Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations

The conditional symmetry of a system of nonlinear reaction-diffusion equations is investigated. It is shown that the operators of conditional symmetry exist for the systems of nonlinear reaction-diffusion equations with an arbitrary number of independent variables. Moreover, these operators are foun...

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Дата:2015
Автори: Barannyk, T. A., Баранник, Т. А.
Формат: Стаття
Мова:Українська
Англійська
Опубліковано: Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2015
Онлайн доступ:https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2080
Теги: Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
Завантажити файл: Pdf

Репозитарії

Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
_version_ 1860508006865698816
author Barannyk, T. A.
Баранник, Т. А.
author_facet Barannyk, T. A.
Баранник, Т. А.
author_sort Barannyk, T. A.
baseUrl_str https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/oai
collection OJS
datestamp_date 2019-12-05T09:50:14Z
description The conditional symmetry of a system of nonlinear reaction-diffusion equations is investigated. It is shown that the operators of conditional symmetry exist for the systems of nonlinear reaction-diffusion equations with an arbitrary number of independent variables. Moreover, these operators are found in the explicit form.
first_indexed 2026-03-24T02:18:21Z
format Article
fulltext УДК 517.9:519.46 Т. А. Баранник (Полтав. нац. пед. ун-т iм. В. Г. Короленка) УМОВНА СИМЕТРIЯ СИСТЕМИ НЕЛIНIЙНИХ РIВНЯНЬ РЕАКЦIЇ-ДИФУЗIЇ The conditional symmetry of the system of nonlinear reaction-diffusion equations is investigated. It is shown that the operators of conditional symmetry exist for the systems of nonlinear reaction-diffusion equations with an arbitrary number of independent variables. Moreover, these operators are found in the explicit form. Исследована условная симметрия системы нелинейных уравнений реакции-диффузии. Установлено, что для систем нелинейных уравнений реакции-диффузии с произвольным количеством независимых переменных существуют операторы условной симметрии, причем эти операторы найдены в явном виде. 1. Вступ. У данiй роботi дослiджується умовна симетрiя системи нелiнiйних рiвнянь реакцiї- дифузiї ∂u ∂t −A∆mu = f(u), (1) де u — стовпець (u1, u2, . . . , un), f — стовпець (f1, f2, . . . , fn), кожна з компонент вектора u є функцiєю вiд змiнних t, x1, . . . , xm, f — вектор-функцiя вiд u, A — невироджена квадратна матриця порядку n, ∆mu = ∑m i=1 ∂2u ∂x2i . Такi системи знаходять широке застосування в теорiї тепломасопереносу, а також в матема- тичнiй бiологiї та хiмiї. Вiдмiтимо, що важливими частинними випадками системи (1) для n = 2 є комплексне рiвняння Ландау – Гiнзбурга i нелiнiйне рiвняння Шрьодiнгера в m-вимiрному просторi, якi використовуються у нелiнiйнiй оптицi, а також нелiнiйнiй квантовiй механiцi. Тому симетрiйний аналiз системи рiвнянь (1) має прикладне значення i може бути використаний, наприклад, для побудови точних розв’язкiв широкого класу фiзичних i бiологiчних систем. Перша спроба класифiкувати систему (1) у випадку n = 2 належить Ю. А. Данилову [1], який обмежився випадком дiагональної матрицi A. Дослiдження лiєвських симетрiй системи (1) для n = 2 з дiагональною матрицею A було проведено у роботах [2 – 4], а з матрицею дифузiї A загального вигляду — у роботах [5, 6]. Завершеного вигляду ця класифiкацiя набрала у роботi [7 – 9]. У роботах А. Г. Нiкiтiна i Р. Вiльтшире [5, 