним, что D 2f=

Все приведенные вычислительные шаблоны имеют погрешность порядка h .

Следует отметить, что можно построить и более точные (имеющие меньшую погрешность) вычислительные шаблоны, если включить в рассмотрение дополнительные узлы. В основе всех построенных до сих пор вычислительных шаблонов лежит центрально — разностная аппроксимация. Иногда, чтобы свести к минимуму распространение ошибок, пользуются левыми и правыми разностями.

Вычислительными шаблонами следует пользоваться с осторожностью, так как построенное с их помощью разностное уравнение, аппроксимирующее дифференциальное уравнение в частных производных, при счете может оказаться неустойчивым. Разностная схема считается неустойчивой, если погрешность, каково бы ни было ее происхождение, с течением времени не убывает.

Границы неправильной формы.

Нередко приходится иметь дело с областями неправильной формы. Хотя границы таких областей нельзя точно задать с помощью какой-либо одной из указанных сеток, существуют специальные методы, с помощью которых можно так модифицировать стандартные сетки, что они позволяют описать границу сложной конфигурации.

Вычислительные шаблоны для конкретного дифференциального уравнения в частных производных можно видоизменить так, чтобы учесть неправильную форму границ рассматриваемой области. Для этого, записывая производные в центрально-разностной форме, следует учесть вклад узлов, лежащих на границе области. В качестве примера рассмотрим вычислительный шаблон уравнения Лапласа в области ограниченной произвольной кривой.

Вторые частные производные для узлов, лежащих на границе области, можно записать в виде.

;

Сложив две производные, получим D f. После ряда преобразований найдем:

Соответствующий вычислительный шаблон представлен ниже.

Применив вычислительный шаблон к каждому из n узлов сетки, получим систему n уравнений, которая может быть линейной, если исходное уравнение имеет соответствующую структуру. В этом случае придется решать систему уравнений вида:

X=

Обычно матрица коэффициентов оказывается ²разреженной² (содержит много нулевых элементов), так как в большей части вычислительных схем используется лишь несколько соседних узлов, а не все узлы сетки.

Методы решения таких уравнений делятся на прямые и итерационные. Прямые методы позволяют получить точное решение, выполнив конечное число операций. Примером прямого метода может служить правило Крамера для решения совместных линейных алгебраических уравнений. Обычно для больших систем уравнений прямые методы неэффективны, так как при их применении требуется выполнение огромного объема вычислений и очень большой объем памяти ЭВМ. Поэтому чаще всего пользуются итерационными методами. Сущность итерационных методов заключается в многократном повторении одного и того же простого алгоритма, который дает результат, постоянно приближающийся к точному решению. Итерации начинаются с задания начального приближенного решения. Затем начальные значения переменных в узлах сетки последовательно меняются, пока не достигается заданная точность решения. Быстрота сходимости итерационного метода сильно зависит от степени точности начальной аппроксимации. Поэтому интуиция инженера может оказать большое внимание на эффективность вычислительного процесса. Итерационные методы подразделяются на точечные и блочные. В первом случае алгоритм используется для модификации приближенного решения в одном узле сетки, покрывающей область. Во втором случае решение модифицируется сразу в группе узлов сетки. Наиболее часто применяемые точечные методы: Метод Якоби, метод последовательных смещений, метод последовательной верхней релаксации. Эти методы знакомы по курсу ²Численные методы и оптимизация², поэтому, здесь они рассматриваться не будут.

Рассмотрим пример решения дифференциального уравнения в частных производных.

Пример 3. Определить прогибы прямоугольной шарнирно-опертой пластины при распределенной нагрузке, направленной перпендикулярно плоскости пластины.

Будем рассматривать изотропную пластину постоянной жесткости. Разрешающее уравнение такой пластины имеет вид:

где w = w (x, y) — функция прогибов, q =q (x, y) — поперечная распределенная нагрузка,

Здесь D = — цилиндрическая жесткость

Разделим пластину в каждом направлении на четыре части:

Точки 1 — 9 — внутренние узловые. Точки III — IX граничные точки.

Используем формулы (или шаблоны):

;

;

Точка 1.

