Pure Mathematics 理论数学, 2013, 3, 289-294 http://dx.doi.org/10.12677/PM.2013.35044 Published Online September 2013 (http://www.hanspub.org/journal/pm.html) The Exact Solutions of a Class of the Nonlinear Diffusion Equations under the Generalized Conditional Symmetry Qiong Wu, Desheng Li School of Mathematics and System Sciences, Shenyang Normal University, Shenyang Email: wuqiong_1116@163.com Received: Jun. 17th, 2013; revised: Jul. 4th, 2013; accepted: Jul. 28th, 2013 Copyright © 2013 Qiong Wu, Desheng Li. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unrestricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: This paper will discuss the exact solution of (1 + 1) dimensional nonlinear diffusion equation by using the generalized conditional symmetries method. Th e convec- tion term and source term are dependent on the variable x. This paper mainly discusses dif- fusion term and finally it will give the exact solutions by using method of symmetrically reduced and classified. , n tx x x uDuuPxuu Qxu ,Pxu Qx eu Du , , ,u Keywords: Generalized Conditional Symmetry; A Class of the Nonlinear Diffusion Equation; Exact Solution 在广义条件对称下的一类非线性扩散方程的精确解 吴 琼,李德生 沈阳师范大学数学与系统科学学院,沈阳 Email: wuqiong_1116@163.com 收稿日期:2013 年6月17 日;修回日期:2013 年7月4日;录用日期:2013 年7月28 日 摘 要:本文利用广义条件对称法讨论了一类(1 + 1)维非线性扩散方程 的精确解问题。其中,对流项 , n tx x x uDuuPxuu Qxu ,Pxu与源项 都显示的依赖 于变量 x,本文针对方程的扩散项 ,Qxu eu Du 这一重要的情形,对该方程进行对称约化、分类,进而给 出方程的精确解。 关键词:广义条件对称;一类非线性扩散方程;精确解 1. 引言 考虑 1 + 1维非线性扩散方程 , n tx x x uDuuPxuu Qxu, (1) 其中, 为扩散项, 和 分别为对流项与源项,且均为变量 Du ,Pxu ,Qxu x ,u的光滑函数。该类方程的很多 特殊形式的精确解问题,已通过李点对称法[1,2],非古典方法[3,4],CK 直接法[5]等方法获得了丰富的结果。 由Fushchych 和Zhdanov 最早提出,并由 Fokas 以及 Liu[6]等人完善的广义条件对称法是对称群中求精确解 Copyright © 2013 Hanspub 289 吴琼,李德生 在广义条件对称下的一类非线性扩散方程的精确解 的行之有效的方法,此方法得到的解一般不能由李点对称法或条件对称法等方法求得。对于本文讨论的方程(1), 当取时,即时,以及取不显示依赖于变量 x的对流项与热源项, 1n (()) (,)(,) txx x uDuuPxuu Qxu x PuuQu n tx x uuuD 时,文献[7,8]运用广义条件对称法分别给出了相应方程的一类新的精确解。文 献[9]利用广义条件对称法讨论了方程(1)中扩散项 m uDu 时的精确解,本文将讨论方程(1)中扩散项 eu Du 时的精确解。 2. 预备知识以及广义条件对称定理 设1 + 1维非线性扩散方程的一般形式为 1 ,, ,,, t uExtuu un (2) 其中 i ii u u x ,它在非李点无穷小变换群下是不变的,且这个变换群为: 2 1 2 1 2 1 ,,, ,, ,,, ,, ,,, ,, n tt tn xx xn uutxuuu O uuDtxuuu O uuDtxuuu O 该变换称为方程(2)所允许的群,该群等价于如下的演化向量场V,其中 为V的特征: 0 k x kk VD u (3) 其中 1 0 xk kk Du x u , 1 j j x x DDD ,01 x D 。 定义 1[10] 向量场(3)被称为方程(2)的广义条件对称,如果满足 0 tLM Vu E 。 其中 L表示方程 的所有关于 0 t uE x t,的微分序列集合,即 0 t uE , 0 ik xtt DD uE ,,0,1,2,ik , M 表示方程 0 的所有关于 x 的微分序列集合,即 0 i x D ,0,1,2,i 命题 1[6,11]方程(2)允许广义条件对称(3)的充分必要条件是存在一个函数 ,,,Wtxu 满足 , ,,,EWtxu t , ,,, 0Wtxu 其中 ,EE E ,'表示 Gateaux导数,W是关于 和的解析函数。 1 ,,, ,txuu2 ,,, xx DD 推论 1[11]:方程(2)的允许广义条件对称(3)的充分条件是 0 t D 。 