6] запропоновано ефективний пiдхiд до дослiдження класичної i умовної симетрiй, який може бути застосований до рiвняння (1) з довiльними n i m. У роботi В. I. Фущича i М. I. Сєрова [10] було започатковано вивчення умовної симетрiї одновимiрного рiвняння ∂u ∂t − ∂2u ∂x2 = f(u), (2) яке є частинним випадком рiвняння (1) i вiдповiдає значенням n = m = 1. Вони показали, що у випадку f(u) = au3 + bu2 + c рiвняння (2) умовно iнварiантне вiдносно оператора c© Т. А. БАРАННИК, 2015 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1443 1444 Т. А. БАРАННИК X = ∂ ∂t + 2 3 √ 2au ∂ ∂x + 3 2 (au3 + bu+ c) ∂ ∂u . Вичерпний аналiз умовних симетрiй рiвняння (2) був виконаний П. Кларксоном i Е. Манс- фелд [11]. Вони встановили, що рiвняння (2) умовно iнварiантне вiдносно таких операторiв: X1 = ∂ ∂t − 3 x ∂ ∂x − 3 x2 u ∂ ∂u , якщо f(u) = au3, X2 = ∂ ∂t + 3µ tan(µx) ∂ ∂x − 3µ2 sec2(µx)u ∂ ∂u , якщо f(u) = au3 − 2µ2u, X3 = ∂ ∂t + 3µ coth(µx) ∂ ∂x − 3µ2cosech2(µx)u ∂ ∂u , якщо f(u) = au3 + 2µ2u. Цi симетрiї дозволяють побудувати точнi розв’язки рiвняння (2), якi виражаються через елiптич- нi функцiї Якобi. У роботi [12] вивчалась умовна симетрiя рiвняння (1) для n = 1 i довiльного m. У данiй роботi ми узагальнюємо результати робiт [11, 12] на векторне рiвняння (1). 2. Система визначальних рiвнянь для знаходження операторiв умовної симетрiї. Для довiльної функцiї f(u) рiвняння (1) зберiгає симетрiю вiдносно групи E(n), генератори якої мають форму P0 = ∂ ∂t , Pa = ∂ ∂xa , Jab = xa ∂ ∂xb − xb ∂ ∂xa , a 6= b, a, b = 1, 2, . . . , n. (3) Беручи до уваги симетрiю рiвняння (1) вiдносно групи обертань O(n), генератори якої Jab наведено у (3), доцiльно шукати розв’язок рiвняння (1) у виглядi u = u(t, x), x = (x21 + . . .+ x2m)1/2. У пiдсумку приходимо до редукованого рiвняння ut −Auxx −A m− 1 x ux = f(u). (4) Дослiдимо умовну симетрiю рiвняння (4). Головна iдея методу, запропонованого у [5, 6], полягає в тому, що оператор симетрiї (лiєвської або умовної) шукається у виглядi Q = η ∂ ∂t + ξ ∂ ∂x − πa ∂ ∂ua , де πa = πabub−ωa i функцiї πab, η i ξ залежать тiльки вiд t i x. Коефiцiєнти η, ξ, πa визначаються з умови, що для оператора L = ∂ ∂t −A ∂2 ∂x2 − m− 1 x A ∂ ∂x комутатор [Q,L] допускає зображення [Q,L] = ΛL+ ϕ+ θQ, (5) де Λ, ϕ i θ — квадратнi матрицi порядку n, елементи яких є функцiями вiд (t, x). ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 УМОВНА СИМЕТРIЯ СИСТЕМИ НЕЛIНIЙНИХ РIВНЯНЬ РЕАКЦIЇ-ДИФУЗIЇ 1445 В результатi отримуємо таку систему рiвнянь: 2A ∂ξ ∂x = −ΛA− [A, π], −∂ξ ∂t + 2A ∂π ∂x + ξ m− 1 x2 A+ m− 1 x ∂ξ ∂x A+A ∂2ξ ∂x2 = θξ − m− 1 x ΛA, (6) ϕ+ θπ = A ∂2π ∂x2 + m− 1 x A ∂π ∂x − ∂π ∂t , Λ + θ = 0, де π = (πab) — квадратна матриця порядку n. Якщо Q є оператором умовної симетрiї, то в рiвностi (5) θ 6= 0. Розв’язавши систему рiвнянь (6) i визначивши вiдповiднi матрицi Λ, π = (πab), ϕ, ми може- мо знайти всi нелiнiйностi fk, розв’язавши систему диференцiальних рiвнянь першого порядку (Λkb − πkb)f b + ϕkbub + Lωk + θkbωb = (−πabub + ωa) ∂fk ∂ua . (7) 3. Умовна симетрiя одновимiрного векторного рiвняння (1). Ми узагальнюємо резуль- тати роботи [11] на векторне рiвняння реакцiї-дифузiї. Буде показано, що оператори умовної симетрiї iснують для будь-якої кiлькостi n залежних змiнних. Для визначення функцiї f(u) рiвняння (1), що допускає оператор умовної симетрiї, буде суттєво використано систему визна- чальних рiвнянь (6), (7). Теорема 1. Рiвняння (4) для m = 1 i A = ( Il 0 0 3In−l ) , Il — одинична матриця порядку l, умовно iнварiантне вiдносно оператора X1 = ∂ ∂t − 3 x ∂ ∂x − 3 x2 ( u1 ∂ ∂u1 + . . .