+

Последние два условия, записанные в конечных разностях, дают:

; ;

Таким образом, алгебраическое уравнение, соответствующее первой узловой точке, принимает вид:

и уравнение, соответствующе 2-ой узловой точке принимает вид:

Для упрощения решения положим q=q0=const, Dx=Dy=a/4, a=b, т. е. имеем квадратную пластину при равномерном давлении и сетку с квадратной клеткой. Тогда из симметрии следует

w1=w3=w7=w9; w2=w4=w6=w9. Тогда разрешающая система алгебраических уравнений с учётом вида уравнений, построенных для узловых точек 1, 2 и 5 будет иметь вид:

— 16w2 + 2w5 = 20w1 qa4 / 256 D

-16w1 + 28w2 — 8w5 = qa4 / 256 D (5.3.22)

8w1 —32w2 + 20w5 = qa4 / 256 D

Из решения этих уравнений имеем:

Максимальный прогиб (в точке 5) :;

Точное решение:

Ознакомившись с МКР, нельзя не отметить исключительную простоту и ясность его принципов. Поэтому может показаться удивительным, что после относительно короткого периода популярности и бурного развития ныне этот метод используется все реже.

Назовем три главные причины вытеснения этого метода из практики.

1. Решение систем вида, аналогичному системе из трёх уравнений (5.3.22) рассмотренного примера выполняется очень быстро. Сложность кроется не в решении, а в составлении таких систем уравнений. В рассмотренных выше примерах мы, в целях упрощения, ограничивались прямоугольной областью. В большинстве практически важных задач область определения решения имеет более сложную форму (см рисунок).

В этом случае точки, в которых заданы граничные условия не всегда попадают на узловые точки равномерной сетки. Об этом мы говорили раньше. Кроме того, как мы убедились, при рассмотрении конкретных задач на границе могут задаваться не только значения некоторой функции, но и ее производные, или даже их комбинации. В результате помимо однотипных аккуратных уравнений типа (5.3.21) (5.3.22) в систему вклиниваются уравнения совсем другого вида. В этом случае матрица системы уже имеет не такой простой вид и имеет ряд нестандартных строк..

Таким образом, первая причина первая – сложность задания граничных условий.

2. Очень часто решение дифференциального уравнения оказывается быстро меняющимся на одних участках и гладким на других. Таково, например, решение задачи о краевом эффекте. Так в топливном баке, изображенном на рисунке, в зоне стыка цилиндрической обечайки шпангоута и сферического днища возникают изгибные деформации, которые быстро затухают по мере удаления от места стыка. Для того, чтобы численное решение на участке быстрого изменения функции было достаточно точным, шаг конечно-разностной сетки должен быть очень малым. В то же время на удалении от зоны краевого эффекта в использовании такого же мелкого шага нет никакой необходимости. Возникают два варианта решения проблемы: 1) во всей области задать малый шаг и получить систему с огромным количеством неизвестных; 2) использовать переменный шаг и значительно усложнить выражения конечно-разностных аппроксимаций производных.

Поэтому причина вторая – сложно обеспечить различную точность решения для различных участков области.

3. При расчете прочности какой-либо реальной конструкции, оказывается, что для различных ее частей необходимо использовать различные дифференциальные уравнения. Так, например, для крыла работа поясов лонжеронов хорошо описывается с помощью уравнений растяжения-сжатия стержня; для стенок лонжеронов и нервюр хорошей математической моделью являются уравнения плоской задачи теории упругости; для обшивки подходит безмоментная теория оболочек. Между тем каждая из этих теорий описывается различными дифференциальными уравнениями. Значит, конечно-разностные аппроксимации этих уравнений будут различными. Кроме того, основные неизвестные в этих системах дифференциальных уравнений могут оказаться различными по физическому смыслу. Следовательно, возникает проблема увязки решений друг с другом. Таким образом, третья причина вытеснения МКР – сложности, возникающие при объединении различных математических моделей в единую расчетную схему.

Конечно, все эти три проблемы не являются неразрешимыми. В период примерно тридцатилетнего периода активного использования разностных методов разработаны способы решения многих задач математической физики, в том числе и механики деформируемого твёрдого тела. Дело, однако, в том, что родившийся в 1956 году метод конечных элементов (МКЭ) очень просто решает большинство из перечисленных проблем

Итак, с середины 50-х годов прошлого столетия интенсивно развивающийся метод конечных элементов (МКЭ), впервые применённый для описания сплошных сред и с тех пор завоевавший известность исключительно полезного инженерного метода, стал широко применяеться в гидродинамике, аэродинамике, теории поля, при расчете сложных напряженных состояний и в других областях. Хотя метод конечных элементов применяется для решения тех же задач, что и метод конечных разностей, основаны они на разных идеях.