3. 主要结果 设方程(1)允许的广义条件对称形式如下: 2, xx xx uHuu GxuuFxu , (4) 其中, H u是关于 的光滑函数,, u ,Gxu , F xu 是关于 , x u的光滑函数,由推论 1,即0 t D 及定义 1, 即 2,, xx xx uHuu Gxuu Fxu 可以得到方程(1)和广义条件对称(4)中参数函数的决定方程组: Copyright © 2013 Hanspub 290 吴琼,李德生 在广义条件对称下的一类非线性扩散方程的精确解 3223 22 2 122 :31 3321310 :3132313 3213 10 :23123 331 31 3 n x n x u uu u n xuu u uDnDHnDHnnDHnDHnnDHnnDHH unnDHGnDGnnDHGnDG nnD HGnDGnnDHG unDFnn DHFnnnDHFnDFnn DHF nDFn 22 2 2 23 1222 1231 31 313131 0 :3123 32231 31613 13110 :5 34123 uxuxx u n xuxu u xxx n x nDHFnDGnnDHG nDG n nDGnnDHGn nDGG unn DGFnnnDHGFnDFnn DGF nDFnnDGFnnDHFn nDGGnnDGnDG unnnDHFnnnDG F 22 22 33 3 2 1 0 31 331310 :311 340 :12 0 :0 :2 20 :3 22 :2 0 x x uxxx n xx n x xuu u xuuuuxu uxuxxxxux xuxxux xx nn DGF nDFnn DFFnn DGFnDF unnDFFnn nDGF unn nDF uPHP uHQQPGQH P uGQPGPFPPG QHQ uFQGQ PFQFPFQ xx 根据 n的选取情况我们分如下 3种情形对该方程进行讨论: 情形 1: 考虑 n为任意值时,将扩散项 代入 eu Du3n x u 项的系数得到关于 H u的二阶常微分方程, 2223 13133 21310nHnH nnHnHnnHnnHH 这里给出该方程的 3个特解分别为: 1111 ,,1 1 nn nu 1) 1 Hu n 我们得到方程(1)如下的决定方程组: 10 120 2 20 0 uu u uuu xu xx xux xx PP n QQP n PQ Q n Q 解此偏微分方程组可得 2 1245 3 184 6 1 ,e 2 1 ,ee 2 u n uuu nnn PxuCxCxCx CC QxuC nxCxnCnCC 7 e 方程(1)变成 Copyright © 2013 Hanspub 291 吴琼,李德生 在广义条件对称下的一类非线性扩散方程的精确解 2 12453184 6 11 eeee 22 uuu un nnn tx x x uuCxCxCx CCuCnx Cx nCnCC 7 e u n (5) 广义条件对称(4)变成 2 1 x x u n x u (6) 那么方程(1)的精确解由方程(6) 0 得 ,ln tx t uxt nn , 将其代入方程(5)中,得到 ,tt 满足如下方程组: 2 2745 1 2 5736 4 1111 2 11 tCCCC CC nnn tCCCnCC nn 8 这里我们考虑 , 0 i C2,5i ,那么可得到: 2 2 1 5 20 205 e ln e Ct Ct C tCC n tCtnC C C 2): 1 1 Hu n 由(1)可同理得到 21 12453 11 184 6 1 ,e 2 1 ,1e1e1e 2 u n uu nnn PxuCxCxCx CC QxuCnxCxnCnCC 1 7 u 方程(1)变成 2111 12453184 6 11 ee1ee 22 uuu un nnn tx x x uuCxCxCx CCuCnx CxnCnCC 1 7 e u n (7) 广义对称条件(4)变成 2 1 1 x x u n x u (8) 那么方程(1)的精确解由方程(8) 0 得 ,1ln1 tx t uxt nn 其中 满足如下方程组: ,t t 2 274 51 2 57 364 1111 1112 11 1 11 tCCCC CC nnn tCCCnCC nn 8 Copyright © 2013 Hanspub 292 吴琼,李德生 在广义条件对称下的一类非线性扩散方程的精确解 3) 11 1 Hu nu 由此我们可得到方程(1)的如下决定方程组: 2 11 10 111 12 21 21 0 0 uu u uuu xu xx xux xx PP nu QQQP nu nu PQ Q nu Q 0 解此偏微分方程组可得 1 2 123 45 11 11 18764 1 ,ed 2 1 ,eede2 edd 2 u nn uuuu nnn nn nnn PxuCxCx CuuCx C QxuuCxuuCx CuCCuuu 由此方程(1)变成 1 2 123 45 11 11 18764 1 eed 2 1 eed e2ed 2 u un nn tx x x uuu u nnn nn nnn uuCxCxCuuCxCu uCxuuCxC uCCuu d u (9) 广义条件对称(4)变成 2 11 1 x x u nu x u (10) 那么方程(1)的精确解的隐式形式由方程(10) 0 得 1 ed us nn s stx t 将其代入方程(9),可得到 t , t 满足如下方程组: 2 26 51 135 67 1 2 n tCCCCC tCCC 8 C 0 当 时。 40C 这里我们仅考虑, 的情形,那么可得到: 0 i C5i 1 50 11 1 550 5 11 n n tCtC tC nCtCCCtC 情形 2: 取n = 1时,该方程在文献[4]中已经研究过,并得到了丰富的结果。 