+ ul ∂ ∂ul ) , 1 ≤ l ≤ n, тодi i тiльки тодi, коли f i = u3iϕi, i = 1, . . . , l, f j = u21ϕj , j = l + 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , . . . , ul u1 , ul+1, . . . , un. Доведення. Необхiднiсть. Нехай X1 — оператор умовної симетрiї рiвняння (4) для m = 1. У даному випадку ξ = −3 x , π = 3 x2 ( Il 0 0 On−l ) , On−l — нульова матриця порядку n − l, якщо n − l > 0, i π = 3 x2 In, якщо l = n. З першого рiвняння системи (6) знаходимо Λ = − 6 x2 In. Iз третього i четвертого рiвнянь системи (6) випливає, що ϕ = 0. Тому система рiвнянь для визначення функцiй f1, . . . , fn має вигляд ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1446 Т. А. БАРАННИК −3f i + u1 ∂f i ∂u1 + . . .+ ul ∂f i ∂ul = 0, i = 1, . . . , l, −2f j + u1 ∂f j ∂u1 + . . .+ ul ∂f j ∂ul = 0, j = l + 1, . . . , n. (8) Введемо допомiжну змiнну τ : ∂ui ∂τ = ui, i = 1, . . . , l, ∂uj ∂τ = 0, j = l + 1, . . . , n. (9) Тодi з використанням змiнної τ система (8) набирає вигляду −3f i + ∂f i ∂τ = 0, i = 1, . . . , l, −2f j + ∂f j ∂τ = 0, j = l + 1, . . . , n. Розв’язуючи її, знаходимо f i = Cie 3τ , i = 1, . . . , l, f j = Cje 2τ , j = l + 1, . . . , n, де C1, . . . , Cn — довiльнi сталi. Визначимо першi iнтеграли системи (9): u2 u1 = C̄2, . . . , ul u1 = C̄l, ul+1 = C̄l+1, . . . , un = C̄n. Тому загальний розв’язок системи (8) має вигляд f i = u3iϕi, i = 1, . . . , l, f j = u21ϕj , j = l + 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , . . . , ul u1 , ul+1, . . . , un. Необхiднiсть доведено. Достатнiсть випливає з того, що функцiї ξ, π, Λ, ϕ = 0, θ = −Λ , а також функцiї f1, . . . , fn, наведенi вище, задовольняють систему визначальних рiвнянь (6), (7). Теорема 2. Рiвняння (4) для m = 1 i A = ( Il 0 0 3In−l ) умовно iнварiантне вiдносно оператора X2 = ∂ ∂t + 3µ tan(µx) ∂ ∂x − 3µ2sec2(µx) ( u1 ∂ ∂u1 + . . .+ ul ∂ ∂ul ) , 1 ≤ l ≤ n, тодi i тiльки тодi, коли f i = u3iϕi − 2µ2ui, i = 1, . . . , l, f j = u21ϕj , j = l + 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , . . . , ul u1 , ul+1, . . . , un. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 УМОВНА СИМЕТРIЯ СИСТЕМИ НЕЛIНIЙНИХ РIВНЯНЬ РЕАКЦIЇ-ДИФУЗIЇ 1447 Теорема 3. Рiвняння (4) для m = 1 i A = ( Il 0 0 3In−l ) умовно iнварiантне вiдносно оператора X3 = ∂ ∂t − 3µ coth(µx) ∂ ∂x − 3µ2cosech2(µx) ( u1 ∂ ∂u1 + . . .+ ul ∂ ∂ul ) , 1 ≤ l ≤ n, тодi i тiльки тодi, коли f i = u3iϕi + 2µ2ui, i = 1, . . . , l, f j = u21ϕj , j = l + 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , . . . , ul u1 , ul+1, . . . , un. Теореми 2 i 3 доводяться за тiєю ж схемою, що i теорема 1. 4. Умовна симетрiя багатовимiрного векторного рiвняння (1). Ми узагальнюємо ре- зультати робiт [11, 12] на багатовимiрне рiвняння реакцiї-дифузiї шляхом редукцiї його до одновимiрного рiвняння (4). Теорема 4. Рiвняння (4) для m 6= 2, m 6= 4 i A = Il 0 0 −m− 4 m In−l  умовно iнварiантне вiдносно оператора Y = ∂ ∂t + m− 4 x ∂ ∂x − (m− 2)(m− 4) x2 ( u1 ∂ ∂u1 + . . .+ ul ∂ ∂ul ) , 1 ≤ l ≤ n, тодi i тiльки тодi, коли f i = u m−4 m−2 i ϕi, i = 1, . . . , l, f j = u − 2 m−2 1 ϕj , j = l + 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , . . . , ul u1 , ul+1, . . . , un. Теорема 5. Рiвняння (4) для m = 3 i A = In умовно iнварiантне вiдносно оператора Y = ∂ ∂t + ( k − 1 x ) ∂ ∂x + 1 x2 ( u1 ∂ ∂u1 + . . .+ un ∂ ∂un ) , k 6= 0, тодi i тiльки тодi, коли f i = u−1i ϕi, i = 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , . . . , un u1 . Теореми 4 i 5 доводяться за тiєю ж схемою, що i теорема 1. ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 1448 Т. А. БАРАННИК Теорема 6. Рiвняння (4) для m = 2 i A = aIn умовно iнварiантне вiдносно оператора Y = ∂ ∂t − 2a x ∂ ∂x + 1 x2 ( b1 ∂ ∂u1 + . . .+ bn ∂ ∂un ) , bi 6= 0, для i = 1, . . . , n тодi i тiльки тодi, коли f i = exp ( −4a bi ui ) ϕi, i = 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних b1u2 − b2u1, b1u3 − b3u1, . . . , b1un − bnu1. Доведення. У даному випадку ξ = −2a x , π = 0. З першого рiвняння системи (6) знаходимо Λ = −2 ∂ξ ∂x In = −4a x2 In. З третього i четвертого рiвнянь системи (6) випливає, що ϕ = 0, θ = −Λ = 4a x2 In. Враховуючи, що ωk = bk x2 для k = 1, . . . , n i Lωk + θkkωk = ( −a ∂ 2 ∂x2 − a x ∂ ∂x ) bk x2 + 4abk x4 = 0, отримуємо систему рiвнянь для визначення функцiй f1, . . . , fn : −4afk = b1 ∂fk ∂u1 + . . .+ bn ∂fk ∂un , k = 1, . . . , n. (10) Введемо допомiжну змiнну τ : ∂ui ∂τ = bi, i = 1, . . . , n. (11) Тодi з використанням змiнної τ система (10) набирає вигляду −4afk = ∂fk ∂τ , k = 1, . . . , n. Розв’язуючи її, знаходимо fk = Ck exp(−4aτ), k = 1, . . . , n, де C1, . . . , Cn — довiльнi сталi. Визначимо першi iнтеграли системи (11) : b1ui − biu1 = C̄i, i = 1, . . . , n. Тому загальний розв’язок системи (10) має вигляд fk = exp ( −4a bk uk ) ϕk, k = 1, . . . , n, де ϕ1, . . . , ϕn — довiльнi функцiї вiд змiнних b1ui − biu1, i = 1, . . . , n. 5. Висновки. Анзаци, що вiдповiдають умовним симетрiям рiвняння (1), редукують це рiвняння до системи звичайних диференцiальних рiвнянь. Так, система рiвнянь ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11 УМОВНА СИМЕТРIЯ СИСТЕМИ НЕЛIНIЙНИХ РIВНЯНЬ РЕАКЦIЇ-ДИФУЗIЇ 1449 ∂u1 ∂t − ∂2u1 ∂x2 = u31ϕ1, ∂u2 ∂t − ∂2u2 ∂x2 = u32ϕ2, (12) де ϕ1, ϕ2 — довiльнi функцiї вiд змiнних u2 u1 , на пiдставi теореми 1 умовно iнварiантна вiдносно оператора X1 = ∂ ∂t − 3 x ∂ ∂x − 3 x2 ( u1 ∂ ∂u1 + u2 ∂ ∂u2 ) . Анзац, який вiдповiдає операторовi X1, має вигляд u1 = 2xω1(z), u2 = 2xω2(z), де z = 6t+ x2, i редукує (12) до системи звичайних диференцiальних рiвнянь ω′′1 + ω3 1ϕ1 = 0, ω′′2 + ω3 2ϕ2 = 0, (13) де ϕ1, ϕ2 — довiльнi функцiї вiд ω2 ω1 . Для деяких функцiй ϕ1, ϕ2 ця система може бути проiнтег- рована в квадратурах. Системи рiвнянь (12) i (13) детально розглянуто в [13]. 1. Danilov Yu. A. Group analysis of the Turing systems and of its analogues. – (Preprint / Kurchatov Inst. Atom. Energy; IAE 3287/1). 2. Cherniha R., King I. R. Lie symmetries of nonlinear multidimensional reaction-diffusion systems: I // J. Phys. A: Math. and Gen. – 2000. – 33. – P. 267 – 282. 3. Cherniha R., King I. R. Lie symmetries of nonlinear multidimensional reaction-diffusion systems: I. Addendum // J. Phys. A: Math. and Gen. – 2000. – 33. – P. 7839 – 7841. 4. Cherniha R., King I. R. Lie symmetries of nonlinear multidimensional reaction-diffusion systems: II // J. Phys. A: Math. and Gen. – 2002. – 36. – P. 405 – 425. 5. Nikitin A. G., Wiltshire R. Symmetries of systems of nonlinear reaction-diffusion equations // Proc. Inst. Math. Nat. Acad. Sci. Ukraine. – 2000. – 30, Pt 1. – P. 47 – 59. 6. Nikitin A. G., Wiltshire R. J. Systems of reaction-diffusion equations and their symmetry properties // J. Math. Phys. – 2001. – 42, № 4. – P. 1667 – 1688. 7. Nikitin A. G. Group classification of systems of non-linear reaction-diffusion equations with general diffusion matrix. I. Generalized Ginsburg – Landau equations // J. Math. Anal. and Appl. – 2006. – 324, № 1. – P. 615 – 628. 8. Nikitin A. G. Group classification of systems of non-linear reaction-diffusion equations with general diffusion matrix. II. Generalized Turing systems // J. Math. Anal. and Appl. – 2007. – 332, № 1. – P. 666 – 690. 