В методе конечных разностей производится аппроксимация производных, входящих в дифференциальные уравнения.

В методе конечных элементов аппроксимируется функция в объёме (площади, протяжении) конечного элемента.

Для этого физическая задача заменяется кусочно-гладкой моделью, отдельные части которой рассматриваются как реальные физические тела, работающие каждый по своему (или одинаковому) закону. Т. е. работа сложной системы заменяется совместной работой элементов её образующих. Это позволяет инженеру использовать свое интуитивное понимание задачи.

Метод конечных элементов значительно более сложен для понимания, чем МКР, но обладает огромными преимуществами по сравнению с МКР, главное из которых заключается в возможности построения на его основе программ широкого назначения для решения широкого круга задач математической физики. Поэтому его рассмотрению в дальнейшем будет уделено самое пристальное внимание, а настоящий раздел завершим примерными рекомендациями по решению дифференциальных уравнений в частных производных.

5.3.2. Общие рекомендации по решению дифференциальных уравнений в частных производных.

Поскольку каждому уравнению в частных производных присущи свои особенности, а граничные условия делают каждую задачу непохожей на другие, то практически невозможно сформулировать общие рекомендации, которые были бы полезны при решении таких уравнений. Однако во всех случаях полезно иметь в виду следующие правила:

1. Сначала следует выяснить, какова должна быть точность искомого решения. Если она высока, то для решения данного дифференциального уравнения может потребоваться весьма мелкая сетка или разбиение тела на очень малые элементы.

2. Затем надо внимательно изучить форму области, в которой отыскивается решение. Учесть симметрию и т. д.

3. Следует тщательно выбирать начальные значения переменных. При использовании итерационных методов скорость сходимости прямо зависит от близости исходных данных к решению.

Если хорошее исходное приближение задать не удается, то может оказаться полезным разделить решение задачи на два и более этапов. На первом этапе с помощью весьма грубой сетки или разбиения на очень крупные элементы получают хорошее исходное приближение, а затем уже ищут точное решение на гораздо более мелкой сетке или разбивая тело на мелкие элементы.

4. Следует выбрать метод, более всего подходящий для решения данной задачи.

Дифференциальные уравнения в частных производных в физике

МИР МАТЕМАТИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ

Библиотека > Книги по математике > Уравнения математической физики, дифференциальные уравнения с частными производными

Уравнения математической физики, дифференциальные уравнения с частными производными