情形 3: Copyright © 2013 Hanspub 293 吴琼,李德生 在广义条件对称下的一类非线性扩散方程的精确解 Copyright © 2013 Hanspub 294 取n = 2时,我们得到新的决定方程组: 523 42 32 22 : 7616212140 : 288146302100 : 2282461496410 71420 100 x xuuuu x uuuu xux xuuuu uDDHD HDHDHDHDHH uDHGDGDH GD GD HGDGDHG uDFD HFDHFDFDHFDFDHFDGDHG DGDGDHGDGG PHP u 2 3 122 2 02 :103246 726 6104 2220 : 1281012662 3220 :6 42 x xuxu uxxx xxuuuuxu xuxxxu uxxxxux xx uxx DGFDHGFDFDGFD FD GFDHFDGGDG DGH QQP GQHP uDHF DGF DGF DFDFFDGFDFGQPG PF PPGQHQ uDFF DGFFQGQ PF 0 uxxx QF PFQ x 将扩散项 代入 eu Du5 x u项的系数得到关于 H u的二阶常微分方程,这里给出该方程的 3个特解 111 1 ,, 1 232 u ,由 4 x u项的系数可得,再分别将该 3个特解带入到决定方程中,我们可给出方程(1) 允许广义对称(2)的一些分类情况,这里我们仅给出与情形 1中的形式不同的广义条件对称形式,其余分类形式 将n = 2带入到情形 1当中均可满足。 ,Gxu0 223 e u tx x x uuCxCu 2 2C; (11) 21 1e 2 u xx x uuC 本文中 为任意常数, i C1,2,i 4. 结论 本文利用广义条件对称法讨论了方程(1)允许的二阶广义条件对称问题,并得到了该类方程的一些精确解, 相对于条件对称法,古典对称法等方法,该方法得到了该类方程的新解。 参考文献 (References) [1] R. M. Cherniha, M. Serov. Symmetries, ansätze and exact solutions of nonlinear second-order evolution equations with convection terms. European Journal of Applied Mathematics, 1998, 9(5), 527-542. [2] V. A. Galaktionov, V. A. Dorodnitsyn, G. G. Elenin, S. P. Kurdyumovand and A. A. Samarskii. A quasilinear equation of heat conduction with a source: Peaking, localization, symmetry, exact solutions, asymptotic behavior, structures. Journal of Soviet Mathematic, 1988, 41(5): 1222- 1292. [3] D. J. Arrigo, P. Broadbridge and J. M. Hill. Nonclassical symmetry reduction of the linear diffusion equation with a nonlinear source. IMA Journal of Applied Mathematics, 1994, 52(1): 1-24. [4] G. W. Bluman, J. D. Cole. The general similarity solution of the heat equation. Journal of Mathematics and Mechanics, 1969, 18: 1025-1042. [5] P. A. Clarkson, M. D. Kruskal. New similarity reductions of the Boussinesq equations. Journal of Mathematical Physics, 1989, 30(10): 2201- 2213. [6] A. Z. Fokas, Q. M. Liu. Nonlinear interaction of travelling waves of nonintegrable equations. Physical Review Letters, 1994, 72(21): 3293- 3296. [7] C. Z. Qu, P. G. Estevez. On nonlinear diffusion equation with x-dependent convection and absorption. Nonlinear Analysis, 2004, 57(4): 549- 577. [8] 万晖, 杜凯. 非线性扩散方程在广义条件对称下的精确解[J]. 西北大学学报(自然科学版), 2012, 242(1): 1-3. [9] 闫荣, 甘亚妮, 于媛媛. 非线性扩散方程的广义条件对称和精确解[J]. 纺织高校基础科学学报, 2010, 323(1): 18-21. [10] C. Z. Qu, L. N. Li, Z. Li and L. Z. Wang. Conditional lie bäcklund symmetries and sign-invariants to quasil-linear diffusion equations. Studies in Applied Mathematics, 2007, 119(4): 355-391. [11] R. Z. Zhdanov. Conditional lie-bäcklund symmetry and reductions of evolution equations. Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 1995, 28(13): 3841-3850. |