9. Nikitin A. G. Group classification of systems of non-linear reaction-diffusion equations with triangular diffusion matrix // Ukr. Math. J. – 2007. – 59, № 3. – P. 395 – 441. 10. Фущич В. И., Серов Н. И. Условная инвариантность и редукция нелинейного уравнения теплопроводности // Докл. АН УССР. – 1990. – № 7. – С. 24 – 28. 11. Clarkson P., Mansfield E. Symmetry reductions and exact solutions of a class of nonlinear heat equations // Physica D. – 1993. – 70. – P. 250 – 288. 12. Баранник Т. А. Умовна симетрiя i точнi розв’язки багатовимiрного рiвняння реакцiї-дифузiї // Укр. мат. журн. – 2002. – 54, № 10. – С. 1416 – 1420. 13. Barannyk T. A., Nikitin A. G. Solitary wave solutions for heat equations // Proc. Inst. Math. Nat. Acad. Sci. Ukraine. – 2004. – 50, Pt 1. – P. 34 – 39. Одержано 12.02.15 ISSN 1027-3190. Укр. мат. журн., 2015, т. 67, № 11
id umjimathkievua-article-2080
institution Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal
keywords_txt_mv keywords
language Ukrainian
English
last_indexed 2026-03-24T02:18:21Z
publishDate 2015
publisher Institute of Mathematics, NAS of Ukraine
record_format ojs
resource_txt_mv umjimathkievua/80/ba84cf24b4a27b42ff7943157e7d6980.pdf
spelling umjimathkievua-article-20802019-12-05T09:50:14Z Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations Умовна симетрія системи нелінійних рівнянь реакції-дифузії Barannyk, T. A. Баранник, Т. А. The conditional symmetry of a system of nonlinear reaction-diffusion equations is investigated. It is shown that the operators of conditional symmetry exist for the systems of nonlinear reaction-diffusion equations with an arbitrary number of independent variables. Moreover, these operators are found in the explicit form. Исследована условная симметрия системы нелинейных уравнений реакции-диффузии. Установлено, что для систем нелинейных уравнений реакции-диффузии с произвольным количеством независимых переменных существуют операторы условной симметрии, причем эти операторы найдены в явном виде. Institute of Mathematics, NAS of Ukraine 2015-11-25 Article Article application/pdf https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2080 Ukrains’kyi Matematychnyi Zhurnal; Vol. 67 No. 11 (2015); 1443-1449 Український математичний журнал; Том 67 № 11 (2015); 1443-1449 1027-3190 uk en https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2080/1175 https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2080/1176 Copyright (c) 2015 Barannyk T. A.
spellingShingle Barannyk, T. A.
Баранник, Т. А.
Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations
title Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations
title_alt Умовна симетрія системи нелінійних рівнянь реакції-дифузії
title_full Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations
title_fullStr Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations
title_full_unstemmed Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations
title_short Conditional Symmetry of a System of Nonlinear Reaction-Diffusion Equations
title_sort conditional symmetry of a system of nonlinear reaction-diffusion equations
url https://umj.imath.kiev.ua/index.php/umj/article/view/2080
work_keys_str_mv AT barannykta conditionalsymmetryofasystemofnonlinearreactiondiffusionequations
AT barannikta conditionalsymmetryofasystemofnonlinearreactiondiffusionequations
AT barannykta umovnasimetríâsisteminelíníjnihrívnânʹreakcíídifuzíí
AT barannikta umovnasimetríâsisteminelíníjnihrívnânʹreakcíídifuzíí