• Адамар Ж. Задача Коши для линейных уравнений с частными производными гиперболического типа. М.: Наука, 1978 (djvu)
• Араманович И.Г., Левин В.И. Уравнения математической физики (2-е изд.). М.: Наука, 1969 (djvu)
• Бабич В.М., Булдырев В.С. Асимптотические методы в задачах дифракции коротких волн. М.: Наука, 1972 (djvu)
• Бабич В.М., Кирпичникова Н.Я. Метод пограничного слоя в задачах дифракции. Л.: ЛГУ, 1974 (djvu)
• Бакельман И.Я. Геометрические методы решения эллиптических уравнений. М.: Наука, 1965 (djvu)
• Бергман С. Интегральные операторы в теории линейных уравнений с частными производными. М.: Мир, 1964 (djvu)
• Бернштейн С.П. Аналитическая природа решений дифференциальных уравнений эллиптического типа. Харьков: ХГУ, 1956 (djvu)
• Беpc Л., Джон Ф., Шехтер М. Уравнения с частными производными. М.: Мир, 1966 (djvu)
• Брело М. О топологиях и границах в теории потенциала. М.: Мир, 1974 (djvu)
• Брело М. Основы классической теории потенциала. М.: Мир, 1964 (djvu)
• Будак Б.М., Самарский А.А., Тихонов А.Н. Сборник задач по математической физике (3-е изд.). М.: Наука, 1979 (djvu)
• Векуа ИН. Новые методы решения эллиптических уравнений. М.-Л. ГИТТЛ, 1948 (djvu)
• Власова Б.А., Зарубин B.C., Кувыркин Г.Н. Приближенные методы математической физики: Учеб. для вузов. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001 (djvu)
• Вольперт А.И., Худяев С.И. Анализ в классах разрывных функций и уравнения математической физики. М.: Наука, 1975 (djvu)
• Гельфанд И.М., Шилов Г.Е. Пространства основных и обобщенных функций (Обобщенные функции, выпуск 2). М.: Физматлит, 1958 (djvu)
• Годунов С.К. Уравнения математической физики (2-е изд. ). М.: Наука 1979 (djvu)
• Годунов С.К., Золотарева Е.В. Сборник задач по уравнениям математической физики. Новосибирск: Наука, 1974 (djvu)
• Горбузов В.Н. Интегралы дифференциальных систем. Гродно: ГрГУ, 2006 (pdf)
• Гординг Л. Задача Коши для гиперболических уравнений. М.: ИЛ, 1961 (djvu)
• Городцов В.А. Софья Ковалевская, Поль Пенлеве и интегрируемость нелинейных уравнений сплошных сред. М.: Физматлит, 2003. (djvu)
• Гурса Э. Курс математического анализа, том 3, часть 1. Бесконечно близкие интегралы. Уравнения с частными производными. М.-Л.: ГТТИ, 1933 (djvu)
• Гюнтер Н.М. Интегрирование уравнений в частных производных первого порядка. Л.-М.: ОНТИ, 1934 (djvu)
• Гюнтер Н. Теория потенциала и ее применение к основным задачам математической физики. М.: ГИТТЛ, 1953 (djvu)
• Демидович Б.П., Марон И.А., Шувалова Э.З. Численные методы анализа. Приближение функций, дифференциальные и интегральные уравнения. М.: Наука, 1967 (djvu)
• Егоров Д. Интегрирование дифференциальных уравнений (3-е изд.). М.: Печатня Яковлева, 1913 (djvu)
• Егоров Д.Ф. Уравнения с частными производными 2-го порядка с двумя независимыми переменными. М.: МГУ, 1899 (djvu)
• Егоров Ю.В., Шубин М.А., Комеч А.И. Дифференциальные уравнения с частными производными — 2 (серия «Современные проблемы математики», том 31). М.: ВИНИТИ, 1988 (djvu)
• Зайцев Г.А. Алгебраические проблемы математический и теоретической физики. М.: Наука, 1974 (djvu)
• Зайцев В.Ф., Полянин А.Д. Метод разделения переменных в математической физике. СПб.: Книжный Дом, 2009 (pdf)
• Заславский Г.М., Сагдеев Р.З. Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса. М.: Наука, 1988 (djvu)
• Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы математической физики. Среда из невзаимодействующих частиц. М.: Наука, 1973 (djvu)
• Зоммерфельд А. Дифференциальные уравнения в частных производных физики. М.: ИЛ, 1950 (djvu)
• Ибрагимов Н.Х. Азбука группового анализа. М.: Знание, 1989 (djvu)
• Ибрагимов Н.Х. Группы преобразований в математической физике. М.: Наука, 1983 (djvu)
• Имшенецкий В.Г. Интегрирование дифференциальных уравнений с частными производными 1-го и 2-го порядков. М.: Изд. Моск. мат. общества, 1916 (djvu)
• Йон Ф. Плоские волны и сферические средние в применении к дифференциальным уравнениям с частными производными. М.: ИЛ, 1958 (djvu)
• Калоджеро Ф., Дигасперис А. Спектральные преобразования и солитоны. Методы решения и исследования нелинейных эволюционных уравнений. М.: Мир, 1985 (djvu)
• Камке Э. Справочник по дифференциальным уравнениям в частных производных первого порядка. М.: Наука, 1966 (djvu)
• Карпман В.И. Нелинейные волны в диспергирующих средах. М.: Наука, 1973 (djvu)
• Кирхгоф Г. Механика. Лекции по математической физике. М.: АН СССР, 1962 (djvu)
• Коркин А.Н. Сочинения, том 1. СПб.: Императорская Академия Наук, 1911 (djvu)
• Коллатц Л. Задачи на собственные значения (с техническими приложениями). М.: Наука, 1968 (djvu)
• Коул Дж. Методы возмущений в прикладной математике. М.: Мир, 1972 (djvu)
• Кошляков Н.С. Глинер Э.Б. Смирнов М.М. Уравнения в частных производных математической физики. М.: Высшая школа, 1970 (djvu)
• Кудряшов Н.А. Аналитическая теория нелинейных дифференциальных уравнений. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2004 (djvu)
• Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. М.: Физматлит, 2001 (djvu)
• Курант Р. Уравнения с частными производными. М.: Мир, 1964 (pdf)
• Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Том 1. М.-Л.: ГТТИ, 1933 (djvu)
• Курант Р., Гильберт Д. Методы математической физики. Том 2. М.-Л.: ГТТИ, 1945 (djvu)
• Куренский М.К. Дифференциальные уравнения. Книга 2. Дифференциальные уравнения с частными производными. Л.: Артиллерийская академия, 1934 (djvu)
• Лаврентьев М.А. Вариационный метод в краевых задачах для систем уравнений эллиптического типа. М.: АН СССР, 1962 (djvu)
• Ладыженская О.А. Краевые задачи математической физики. М.: Наука, 1973 (djvu)
• Ладыженская О.А., Солонников В.А., Уралыдева Н.Н. Линейные и квазилинейные уравнения параболического типа. М.: Наука, 1967 (djvu)
• Ладыженская О.А., Уральцева Н.Н. Линейные и квазилинейные уравнения эллиптического типа (2-е изд.). М.: Наука, 1973 (djvu)
• Лакс П., Филлипс Р. Теория рассеяния. М.: Мир, 1971 (djvu)
• Ландис E.M. Уравнения второго порядка эллиптического и параболического типов. М.: Наука, 1971 (djvu)
• Лаптев Г.И., Лаптев Г.Г. Уравнения математической физики. М.: 2003 (pdf)
• Лионс Ж.-Л. Некоторые методы решения нелинейных краевых задач. М.: Мир, 1972 (djvu)
• Лионс Ж.-Л. Оптимальное управление системами, описываемыми уравнениями в частных производных. М.: Мир, 1972 (djvu)
• Маделунг Э. Математический аппарат физики: Справочное руководство. М.: Наука, 1968 (djvu)
• Маслов В.П. Асимптотические методы и теория возмущений. М.: Наука, 1988 (djvu)
• Маслов В.П., Федорюк М.В. Квазиклассическое приближение для уравнений квантовой механики. М.: Наука, 1976 (djvu)
• Марченко В.А., Хруслов Е.Я. Краевые задачи в областях с мелкозернистой границей. Киев: Наук. думка, 1974 (djvu)
• Мизохата С. Теория уравнений с частными производными. М.: Мир, 1977 (djvu)
• Миллер У. (мл.). Симметрия и разделение переменных. М.: Мир, 1981 (djvu)
• Миранда К. Уравнения с частными производными эллиптического типа. М.: ИЛ, 1957 (djvu)
• Михайлов В.П. Дифференциальные уравнения в частных производных.М.: Наука, 1976 (djvu)
• Михлин С.Г. Курс математической физики. М.: Наука, 1968 (djvu)
• Михлин С.Г. Линейные уравнения в частных производных. М.: Высшая школа, 1977 (djvu)
• Михлин С.Г. (ред.). Линейные уравнения математической физики. М.: Наука, 1964 (djvu)
• Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Том 1. М.: ИЛ, 1958 (djvu)
• Морс Ф.М., Фешбах Г. Методы теоретической физики. Том 2. М.: ИЛ, 1960 (djvu)
• Нагумо М. Лекции по современной теории уравнений в частных производных. М.: Мир, 1967 (djvu)
• Назимов П.С. Об интегрировании дифференциальных уравнений. М.: МГУ, 1880 (djvu)
• Нобл Б. Применение метода Винера — Хопфа для решения дифференциальных уравнений с частными производными. М.: ИЛ, 1962 (djvu)
• Оганесян Л.А., Руховец Л.А. Вариационно-разностные методы решения эллиптических уравнений, Ереван: АН АрмССР, 1979 (djvu)
• Олейник О.А., Иосифьян Г.А., Шамаев А.С. Математические задачи теории сильно неоднородных упругих сред. М.: Изд-во МГУ, 1990 (djvu)
• Паламодов В.П. Линейные дифференциальные операторы с постоянными коэффициентами. М.: Наука, 1967 (djvu)
• Петровский И.Г. Лекции об уравнениях с частными производными (3-е изд.). М.: Наука, 1961 (djvu)
• Полянин А.Д., Журов А.И. Методы разделения переменных и точные решения нелинейных уравнений математической физики. М.: ИПМех РАН, 2020 (pdf)
• Полянин А.Д., Сорокин В.Г., Журов А.И. Дифференциальные уравнения с запаздыванием: Свойства, методы, решения и модели. М.: ИПМех РАН, 2022 (pdf)
• Расулов М.Л. Метод контурного интеграла и его применение к исследованию задач для дифференциальных уравнений. М.: Наука, 1964 (djvu)
• Рождественский Б.Л., Яненко Н.Н. Системы квазилинейных уравнений и их приложения к газовой динамике (2-е изд.) М.: Наука, 1978 (djvu)
• Салтыков Н.Н. Исследования по теории уравнений с частными производными первого порядка одной неизвестной функции. Харьков, 1904 (djvu)
• Самарский А.А. Введение в теорию разностных схем. М.: Наука, 1971 (djvu)
• Синцов Д.М. Теория коннексов в пространстве в связи с теорией дифференциальных уравнений в частных производных первого порядка. Казань: КГУ, 1894 (pdf)
• Смирнов М.М. Дифференциальные уравнения в частных производных второго порядка. М.: Наука, 1964 (djvu)
• Смирнов М.М. Задачи по уравнениям математической физики (6-е изд.). М.: Наука, 1973 (djvu)
• Смирнов М.М. Уравнения смешанного типа. М.: Наука, 1970 (djvu)
• Соболев С.Л. Уравнения математической физики (4-е изд.). М.: Наука, 1966 (djvu)
• Степанов В.В. Курс дифференциальных уравнений (8-е изд.). М.: ГИФМЛ, 1959 (djvu)
• Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики (5-е изд.). М.: Наука, 1977 (djvu)
• Трев Ж. Лекции по линейным уравнениям в частных производных с постоянными коэффициентами. М.: Мир, 1965 (djvu)
• Фещенко С.Ф., Шкиль Н.И., Николенко Л.Д. Асимптотические методы в теории линейных дифференциальных уравнений. Киев: Наук. думка, 1966 (djvu)
• Фущич В.И., Никитин А.Г. Симметрия уравнений квантовой механики. М.: Наука, 1990 (djvu)
• Хёрмандер Л. К теории общих дифференциальных операторов в частных производных. М.: ИЛ, 1959 (djvu)
• Ховратович Д.В. Уравнения математической физики, МГУ (pdf)
• Шамровский А.Д. Асимптотико-групповой анализ дифференциальных уравнений теории упругости. Запорожье: Изд-во Запорожской государственной инженерной академии, 1997 (pdf)
• Шапиро Д.А. Конспект лекций по математическим методам физики. Часть 1 (Уравнения в частных производных. Специальные функции. Асимптотики). Новосибирск: НГУ, 2004 (djvu)
• Шапиро Д.А. Конспект лекций по математическим методам физики. Часть 2 (Представления групп и их применение в физике. Функции Грина). Новосибирск: НГУ, 2004 (djvu)
• Шилов Г.Е. Математический анализ. Второй специальный курс. М.: Физматлит, 1965 (djvu)
• Шишмарев И.А. Введение в теорию эллиптических уравнений. М.: МГУ, 1979 (djvu)
• Шубин М.А. Псевдодифференциальные операторы и спектральная теория (2-е изд.). М.: Добросвет, 2003 (pdf)
• Яковенко Г.Н., Аксёнов А.В. (ред.). Симметрии дифференциальных уравнений. Сборник научных трудов. М.: МФТИ, 2009 (pdf)

Веб-сайт EqWorld содержит обширную информацию о решениях различных классов обыкновенных дифференциальных уравнений, дифференциальных уравнений с частными производными (уравнений математической физики), интегральных уравнений, функциональных уравнений и других математических уравнений.

Дифференциальные уравнения в частных производных¶

Дифференциальные уравнениями в частных производных с дополнительными уравнениями, выражающими граничные и начальные условия описывают большинство физических процессов. В общем случае линейное дифференциальное уравнение в частных производных второго порядка имеет вид

Классификация проводится в соответствии с характеристическими кривыми второго порядка для данных уравнений. По соотношению значений a, b и c уравнение относят к эллиптическим, параболическим или гиперболическим в данной точке. Тип ДУ определяется знаком выражения, называемого дискриминантом: \(D(x,y) = b^2-4ac\) .

• Если \(D(x, y) , дифференциальное уравнение является эллиптическим в точке (x, y).
• Если \(D(x, y) = 0\) , дифференциальное уравнение является параболическим в точке (x, y).
• Если \(D(x, y) > 0\) , дифференциальное уравнение является гиперболическим в точке (x, y).

Если коэффициенты a, b, c постоянные и значение D не зависит от точки, то в зависимости от знака D уравнение является полностью эллиптическим, гиперболическим или параболическим. В случае если коэффициенты не являются постоянными, для одного и того же уравнения возможны области, в которых оно является уравнением разного типа.

Эллиптические уравнения¶

Эллиптическими уравнениями являются уравнения Лапласа и Пуассона, возникающие в теории потенциала для электрического поля. Так же к уравнению этого тапа сводятся многие стационарные (установившиеся) решения параболических и гиперболических задач.

Простейший вид Эллиптического уравнения:

Такими уравнения описываются стационарное распределение температуры в процессе теплопереноса и стационарное распределение концентрации при диффузии. К уравнению Лапласа приводят и многие другие задачи, например, задача о распределении электростатического поля в однородной непроводящей среде в отсутствие электрических зарядов. В общем случае в векторной форме уравнение Пуассона имеет вид:

где \(u(x, y, z)\) – искомая функция; \(A(x, y, z)\) , \(f(x, y, z)\) – некоторые функции независимых переменных. Функция А описывает «коэффициент распространения» величины u и может являться тензорной величиной в случае анизотропной среды. Функция f это функция источников – скалярная величина, показывающая плотность «скорости появления» величины u в единице объема. В качестве величин, входящих в это уравнение могут использоваться, температура, коэффициент теплопроводности, плотность тепловых источников или потенциал эл. поля, диэлектрическая проницаемость и плотность зарядов и т.д

Параболические уравнения¶

Параболические уравнения появляются в нестационарных задачах теплопроводности, диффузии, иногда параболические задачи получаются из гиперболических уравнений (параболическое приближение в оптике) и т. д. Уравнение теплопроводности, например, имеет вид:

В первом слагаемом коэффициенты это плотность и удельная теплоемкость, во втором слгаемом – коэффициент теплопроводности, правая часть – плотность источников тепла.

Гиперболические уравнения¶

Гиперболические уравнения, часто называют волновыми уравнениями, т.к. с их помощью описывается распространения волн (упругих, электро — магнитных, сдвиговых). К этому же типу уравнений относится уравнение Шредингера квантовой механики.

Начальные и граничные условия¶

Из курса высшей математики известно, что дифференциальные уравнения, как правило, имеют бесконечное множество решений. Это связано с появлением в процессе интегрирования констант, при любых значениях которых решение удовлетворяет исходному уравнению. Решение задач физики связано с нахождением зависимостей от координат и времени определенных физических величин, которые, безусловно, должны удовлетворять требованиям однозначности, конечности и непрерывности. Иными словами, любая задача физики предполагает поиск единственного решения (если оно вообще существует). Поэтому математическая формулировка физической задачи должна помимо основных дифференциальных уравнений, описывающих искомые функции, включать дополнительные уравнения (дифференциальные или алгебраические), описывающие искомые функции на границах рассматриваемой области в любой момент времени и во всех внутренних точках области в начальный момент времени. Эти дополнительные уравнения называют соответственно граничными и начальными условиями задачи. Условия, относящиеся к точкам пространства, называются граничными. Обычно это неизменные условия, накладываемые на значение функции или на ее производную (поток через границу) на границе рассматриваемой области. Начальные условия – условия о значениях физической величины в начальный момент времени. Только после задания обоих типов условий можно получить описание развития процесса во времени. Для ДУЧП редко решают задачи, когда условия внутри области заданы для различных моментов времени, т.к. это сильно усложняет и без того не простую процедуру поиска решения.